《化學計量學》教學大綱

《化學計量學》教學大綱課程英文名Stoichiometry課程代碼05M0106學分2總學時32理論學時32實驗/實踐學時0課程類別學科基礎課課程性質任選先修課程無機化學、概率論與數理統(tǒng)計適用專業(yè)材料科學與工程開課學院材料與化學學院注：課程類別是指公共基礎課/學科基礎課/專業(yè)課；課程性質是指必修/限選/任選。一、課程地位與課程目標（一）課程地位化學計量學是材料科學與工程專業(yè)的學科基礎課，是統(tǒng)計學、數學和化學等交叉形成的具有豐富內涵的學科。它為化學量測提供基礎理論與方法學，為各類化學波譜的數據解析和化學化工過程的研究及優(yōu)化提供新途徑，是分析儀器智能化的理論與技術基礎?；瘜W計量學不僅對發(fā)展分析化學基礎理論和促進分析儀器的智能化具有重要意義，而且逐步向多學科滲透，成為材料、化工、生物和環(huán)境等學科的重要基礎。本課程主要講授化學測量的基礎理論和方法，包括采樣理論與方法、實驗設計與化學化工過程的優(yōu)化控制，化學信號處理、分析信號的多元校正與分辨、化學模式識別、化學過程和化學量測過程的計算機模擬、化學定量構效關系、化學數據庫與化學專家系統(tǒng)等內容。通過學習這門課程，學生掌握化學計量學中各種算法的基本思路與基本方法，能夠解析各類化學波譜及化學量測的數據，并解決化學分析和量測中的工程問題。（二）課程目標1.掌握基礎化學計量學的基本知識和基本內容，研究任務及其應用領域，全面認識化學計量學，并了解化學計量學發(fā)展的新動向。2.系統(tǒng)掌握化學試驗設計與優(yōu)化、分析信號檢測與處理、基礎校正理論、化學因子分析基礎、化學模式識別的基本理論和應用條件。3.根據分析目的、各種化學計量學方法的特點、應用范圍，選擇適宜的化學計量學方法以解決分析化學問題。4.分析和解決多學科交叉中的化學問題，培養(yǎng)學生具有解決復雜工程中化學計量問題的能力。二、課程目標達成的途徑與方法1.以課堂教學為主，采用智慧課堂方式，通過雨課堂等工具，活躍課堂氣氛，引起學生學習興趣，講述化學計量學的基本知識和基本原理。2.充分引入課堂互動環(huán)節(jié)，將化學計量學中化學試驗設計與優(yōu)化、分析信號檢測與處理、化學模式識別以及化學過程和化學量測過程等作為互動討論的重點，使學生更好地理解和掌握根據實際需要如何在化學和工程中進行化學計量。3.注重案例教學，理論聯(lián)系實踐。將化學計量學的原理和知識充分與化工、材料、生物和環(huán)境等方面應用結合起來，培養(yǎng)學生運用化學計量學原理和知識解決實際問題的能力。三、課程目標與相關畢業(yè)要求的對應關系課程目標課程目標對畢業(yè)要求的支撐程度（H、M、L）畢業(yè)要求3畢業(yè)要求7畢業(yè)要求11課程目標10.20.3課程目標20.20.3課程目標30.30.20.4課程目標40.30.20.6注：1.支撐強度分別填寫H、M或L（其中H表示支撐程度高、M為中等、L為低）。畢業(yè)要求指標點對應課程（3）設計/開發(fā)解決方案：能夠針對新材料的組分設計、性能檢測、工藝制定和質量管理等多方面綜合性的復雜工程問題提出合理解決方案，在材料設計、生產與工程應用環(huán)節(jié)中體現創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素，設計并制訂特定性能的新材料開發(fā)全周期、標準和規(guī)范。3-1能夠描述新材料產品設計、制備工藝、性能檢測、質量管理等的解決方法和影響因素；0.30（學科選修任選模塊1）3-2能夠進行系統(tǒng)或工藝流程設計，并能夠針對特定需求進行可行性分析，體現創(chuàng)新意識，發(fā)現問題、提出問題并提出解決方案；3-3能識別材料開發(fā)及設計任務所面臨的多種制約因素，如社會、健康、安全、法律以及環(huán)境等。（7）環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展：能夠理解和評價針對新材料的產品設計、性能檢測、工藝制定和質量管理等多方面的復雜工程問題的專業(yè)工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。7-1理解新材料開發(fā)及工程應用與環(huán)境保護和社會可持續(xù)發(fā)展的關系；7-2能夠從環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展分析和評價新材料設計、制備及工程實踐的可持續(xù)性，評價新材料產品研發(fā)、生產周期對于人類和環(huán)境的影響。0.40（學科選修任選模塊1）（11）項目管理：理解并掌握新材料產品設計和實施全周期、全流程的過程管理、成本分析與決策方法，并能在多學科環(huán)境中應用。11-1理解新材料研發(fā)、生產及工程應用過程中涉及的重要管理與經濟決策方法；11-2了解新材料研發(fā)、生產及工程應用中全周期、全流程的成本構成，能夠綜合工程活動中的多學科因素，運用工程管理與經濟決策方法進行合理分析。0.35（學科選修任選模塊1）四、課程主要內容與基本要求知識點主要內容基本要求對應的課程目標(1)化學計量學簡介①化學計量學的定義L1課程目標1、2②化學計量學研究對象L1課程目標1、2③化學計量學的進展L3課程目標1、2、4(2)數學基礎知識與MATLAB簡介①掌握線性代數和概率論的基礎知識L1課程目標1、2②MATLAB平臺的基本功能和使用L2課程目標1、2、3(3)相關分析及其應用①典型相關分析原理及實踐L2課程目標1、2、3②數據的統(tǒng)計檢驗方法L2課程目標2、3③Handamad變換、Fourier變換和小波變換L3課程目標2、3(4)回歸分析及其應用①K-矩陣法、P-矩陣法L3課程目標1、2、3②多元回歸、主成分回歸L2課程目標1、2、3③人工神經網絡方法L2課程目標1、2、3④多元分辨的有關方法L3課程目標1、2、3、4(5)實驗設計與實驗數據的處理①正交設計的方法L1課程目標1、2、3②均勻設計L1課程目標1、2、3③序貫實驗方法L2課程目標1、2、3、4(6)主成分分析及其在回歸分析中的應用①主成分析的NIPLALS算法L3課程目標2、3、4②主成分回歸L3課程目標2、3③PLSR原理L3課程目標1、2、3(7)化學校正理論及光譜定量分析技術①多元化學校正方法L1課程目標1、2、3②定量分析方法L3課程目標1、2、3、4(8)化學模式識別及其應用①化學模式識別的基本概念L1課程目標1、2②判別分析法和聚類分析法L2課程目標1、2、3、4③基于特征投影的降維顯示方法L3課程目標1、2、3、4五、課程學時安排章節(jié)號教學內容學時數學生任務對應課程目標第一章：緒論1.為什么學習化學計量學2.化學計量學的定義3.化學計量學解決問題的方法4.化學計量學的研究對象與內容5.化學計量學與現代分析化學的關系6.化學計量學教學及其目的21.化學計量學的定義和解決問題的方法有關習題2.課堂討論：化學計量學和現代分析化學的關系課程目標1、2、4第二章：數學基礎知識與MATLAB簡介1.線性代數基礎知識2.矩陣概念與化學信息3.誤差與數理統(tǒng)計基本知識4.MATLAB平臺簡介5.化學數據的預處理方法31.完成線性代數基礎知識、矩陣概念和誤差基本知識的有關習題2.課后報告：MATLAB軟件的應用課程目標1、2、3第三章：相關分析及其應用1.簡單線性相關分析2.相關分析函數關系3.復相關分析4.典型相關分析31.完成簡單線性相關分析、復相關分析的習題2.課堂討論：化學成分計量和檢測中的相關分析課程目標1、2、3第四章：回歸分析及其應用1.回歸分析的概念與原理2.一元線性回歸分析3.多元線性回歸分析4.可化成多元線性回歸的問題5.二次回歸模型及最優(yōu)回歸模型6.回歸分析中必須注意的問題41.一元線性回歸分析、多元線性回歸分析和二次回歸模型的習題2.課堂測驗：一元線性回歸分析、多元線性回歸分析和二次回歸模型相關測驗課程目標1、2、3、4第五章：實驗設計與實驗數據的處理1.基本概念介紹2.正交實驗設計3.均勻實驗設計4.序貫實驗設計方法41.完成正交試驗設計和均勻實驗設計的相關習題2.課后報告：向材料與化學學院各個實驗室（至少3個）詢問有關正交實驗設計在化學試驗中的使用情況課程目標1、2、3、4第六章：主成分分析及其在回歸分析中的應用1.主成分分析2.主成分分析的實例及其在MATLAB平臺的實現3.偏最小二乘回歸(PLSR)41.完成主成分分析和偏最小二乘回歸相關習題2.課堂討論：偏最小二乘回歸在化學計量檢測中的應用課程目標1、2、3、4第七章：化學校正理論及光譜定量分析技術1.基本概念2.化學量測數據的矩陣表示3.多元化學校正方法4.多元校正方法在近紅外定量分析技術中的應用5.光譜多元校正定量分析技術41.完成化學量測數據的矩陣表示和多元化學較正方法的相關習題2.課堂測驗：結合近紅外光譜進行多元校正課程目標1、2、3、4第八章：化學模式識別及其應用1.基本概念2.模式識別的數據準備3.模式間相似程度的度量方式4.判別分析5.無監(jiān)督模式識別法6.模式識別方法在近紅外定性分析技術中的應用41.完成模式識別的數據準備和判別分析相關習題2.課堂討論：近紅外定性分析中的模式識別方法課程目標1、2、3、4第九章：如何用好化學計量學1.避免采用不穩(wěn)定的數據建模2.避免采用離群點和異常點建模3.謹慎進行數據的轉換和確認4.原始數據的初始分析5.專業(yè)知識的利用6.建模與驗證相結合7.慎重選擇適用方法8.課程總結41.課堂討論：原始數據的分析、建模和驗證課程目標1，2，3，4六、考核方式及成績評定考核內容考核方式評定標準（依據）占總成績比例過程考核雨課堂表現情況和平時作業(yè)（20%）根據中國計量大學學生課程平時成績考核細則，按照雨課堂表現情況和作業(yè)完成情況進行考核40%課堂討論發(fā)言、課后撰寫報告和平時測驗（20%）根據中國計量大學學生課程平時成績考核細則，按照課堂發(fā)言、撰寫報告和課堂測驗成績考核期末考核開卷卷面成績60%考核類別考試成績登記方式百分制七、推薦教材與主要參考書（一）推薦教材：基礎化學計量學及其應用，倪力軍，張立國編者，華東理工大學出版社，2011年7月，第一版（二）主要參考書：1.《化學計量學研究方法》，盧小泉編著，科學出版社，2013年4月，第一版。2