中正化學諮詢月刊

九十年十月三十一日

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內容:

[編者的話]    

[科學新知]    [科學教育專欄]   

[科學網站介紹]

　

      『追求卓越』是現在大學中行政主管及教授們常掛在嘴上的話題。除了當作一個向上提升的口號外，爭取教育部卓越計畫、重點大學、國科會貴儀中心等大型補助案才是真正的目標。其實國內一百多所大專院校除了極少數的學校外，教學研究的情況不但明顯的無法追求卓越，用『苟延殘喘』來形容也不為過。近年來政府財政困窘但學校及學生數量大幅增加，在僧多粥少的情況下，高等教育的品質向下沉淪似乎是很自然的現象。然而，仔細分析國內的高等教育及研究制度及積習，我們不難看出問題的癥結並不完全在於經費的節据。在今天這個重研究輕教學，重量不種質的風氣下，教學研究都不容易做好。既然讓非常少數的學校及計畫吸收掉大部分的研究人力及經費，為什麼到處都還只要求研究表現？既然教育部的經費補助以人數加權計算，為什麼大學部所爭取到的近一半的經費大都投入到系所研究的無底洞中，而不見教學環境與品質的改善？為什麼明明有充裕的貴儀中心經費但卻一直延續非常不合理的使用與維護制度，造成大量資源的浪費？為什麼應該以作育英才為職志的老師們卻會對教學避之唯恐不及？

        本期當中我們刊載了電腦在化學研究上應用的介紹及利用網際網路從事互動式教學的遠景。下個月我們將對今年的諾貝爾化學獎做進一步的報導。

桌面上的計算化學

Desktop Computational Chemistry

什麼是計算化學

計算化學 (Computational Chemistry) 在最近十年中可以說是發展的最快的化學研究領域之一。究竟什麼是計算化學呢？由於其目前在各種化學研究中廣泛的應用，我們並不容易給它一個很明確的定義。簡單的來說，計算化學是根據基本的物理化學理論（通常是量子化學）以大量的數值運算方式來探討化學系統的性質。最常見到的例子是以量子化學計算來解釋實驗上各種化學現象，幫助化學家以較具體的概念來了解、分析觀察到的結果。除此之外，對於未知或不易觀測的化學系統，計算化學還常扮演著預測的角色，提供進一步研究的方向。另外，計算化學也常被用來驗證、測試、修正、或發展較高層次的化學理論。同時，更為準確或有效率計算方法的開發創新也是計算化學領域中非常重要的一部分。

計算化學其實是一門有著悠久歷史的研究領域，自一九二○年代量子力學理論建立以來，許多科學家曾嘗試以各種數值計算方法來深入了解原子與分子之各種化學性質。然而在數值電腦廣泛使用之前，此類的計算由於其複雜性而只能應用在簡單的系統與高度簡化的理論模型之中。在十多年前筆者求學之時，計算化學仍是一門須具有高度量子力學與數值分析素養的人從事的研究，而且由於其龐大的計算量，絕大部分的計算工作需依靠昂貴的大型電腦主機或高階工作站來進行。

計算化學的普及

然而，此情況在九○年代中期開始有了重大的改變。由於使用在個人電腦上的處理器（Pentium, Pentium Pro）以及週邊設備（如高速記憶體及硬碟）的大幅進步，個人電腦的運算速度已經直逼一些傳統的工作站；再加上個人電腦系統無需負擔傳統多人多工系統中複雜的作業，使得個人電腦逐漸開始成為從事量子化學計算的一種經濟而有效率的工具。然而，早期為個人電腦作業系統所發展的計算化學軟體非常有限，因為數十年來大部分的科學應用軟體都是在Unix作業系統下所開發出來的，但當時在個人電腦上的Unix作業系統都非常昂貴且不易安裝與使用。就在此時，逐漸成熟的Linux作業系統開始被廣泛的使用在個人電腦之上。Linux 是由一位芬蘭人Torvald Linus所開發出來的在個人電腦上執行的Unix作業系統。在經過數年全世界無數人的協助發展下，在九○年代末期Linux已成為一功能齊全的網路多人多工作業系統。Linux最吸引人的地方在其穩定性且不需要昂貴的電腦配備，而且更重要的是它基本上是免費的。比如說，大家對目前普遍使用的作業系統當機的情況並不陌生，但Linux工作站通常可以正常運作幾個月而不出現任何問題；此外，一般個人電腦上使用的作業系統、網路、網頁、郵件、檔案、X-Window等伺服器軟體動輒需要上萬元，但這些在Linux作業系統中幾乎都可免費取得。因此，搭配Linux作業系統的個人電腦現在已成為量子化學計算的一種很好的選擇。當然，如本刊中另一篇文章所介紹的，近幾年來許多可在Windows作業系統下運作的計算化學軟體也陸續出現，功能也不斷的增強，使得個人電腦成為當今計算化學領域中非常重要的工具。

計算化學普及的另外一個原因是圖形介面的發展與使用。傳統上計算工作的輸入與輸出都是以文字方式來表示，不但輸入耗時易錯，許多計算結果的解讀也非常不易。近年來圖形介面的使用大大的簡化了這些過程，使得稍具計算化學知識的人都能夠輕易的設計複雜的理論計算，並且能夠以簡單直接的視覺效果來分析計算所得的結果。現在的研究生可能很難想像以往我們成天坐在文字終端機前一個一個字的將大分子的Z-matrix敲入的生活。

計算化學未來的發展

在硬體上，由於電腦科技進步的速度非常快，因此不易預測長遠的未來計算化學的發展。比如說，十八年前，當Apple II 帶起個人電腦旋風時，所用的處理器僅是頻率1MHz 的8位元Motorola 6502，記憶體只有48-64 kB，資料常只能存在錄音帶中，不到100 kB 的軟碟是一種奢侈品。十五年前，第一代的IBM PC XT是使用4.77MHz的Intel 8088處理器，記憶體“高達”640 kB。當時恐怕沒有人能想像如今最新一代的個人電腦可配有超過1GHz 的Pentium III、Pentium 4、或Athlon等32位元處理器，記憶體可達1GB以上，而超過30GB的高速硬碟也已非常普遍。最近，Intel又推出了64位元的Itanium處理器，而且支援此處理器的Red Hat Linux 7.1也已發行，藉由更有效率的計算與資料處理能力與對大量記憶體與檔案系統的支援，這將可大幅提昇PC上的科學運算能力。十五年來個人電腦在功能上有超過1000倍的提升！而未來十五年的發展又是如何呢？依照專家的估計，由於物理定律的限制，類似現有的處理器架構在功能上大概只有十倍的成長空間。短期來看，平行處理的技術可大幅提升運算的效率；長遠而言，或許光學電腦甚至於量子電腦將會提供現今無法想像的計算速率。

然而我個人認為計算化學要有真正突破性的發展，除了硬體的進步外，理論上研發似乎更為重要。目前對於大分子的計算限於理論的複雜性只能使用分子力學或半經驗法；而且就算電腦功能上能有1000倍的提升，距離準確的量子模擬仍有一段距離。目前的理論方法，僅能對大約小於十個原子的系統達到化學誤差（1-2 kcal/mol）內的準確度；而且這些準確的計算方法的計算量大約是跟系統大小的七次方成正比。因此，電腦計算功能的提昇通常並無法將可準確模擬的系統加大多少。一般認為要能以計算化學準確模擬各種生物及材料系統，理論化學家需要研發出計算量僅與系統大小的平方甚至一次方成正比的準確量子化學方法。

以Linux作業系統從事計算化學的實例

筆者最近二年來將研究用的計算平台逐漸由高速電腦中心及高價位的工作站轉移到使用Red Hat Linux作業系統的PC上，我們建議使用6.1以上的版本以及2.2.16以上之kernel。本實驗室最常用的計算軟體為Gaussian 98以及Gaussrate 8.2。以下就以Gaussian 98在PC上的安裝與使用為各位做一介紹。在過去Gaussian 94的版本中有提供在Linux上以f2c將Gaussian原始碼編譯的shell script，但在Gaussian 98的版本中我們則需要使用由Portland Group Inc. (http://www.pgroup.com/) 所發行的FORTRAN 編譯器 pgf77。此軟體可由網路上直接下載購買，十分方便。 若您的單位已有Gaussian 98 source code的site license，則您可直接由負責人處取得，否則需先與Gaussian公司接洽，簽署一些License Agreement，手續較為麻煩。當這二個軟體都安裝完成後，理論上就可進行Gaussian 98的編譯工作；但Gaussian公司建議採用最佳化過之BLAS 程式庫 (目前建議之版本為ppro1.2f)，這可經由網站 (http://www.cs.utk.edu/~ghenry/distrib/) 登記下載；並且由Gaussian公司 (http://www.gaussian.com/g98_req.htm) 下載blas-f2c.a 程式庫一起擺入/usr/local/lib 目錄之中。接下來便可執行Gaussian 98的安裝程式 (g98/bsd 目錄下之 bldg98)。Pgf77 的編譯速度非常驚人，絕不遜於工作站及大型主機上之編譯器；若一切順利，大約20-30分鐘後Gaussian 98程式就已準備就緒。我們建議此時至少執行一些測試工作(test jobs, 如test 1, 28, 94, 155, 194, 296, 302 等)以確定可以得到正確的計算結果。Gaussian 98支援多處理器，我們強烈建議您的電腦使用雙CPU的主機板，並且確定Linux 系統上是使用SMP版本的kernel。使用雙CPU另外要注意的是Linux 系統中內定的記憶體共享值太小，我們建議將其改為系統主記憶體的80%左右，這只需要將希望共享的記憶體量鍵入 /proc/sys/kernel/shmmax 檔案即可，在Gaussian 98中使用雙CPU的方法為在輸入檔開頭加入 %NProc=2 的指令。

雖然前面提到說目前PC已可作為計算化學的工具，但如Gaussian等軟體通常處理的計算量及資料量都非常龐大，為達到良好的效率，硬體上的配備需較一般PC高出很多。在記憶體上，512MB 的SDRAM 應是基本配備，由於最近記憶體價格的滑落，1GB 的記憶體應該是很好的選擇。硬碟配備也是影響運算速率的一個重要因素，因為在Gaussian的運算過程中常需寫入及讀取大量的資料 (scratch file)，高速硬碟的重要性不亞於記憶體。我們建議使用Ultra SCSI 160 的介面配合18GB以上的硬碟空間。新版的Red Hat Linux 支援software RAID系統。兩台以上的SCSI硬碟在RAID 0的架構下可額外增加一些IO的速度。 另外由於32位元系統的限制，PC上之scratch 檔的大小不可超過2GB。 對於較大的計算工作常需要藉著 %RWF 指令產生多個scratch 檔案。此外，為避免停電造成系統的破壞，UPS也是不可少的配備。右圖為使用Gaussian 98在不同速度的電腦上(單CPU)測試的結果。測試的分子為Benzene。測試的項目為結構最佳化、QCISD(T)單點能量、以及振動頻率的計算。這四種CPU分別是過去四年來Intel推出的代表性處理器。雖然P4在許多商用軟體上表現並不特別出色,但在我們的一系列測試中,P4的運算能力似乎遠較PIII來的強。我們正期待多重P4處理器以及Itanium 64位元處理器的電腦上市,因為這將會把桌面上的計算化學帶入一個新的高速領域。

結語

西元1998年的諾貝爾化學獎頒給對計算化學有卓越貢獻的Walter Kohn 及 John Pople。這是對計算化學領域的一大肯定，也顯示了計算化學在現當今化學研究中的重要性。數十年來，藉由計算化學的研究使得我們大幅增加了對許多化學現象的了解。隨著計算能力的大幅增加，在將來的化學研究中計算化學將扮演更加重要的角色。比如說以往計算化學所研究的系統主要侷限在氣態中的中小型分子，但近來國際上一些主要化學期刊中已陸續出現準確模擬大型生化系統的計算化學研究。計算化學不僅已成為一個重要的化學學門，它更已經是國際間化學基礎研究的必備工具。國內在這方面的起步較晚但研究人才不算少,然而受到重視的程度仍有待加強，並且應該在大學及研究所化學的課程中開始加入計算化學的基礎訓練，以培養具有分子模擬及計算化學理論能力的新一代化學專業人才。

近年來，由於電腦的蓬勃發展，使得學生家庭和各級學校的電腦使用率大大地提高，網際網路的普及率更是與日遽增，從教育的觀點來看，網際網路不僅是一種新的教學媒體與工具，可以提供教師製作教材並傳授給學生，它也是一種新的學習環境，可以建構出一種虛擬的教育環境，以彌補傳統直接教學的不足。茲分別介紹網際網路學習環境的特性、輔助學習之課程設計、線上測驗的設計及系統選擇之建議如後：

一、網際網路學習環境的特性

網際網路的學習環境是有遠距學習的特性，可以破除學習時空的藩籬，學習者只需坐在電腦前，便可以隨時進入學習的狀態。網路上的教材可以多元化，透過文字、圖形、聲音、影像及動畫，甚至虛擬實境的呈現，可以提供適當的媒介和訊息，讓學習者選擇適合個人學習特質的內容，增加學習者對學習內容的瞭解，提高學習興趣，增強使用者的長期記憶，避免一般學生常犯的通病－聽而不聞、過目即忘。

二、輔助學習之課程設計

線上輔助學習課程為學習者進行網際網路學習的主要活動，必須掌握全球資訊網(WWW)的特色，應該以建構主義(constructivist)的學習理論¹作為設計課程的準則：

1.給學生一個有趣又有挑戰性的問題(Posing Problems of Emerging Relevance to Students)

2.將學習環繞在主要的概念上：探求本質(Structuring Learning Around Primary Concepts：The Quest for Essence)

3.探求和評價學生的觀點(Seeking and Valuing Student’s Points of View)

4.調整課程以符合學生的看法與學生狀態(Adapting Curriculum to Address Student’s Suppositions)

5.在教學情境中評估學生的學習(Assessing Student Learning in the Context of Teaching)

總而言之，必須整合超媒體的人機互動與網際網路的人際互動，以展現優質的學習情境，豐富的學習資源與協調合作學習為目的。

完整的測驗系統應包括出題、考試、評分、查詢成績與系統維護等子系統，所有的程式皆以WWW瀏覽器為介面，以滿足易學易用的目的。出題系統允許老師選擇題目、更改題目和新增題目。考試系統需先輸入學生的代號、密碼、可以選擇試卷代號或讓系統隨機選題，送出答案後馬上看到考試得分、自己的答案與正確解答，也可以查看歷次的成績。系統維護可以管理整個資料庫系統，包括老師、學生及題庫的資料等。

在伺服器系統的使用上，微軟的Windows NT系統在目前的佔有率非常高，穩定性也不錯，所以作業系統建議使用Microsoft Windows NT，網頁伺服器就使用NT上所附的Internet Information Server(IIS)，資料庫軟體使用Microsoft Access，客戶端(Client)網頁設計軟體使用Microsoft FrontPage，伺服器端(Server)則結合Active Server Pages(ASP)程式，對資料庫做新增、修改、查詢與管理的功能。

1.Brooks, Jacqueline Grennon and Martin Brooks, In Search of Understanding — The Case for Constructivist Classrooms, 1993.

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