计算思维在化学上的应用

作业题目2

——化学及化学软件与计算机中的表示、存储、执行的关系

(专业：化学)

1.计算思维与化学

计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设

计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活

动。它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维

利用启发式推理来寻求解答，就是在不确定情况下的规划、学习和

调度。计算机科学不是计算机编程。像计算机科学家那样去思维意

味着远不止能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思

维。计算机科学在本质上源自数学思维，因为像所有的科学一样，

其形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思

维，因为我们建造的是能够与实际世 界互动的系统，基本计算设备

的限制迫使计算机学家必须计算性地思考，不能只是数学性地思

考。构建虚拟世界的自由使我们能够设计超越物理世界的各种系

统。化学中，计算思维已经深入其研究的方方面面，绘制化学结构

及反应式，分析相应的属性数据、系统命名及光谱数据，无不需要

计算思维支撑。

2.计算思维在化学软件中的应用

化学软件指的是程序开发人员要开发的一个数据库应用管理系

统，它可以是一个物质结构信息系统、化学反应原理系统等。(各

种有关功能的窗口的集合构成一个完整的应用系统，分发给各个终

端用户的就是一个应用程序)。化学软件就是要在化学理论和化学

事实的基础上，建立起相应的数据库，从而挖掘数据库数据，来达

到抽取化学信息、归纳化学事实，推理新的化学理论的目的。化学

软件同样也是为解放人力劳动，提高劳动效率的有效途径，因此，

任何利用计算机来有效提高效率和速度的程序也是化学软件的目标

之一。

借助于计算机庞大有序准确的记忆，对化学研究、生产、贸易

进行管理的程序也应当是化学软件的开发方向。有关化学结构式编

辑的软件市面上非常之多，它们各有所长。既有商品的，亦有对教

育界及家用免费的。其功能主要是描绘化合物的结构式、化学反应

方程式、化工流程图、简单的实验装置图等化学常用的平面图形的

绘制。常见的这类软件有：ChemDraw, ChemWindow ISIS Draw,

ChemSketch 等。

3.应用实例

以ChemDraw 为例化学家可以利用ChemDraw 准确处理和描绘有

机材料、有机金属、聚合材料和生物聚合物 (包括氨基酸、肽、DNA

及RNA 序列等)，以及处理立体化学等高级形式。化学家通过

ChemDraw 能够预先识别可能具有所需属性的化合物，再进行实际合

成，从而达到节省时间和降低成本的目的。ChemDraw 可以预测化合

物属性、光谱数据、IUPAC 命名以及计算反应计量，节省研究时间

的同时提高数据准确性。这套功能强大的工具可以处理子结构查询

类型(例如，可变附着点、R 基团、环/链大小、原子/键/环类型和

通用原子)。

ChemDraw 可以建立和编辑与化学有关的一切图形。例如，建立

和编辑各类化学式、方程式、结构式、立体图 形、对称图形、轨道

等，并能对图形进行翻转、旋转、缩放、存储、复制、粘贴等多种

操作。基于国际互联网技术开发的智能型数据管理系统，包含的多

种化学通用 数据库共四十多万个化合物的性质、结构、反应式、文

献等检索条目的分析和利用，可为化学家的目标化合物设计、反应

路线选择和物化性质预测以及文献的调用提 供极大的方便。除了以

上所述的一般功能外，其ultra 版本还可以预测分子的常见物理化

学性质如：熔点、生成热等；对结构按IUPAC 原则命名；预测质子

及碳13 化学位移动等。

4.总结归纳

化学中的数据处理多种多样：对实验数据进行数学处理、统计

分析、付立叶变换、t-试验、线性及非线性拟合；绘制二维及三维

图形如：散点图、条形图、折线图、饼图、面积图、曲面图、等高

线图等。 “面向所有的人，所有地方”，计算思维在化学中的应用

永无止境。

参考资料：

[1] K. Palewska, A. Miniewicz, S. Bartkiewicz et al. Influence of electric field on

photoluminescence of lanthanide-doped nematic liquid crystal. Journal of luminescence.