計算思維在化學上的應用

作業題目2

——化學及化學軟件與計算機中的表示、存儲、執行的關系

(專業：化學)

1.計算思維與化學

計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設

計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活

動。它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維

利用啟發式推理來尋求解答，就是在不確定情況下的規劃、學習和

調度。計算機科學不是計算機編程。像計算機科學家那樣去思維意

味著遠不止能為計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思

維。計算機科學在本質上源自數學思維，因為像所有的科學一樣，

其形式化基礎建筑于數學之上。計算機科學又從本質上源自工程思

維，因為我們建造的是能夠與實際世 界互動的系統，基本計算設備

的限制迫使計算機學家必須計算性地思考，不能只是數學性地思

考。構建虛擬世界的自由使我們能夠設計超越物理世界的各種系

統。化學中，計算思維已經深入其研究的方方面面，繪制化學結構

及反應式，分析相應的屬性數據、系統命名及光譜數據，無不需要

計算思維支撐。

2.計算思維在化學軟件中的應用

化學軟件指的是程序開發人員要開發的一個數據庫應用管理系

統，它可以是一個物質結構信息系統、化學反應原理系統等。(各

種有關功能的窗口的集合構成一個完整的應用系統，分發給各個終

端用戶的就是一個應用程序)。化學軟件就是要在化學理論和化學

事實的基礎上，建立起相應的數據庫，從而挖掘數據庫數據，來達

到抽取化學信息、歸納化學事實，推理新的化學理論的目的。化學

軟件同樣也是為解放人力勞動，提高勞動效率的有效途徑，因此，

任何利用計算機來有效提高效率和速度的程序也是化學軟件的目標

之一。

借助于計算機龐大有序準確的記憶，對化學研究、生產、貿易

進行管理的程序也應當是化學軟件的開發方向。有關化學結構式編

輯的軟件市面上非常之多，它們各有所長。既有商品的，亦有對教

育界及家用免費的。其功能主要是描繪化合物的結構式、化學反應

方程式、化工流程圖、簡單的實驗裝置圖等化學常用的平面圖形的

繪制。常見的這類軟件有：ChemDraw, ChemWindow ISIS Draw,

ChemSketch 等。

3.應用實例

以ChemDraw 為例化學家可以利用ChemDraw 準確處理和描繪有

機材料、有機金屬、聚合材料和生物聚合物 (包括氨基酸、肽、DNA

及RNA 序列等)，以及處理立體化學等高級形式。化學家通過

ChemDraw 能夠預先識別可能具有所需屬性的化合物，再進行實際合

成，從而達到節省時間和降低成本的目的。ChemDraw 可以預測化合

物屬性、光譜數據、IUPAC 命名以及計算反應計量，節省研究時間

的同時提高數據準確性。這套功能強大的工具可以處理子結構查詢

類型(例如，可變附著點、R 基團、環/鏈大小、原子/鍵/環類型和

通用原子)。

ChemDraw 可以建立和編輯與化學有關的一切圖形。例如，建立

和編輯各類化學式、方程式、結構式、立體圖 形、對稱圖形、軌道

等，并能對圖形進行翻轉、旋轉、縮放、存儲、復制、粘貼等多種

操作。基于國際互聯網技術開發的智能型數據管理系統，包含的多

種化學通用 數據庫共四十多萬個化合物的性質、結構、反應式、文

獻等檢索條目的分析和利用，可為化學家的目標化合物設計、反應

路線選擇和物化性質預測以及文獻的調用提 供極大的方便。除了以

上所述的一般功能外，其ultra 版本還可以預測分子的常見物理化

學性質如：熔點、生成熱等；對結構按IUPAC 原則命名；預測質子

及碳13 化學位移動等。

4.總結歸納

化學中的數據處理多種多樣：對實驗數據進行數學處理、統計

分析、付立葉變換、t-試驗、線性及非線性擬合；繪制二維及三維

圖形如：散點圖、條形圖、折線圖、餅圖、面積圖、曲面圖、等高

線圖等。 “面向所有的人，所有地方”，計算思維在化學中的應用

永無止境。

參考資料：

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

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

總結

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