计算机思维在化学的应用
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。
二、计算思维在化学软件中的应用
计算机科学在化学中的应用包括:化学中的数值计算、数据处理、图形显示、化学中的模式识别、化学数据库及检索、化学专家系统等。
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:Chem Draw, Chem Window ISIS Draw,Chem Sketch 等。
三、应用实例
以Chem Draw 为例化学家可以利用Chem Draw 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Chem Draw 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。Chem Draw 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)。
Chem Draw 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。
cratch软件在中学化学教学中的应用需要根据学生的群体特点,针对不同的教学需求,利用不同的教学方法,将Scratch软件与化学知识进行整合教学,提高学生对化学学习的兴趣,培养学生化学学习的能力。
四、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。