计算机在化学中的应用概况

序言

计算机在化学中的应用概况

一．计算机技术对化学科学的影响

近年来化学学科的重要成就之一是计算机在化学中的应用。计算机与化学的结合促进了化学的发展。

化学发展的历史中，每次重大的进展都与新技术、新概念、新思想的引入密切相关。天平的引入把化学反应与量的概念联系在一起产生了分析化学；用物理方法研究化学产生了一系列新的边缘学科，至今还不断影响化学的发展。计算机与化学结合是化学学科发展的必然趋势，已在如下方面产生了影响：

1、产生新的边缘学科：如计算机化学、化学计量学、计算分析化学、量子化学近似计

算方法、有机化合物结构的拓朴表示方法等。

2、促进理论化学的发展：理论化学的发展离不开计算机，大量的量子化学计算必须使

用计算机。此外，复杂体系化学反应动力学，多组分的化学平衡等问题也只有依赖

计算机才可能实现。

3、促进实验数据处理方式与方法的发展：计算机在此方面的运用使化学工作者摆脱凭

经验作图或表格的数据处理的落后的方式，得以采用以数理统计方法为基础的严格

的数据处理，以便从中抽取更多重要信息，引导出新的结论。

4、提高仪器测试精度和实验室的自动化程度：用计算机自动控制测试仪器，采集数据

并处理数据是实验室使用计算机的重要方面，不但减轻了工作人员的劳动，避免了

主观读数误差，还提高了测试的精度、灵敏度和数据采样频率，并加快了测试速度。

5、加速情报交流：计算机文献检索大大提高了文献检索的效率。Internet的发展使全世

界的信息交流进入新的历史阶段；专家系统和智能数据库与测试仪器的联机，可使

测试样品与库存数据进行比较并作出结论。

6、化工过程控制：通过生产参数的自动采集，由计算机进行处理，按最优化的方式控

制生产设备，可以有效减少化工生产过程有毒、有害和危险性物质对操作人员的危

害及提高产品产量与质量。

在其它方面，诸如计算机辅助教学、计算机辅助设计，计算机模拟等，对于科学研究、化学教育、实验室成果的工业化等方面都有广泛应用。

二、计算机技术在化学中应用的发展趋势

计算机科学是当前发展最为迅速的领域，也是最难以预测的领域。如同在20年前人们无法预测计算机网络技术对通讯领域发展的影响一样，今天同样难以预测的也包括计算机应用技术的发展，当然包括计算机技术在化学领域中的应用。未来将有哪些新的计算机技术出现？这些技术又将在哪些领域中获得发展？计算机应用技术将在哪些化学领域中取得突破？确实非常难以进行回答。然而对于计算机技术的发展趋势，特别是把握计算机技术在化学领域的发展趋势，了解其发展动态是必要的。因为它对我们把握现代化学发展方向，调整高等化学教育内容有相当大的影响。鉴于此，我们从当前已有的计算机技术发展动态和当前化学领域对计算机技术最迫切需求的领域两个角度，对计算机技术在化学科学中的发展趋势做以下推测：

1.在更复杂分子结构的精确计算方面将会加速发展

当前量子化学理论和结构化学计算方法都已发展到了相当高的程度，制约对更复杂、更大分子结构进行精确计算的主要因素仍然是计算机的计算能力。完成对这类复杂分子的化学结构计算和复合反应机理研究，需要向精密和高速计算方向发展，需要计算能力更加强大的超级计算机。可以预见，超级计算机的计算能力的发展，和计算机网络技术的发展，为从事该领域研究的科学家在更广的范围内使用性能更好的超级计算机，将提供更方便条件。因此，复杂分子结构计算研究将会在计算机技术的推动下得到更快的发展，并获取更加精确的结构信息，使结构化学计算走向实用化，达到指导化学实践的目的。有了精确结构信息作为基础，结构化学家将可能建立准确的分子结构与其物理、化学和生物性质之间的定量关系，使人类认识自然，特别是生物大分子的作用机制得到一个飞跃发展，有利于开发出新的药物和新型材料。结构化学计算的进一步发展还会推动包括分子设计在内的理论化学的实用化过程，使化学学科从一个实验科学走向理论科学。

除了计算机的计算能力之外，现代计算理论是发展复杂分子计算的必要前提。现代分子结构计算理论的建立依赖于数学方法研究、数学模型的建立和原子理论的发展深化。

2．计算机网络技术在化学各个领域中将得到进一步发展

计算机网络技术是近年来科技领域内的最大成果和突破，目前正以惊人的速度进人各个学科领域，极大地改变了各个领域的面貌，在化学科学中也不例外。计算机网络技术的介人将会使很多化学领域受益。

（l）化学信息的获得将更快、更准确

当前计算机网络技术已经成熟，目前需要急速发展的是拓展网络技术的应用。将来通过计算机网络不仅可以实现更加便捷的化学文献管理、检索，登录检索诸如CA、EI、SCI 等大型化学信息检索数据库，而且可以通过Internet获取各种物理化学参数、波谱数据等数据性信息，化学材料和药品质量、供货商、市场行情等商业性信息，行业标准、政府法规等标准法规信息，化学教学课件、网上教材等教育信息及专利信息等。在不远的将来实验室常备的各种大部头手册和词典将不再需要，化学商品和原材料的购置销售也将被网络化的电子商务所取代。很显然，发展网上化学资源是目前重要的任务之—。当前网上图书馆、网上杂志等发展迅速，国内外都有很多化学杂志在网上发行或发行网络版，这些都会给化学信息的传输创造便利条件。

（2）计算机远程化学教学将越来越普及

计算机网络技术将改变目前的主要教学手段和观念。教室和教师的概念将被淡化，取而代之的将是不同于电视和广播的智能化的远程教学，考试将会是无纸化的并在网上进行。甚至出国留学的形式都将发生变化，从自己家里就可以通过网络就读世界上任何一所名牌大学将不再是梦想。计算机的交互作用、多媒体技术与网络通讯技术相结合，发展计算机远程化学教学将是21世纪化学教育的重要发展方向之一。目前该项技术本身已经相当成熟，开发应用软件和课件，扩大网络覆盖程度，建立网上教育体系是未来几年的主要任务。当前我国已有多所大学开始这种新的教育模式。它将代替传统的广播和电视教育，有可能从根本上改变现有的教育手段和教育观念。目前，我国高等教育正在推行的“精品课程建设”正是将优质教育资源共享的一项工程。

（3）化学工业生产和化学实验室的自动控制将得到快速发展

计算机网络技术的发展还将使化工自动控制体系从单台设备、成套设备的控制，发展到整个生产体系的自动控制，而这个生产体系可能并不在一个地方，甚至不在一个国家。使生产组织衔接更有效，更经济。此外局域网络技术的成熟，个人计算机和工作站的迅速普及，计算机接口技术的完善，人工智能化软件的开发使用，都会推动化工生产的自动化控制和化学实验室自动化管理获得更快发展。改变化学工业和相关科学研究在人们心目中的旧有形

象。

3．人工智能化技术在化学领域将获得快速发展

人工智能化技术是利用计算机的存储、检索、运算、推理、学习功能，模仿人类思维方式，解决各类复杂问题的重要技术。该项技术由于计算机计算能力的快速提高和人工智能理论的发展，已经得到长足发展，并且已经在多个领域中获得成功应用。如我国独立开发的中医专家诊断系统等表现出某些真正专家的作用。由于化学学科的复杂性、经验依赖性和数据多样性等特点，所以在化学学科中更需要人工智能技术的发展。

目前正在迅速发展的化学化工专家系统一般包括智能化数据库系统、科学推理咨询系统、知识学习系统和科学决策系统等，是计算机科学与化学科学紧密结合的产物。

化学类计算机专家系统在国内外都还处于起步阶段，虽然在分子结构预测、复杂样品色谱分析的智能化、材料配方优化等方面取得了较大进展，但还有许多问题有待于解决。可以相信，在未来数年内，在总结归纳各化学化工专业的知识和经验基础上，各种计算机化学专家系统将被大量开发和完善，并在各个领域发挥越来越大的作用。

三、化学工作者在普及计算机技术的过程中的任务

虽然计算机技术在化学中的应用有不短的历史，但是在化学各个领域中的发展并不平衡。随着计算机性能的提高和普及，计算机在化学各个学科的普及速度将获得迅速发展。在不远的将来，在所有化学实验室、课堂、化工厂都将出现计算机的身影，在几乎所有的化学领域都将逐步采用计算机技术。在化学的各个领域普及计算机技术，跟上世界发展趋势也是我国化学界面临的重要任务。与西方国家相比，我国开始普及计算机的工作大约晚10年左右，在化学领域其滞后的程度更加明显。然而，计算机技术普及对推动化学学科发展的作用已经日益明显。因此，在化学领域大力普及计算机技术是当务之急。对于化学工作者在未来普及计算机技术的过程中将承担以下任务：

（1）参与开发化学应用软件

开发化学应用软件需要化学和计算机领域的双重知识，化学工作者扮演着重要角色。当前我国在计算机化学模拟、量子化学计算、实验室自动化管理、专家系统开发、化学教学课件的研制方面与国外都有较大差距，开发工作任重道远。

（2）参与化学化工设备仪器的计算机化过程

早期的机电一体化目前已经发展为仪器设备的计算机化，诸如计算机控制化工设备和化学仪器，单片机等电脑控制技术在化工设备中的广泛应用等。通过化学化工设备仪器的计算机化，将使计算机技术真正融人化学化工领域的生产和科研中，这样不仅将大大提升我国化学化工仪器设备的生产水平，而已可以推动整个化学工业水平的提高。

（3）掌握化学应用软件和其他计算机技术，扩大计算机技术在化学中的应用范围

应当明确一个道理，推广计算机技术应用是关键。只有应用才有效益，而在化学化工领域应用计算机技术主要靠化学工作者自己。大量采用各种计算机技术和化学应用软件，不仅可以大大提高工作效率，而且还使我们进一步了解计算机、了解软件工作原理，为开发研究我们自己的应用软件积累知识。

四．计算机在化学中的应用课程的内容

计算机在化学中的应用应该说有一个相当大的范围。计算机科学是一个完整的学科，内容包括软硬件、理论与技术等方方面面，同时计算机技术发展非常迅猛。随着各学科之间的交叉渗透和相互发展，计算机技术在其他学科领域中的应用也已经构成各具特点的独立学科。作为一个化学家不可能、也没有必要完全掌握全部计算机知识和技术。对于化学工作者

来说，学习计算机知识的目的是将其作为一种工具来提高工作效率和开拓新的研究领域，将其与自己从事的专业紧密结合，予以开发和应用。因此将计算机在化学中的应用知识当作一门实用技术来掌握是恰当的。我们除了需要了解和掌握计算机的基本知识和计算机使用方法外，还需要掌握与化学相关的一些特殊方法和软件知识。根据上述定位，“计算机技术在化学中的应用”大致应该包括以下方面：

（l）以计算机网络技术为基础的计算机网上应用知识

其中包括运用计算机网络技术进行计算机化学信息和数据的收集、管理、检索、交换，远程计算机的登录、操作使用，网上多媒体化学教学课件的制作与使用等知识。目标是能够通过计算机网络驾驭网上的化学资源，检索收集网上的化学信息，能够通过网络进行大型计算机远程登录和操作，以及利用计算机网上资源进行化学教学工作。近年来计算机网络的发展，特别是国际互联网的发展非常迅速，计算机网络已经成为重要的现代信息媒体。

（2）以化学程序编写和使用为目的的计算化学知识

应该说计算机的软件技术是计算机应用技术的基础和精髓，掌握必要的软件知识，对于在化学领域应用计算机技术来说是十分必要的。越来越多的化学问题可以通过使用各种专业化的应用软件来解决，学习和利用商业的或共享的化学软件来解决问题是必要的。当然，能基本掌握至少一门高级语言，学习基本的程序编制技术，掌握利用计算机技术，根据工作的需要，解决计算基本化学问题的技巧和技能。如计算机化学数值计算、化学机理推导、方程求解、参数运算等计算化学课题是更加理想的。

（3）以计算机CAD、三维动画和图形化技术为基础的化学结构模拟和图形表达知识借助于模型和图形认识分子微观世界是化学研究的重要手段，采用计算机技术可以将不可见的分子二维和三维结构、以及复杂的化学过程栩栩如生地表现出来，其中包括分子结构、化学和化工装置、实验数据的图形化表达方法。掌握上述知识主要目的在于建立开发化学类教学课件，学习应用商业化的或共享性化学和化工CAD软件、分子模型建立和演示软件、化学过程模拟软件，多维分子结构绘制软件、数值分析及处理软件，以及多媒体化学演示软件的使用技术。学习利用上述软件解决教学、科研和生产设计方面的实际问题。

（4）以计算机数据库建立、维护和操作为基础的化学数据库知识

计算机化管理已经成为包括化学实验室在内的各个领域的基本要求，而其中的核心就是建立高效智能化的信息数据库。因此学习掌握化学数据库的相关知识，包括化学数据库的建立、使用和维护技术成为必然。当前商业化的数据库开发平台以及各种专业化的数据库软件已经开发了很多。学习掌握专业数据库的开发与化学商品数据库、化学参数数据库、光谱数据库等商业数据库的使用和维护方法等是主要目的，同时学习利用化学数据库对化学实验室和化工厂进行计算机管理。

（5）以计算机接口技术为基础的化学实验室计算机自动控制和数据收集知识

计算机在化学实验室已经逐步普及。利用计算机自动采集化学实验室的大量实验数据并进行综合处理，以及对实验室各种仪器设备进行交互式的自动控制，是提升实验室工作效率的重要内容之—。这项工作需要化学工作者的直接参与才能完成。掌握上述知识需要在具备基本电工电子知识的基础上，学习掌握基本的计算机接口与数据传输技术。利用计算机对化学实验仪器设备的交互控制，实现化学实验室或化工厂计算机实验数据收集、处理及优化过程，化工设备及科学仪器的自动化控制。

（6）了解计算机化学专家系统的开发和使用知识

人工智能是计算机发展的最高境界，也是计算机应用的重要领域。化学的各个相关学科普遍具有知识量大、过程复杂、相对规律性较差的特点。因此利用计算机的海量信息存储能力、准确的逻辑判断分析能力，和强大的计算能力，建立化学类专家系统具有重要的特殊意义。建立和开发这种化学类专家系统必须要有化学家的参与才能完成，同时这种专家系统

的最终使用和维护者也必然是化学工作者。因此需要了解掌握计算机智能化技术，结合逻辑运算、数据库管理和决策判断等技术知识，为建立各种化学化工专家系统做知识储备。

可以认为，上述6个方面是计算机技术在化学中应用的基本内容。当然，计算机化的化学分析测定仪器设备、自动化的化工机械设备和复杂高级的大型化学软件的开发也应该属于该领域。随着计算机技术的发展，计算机专家与化学家的不懈努力，还会有更多计算机的新应用领域被开发，谁也不能断言和圈定计算机的发展领域。不容回避的趋势是化学工作者必须要掌握必要的计算机知识，并且能够将这种知识有效地在化学的各个领域中获得应用。计算机在化学中的应用知识也必将成为化学工作者的基本知识构成。鉴于目前化学类教育体系课程设置和计算机在化学中的应用技术才刚刚开始普及，要求过高是不现实的。但由于计算机技术发展变化的速度非常之快，知识更新的速度是其它学科不能比拟的，计算机技术在化学中的应用的内容也是要不断有新的变化。

我们的《计算机在化学中的运用》课程，由于课时少，只能在上述思想框架内简要地介绍：有关Internet资源的运用、多媒体教学有关问题讨论、一些相关数学软件和化学软件的使用、计算机数据采集等知识，并选用VB，对可视化编程进行初步的介绍。

显然，本课程只能起到引入门的作用，要能熟练地运用计算机这个现代化的工具解决化学、化工的问题，还需要更深入地学习和实践。