关于化学信息学及其课程教学

摘 要： 化学信息学是化学化工与信息科学、计算机科学的新兴交叉学科。本文简单叙述了化学信息学的产生背景、发展现状和趋势，并对化学信息学的课程教学进行了探讨。

关键词： 化学信息学 计算机技术 网络技术 检索

随着化学学科的发展，有关化学学科的信息层出不穷，各类化学文献及化学新闻每天都在报道最新的化学进展，使化学信息的组织、处理和应用等工作面临巨大的挑战。因此，人们迫切需要提高信息处理的速度和管理水平。目前，计算机技术在化学领域的数据分析、分子模拟、化学反应模拟、信息查询等工作中发挥越来越大的作用，受到了化学工作者和信息学专家的广泛关注。同时，网络技术的发展日新月异，使其逐步成为各种化学信息资源传递的重要载体。计算机技术和网络技术为化学信息的管理工作提供了必要的工具和技术手段。于是，一门有关化学、信息学、计算机科学的交叉学科——化学信息学应运而生，并得以飞速发展［１］。目前，国内外很多高校已认识到化学信息学的重要性，纷纷开设了化学信息学课程。就我国来说，国内化学教学指导委员会已将化学信息学列入了化学教学的基本内容［２］。但是，作为一门新兴学科，化学信息学的发展还不如传统学科那么成熟，高校教师在该课程的教学过程中还会遇到各种各样的问题。本文主要就该学科的产生背景、发展现状、发展趋势，以及教学中的问题作简要探讨。

1.化学信息学的产生背景

化学信息学是一门以信息学技术来解决化学问题的学科。上世纪中后期，计算机技术以越来越快的速度发展，并逐步应用于人类生产生活的各个方面。与此同时，化学信息也爆炸式增长，化学家开始意识到，多年积累的大量化学信息，只有通过计算机技术才能让化学工作者容易查询和应用。于是，一批关于化学结构数据库、光谱信息数据库等大型化学数据库的编排工作开始启动。至此，致力于解决化学问题的计算机技术和信息学方法悄然进入了化学的各个领域。1987年，诺贝尔化学奖得主Lehn教授在获奖报告中首次提出信息化学的概念［３］。这个全新的概念对化学的发展而言具有深远的影响，它触及新的化学研究工具，具有深刻的时代意义。当时，虽然多数化学工作者没有认识到化学信息学的重要性，也没有对信息化学展开实质性的研究工作。但是，无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、生物化学、材料化学，以及超分子化学等学科所积累的大量实验数据却为构建信息化学提供了基础。目前，国内外很多大学开设了化学信息学课程并将其确定为研究生或高年级本科生的必修课程，从事研究、管理和开发化学信息的团体、机构和公司也相继出现。化学信息学将成为推动化学学科发展的强大动力。

2.化学信息学的发展现状和趋势

化学信息学的内容主要包括化学信息的产生和获取；化学信息的表达、存储和管理；化学信息的加工和处理，以及化学信息的深化。其中，化学信息的产生和获取主要通过实验方法或计算机检索。随着化学学科的发展，科技文献数量剧增。计算机和网络技术的发展促进了信息社会的产生，伴随着以光盘、计算机硬盘等形式记录的非纸信息急速上升，而网络技术的发展进一步推动了计算机信息检索的发展。目前，传统的靠“手翻、眼看、大脑判断”的手工检索纸质文件的检索方式已不能适应当今时代的发展，进而产生了计算机查询技术和网络查询技术。

化学信息的表达、存储和管理主要涉及化学运筹学、数据整理可视化，以及数据库管理技术。计算机能快速地进行大量复杂、繁琐的数学计算，从而帮助化学工作者对化学物质的结构进行解析、表征。各种物质的详细信息被整理后，分类整合到各数据库中，就可以方便化学工作者查阅。

化学信息的加工和处理主要指运用化学计量学和化学软件对化学数据进行加工和处理。化学计量学包括统计学和统计方法；分析信息理论；采样；试验优化与设计；分析校正理论；分析信号检测和分析信号处理；图像分析；构效关系研究；人工智能和专家系统；人工神经元网络与自适应化学模式识别；库检索。化学计量学的多个分支，以及发展成熟，可以通过合适的实验方法和数据处理方法获得正确的实验结果。但在人工智能和专家系统；人工神经元网络与自适应化学模式识别；库检索等方面尚未完善，还有很多工作需要补充。此外，利用计算机程序编制的各种化学软件对数据的处理也提供了非常重要的帮助。比如，通过各种化学软件的帮助，我们可以很容易地获得样品的光谱图（核磁共振谱、红外光谱、荧光光谱等）。利用Shelxl软件还可以对X-射线单晶衍射数据进行处理，逐个指认分子中的各个原子，精确解析出分子的结构。

化学信息的深化主要包括化学模式识别和计算机模拟设计。通过计算机模拟可以进行分子设计，例如：微观分子工程设计与化学模拟，功能材料的结构与性能关系及其理论设计与性能模拟，生物活性分子和药物分子的相互作用机制和QSAR（Quantitative Structural Activity and Relationship）构效关系，药物设计、固态表面结构、固体表面轨道相互作用规律、表面吸附与催化机理的研究，以及分子以上层次聚集体（超分子体系、界面体系等）结构和固体结构及其性能的模拟等。这些是当前非常活跃的研究领域，也是未来的重点研究领域。

总的来说，经过二十多年的发展，化学信息学已经取得了丰硕的成果。人们在化学信息的产生和获取；化学信息的表达、存储和管理，以及化学信息的加工和处理方面都积累了大量经验。但在化学信息的深化方面还不完善，它所包括的化学模式识别和计算机模拟设计仍是今后化学信息学发展的趋势。

3.化学信息学的课程教学

化学信息学是一门有关化学、信息学、计算机科学的交叉学科，其内容涉及上述三门学科，却在很大程度上有别于其中任何一门学科。相对于其他传统学科的课程来说，大学生对该课程的学习没有理论或实践基础。此外，该学科涉及的知识更新太快，内容日新月异，稍不留神就会跟不上形势。因此，大学生对这门课程的学习总会遇到这样那样的问题。我就如何增强该课程的教学效果作简单介绍。

首先，教师要选择最新的教材，教会学生获取化学信息的方法。该学科与传统学科不同，其内容广泛，在其包含的领域内，新知识层出不穷。很多化学信息更新速度极快，去年写进教材的信息，可能在今年就会被发现已经过时，并被新信息取而代之。到了明年，今年的信息又可能失去价值。因此，教师要勤于选择化学信息学的教材甚至每年自己整理、编写教材。另外，教师务必要将获取化学信息的方法传授给学生，让学生学会检索美国化学文摘（CA）、美国科学引文索引（SCI），以及Reaxys等常用的数据库，学会使用Chemoffice、Origin等作图或数据处理软件。

其次，教师要注意培养学生的学习兴趣。该课程涉及的知识面广，但是大学生对该课程没有任何学习基础。因此，很多学生会觉得学习该课程的难度较大。如果不加以引导，有些学生听过几次课之后，就会丧失学好这门课程的信心。在教学中，教师应注重理论联系实际，使学生切实感受到该学科对化学、人类社会的发展所起的重要作用。强调该课程对化学工作者的重要性，培养大学生获得信息、筛选信息的能力，使其具有课题查新的意识，具备渴求知识的欲望，从而形成信息处理的能力。

最后，教师要选择适当的授课方式。第一次教这门课程时，由于条件的限制，我采用了纯粹的课堂教学，依靠板书向学生传授知识。尽管我已经尽力调动学生的积极性，但教学效果甚微，学生在这节课学的知识，下节课就忘记了。后来采用多媒体教学和上机实践相结合的授课方式，学生学习的主动性明显增强，教学效率明显提高。两种教学方式产生的教学效果说明单纯的板书教学是枯燥无味的，不利于学生学习和记忆。但是，多媒体教学作为一种图文并茂的教学方法，可以加深学生对所学知识的理解。此外，上机实践可以提高学生学习的主动性，是本课程的重要环节。通过亲身实践，学生利用计算机和网络进行信息检索的能力明显增强。检索到目标信息后，学生的信心倍增，为进一步学习该课程提供了保障。

4.结语

本文简要介绍了计算机技术和网络技术对化学学科发展的影响，分析了化学信息学的发展现状和发展趋势。在未来很长一段时间内，人们对化学信息学的研究还将继续深入，化学信息学的应用范围将继续拓宽，化学信息学对化学学科甚至全社会所起的作用将越来越重要。该学科的课程教学效果也将随着学科的成熟和教师经验的增加而增强。

参考文献：

［1］解征.化学信息学的研究进展［J］.安徽化工，2008，34，（1）：21.

［2］高盘良，姚天扬.当前化学教学改革若干问题的意见［J］.大学化学，2000，15，（2）：26.

［3］宋心琦.21世纪理论化学的重要课题之我见［J］.大学化学，1999，14，（1）：15.

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