關于化學信息學及其課程教學

　　摘 要： 化學信息學是化學化工與信息科學、計算機科學的新興交叉學科。本文簡單敘述了化學信息學的產生背景、發展現狀和趨勢，并對化學信息學的課程教學進行了探討。
　　關鍵詞： 化學信息學 計算機技術 網絡技術 檢索
　　
　　隨著化學學科的發展，有關化學學科的信息層出不窮，各類化學文獻及化學新聞每天都在報道最新的化學進展，使化學信息的組織、處理和應用等工作面臨巨大的挑戰。因此，人們迫切需要提高信息處理的速度和管理水平。目前，計算機技術在化學領域的數據分析、分子模擬、化學反應模擬、信息查詢等工作中發揮越來越大的作用，受到了化學工作者和信息學專家的廣泛關注。同時，網絡技術的發展日新月異，使其逐步成為各種化學信息資源傳遞的重要載體。計算機技術和網絡技術為化學信息的管理工作提供了必要的工具和技術手段。于是，一門有關化學、信息學、計算機科學的交叉學科——化學信息學應運而生，并得以飛速發展［１］。目前，國內外很多高校已認識到化學信息學的重要性，紛紛開設了化學信息學課程。就我國來說，國內化學教學指導委員會已將化學信息學列入了化學教學的基本內容［２］。但是，作為一門新興學科，化學信息學的發展還不如傳統學科那么成熟，高校教師在該課程的教學過程中還會遇到各種各樣的問題。本文主要就該學科的產生背景、發展現狀、發展趨勢，以及教學中的問題作簡要探討。
　　1.化學信息學的產生背景
　　化學信息學是一門以信息學技術來解決化學問題的學科。上世紀中后期，計算機技術以越來越快的速度發展，并逐步應用于人類生產生活的各個方面。與此同時，化學信息也爆炸式增長，化學家開始意識到，多年積累的大量化學信息，只有通過計算機技術才能讓化學工作者容易查詢和應用。于是，一批關于化學結構數據庫、光譜信息數據庫等大型化學數據庫的編排工作開始啟動。至此，致力于解決化學問題的計算機技術和信息學方法悄然進入了化學的各個領域。1987年，諾貝爾化學獎得主Lehn教授在獲獎報告中首次提出信息化學的概念［３］。這個全新的概念對化學的發展而言具有深遠的影響，它觸及新的化學研究工具，具有深刻的時代意義。當時，雖然多數化學工作者沒有認識到化學信息學的重要性，也沒有對信息化學展開實質性的研究工作。但是，無機化學、分析化學、有機化學、物理化學、生物化學、材料化學，以及超分子化學等學科所積累的大量實驗數據卻為構建信息化學提供了基礎。目前，國內外很多大學開設了化學信息學課程并將其確定為研究生或高年級本科生的必修課程，從事研究、管理和開發化學信息的團體、機構和公司也相繼出現。化學信息學將成為推動化學學科發展的強大動力。
　　2.化學信息學的發展現狀和趨勢
　　化學信息學的內容主要包括化學信息的產生和獲取；化學信息的表達、存儲和管理；化學信息的加工和處理，以及化學信息的深化。其中，化學信息的產生和獲取主要通過實驗方法或計算機檢索。隨著化學學科的發展，科技文獻數量劇增。計算機和網絡技術的發展促進了信息社會的產生，伴隨著以光盤、計算機硬盤等形式記錄的非紙信息急速上升，而網絡技術的發展進一步推動了計算機信息檢索的發展。目前，傳統的靠“手翻、眼看、大腦判斷”的手工檢索紙質文件的檢索方式已不能適應當今時代的發展，進而產生了計算機查詢技術和網絡查詢技術。
　　化學信息的表達、存儲和管理主要涉及化學運籌學、數據整理可視化，以及數據庫管理技術。計算機能快速地進行大量復雜、繁瑣的數學計算，從而幫助化學工作者對化學物質的結構進行解析、表征。各種物質的詳細信息被整理后，分類整合到各數據庫中，就可以方便化學工作者查閱。
　　化學信息的加工和處理主要指運用化學計量學和化學軟件對化學數據進行加工和處理。化學計量學包括統計學和統計方法；分析信息理論；采樣；試驗優化與設計；分析校正理論；分析信號檢測和分析信號處理；圖像分析；構效關系研究；人工智能和專家系統；人工神經元網絡與自適應化學模式識別；庫檢索。化學計量學的多個分支，以及發展成熟，可以通過合適的實驗方法和數據處理方法獲得正確的實驗結果。但在人工智能和專家系統；人工神經元網絡與自適應化學模式識別；庫檢索等方面尚未完善，還有很多工作需要補充。此外，利用計算機程序編制的各種化學軟件對數據的處理也提供了非常重要的幫助。比如，通過各種化學軟件的幫助，我們可以很容易地獲得樣品的光譜圖（核磁共振譜、紅外光譜、熒光光譜等）。利用Shelxl軟件還可以對X-射線單晶衍射數據進行處理，逐個指認分子中的各個原子，精確解析出分子的結構。
　　化學信息的深化主要包括化學模式識別和計算機模擬設計。通過計算機模擬可以進行分子設計，例如：微觀分子工程設計與化學模擬，功能材料的結構與性能關系及其理論設計與性能模擬，生物活性分子和藥物分子的相互作用機制和QSAR（Quantitative Structural Activity and Relationship）構效關系，藥物設計、固態表面結構、固體表面軌道相互作用規律、表面吸附與催化機理的研究，以及分子以上層次聚集體（超分子體系、界面體系等）結構和固體結構及其性能的模擬等。這些是當前非常活躍的研究領域，也是未來的重點研究領域。
　　總的來說，經過二十多年的發展，化學信息學已經取得了豐碩的成果。人們在化學信息的產生和獲取；化學信息的表達、存儲和管理，以及化學信息的加工和處理方面都積累了大量經驗。但在化學信息的深化方面還不完善，它所包括的化學模式識別和計算機模擬設計仍是今后化學信息學發展的趨勢。
　　3.化學信息學的課程教學
　　化學信息學是一門有關化學、信息學、計算機科學的交叉學科，其內容涉及上述三門學科，卻在很大程度上有別于其中任何一門學科。相對于其他傳統學科的課程來說，大學生對該課程的學習沒有理論或實踐基礎。此外，該學科涉及的知識更新太快，內容日新月異，稍不留神就會跟不上形勢。因此，大學生對這門課程的學習總會遇到這樣那樣的問題。我就如何增強該課程的教學效果作簡單介紹。
　　首先，教師要選擇最新的教材，教會學生獲取化學信息的方法。該學科與傳統學科不同，其內容廣泛，在其包含的領域內，新知識層出不窮。很多化學信息更新速度極快，去年寫進教材的信息，可能在今年就會被發現已經過時，并被新信息取而代之。到了明年，今年的信息又可能失去價值。因此，教師要勤于選擇化學信息學的教材甚至每年自己整理、編寫教材。另外，教師務必要將獲取化學信息的方法傳授給學生，讓學生學會檢索美國化學文摘（CA）、美國科學引文索引（SCI），以及Reaxys等常用的數據庫，學會使用Chemoffice、Origin等作圖或數據處理軟件。
　　其次，教師要注意培養學生的學習興趣。該課程涉及的知識面廣，但是大學生對該課程沒有任何學習基礎。因此，很多學生會覺得學習該課程的難度較大。如果不加以引導，有些學生聽過幾次課之后，就會喪失學好這門課程的信心。在教學中，教師應注重理論聯系實際，使學生切實感受到該學科對化學、人類社會的發展所起的重要作用。強調該課程對化學工作者的重要性，培養大學生獲得信息、篩選信息的能力，使其具有課題查新的意識，具備渴求知識的欲望，從而形成信息處理的能力。
　　最后，教師要選擇適當的授課方式。第一次教這門課程時，由于條件的限制，我采用了純粹的課堂教學，依靠板書向學生傳授知識。盡管我已經盡力調動學生的積極性，但教學效果甚微，學生在這節課學的知識，下節課就忘記了。后來采用多媒體教學和上機實踐相結合的授課方式，學生學習的主動性明顯增強，教學效率明顯提高。兩種教學方式產生的教學效果說明單純的板書教學是枯燥無味的，不利于學生學習和記憶。但是，多媒體教學作為一種圖文并茂的教學方法，可以加深學生對所學知識的理解。此外，上機實踐可以提高學生學習的主動性，是本課程的重要環節。通過親身實踐，學生利用計算機和網絡進行信息檢索的能力明顯增強。檢索到目標信息后，學生的信心倍增，為進一步學習該課程提供了保障。
　　4.結語
　　本文簡要介紹了計算機技術和網絡技術對化學學科發展的影響，分析了化學信息學的發展現狀和發展趨勢。在未來很長一段時間內，人們對化學信息學的研究還將繼續深入，化學信息學的應用范圍將繼續拓寬，化學信息學對化學學科甚至全社會所起的作用將越來越重要。該學科的課程教學效果也將隨著學科的成熟和教師經驗的增加而增強。
　　
　　參考文獻：
　　［1］解征.化學信息學的研究進展［J］.安徽化工，2008，34，（1）：21.
　　［2］高盤良，姚天揚.當前化學教學改革若干問題的意見［J］.大學化學，2000，15，（2）：26.
　　［3］宋心琦.21世紀理論化學的重要課題之我見［J］.大學化學，1999，14，（1）：15.