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計(jì)算機(jī)分子模擬技術(shù)范文第1篇

但是由于中藥組成成分繁多而且復(fù)雜，加上對(duì)實(shí)際起作用的藥物單體結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不清、作用機(jī)制模糊等研究現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的篩選方法是將各成分分離提純出來(lái)測(cè)其分子結(jié)構(gòu)并進(jìn)行相應(yīng)的藥理試驗(yàn)，其工作量巨大、盲目性、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高且只能是小規(guī)模篩選，這些都使得中醫(yī)藥學(xué)得不到很好的傳承和發(fā)展。

有助于新藥研究

近50年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬藥物小分子與生物大分子相互作用的分子模擬技術(shù)得到迅猛發(fā)展，從最初只能模擬小分子之間相互作用到如今能實(shí)現(xiàn)分子量巨大的蛋白質(zhì)的相互作用；從最初只能模擬幾個(gè)皮秒的變化到如今模擬幾十個(gè)納秒的變化，這些發(fā)展歷程表明分子模擬計(jì)算正朝著高精度、大體系、長(zhǎng)時(shí)程的方向發(fā)展。

這為我們從現(xiàn)有的中藥數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的分子中篩選出新的藥物先導(dǎo)分子，研制新的藥物提供了極大的方便。我們可以將中藥或復(fù)方看成天然組合的化學(xué)庫(kù)，在目前已知的中藥或復(fù)方有關(guān)化學(xué)成分信息基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)藥物虛擬篩選技術(shù)探討其可能的作用機(jī)理，為實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供重要的信息，如有效分子的構(gòu)象等，這會(huì)使得實(shí)驗(yàn)具有比較強(qiáng)的導(dǎo)向性，提高藥物設(shè)計(jì)的命中率和減少盲目性，同時(shí)減少大量人力物力的消耗。

可以說(shuō)，應(yīng)用分子模擬技術(shù)篩選藥物改變了傳統(tǒng)的盲目性的藥物篩選模式，極大地減少了藥物篩選的時(shí)間，降低了成本，增加了安全性，加快了研究過(guò)程，并增進(jìn)了對(duì)分子具體作用機(jī)制的了解。

分子模擬利用理論方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)，是指運(yùn)用一定的軟件，通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬或仿真分子運(yùn)動(dòng)或分子間相互作用的現(xiàn)代技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于計(jì)算化學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)分子模擬技術(shù)通過(guò)分析和計(jì)算一系列活性藥物分子的三維構(gòu)象，可以了解某一類藥物分子所具有的空間結(jié)構(gòu)，這一技術(shù)對(duì)新藥研究有很大幫助。

以國(guó)際大型藥廠為例，在采用計(jì)算機(jī)模擬篩選以前，研制一種新藥，平均需要花費(fèi)10～12年的時(shí)間，耗資2. 0億～3. 5億美元，而新藥上市成功率只有17%～20%，但由于模擬計(jì)算的加入，新藥上市的時(shí)間縮短了2～3年，成功率提升至50%～60%。這些都表明，模擬計(jì)算大大加快了新藥研發(fā)的進(jìn)程，也為中藥新藥物的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展帶來(lái)了新的曙光。

三種主要的計(jì)算機(jī)虛擬篩選技術(shù)

隨著國(guó)家“十二五”規(guī)劃的出臺(tái)，生物醫(yī)藥研發(fā)受到了前所未有的重視。而想在醫(yī)藥方面有重大突破，中醫(yī)藥有效成分研發(fā)勢(shì)在必行。

在醫(yī)學(xué)全球化的大背景下，隨著技術(shù)進(jìn)步和人文理念的轉(zhuǎn)變，生命科學(xué)的研究正在飛速發(fā)展中，全球化組織也紛紛出臺(tái)相應(yīng)發(fā)展戰(zhàn)略，如WHO提出“21世紀(jì)人人享有衛(wèi)生保健”的目標(biāo)，這些都為中醫(yī)藥現(xiàn)代化提供了良好的機(jī)遇。

中醫(yī)藥經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積淀，其臨床療效顯著，對(duì)人體健康毒副作用較低，而且部分藥物單體表現(xiàn)出了廣泛的藥理活性，對(duì)多種疾病均具有治療效果。而分子模擬計(jì)算的高通量和高精度等特點(diǎn)很好解決中醫(yī)藥現(xiàn)代化進(jìn)程中面臨的諸多難題。模擬計(jì)算不僅能夠?qū)崿F(xiàn)中藥單體的大批量篩選，而且能夠探究其具體的作用機(jī)制，這為闡明中醫(yī)藥的藥理活性注入了全新的活力。

由此觀之，在模擬計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展的今天，中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化是大勢(shì)所趨。

眾所周知，傳統(tǒng)的實(shí)體的藥物篩選需要構(gòu)建大規(guī)模的化合物庫(kù)，提取或培養(yǎng)大量實(shí)驗(yàn)必需的靶酶或靶細(xì)胞，并且需要復(fù)雜的設(shè)備支持，因而需要投入大量的資金。而虛擬藥物篩選是將藥物篩選的過(guò)程在計(jì)算機(jī)上模擬，對(duì)化合物的活性做出預(yù)測(cè)，這樣就能夠集中目標(biāo)，大大降低實(shí)驗(yàn)篩選化合物的數(shù)量從而縮短研發(fā)周期、節(jié)約經(jīng)費(fèi)開(kāi)支。

將虛擬藥物篩選技術(shù)應(yīng)用在中醫(yī)藥研發(fā)中，能夠達(dá)到事半功倍的效果。現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)虛擬篩選技術(shù)主要有以下幾種方法：

一是基于分子對(duì)接的篩選方法。具體而言，這個(gè)方法是基于一個(gè)靶點(diǎn)（通常是酶、受體、離子通道、核酸等）的三維結(jié)構(gòu)，常常采用分子對(duì)接的虛擬篩選方法從小分子數(shù)據(jù)庫(kù)中找到能與之匹配的候選化合物。

所謂分子對(duì)接，就是小分子與受體大分子通過(guò)幾何匹配和能量匹配相互識(shí)別的過(guò)程，即在藥物分子和靶點(diǎn)產(chǎn)生藥效的反應(yīng)過(guò)程中，兩個(gè)分子先充分接近，然后采取合適的取向，使兩者在必要的部位相互契合、發(fā)生作用，進(jìn)而通過(guò)構(gòu)象調(diào)整形成穩(wěn)定的復(fù)合物。這就好比是鎖與鑰匙的原理，特定的鑰匙（藥物分子）只與特定的鎖（蛋白質(zhì)）作用，而篩選出來(lái)的新的先導(dǎo)化合物就是與特定的鑰匙類似的藥物分子。

另一種是基于藥效團(tuán)搜索的方法。藥效團(tuán)的概念早在1909年由德國(guó)科學(xué)家提出，特指載有活性特征原子的分子框架?，F(xiàn)在泛指生物活性分子（一般指小分子）中對(duì)活性起重要作用的“藥效特征元素”的空間排列形式。這些“藥效特征元素”可以是某些具體的原子或原子團(tuán)，比如氧原子、苯環(huán)等，也可以指特定的功能結(jié)構(gòu)，如親水基團(tuán)、疏水基團(tuán)、氫鍵供體、氫鍵受體等。在得到某類抑制劑的藥效團(tuán)模型后，就可以以藥效團(tuán)作為一個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)搜索。從數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選得到符合該藥效團(tuán)模式的候選分子，而在這些候選分子中可能包含新的先導(dǎo)化合物。

此外，定量構(gòu)效關(guān)系研究方法在現(xiàn)代藥物設(shè)計(jì)方法中占有重要的地位，也是應(yīng)用最為廣泛的藥物設(shè)計(jì)方法，其目的是利用理論計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析工具來(lái)研究化合物的結(jié)構(gòu)與其生物效應(yīng)之間的定量關(guān)系，在此基礎(chǔ)上推斷受體活性部位的結(jié)構(gòu)，并在計(jì)算機(jī)中建立起這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)，以這個(gè)結(jié)構(gòu)為模板，對(duì)藥物進(jìn)行篩選。

利國(guó)利民

模擬計(jì)算在中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用可以極大地推動(dòng)該領(lǐng)域的科研進(jìn)程和市場(chǎng)發(fā)展，是一件利國(guó)利民的措施。

我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，人均基礎(chǔ)資源缺乏，每年有不計(jì)其數(shù)的患者在飽受疾病痛苦的同時(shí)還要面對(duì)藥物帶來(lái)的諸多毒副作用。根據(jù)有關(guān)臨床研究，天然藥物比合成藥有較小的毒副作用和更加全面的人體保健功能。我國(guó)有著豐富的動(dòng)、植物資源，結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)合理開(kāi)發(fā)利用，不僅有助于弘揚(yáng)中華醫(yī)學(xué)文化，造?；颊撸瑫r(shí)可以節(jié)省巨額的醫(yī)藥研發(fā)經(jīng)費(fèi)和生產(chǎn)經(jīng)費(fèi)。

計(jì)算機(jī)分子模擬技術(shù)范文第2篇

結(jié)構(gòu)化學(xué)的加速發(fā)展使得其對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的需求越來(lái)越迫切，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：“1）化學(xué)計(jì)算的難度越來(lái)越高，許多結(jié)構(gòu)化學(xué)和物理化學(xué)中的問(wèn)題離開(kāi)了計(jì)算機(jī)便不能獲得圓滿解決；2）化工設(shè)備和工藝對(duì)自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，而且對(duì)許多化工過(guò)程，人工進(jìn)行控制已經(jīng)相當(dāng)困難，需要高可靠性的控制系統(tǒng)；3）化學(xué)和化工實(shí)驗(yàn)研究的高費(fèi)用和高風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)也驅(qū)使人們探討利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)部分代替實(shí)際的化學(xué)和化工實(shí)驗(yàn)，以降低研究成本和減少風(fēng)險(xiǎn)?！币虼?，隨著各類計(jì)算和模擬軟件的開(kāi)發(fā)，計(jì)算機(jī)越來(lái)越多地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究和教學(xué)中。就教學(xué)而言，首先應(yīng)該使學(xué)生明白計(jì)算機(jī)技術(shù)在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的重要地位，其次掌握相關(guān)軟件進(jìn)行實(shí)際操作。學(xué)生需要學(xué)習(xí)并掌握以下幾個(gè)方面的技術(shù)。

1.用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究涉及到原子和分子的結(jié)構(gòu)關(guān)系及性能之間的關(guān)系，而作為微觀粒子的電子、原子、分子等實(shí)物粒子具有波粒二象性，這樣就涉及到實(shí)物粒子的波長(zhǎng)、質(zhì)量等計(jì)算。要完成復(fù)雜的計(jì)算需要借助計(jì)算機(jī)。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算需要借助專業(yè)軟件。目前已經(jīng)有很多功能強(qiáng)大的軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的計(jì)算。主要有：

（1）Hyperchem。美國(guó)Hypercube公司出版的分子模擬軟件，可以進(jìn)行量子化學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、分子結(jié)構(gòu)等方面的計(jì)算。該軟件的主要計(jì)算類型有單點(diǎn)能、幾何優(yōu)化、計(jì)算振動(dòng)頻率得到簡(jiǎn)正模式、過(guò)渡態(tài)尋找、分子動(dòng)力學(xué)模擬、Langevin動(dòng)力學(xué)模擬、MetropolisMonteCarlo模擬。支持的計(jì)算方法有：從頭計(jì)算、半經(jīng)驗(yàn)方法、分子力學(xué)、混合計(jì)算?？梢杂脕?lái)研究的分子特性有：同位素的相對(duì)穩(wěn)定性、生成熱、活化能、原子電荷、HOMO-LUMO能量間隔、電離勢(shì)、電子親和力等。這款軟件的優(yōu)點(diǎn)是高質(zhì)量、高靈活性和容易操作，是結(jié)構(gòu)化學(xué)必學(xué)的一款軟件。

（2）Gaussian。這是一款功能強(qiáng)大的綜合性的量子化學(xué)軟件，其最廣泛的用途是做半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算。其可執(zhí)行程序可在不同型號(hào)的大型計(jì)算機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，并相應(yīng)有不同的版本。它的功能有：過(guò)渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)計(jì)算、鍵和反應(yīng)能量計(jì)算、原子電荷和電勢(shì)計(jì)算、振動(dòng)頻率計(jì)算等等，還可以預(yù)測(cè)周期體系的能量、結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian是應(yīng)用研究領(lǐng)域廣泛的強(qiáng)大工具。

（3）AccuModel。這是一款準(zhǔn)確簡(jiǎn)單的分子力學(xué)計(jì)算軟件，其功能有：能夠建立并演示準(zhǔn)確的分子結(jié)構(gòu)模型；提供計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)的手段；基于優(yōu)化計(jì)算對(duì)分子模型能夠進(jìn)行幾何和構(gòu)象處理；利用能量計(jì)算方法對(duì)分子進(jìn)行構(gòu)象分析等。計(jì)算在結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科中有相當(dāng)重要的意義，只有嚴(yán)密而準(zhǔn)確的計(jì)算才能得出分子、原子等實(shí)體粒子的結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系。在信息量大、處理困難、單靠人腦無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算的今天，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算是不二選擇。而各種計(jì)算軟件的學(xué)習(xí)則是學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)所在，因此課堂上的學(xué)習(xí)和課下的掌握都相當(dāng)重要。

2.用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)過(guò)程模擬由于結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高，大規(guī)模地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有時(shí)候反而得不償失。采用計(jì)算機(jī)模擬的方法則可以減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用、降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、并擴(kuò)大研究的范圍，從而提高研究速度和效率，以最小的成本達(dá)到最好的效果。計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)化學(xué)過(guò)程模擬主要包括兩個(gè)方面：仿真模擬和數(shù)值模擬。數(shù)值模擬在科學(xué)領(lǐng)域中更為重要。這兩種過(guò)程模擬可以更好地研究結(jié)構(gòu)化學(xué)的反應(yīng)機(jī)理、模擬過(guò)程、并推測(cè)結(jié)果，從而獲得反應(yīng)參數(shù)以指導(dǎo)科學(xué)研究。

用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)過(guò)程模擬最常用的軟件ChemicalKineticsSimulator0（以下簡(jiǎn)稱CKS0）是少量的、比較出色的化學(xué)動(dòng)力學(xué)商業(yè)軟件之一。它的主要功能有：可以在產(chǎn)物并不清楚的條件下使用，反應(yīng)物和產(chǎn)物可以用代碼表示；處理范圍寬泛，濃度和速率數(shù)值范圍可達(dá)8個(gè)數(shù)量級(jí)；除了能夠處理常規(guī)均相反應(yīng)之外，還可以處理諸如界面吸附、膜形成、物質(zhì)交換等化學(xué)和物理過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；軟件的使用需要事先了解必要的反應(yīng)機(jī)理、速率常數(shù)、反應(yīng)條件、相關(guān)熱力學(xué)常數(shù)、物質(zhì)的物理狀態(tài)、等信息；模擬結(jié)果以關(guān)系曲線圖和數(shù)據(jù)表格形式給出。“CKS0的操作主要包括建立化學(xué)反應(yīng)文件、輸入化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、輸入反應(yīng)條件、輸入模擬條件、模擬運(yùn)行和顯示輸出模擬結(jié)果6個(gè)步驟?！盋KS0以其強(qiáng)大的功能用于各種化學(xué)反應(yīng)的模擬，如甲基丙烯酸甲酯的聚合反應(yīng)模擬、五氧化二氮的熱分解反應(yīng)模擬、固體表面吸附過(guò)程模擬、膜形成過(guò)程模擬等。這些軟件在教學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的效果是顯著的，它們使得教學(xué)過(guò)程有趣、豐富、生動(dòng)、活潑，一對(duì)一的教學(xué)模式使得學(xué)生學(xué)習(xí)更加主動(dòng)。學(xué)生不再為復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程而一遍一遍地傷透腦筋，也更加直觀地認(rèn)識(shí)到分子、原子的結(jié)構(gòu)。

二、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

計(jì)算機(jī)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)中有多種形式，如：計(jì)算機(jī)多媒體教學(xué)、計(jì)算機(jī)交互鏈接式教學(xué)、計(jì)算機(jī)題庫(kù)教學(xué)等。這里重點(diǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)軟件教學(xué)。與國(guó)外某些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的軟件教育相對(duì)落后，軟件的出版和供應(yīng)相對(duì)較少，且優(yōu)秀的軟件都來(lái)自國(guó)外，要想教學(xué)生使用，老師首先要有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)和較好的外語(yǔ)修養(yǎng)。

1.計(jì)算機(jī)技術(shù)教學(xué)的效果雖然有這些困難，我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的教學(xué)效果是值得肯定的。首先，從教材上來(lái)講，我們已經(jīng)擁有大量的軟件教學(xué)課件，這些課件來(lái)自于我國(guó)化學(xué)教師與計(jì)算機(jī)工程師的共同努力。他們編寫(xiě)了很多教材，如《計(jì)算機(jī)在化學(xué)化工中的應(yīng)用技術(shù)》等，還有大量的課件應(yīng)用于課堂之上，甚至通過(guò)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)獲得國(guó)外的教學(xué)課件，極大地豐富和完善了我國(guó)軟件教學(xué)的教材。其次，從技術(shù)資源上來(lái)講，剛開(kāi)始時(shí)使用的由國(guó)外大學(xué)或中學(xué)開(kāi)發(fā)的自由軟件已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)化學(xué)快速發(fā)展的需要，我國(guó)目前使用較多的是大型商業(yè)軟件，這些軟件由專業(yè)公司開(kāi)發(fā)，軟件的性能和質(zhì)量能夠保障。

2.計(jì)算機(jī)技術(shù)教學(xué)的不足盡管取得了很多成果，我國(guó)的計(jì)算機(jī)技術(shù)教學(xué)還是存在很多不足。

（1）硬件的缺乏。雖然教材資源豐富，但是硬件系統(tǒng)跟不上也會(huì)影響教學(xué)效果，如電腦的操作系統(tǒng)跟不上時(shí)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異，更新?lián)Q代很快，如果不能積極地引入新型計(jì)算機(jī)會(huì)浪費(fèi)掉很多優(yōu)秀的教師和教材資源。

（2）應(yīng)試教育的副作用明顯。多年的應(yīng)試教育訓(xùn)練使得當(dāng)代大學(xué)生習(xí)慣了考試才會(huì)努力，如果一門(mén)學(xué)科不是以考試為目的的學(xué)習(xí)，則缺乏學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致授課效果不理想。

（3）教師的教育觀念偏差。目前我國(guó)大多數(shù)高校普遍存在的一個(gè)問(wèn)題是教師上課積極性差，對(duì)待學(xué)生的態(tài)度不夠嚴(yán)格，導(dǎo)致很多學(xué)生上課不認(rèn)真、下課不復(fù)習(xí)、操作時(shí)間短，無(wú)法掌握軟件的使用要領(lǐng)。

計(jì)算機(jī)分子模擬技術(shù)范文第3篇

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī) 趨勢(shì) 發(fā)展

一、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化的超級(jí)計(jì)算

可能你不知道，超高速計(jì)算機(jī)采用平行處理技術(shù)改進(jìn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行多條指令或同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度。超級(jí)計(jì)算機(jī)通常是由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器（機(jī)）組成，能完成普通計(jì)算機(jī)和服務(wù)器不能計(jì)算的大型復(fù)雜任務(wù)。從超級(jí)計(jì)算機(jī)獲得數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域高精尖項(xiàng)目的研算、傳翰和存儲(chǔ)。光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速地并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升?？傊?，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化的超級(jí)計(jì)算。

（二）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分子計(jì)算機(jī)

大家都知道，分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲(chǔ)量大。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過(guò)程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過(guò)程。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為酶，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來(lái)。生物分子組成的計(jì)算機(jī)具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機(jī)體中運(yùn)行，并能以其它分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無(wú)法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動(dòng)機(jī)模型、仿生算法、分子化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。分子芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬(wàn)倍。分子計(jì)算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲(chǔ)1萬(wàn)億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計(jì)算機(jī)的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國(guó)已研制出分子計(jì)算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)20年后，分子計(jì)算機(jī)將進(jìn)人實(shí)用階段。也就是說(shuō)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分子計(jì)算機(jī)。

（三）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了納米計(jì)算機(jī)

納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅(jiān)固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計(jì)算機(jī)。“納米”是一個(gè)計(jì)量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子算機(jī)也會(huì)像現(xiàn)在的馬達(dá)一樣，存在于家中的各種電器中，那時(shí)問(wèn)你家里有多少計(jì)算機(jī)，你也數(shù)不清，你的筆記本，書(shū)籍都已電子化。再過(guò)十幾、二十幾年，可能學(xué)生們上課用的不再是教科書(shū)，而只是一個(gè)筆記本大小的計(jì)算機(jī)，不同的學(xué)生可以根據(jù)自己的需要方便地從中查到想要的資料所以有人預(yù)言未來(lái)計(jì)算機(jī)可能像紙張一樣便宜，可以一次性使用，計(jì)算機(jī)將成為不被人注意的最常用的日用品。

（四）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài)。使信息沿著聚合物移動(dòng)。從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。因此，一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計(jì)算機(jī)還將對(duì)現(xiàn)有的保密體系、國(guó)家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。無(wú)論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯(cuò)、避錯(cuò)和防錯(cuò)等。量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新。

二、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，將朝著向信息的智能化發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)的大多數(shù)領(lǐng)域以應(yīng)用學(xué)科和工程學(xué)科的出現(xiàn)為標(biāo)志，這些學(xué)科的職責(zé)是促進(jìn)與實(shí)踐有關(guān)的認(rèn)識(shí)的發(fā)展，這些學(xué)科常吸收更為基礎(chǔ)的學(xué)科，提高就能有實(shí)踐的進(jìn)步，在對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)研究中，發(fā)現(xiàn)常有另外一條路徑，這個(gè)過(guò)程存在著強(qiáng)烈的相互作用，有關(guān)半導(dǎo)體是如何運(yùn)行的理論也建立了起來(lái)，這是用它們能夠使計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)踐中普遍存在的問(wèn)題得到解決，或者說(shuō)是促進(jìn)實(shí)踐的發(fā)展。能實(shí)現(xiàn)或更困難一些。顯然，選擇機(jī)制在計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)踐進(jìn)化和認(rèn)識(shí)進(jìn)化之間明顯地提供了一種雙向的連接，推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。參考文獻(xiàn)：

[1]王華.計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展[J].電腦與電信，2013（02）.

計(jì)算機(jī)分子模擬技術(shù)范文第4篇

1 DNA平面結(jié)構(gòu)模型制作過(guò)程

在課前運(yùn)用Flash4.0軟件工具欄中的工具分別制作成球形磷酸、五邊形脫氧核糖、四種不同顏色形狀的堿基方塊，將它們生成符號(hào)，屬性定為圖形，命名為磷酸、脫氧核糖、堿基A、堿基T、堿基C、堿基G，如圖1所示：

然后再調(diào)出以上符號(hào)，排列形成一條脫氧核苷酸短鏈和DNA分子平面結(jié)構(gòu)片段。同樣將它生成符號(hào)，屬性定為圖形，分別命名為短鏈和DN段。以上符號(hào)的圖形可以作為排列成DNA分子平面結(jié)構(gòu)的材料，由于圖形已經(jīng)分別生成了符號(hào)，可以反復(fù)調(diào)用。在多媒體教室，教師將提供的原料（以上圖形符號(hào)）以Flash文件形式發(fā)送到學(xué)生主機(jī)上。其中符號(hào)脫氧核苷酸短鏈和DN段，作為教師提供給學(xué)生的范例，學(xué)生可以多次調(diào)用符號(hào)庫(kù)中的磷酸圖形、脫氧核糖圖形、4種堿基圖形，并利用所學(xué)Flash軟件的基本技術(shù)將它們分別組裝成不同堿基數(shù)目和順序的脫氧核苷酸鏈，最后形成如符號(hào)庫(kù)中教師所提供的DNA分子平面結(jié)構(gòu)片段。

2 DNA立體結(jié)構(gòu)模型制作過(guò)程

DNA立體結(jié)構(gòu)主要是突出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，即脫氧核糖和磷酸交替構(gòu)成的兩條鏈形成螺旋結(jié)構(gòu)。同時(shí)兩條鏈之間形成堿基互補(bǔ)配對(duì)。做成螺旋片段，如圖2所示。

同樣將它生成符號(hào)，屬性定為圖形，命名為螺旋片段。接著教師利用生成的螺旋片段符號(hào)，為學(xué)生提供一個(gè)DNA雙螺旋的范例，如圖3所示。

也將圖形生成符號(hào)，命名為DNA螺旋片段。學(xué)生就可以通過(guò)符號(hào)庫(kù)調(diào)用，作為利用螺旋片段符號(hào)合成DNA雙螺旋的參考，再利用符號(hào)庫(kù)中的堿基圖形，將兩條鏈之間的堿基對(duì)補(bǔ)充上去，形成完整的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。然后選擇菜單Control中的TestMove將圖形放大。這樣，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程就完成了。

3 學(xué)生分析和教師的引導(dǎo)

學(xué)生在用計(jì)算機(jī)做好DNA平面結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)后，對(duì)照?qǐng)D形，教師有目的地引導(dǎo)學(xué)生分析以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1） 回憶DN面結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)是如何一步一步做成的。

（2） 相互比較所做成的DNA分子中的堿基數(shù)量和順序差別（教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有具體要求），分析：這些差別意味著什么？DNA是如何儲(chǔ)存遺傳信息的？

（3） DNA立體構(gòu)型是怎樣的？每個(gè)脫氧核苷酸之間在什么部位相互連接成長(zhǎng)鏈的？

（4） DNA分子兩條鏈的方向是怎樣的？

由于學(xué)生制作的DNA圖形直觀、形象，可以隨意移動(dòng)、組合、放大、修改，再加上計(jì)算機(jī)的交互性，教師可隨時(shí)調(diào)用學(xué)生所做的范例進(jìn)行分析，所以學(xué)生很容易回答上述問(wèn)題，從而加深了對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的了解。

計(jì)算機(jī)分子模擬技術(shù)范文第5篇

一、課程整合的基礎(chǔ)理論

（一）課程整合的概念

從理論上講，課程整合意味著對(duì)課程設(shè)置、各課程教育教學(xué)的目標(biāo)、教學(xué)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)等諸要素作系統(tǒng)的考量與操作，也就是說(shuō)要用整體的、聯(lián)系的、辨證的觀點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)、研究教育過(guò)程中各種教育因素之間的關(guān)系。

狹義的課程整合指的是，考慮到各門(mén)課程的有機(jī)聯(lián)系，將這些課程綜合化。廣義的課程整合，即課程標(biāo)準(zhǔn)不變，但是相關(guān)課程的課程目標(biāo)、教學(xué)與操作內(nèi)容（包括例子、練習(xí)等）、學(xué)習(xí)的手段等課程要素之間互相滲透、互相補(bǔ)充。當(dāng)這些互相滲透和補(bǔ)充的重要性并不突出，或者已經(jīng)非常自然，到了潛移默化的程度，就沒(méi)有必要提“整合”了，反之，就需要強(qiáng)調(diào)“整合”。

（二）當(dāng)今世界對(duì)課程整合的研究

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)課程整合比較主流的理解是“把計(jì)算機(jī)技術(shù)融入到各學(xué)科教學(xué)中”，就像使用黑板粉筆一樣自然、流暢。這種觀點(diǎn)將課程整合的重點(diǎn)放在CAI（計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)）上。它突出計(jì)算機(jī)作為工具，去輔助各傳統(tǒng)學(xué)科的教學(xué)。

從世界范圍來(lái)看，在實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與課程整合的理解目前是第一種模式占主流地位，第二種模式已經(jīng)引起越來(lái)越多的關(guān)注，一些不發(fā)達(dá)國(guó)家的教育也積極加入信息技術(shù)與課程整合的行列中來(lái)?？梢钥隙ㄐ畔⒓夹g(shù)與課程整合是未來(lái)教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。

二、信息技術(shù)與化學(xué)學(xué)科的課程整合的探究和實(shí)踐

課堂教學(xué)向著多媒體化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，必將大大促進(jìn)對(duì)未來(lái)一代化學(xué)的教育。如果說(shuō)化學(xué)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在提高學(xué)生能力和化學(xué)素質(zhì)上的作用是不可低估、不可代替的教學(xué)手段，那么從現(xiàn)在開(kāi)始，使用計(jì)算機(jī)輔助化學(xué)教學(xué)將會(huì)異軍突起，在體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的觀、結(jié)構(gòu)觀、質(zhì)量觀和發(fā)展觀方面將成為不可多得的形式。。

（一）利用多媒體軟件解決物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的難點(diǎn)

在《離子鍵與共價(jià)鍵》、《極性分子與非極性分子》兩節(jié)教學(xué)中，利用計(jì)算機(jī)模擬核外電子運(yùn)動(dòng)、化學(xué)鍵的形成和分子模型就會(huì)很成功。這一內(nèi)容抽象、枯燥、難度大，用一般模型演示不能給學(xué)生以動(dòng)感，而且容易使學(xué)生概念模糊。計(jì)算機(jī)的二維及三維的圖象與動(dòng)畫(huà)模擬達(dá)到了其他教學(xué)手段無(wú)法達(dá)到的效果。形成離子鍵時(shí)電子的轉(zhuǎn)移、陰陽(yáng)離子的形成、離子間引力與斥力的平衡等都表示的清清楚楚。使學(xué)生有了直觀的感受，并且能科學(xué)準(zhǔn)確地理解化學(xué)鍵的實(shí)質(zhì)和特征。

（二）利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

對(duì)于藥品太貴、裝置復(fù)雜、反應(yīng)中產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)過(guò)程，并且將各步實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行分解，反復(fù)演練，直到學(xué)生掌握為止。

1.各種制備反應(yīng)的裝置、演示實(shí)驗(yàn)一般比較復(fù)雜、現(xiàn)象不明顯，可按教學(xué)要求設(shè)計(jì)一定的操作步驟、模擬演示實(shí)驗(yàn)裝置和過(guò)程，尤其可以針對(duì)操作中的注意事項(xiàng)設(shè)計(jì)一定的解釋指導(dǎo)內(nèi)容，及時(shí)反饋，比通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的反饋要及時(shí)、全面。例如，《原電池》利用計(jì)算機(jī)把無(wú)法用肉眼觀察到的電極反應(yīng)的微觀變化模擬成宏觀圖景加以演示，彌補(bǔ)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)為難以展現(xiàn)的微觀世界的動(dòng)態(tài)變化。軟件的運(yùn)用交錯(cuò)穿插在學(xué)生實(shí)驗(yàn)和教師講解之間，教學(xué)效果達(dá)到了最佳狀態(tài)，使學(xué)生理解透徹、掌握準(zhǔn)確、印象深刻、記憶牢固。

2.對(duì)于一些研究物質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助之后，可以更廣泛的選材，擴(kuò)大書(shū)本內(nèi)容，提高對(duì)比度。例如：在《金屬和非金屬的性質(zhì)》這節(jié)的教學(xué)當(dāng)中，我們可以用計(jì)算機(jī)預(yù)先設(shè)計(jì)出每種金屬與非金屬的反應(yīng)現(xiàn)象，這樣學(xué)生可以在段時(shí)間內(nèi)看到多個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比記憶印象深刻，而且毒性較大的物質(zhì)的反應(yīng)現(xiàn)象也可以課堂上演示?？梢?jiàn)，利用計(jì)算機(jī)模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅擴(kuò)大了學(xué)習(xí)內(nèi)容的范圍，縮短了學(xué)習(xí)時(shí)間，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和藥品儀器，還大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。當(dāng)然，盡管這是一種很好的教學(xué)形式，但它并不能完全取代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于有條件做的化學(xué)實(shí)驗(yàn)我們應(yīng)該盡量多做，這樣可以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

（三）利用網(wǎng)絡(luò)資源豐富課堂教學(xué)內(nèi)容