化學學科的新視角及在化學教育的反映范文

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摘要：傳統化學以研究變化，關注變化前后的結果而著稱。化學與其他學科，特別是生命科學的相互滲透使得化學的動態特征更加突出，化學學科格局也因之發生了變化。因此，化學需要新認識。

關鍵詞：超分子化學；動態共價鍵化學；組成動態化學；適應性

化學相對穩定的研究對象，獨具特色的研究方法和手段構成了一門學科獨立存在的基礎。在這個基礎之上，隨著內容的豐富和學術的發展，不同的學科逐漸形成了各不相同的學科思想和學科特質，在文明傳承和發展中發揮著各不相同的作用。在學習過程中，了解學科思想，把握學科特質，對于理解學科內涵，預判學科發展具有重要的意義。

1化學學科認識的新視角

1.1基于超分子的動態化學

化學學科特別強調“變化、演化、轉化、進化”的思想，因此，在化學家眼里，沒有一成不變的東西，沒有一成不變的道理。地球從產生到地球智慧生物的出現就是一個鮮活的化學演化(chemicalevolution)的過程。在這一過程中，宇宙大爆炸產生的宇宙塵埃相互聚集形成有形但相對無序的原生態地球。隨著時間推移，這種無序聚集結構逐漸演化出有序結構，從而為生命物質的出現奠定了基礎。在化學家眼里，地球生命的出現，地球生命由低級向高級的演化就是一個物質有序度不斷提高、結構不斷復雜化的過程。物質有序度的高低和物質結構的復雜性決定著物質包含信息的多少和物質加工信息的能力。人類之所以處于地球生物的最高端就在于人類擁有較之其他地球生物更加復雜、更加有序的大腦結構。這就是為什么化學也可以被看作是一門信息學科的原因。正是基于對自然界化學演化的深刻理解，化學學科也從社會大眾所熟知的傳統的、相對“靜止”的、主要關注分子中原子間強相互作用的“分子化學(molecularchemistry)”階段，逐漸發展到了如今的更加關注分子間弱相互作用的、相對“動態”的“超分子化學(supramoleularchemistry)”階段。當然，隨著學科的發展，人們又認識到，僅有“靜態”的穩定結構或“動態”的不穩定(可逆)結構還不足以應對學科面臨的一些新的挑戰，解決學科需要解決的一些新的更加棘手的問題。于是，近年來又出現了“動態共價鍵化學(dynamiccovalentchemistry)”和“組成動態化學(constitutionaldynamicchemistry)”等概念，超分子化學也因此與動態共價鍵化學和組成動態化學共同構成了當代“動態化學(dynamicchemistry)”的主要內容。

1.2基于動態變化的適應性化學

刺激響應和組成動態是生命現象的基本特征，組成動態化學正是在理解生命、學習生命的基礎之上發展而來。將超分子化學的動態性特征引入基于共價鍵的分子化學就產生了動態共價鍵化學。在動態共價鍵化學體系中，某些共價鍵可以根據需要斷裂或形成。這種可逆性使得體系組成會因某些單元的交換與再組合而持續改變，體系因此獲得了對環境的適應性。也就是說動態性的注入使得分子化學發展到了“適應性化學(adaptivechemistry)”階段。適應性化學原理是生命現象得以出現的基礎。地球生命為什么能夠適應不斷變化的環境，原因就在于它能夠通過自身組成的改變適應這種改變，從而獲得自身的生存和發展。基于動態化學原理，研究模型體系中組分對環境因素變化的依賴性就成為當今適應性化學研究的主要內容。這些研究無疑有助于加深對生命現象的理解，豐富創造新體系、發展新材料的思路，從而提升化學學科創造新物質、探索新功能、實現新應用的能力。近年來，前所未有的高性能動態材料的不斷出現就是動態化學原理實際應用的結果。

2化學新視角對學科和教學的挑戰

歷史上，化學因研究不同物質間的相互轉化而獨立成為學科，如今化學也因自身的不斷變化和演化而呈現出蓬勃生機。眾所周知，客觀世界只有“動”和“變”是永恒的、絕對的。而“動”和“變”也恰好構成了化學學科的特質，因此，在哲學層面，任何認為化學是“落日科學(sunsetscience)”的觀點都是缺乏遠見，沒有根據，不能立足的。

2.1可變性、刺激響應性與構效關系

“結構決定性質”是化學家的信條，當今的結構已與往日絕不相同。可變性、刺激響應性已經成為新型結構的重要特征。可變性和刺激響應性賦予“結構決定性質”更加豐富的內涵。例如，導彈和航天技術中普遍使用的化學推進劑分為液體推進劑和固體推進劑兩大類。液體的流動性賦予液體推進劑優異的燃燒可控性。與之相反，固體結構的穩定性雖然使其失去了流動性，但作為推進劑，卻避免了液體推進劑的加注耗時、加注困難問題，從而獲得了極大的機動性。正是對于固體和液體性質的這一對比，新近發展起來的凝膠推進技術，則兼顧了固體推進和液體推進的優點。其根本原因就在于凝膠兼具液固兩性。凝膠，特別是基于小分子化合物的分子凝膠，在宏觀上具有固體一樣的保型性，但在一定剪切力作用下可轉化為液體，從而擁有普通液體所具有的一切性質。分子凝膠就是一類典型的動態材料，是化學學科發展新階段的新成果。注重結構、研究結構，從結構看問題、分析問題、解決問題是化學家的習慣，是化學家的看家本領。然而需要注意，結構除了在空間尺度上可以變化之外，在時間尺度上結構也可以變化。這就是說，結構是分層次的。事實上，物質在某個時刻的宏觀性質是物質在那個時刻不同層級結構共同作用的結果。

2.2化學本質與目標的新認識

結構除了分層次，會演化之外，結構往往還以美輪美奐的形式呈現。因此，學習化學就要學會欣賞。要認識到，化學不但可以變腐朽為神奇，還可以通過結構解析，理解事物的本質，創造新的物質。這種能力是化學之所以成為化學，化學之所以能夠區別于別的學科，成為自然科學中的中心科學(centralscience)的原因所在。也正因為這些原因，不像物理以理解“上帝”怎么創造了世界為終極目標，也不像生物學以理解“上帝”怎么創造了人類為終極目標，化學不但要理解這些問題，還要像“上帝”一樣創造新的世界。如果硬要說化學有一個終極目標的話，這大概就是化學的終極目標。有了這些認識，我們就不難認同諾貝爾獎得主Jean-MarieLehn的感嘆，化學是一支創造性力量(acreativepower)，化學是有關物質的一門藝術(artofmatter)，以及著名科學家美國哈佛大學教授GeorgeM.Whitesides的觀點，“化學不能代替一切，但沒有化學肯定沒有一切”(Chemistryisn’teverything,buteverythingisnothingwithoutchemistry)，“化學就是未來，沒有化學就沒有未來”(Chemistryisthefuture,andnofuturewithoutchemistry)。同樣，也就不難理解，為什么2011年國際化學年將“我們的生活，我們的未來(ourlife,ourfuture)”作為活動主題。了解了這些，我們就沒有理由懷疑化學家基于物質的生命觀，這就是化學是連接生命物質和非生命物質的橋梁，生命的出現和消失確實只是物質存在形式的改變。Whitesides認為，化學學科必須從關注分子拓展至關注包含分子的所有物質或物質體系。這種拓展不僅可以為化學學科創造新知識，實現新應用帶來新的機遇，為化學工業發展帶來新的空間，也為政府和社會解決過去難以解決的問題帶來新的辦法。有了這個視野以后，考慮諸如“生命的分子基礎是什么，生命如何起源？”“大腦是怎么思考的？”“耗散體系是怎么工作的？”“人類孤獨嗎？生命遍布宇宙嗎？”等問題就是化學學科的責任所在。此外，事關人類文明永續發展的“能量的產生，使用與儲存”“不可能物質(impossiblematerials)”的創造，人類能力的技術強化(augmentinghumanbeings)途徑，以及死亡如何發生等都是化學家未來要涉獵的問題。

2.3化學教育的核心要求

學習化學，講授化學，研究化學，就必須堅持發展的觀點，秉承辯證思維，這樣才能與學科發展俱進，與學科特質適應。否則，再美好的學科也可能因個人知識的陳舊、認識的落后而被矮化，甚至妖魔化。教育的價值在于通過接受教育，學生做人的信心得到加強，承擔責任的能力得到提高，化學教育的價值也在其中。2014年10月以來，教育部組織了新一輪高中課程標準修訂工作，提出以核心素養統領課程標準修訂，指導教材編寫，組織課程教學。化學也不例外。所謂核心素養是指“學生在接受相應學段的教育過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格與關鍵能力”。換言之，即便在學校學習的具體內容完全忘記了，但學習過程中給個體留下的思考習慣、做事習慣、做人態度等不曾改變的東西就是所謂的核心素養。就像文學使人富有情懷，歷史使人具有責任感，科學使人嚴謹求真一樣，不同學科特點不同，給學生留下的烙印自然不同。因此，相應于學校教育，要倍加重視學生的核心素養養成，學科教育也存在學科核心素養的養成問題。為此，新版高中化學課程標準將化學學科核心素養從化學學科特質的思想和方法，化學學科的實踐性和化學學科的價值追求三個維度歸納為“宏觀辨識與微觀探析，證據推理與模型認知，變化觀念與平衡思想，科學探究與創新意識，以及科學態度與社會責任”等五個方面。盡管這些素養表述還存在值得改進，甚至爭議之處，但可以說這些努力無疑使我們對化學教育的價值有了更加到位的認識。也明確了化學教育不僅僅對將來從事化學和化學相關專業工作的人有價值，對即使從事與化學毫不相關工作的人也照樣有意義。這就是人們因接受化學學科教育，因從事化學實驗探究而在潛移默化中做事的態度，思考問題的習慣有了改變。學科教育因此而具有普遍的意義。

在2017年全國化學課程與教學論第十四屆學術年會(大連)期間，國際著名科學教育專家臺灣師范大學邱美紅教授問及筆者一個問題，“如果聚焦到一個點，化學學科教育帶給人的最根本的東西是什么？”筆者給了一個答復。這就是，在筆者看來，化學訓練到位的人一定會有一個共同的特點，這就是做事時會“把每一個細節都想到，把每一個細節都做好”。也就是說，注重細節、身體力行是化學人的特質。一個學科要被別人青睞，要得到社會重視，那么這個學科要么就特別重要，要么就特別神奇。人們之所以認為生命科學重要，是因為它在研究既重要又神奇的生命。物理學重要是因為它以具有無窮想象的時間和空間為研究對象。天文學關注的星際、黑洞和宇宙大爆炸都是極具神秘感的問題。人工智能概念的出現使得計算機科學受到前所未有的重視。即便是傳統的統計學也因大數據的出現而備受關注。與之相反，為人類社會帶來無窮福祉的化學學科因自身的“不善言辭”而備受冷落。這就是為什么Whitesides要說他做的化學是“改變人們的生存和死亡方式”的事情(Wechangethewayyouliveanddie)。

3結語

行文到此，對化學學科做出新的概括也就是一件理所當然的事情了。這就是在新版高中化學課程標準中，化學被定義為：化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、變化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質。化學不僅與經濟發展、社會文明的關系密切，也是材料科學、生命科學、環境科學、能源科學和信息科學等現代科學技術的重要基礎。化學在促進人類文明可持續發展中發揮著日益重要的作用，是揭示元素到生命奧秘的核心力量。

作者：房喻 單位：陜西師范大學化學化工學院