吳俊明+束婷婷

摘要：世界科學技術(shù)正在走近新突破時代。概述了化學學科發(fā)展的特點和趨勢?？茖W技術(shù)及化學學科新發(fā)展啟示化學教學要注重研究思路、方法和創(chuàng)新的感悟、體會與訓練；注意學科思想（觀念）的滲透、領(lǐng)悟和發(fā)展；注重立德樹人，促進全面發(fā)展；激發(fā)學習興趣，不要嚇跑學生；痛下決心，全面改革課程、教材、訓練與考試。

關(guān)鍵詞：科學技術(shù)；化學學科；發(fā)展趨勢；化學教學；啟示

文章編號：1005–6629（2016）10–0003–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

3 展望化學科學的發(fā)展趨勢

世界很奇妙，未解之謎不少。盡管現(xiàn)代科學技術(shù)已經(jīng)揭開了不少謎底，取得了很大成就，仍然有許多問題尚未解決，仍然會不斷地發(fā)現(xiàn)、產(chǎn)生新的問題，在這些問題中有相當大的部分通常歸屬于化學問題，需要化學科學來解決。一般地說，化學問題可以分為3大類：第一類是關(guān)于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性能、合成、檢測等等的“純粹化學”問題，例如“三氧化二碳分子具有什么樣的結(jié)構(gòu)？”“三氧化二碳有哪些性質(zhì)？”“怎樣制取三氧化二碳？”等。第二類是人類生活、生存和現(xiàn)代社會迫切需要化學解決的現(xiàn)實問題，例如“怎樣制造效果更好、副作用更小的新藥物？”“人類能不能實時監(jiān)測自身的化學變化？”“石墨烯能直接應(yīng)用于日常生活嗎？”等，這類問題可以稱為“應(yīng)用化學問題”。第三類是跟化學有密切關(guān)系，又需要多學科聯(lián)袂協(xié)同解決的科學問題，例如宇宙的構(gòu)成、起源與演化問題；生命的起源與演化問題以及“意識和理智是怎樣形成的？”“大腦如何思考、如何形成記憶？”“環(huán)境如何影響人類基因？”“怎樣消除環(huán)境污染？”“如何捕獲更多的太陽能？”“能否有選擇地切斷某些免疫反應(yīng)？”等，這類問題既是基本的又是復雜的，可以稱為“跨學科問題”。

這些問題的解決，不僅需要新的化學知識，也將促進化學科學繼續(xù)發(fā)展。

根據(jù)解決未來化學問題的需要，可以進一步概括未來化學科學的發(fā)展趨勢主要是[22，23]：

3.1 由研究簡單化學體系向研究復雜化學體系發(fā)展

19世紀的化學是在原子的層次上認識和研究物質(zhì)，主要研究原子的組合和排布，是“原子的科學”（參見恩格斯《自然辯證法》）。20世紀的化學合成了大量的分子，研究了分子中的化學鍵及其本質(zhì)、分子的相互作用，高分子材料和生物分子的結(jié)構(gòu)與功能等，主要是在分子的層次上認識和研究物質(zhì)，被認為是研究分子的科學。21世紀的化學不但研究原子、分子，而且進一步研究分子片、結(jié)構(gòu)單元、高分子、原子分子團簇、超分子、生物大分子、分子和原子各種不同維數(shù)、不同尺度和不同復雜程度的聚集態(tài)和組裝態(tài)，直到分子材料、分子器件和分子機器的合成和反應(yīng)，制備、剪裁和組裝，分離和分析，結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，粒度和形貌，物理和化學性能，生理和生物活性及其輸運和調(diào)控的作用機制，以及上述各方面的規(guī)律、相互關(guān)系和應(yīng)用等，使21世紀的化學越來越成為研究泛分子的科學，由研究簡單化學體系向研究復雜化學體系發(fā)展。

3.2 由研究簡單反應(yīng)體系向研究復雜反應(yīng)體系發(fā)展

現(xiàn)代化學的研究對象不但由研究簡單微粒向研究復雜微粒發(fā)展，而且呈現(xiàn)由研究簡單反應(yīng)向研究復雜反應(yīng)，即向分子群研究深入的發(fā)展趨勢。近代化學對多分子反應(yīng)是無能為力的，遠遠不能滿足實際需要。一個活細胞內(nèi)往往有幾十種酶同時催化許多化學反應(yīng)，研究生物體內(nèi)的化學反應(yīng)，就要研究多個分子甚至一大群分子間的反應(yīng)。生物機體的活動常常同時發(fā)生幾十個甚至幾百個化學反應(yīng)，生物體為延續(xù)生命所發(fā)生的化學反應(yīng)就更加多了。因此，研究復雜的反應(yīng)體系成為化學科學發(fā)展的趨勢之一是很自然的。

近代化學致力于獲得物質(zhì)世界的簡單的基本解，總是盡可能地把復雜的化學體系簡化成簡單的體系、孤立的體系來探索其中的分子及其反應(yīng)，用微觀來解釋宏觀。隨著認識的不斷發(fā)展，人們逐步認識到必須回歸復雜性，在實際情境中研究復雜系統(tǒng)，越來越重視對復雜化學體系的研究。所謂復雜體系，既包括組分復雜性，也包括結(jié)構(gòu)復雜性、狀態(tài)復雜性和過程復雜性。多組分體系、分子群反應(yīng)、開放體系、耗散結(jié)構(gòu)、非平衡態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)等等復雜化學體系都成為現(xiàn)代化學的研究對象。同時，化學家開始注重在動態(tài)背景中對物質(zhì)進行研究，而不再局限于靜態(tài)。例如，在生物細胞膜背景中研究類脂分子的生物化學行為，在高級結(jié)構(gòu)背景中研究蛋白質(zhì)的功能行為等等。生命過程中的物質(zhì)代謝都是通過一系列催化反應(yīng)，而且是高效率的專一的催化反應(yīng)進行的。可以預期，在未來化學中催化反應(yīng)將會有極大的發(fā)展。

由原子層次到分子層次再到泛分子層次，體系的復雜性正是逐步增加的。復雜系統(tǒng)中的化學過程是研究復雜系統(tǒng)的核心問題，未來化學還需研究寬時間范圍的化學行為，研究化學進化和化學演化，建立跟蹤分析方法，發(fā)展過程理論。

3.3 由注重結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系向注重組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-功能關(guān)系發(fā)展

所謂結(jié)構(gòu)是事物內(nèi)部各組成要素的結(jié)合方式，反映著各組成要素的相互聯(lián)系。性質(zhì)是事物本身所具有的屬性，能反映事物與外部其他事物的聯(lián)系，而且這種聯(lián)系往往不是太復雜的。功能則是事物能夠滿足某種需求的一種屬性，是系統(tǒng)作用于他物的能力，其機制往往是比較復雜的。功能所發(fā)揮的作用一般都是正面的、有利的；性質(zhì)則無正面、負面之分，或者說既包括正面的也包括負面的。組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能之間既有密切聯(lián)系又有所區(qū)別。對于簡單系統(tǒng)，注意其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的聯(lián)系就足以認識和了解對象系統(tǒng)了，因而通常就只關(guān)注簡單系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的聯(lián)系。對于復雜系統(tǒng)來說，其性質(zhì)在內(nèi)部不是均勻分布的，難以用來完整地說明系統(tǒng)的內(nèi)部和外部作用，相對來說功能更顯重要，而結(jié)構(gòu)對于功能往往有著決定性的影響。因此，了解結(jié)構(gòu)與功能的相互聯(lián)系，實行結(jié)構(gòu)研究與功能研究結(jié)合，成為認識和了解復雜系統(tǒng)的重要方法。對于未來化學來說，研究結(jié)構(gòu)時研究高級結(jié)構(gòu)應(yīng)該更為重要，基于結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系來設(shè)計、合成新功能分子或功能材料；基于分子或合成子組裝的合成、構(gòu)筑高級結(jié)構(gòu)的研究，包括控制大分子纏繞、折疊和多層次有序聚集研究；基于模擬生物材料形成過程的合成方法研究等將得到進一步發(fā)展。上述所謂高級結(jié)構(gòu)都是由結(jié)構(gòu)單元分子組合成的，是以分子間弱相互作用為基礎(chǔ)的。endprint

前已述及，現(xiàn)代化學科學的研究對象已由相對簡單的化學系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺碗s的化學系統(tǒng)。與此對應(yīng)，在研究的側(cè)重點上，現(xiàn)代化學科學呈現(xiàn)出由注重結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系向注重組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-功能關(guān)系發(fā)展的特點。

3.4 由偶然發(fā)現(xiàn)向自覺尋找或發(fā)明發(fā)展

19世紀化學的研究方法主要是實驗方法，因而被稱為實驗的科學，化學的新發(fā)現(xiàn)也常常具有偶然性。到了20世紀下半葉，隨著量子化學在化學中的應(yīng)用，化學不再是純粹的實驗科學了。許多高難度的合成工作都事先根據(jù)理論設(shè)計，然后決定合成路線。稀有氣體化合物的發(fā)現(xiàn)、維生素B12在軌道對稱性守恒原理指導下的成功合成等等，都凸顯了理論化學的重要性。1998年諾貝爾化學獎的頒獎公告就宣稱：“量子化學已經(jīng)發(fā)展成為廣大化學家所使用的工具，將化學帶入一個新時代，在這個新時代里實驗和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)?；瘜W不再是純粹的實驗科學了?！?/p>

為了滿足未來社會的種種要求，需要發(fā)展新的反應(yīng)（例如綠色技術(shù)要求）。隨著對化學反應(yīng)本質(zhì)的理解，特別是分子識別概念的引入，進一步綜合考慮反應(yīng)分子間各種作用力所起的作用，就有可能設(shè)計新的反應(yīng)，發(fā)明創(chuàng)造新的反應(yīng)，尤其在不對稱合成反應(yīng)和催化反應(yīng)的發(fā)明創(chuàng)造方面。預計在未來，理論和計算方法的應(yīng)用將大大加強，理論對實驗研究起指導作用，理論和實驗更加密切結(jié)合，使實驗探究獲得較強的自覺性，未來化學將實現(xiàn)由發(fā)現(xiàn)反應(yīng)到發(fā)明反應(yīng)的飛躍?；瘜W思想、化學方法學、化學哲學的討論也會引起越來越多的人的興趣。

3.5 由應(yīng)用傳統(tǒng)手段向應(yīng)用現(xiàn)代科學技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展

為了解決新問題、解決越來越復雜的問題，需要新的思路、新的過程和新的方法。因此，在21世紀，化學科學的新方法、新手段會層出不窮。

例如，合成化學始終是化學的根本任務(wù)。為了適應(yīng)各種新功能分子的合成需求，合成設(shè)計必須有新的發(fā)展，尤其是對各種功能性分子聚集體的制備，需要研究過去化學家較為陌生的組裝問題。未來的合成化學將從化合物的經(jīng)典合成方法擴展到包含組裝等在內(nèi)的廣義合成，以求得到能實際應(yīng)用的分子器件和組裝體。有人概括新合成方法的特點是“十化”：芯片化，組合化，模板化，定向化，設(shè)計化，基因工程化，自組裝化，手性化，原子經(jīng)濟化，綠色化。引進酶技術(shù)、仿生技術(shù)、膜技術(shù)等新的實驗技術(shù)，則將有力地促進生物機體和生命秘密的研究。

再如，分析化學將進一步吸收大量物理方法、生物學方法、電子學和信息科學方法，發(fā)展成為分析科學，大大拓寬應(yīng)用范圍。分析方法的發(fā)展趨勢也被概括為“十化”：微型化芯片化、仿生化、在線化、實時化、原位化、在體化、智能化、信息化、高靈敏化、高選擇性化、單原子化或單分子化。單分子光譜、單分子檢測，搬運和調(diào)控的技術(shù)受到重視；以分離和分析方法連用，合成和分離方法連用，合成、分離和分析方法連用為內(nèi)容的“三連用”將是很普遍的現(xiàn)象。

化學實驗將趨向高技術(shù)化、自動化、微型化和超微型化，以節(jié)省能源、節(jié)省材料、節(jié)省時間、減少污染。

計算機技術(shù)的發(fā)展，尤其是分子結(jié)構(gòu)與性能的計算機數(shù)據(jù)庫的建立以及分子模建技術(shù)的發(fā)展，使得化學中的分子設(shè)計、合成設(shè)計以及進一步的反應(yīng)設(shè)計有了很好的助手和工具，模型和計算機虛擬將成為化學的新方法?；瘜W體系的組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-功能信息和大數(shù)據(jù)以及化學過程的各種信息和大數(shù)據(jù)將有力地促進對復雜化學系統(tǒng)的研究。

隨著計算機性能的逐步提高，計算化學將會有進一步的大發(fā)展。未來的智能化計算機將能進行學習，幫助化學家更好地進行實驗?zāi)M、實驗設(shè)計以及實驗控制，應(yīng)用機器來設(shè)計、合成分子將越來越多。計算機技術(shù)以及化學信息學技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)將為化學在新世紀迅速發(fā)展插翅添翼。

此外，化學將由單科閉門獨干向多學科相互滲透、交叉、協(xié)同發(fā)展，這一趨勢在此不再贅述。

4 科學技術(shù)及化學科學新發(fā)展對化學教學的啟示

未來化學將會在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全利用中起關(guān)鍵作用；推動材料科學進一步發(fā)展；在解決食物短缺問題、治理環(huán)境、提高人類生存質(zhì)量和生存安全、拓展人類化學認知的廣度深度等方面繼續(xù)起保證作用。因此，化學應(yīng)該成為高中階段的一門重要的科學課程。

科學技術(shù)和化學學科新的發(fā)展和趨勢無疑會影響化學教學的內(nèi)容。例如，合成、組裝復雜分子的過程包含著分子識別過程，充實、提高和普及分子識別這一觀念可能是現(xiàn)代化學教育的重要任務(wù)之一。但是，這不是最主要的。筆者認為，最主要的是：

4.1 注重研究思路、方法和創(chuàng)新的感悟、體會與訓練

科學技術(shù)和化學學科的新發(fā)展是科學創(chuàng)新的成果，它給化學教學的重要啟示之一就是要注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

要培養(yǎng)好學生的創(chuàng)新能力，首先要注意通過對典型創(chuàng)新成果的分析、討論來影響、啟發(fā)學生，培養(yǎng)學生具有濃厚的創(chuàng)新興趣和強烈的創(chuàng)新意識。

其次要注意引導學生感悟、概括典型創(chuàng)新成果的研究思路和方法，形成體會并適當安排相應(yīng)訓練。所謂研究思路是認知策略的具體表現(xiàn)形式，實質(zhì)上就是認知策略，是開展認知活動的指導思想、行動規(guī)則和組織實施的依據(jù)，是認知活動過程和方法的精髓、靈魂和本質(zhì)特征，是認知活動、認知智慧的核心成分，決定著認知活動的成敗。認知活動越復雜，認知策略的關(guān)鍵作用就越強，越是要予以注意。

有關(guān)的知識和經(jīng)驗是認知智慧的基礎(chǔ)，沒有它們，認知策略就不能形成。有關(guān)的操作技能等決定著認知策略能不能落實、能不能具體化、能不能轉(zhuǎn)化為實踐。但是，它們絕不是認知策略本身。因此，絕不能用創(chuàng)新成果的知識灌輸和操作訓練來代替創(chuàng)新研究思路、方法的感悟與體會。

4.2 注意學科思想（觀念）的滲透、領(lǐng)悟和發(fā)展

根據(jù)現(xiàn)代化學的特點和發(fā)展趨勢，高中化學課程應(yīng)該注意用恰當?shù)姆椒ò严冗M的觀念介紹給學生，例如關(guān)于物質(zhì)微粒及其相互作用的多樣性和多層次性、微粒尺度對物質(zhì)性質(zhì)的影響、跟自然和諧相處等等，要認真清除傳統(tǒng)教學內(nèi)容中的形而上學觀念，對學生進行生動的辯證唯物主義教育。endprint

學科思想（或?qū)W科觀念）有助于學生理解、接受和掌握有關(guān)知識，十分重要，但絕不能一成不變地教條式記憶。在化學教學中注意滲透化學學科思想（觀念）并適時總結(jié)、適時發(fā)展提升、注意應(yīng)用，有助于學生學好化學，把握真諦。以化學微粒觀為例，有人在學生剛學習分子、原子時就強調(diào)掌握微粒觀，這是違反觀念形成規(guī)律的，是不適宜的。另一種情況則是：在初三化學學習了分子、原子之后，就再也不提微粒觀，不重視微粒觀的應(yīng)用，更不重視微粒觀的發(fā)展，覺得已經(jīng)強調(diào)過了、“無話可講”了。其實在后續(xù)的學習中，不僅在涉及微觀過程或者涉及微粒相互作用、相互影響時可以涉及微粒觀，在涉及物質(zhì)微粒及其相互作用多樣性和多層次性時、涉及復雜化學體系的高級結(jié)構(gòu)、涉及各種泛分子時都是應(yīng)用微粒觀、發(fā)展提升微粒觀，使學生更好地掌握微粒觀的好時機。

4.3 注重立德樹人，促進全面發(fā)展

在科學技術(shù)不斷發(fā)展、造福人類，并涌現(xiàn)許多用科學技術(shù)服務(wù)民族、服務(wù)國家、服務(wù)人類的楷模的同時，也存在著害人科技、犯罪科技等危害人類的負面現(xiàn)象，例如考場高科技作弊、高仿真犯罪、電信詐騙、偽基站、網(wǎng)絡(luò)病毒、惡意軟件、電腦犯罪、網(wǎng)絡(luò)盜竊、計算機高頻下單炒股、致幻劑、high藥、新化學毒品、瘦肉精、地溝油、三聚氰胺奶、蘇丹紅鴨蛋、甲醛魷魚、硫磺枸杞、孔雀石綠防腐魚、染色“黃花魚”、假雞蛋、濫用反式脂肪酸和塑化劑，等等。“發(fā)明”這些害人科技、犯罪科技的人都是掌握了有關(guān)科學技術(shù)的人！至于明知故犯，私排有害化學品或濫用化學制品造成公害、污染環(huán)境的人就更多了。嚴峻的事實從反面警醒我們：科學技術(shù)教育一定要注重立德樹人，注重進行道德倫理教育，一定要關(guān)注學生的全面發(fā)展，努力促進學生全面發(fā)展。

根據(jù)現(xiàn)代化學的特點和發(fā)展趨勢，中學化學課程還應(yīng)該通過生動具體的事例讓學生體會化學跟其他學科的密切聯(lián)系，知道化學是生命科學、材料科學、環(huán)境科學以及信息科學進一步發(fā)展的重要基礎(chǔ)，認識到在基礎(chǔ)教育階段偏科是不應(yīng)該的。

4.4 培養(yǎng)學習興趣，切忌嚇跑學生

根據(jù)現(xiàn)代化學的特點和發(fā)展趨勢，中學化學課程應(yīng)該注意引導學生大致了解現(xiàn)代化學的目標、任務(wù)、對象、內(nèi)容、方法、手段、重要領(lǐng)域和成就，了解化學的視野逐步擴大，增強他們學習化學的興趣。

復雜的學習內(nèi)容往往顯得比較艱深、枯燥，特別需要濃厚的學習興趣支撐。復雜的學習內(nèi)容不是注定跟學習興趣有矛盾、有沖突的。與此相反，幾乎每一個復雜研究成果都是在巨大興趣的推動下取得的。研究活動如此，學習活動也應(yīng)該如此，關(guān)鍵在于要對內(nèi)容、形式、方法等作適當?shù)奶幚砑庸?，而不是簡單、粗暴地灌輸?/p>

在化學學科新發(fā)展中有許多生動的例子。例如，固相表面催化是復雜的，通常似乎難以激發(fā)學習興趣。如果在基于煤轉(zhuǎn)化的有機合成工業(yè)的教學中，適當介紹一點微觀機理過程，結(jié)合模型或示意圖介紹中科院包信和院士研究團隊巧妙地用部分還原的復合氧化物作催化劑，讓CO分子在催化劑氧缺陷位上吸附并解離；氣相氫分子選擇性地與解離生成的C原子反應(yīng)生成亞甲基自由基；催化劑表面CO解離生成的氧原子傾向性地與另一個CO反應(yīng)形成CO2；亞甲基自由基迅速進入分子篩孔道，在孔道限域環(huán)境中進行擇形偶聯(lián)反應(yīng)定向生成低碳烯烴而不是在催化劑表面停留或發(fā)生表面聚合反應(yīng)。通過以CO替代H2來消除烴類形成中多余的氧原子，在反應(yīng)不改變CO2總排放的情況下，摒棄了水煤氣變換反應(yīng)，從原理上開創(chuàng)了一條低耗水進行煤轉(zhuǎn)化的新途徑。同時，創(chuàng)造性將氧化物催化劑與分子篩復合，巧妙地實現(xiàn)CO活化和中間體偶聯(lián)等兩種催化活性中心的有效分離，把費托過程中“漫無目的”生長的自由基控制在一個“籠子”（分子篩）里，使其變成想要的目標產(chǎn)物（低碳烯烴）；介紹美國《科學》雜志以“令人驚奇的選擇性”為題發(fā)表專家評述，認為該過程未來在工業(yè)上將具有巨大的競爭力等背景知識，學習要求則不提高……這樣做可以讓學生體會征服困難、獲得成功的喜悅，激發(fā)他們學習和探究的興趣。

現(xiàn)今的中學化學教學以刷題訓練為主，而且考試難度大幅度提高，導致不少學生失去學習興趣。在實行升學選考后，選考化學的人數(shù)顯著減少，在一些地方已影響到化學課的正常開設(shè)，這個教訓必須吸取。

4.5 痛下決心，切實改革課程、教材、訓練與考試

現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展和社會發(fā)展的需要，使現(xiàn)代化學面臨著一輪新的變革和發(fā)展。對此，高中化學課程需要建立一種靈活的機制，以便于及時地反映現(xiàn)代化學迅速發(fā)展、變化著的特點和進展，及時調(diào)整中學化學的內(nèi)容，加強課程內(nèi)容的現(xiàn)代化，把符合現(xiàn)代化學特點和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)性內(nèi)容介紹給中學生，并且提供選擇機會使他們能對現(xiàn)代化學的某些領(lǐng)域或者研究案例作比較深入的了解，等等。

目前我們的基礎(chǔ)教育已經(jīng)被升學應(yīng)試綁架，雖然形形色色的改革措施不斷出臺，實際上應(yīng)試教育愈演愈烈，學生以及教師、家長的負擔很重，嚴重影響了學生全面發(fā)展和人才健康成長，迫切需要痛下決心，全面改革課程、教材、訓練與考試。這是一個復雜、龐大、艱難的系統(tǒng)工程，我們期待、祝愿它早日成功。

參考文獻：

[22]徐光憲. 21世紀的化學是研究泛分子的科學[J].中國科學基金，2002，16（2）：70～76.

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