化学学科的现状及基础化学教育改革问题

化学学科的现状及基础化学教育改革问题宋心琦一、化学学科现状简介自1802年道尔顿提出原子假说，1811年阿伏加德罗又提出分子学说以来，化学一直在原子和分子学说的基础上发展着。1869年门捷列夫所发现的元素周期律及在此基础上构成的元素周期表，使化学从而成为一门有着严密体系的学科。由于当时对于原子和分子的结构理论还停留在假说的阶段，化学家的研究工作主要侧重于元素的发现、分析或分离组成复杂的样品的方法以及新化合物的合成，所以化学的传统定义中只强调合成和分析两个方面。这个传统在基础化学教育中至今仍然有着深刻的影响。20世纪物理学家对原子结构及有关分子、晶体结构的实验研究成果和以量子力学为代表的诸多理论研究成果，使晶体、分子与原子结构的测定结果和化学家为分子、晶体所设计和编制的化学式与结构式在元素论的基础上演化成为化学家的一种学科语言。在此基础上，合成和分析方法的设计与实践便从主要依靠化学家的个人经验和技术的方式转为同时在理论的指导下的半经验方式。化学学科发展的阶段特点在今天的化学教育体系和课程体系中都可以找到它的痕迹。这个事实说明，在考虑21世纪的化学教育和基础教育阶段的化学课程目标和内容时，不可不研究20世纪的化学现状，并对其在21世纪的发展前景作出合理的预测，至少也应该对21世纪初的化学学科特点作出有根据的预见和合理的分析。化学学科的现状可以从理论和技术两方面对其目前的水平及问题作一简单扼要的介绍。虽然发现元素的工作，早年是化学家和物理学家共同努力的一个领域，但是在元素周期表中的位置逐一被填满并发现天然存在的元素已经告罄之后，用核反应的方法制造人造元素的工作，几乎成了物理学家的专利。而以原子为基础的化学键理论的发展，深化了对分子结构（包括晶体和原子的其他聚集态）、性质及反应性能的了解，并唤起对分子及其聚集态体系功能的研究与开发的重视。因此，分子及其聚集态等逐步成为现代化学的主要研究对象。由于合成化学和分析方法的多年积累，加上检测和分离技术的进步，已经发现并确定了其组成和结构的化合物以及在实验室里合成出来的新化合物，到20世纪末将超过2000万种（1999年12月已达到2000万种），其中有一小部分已建成数据库，但目前数据库的使用率大约只有10%左右。利用物理效应和计算机技术发展起来的多种谱学方法和技术，已经达到相当高的水平。例如，利用扫描隧道显微技术（STM），人们已经能够探测到原子或分子在固体表面上的排布规律，也可以探测到碱基对在DNA双螺旋中的排布情况。水平检出灵敏度达到10-1nm的量级，垂直检出灵敏度达到10-2nm的量级。在动力学过程中，谱学方法的分辨率已经可以满足由10-15s到以d（日）为量级的从超快过程到与生物体系有关的极慢过程的研究。在有机合成方面，化学家在合成时似乎已经不再存在禁区，只要预先设定的化学式和结构式是“合理的”，合成的问题就仅在于方法和路线的选择，以及产率的高低了。借助于数据库和专家系统，结合已有的一些经验规律，计算机辅助设计的方法在药物化学及材料科学中已经取得很大的成绩。近几年来兴起的组合化学方法，通过把中等数学中的概率论及排列组合方法和反应试剂固定化技术结合起来，使具有预期药效或功能的化合物的合成与筛选的效率提高了几个量级。在研究对象方面，化学家的视野已大为扩展，由地球扩展到了其他星球和整个宇宙，由各种外场效应对化学反应的影响扩展到在无重力条件下的化学反应等等。这一切成就使得20世纪的化学家的目光更加敏锐和开阔，信心更为坚定，和其他学科之间的互相渗透、互相支持的自觉性也远非昔日可比。但是，也应当看到，化学在融入其他学科的同时，存在着过分重视化学物质的合成技巧和它们的功能的偏向，以至于化学家的基础研究课题，大多是其他学科中的课题，如光合作用，生命起源，针对某种特殊疾病的有效药物等等。对于化学本身的基础研究课题反而被疏忽了。我们应当重视对其他学科领域及技术领域的积极参与，但是一门学科如果对本学科的基础理论不够重视，不能吸引优秀的研究人员来从事有关的研究工作，它就会失去活力，甚至于失去存在的价值。近年来，化学学习热情的低迷不振，不能不认为与此有一定关系。只是因为化学人才在就业与薪金方面一直保持着相对于其他自然科学的优势，才使这个问题没有进一步激化而已。20世纪50年代以后，由于量子化学理论和方法的进步与发展，对化学结构理论，特别是化学键理论的发展起了重要的促进作用，提高了化学家研究微观世界的能力。以物理学中的热力学和统计力学等为基础发展起来的化学热力学和化学统计力学等为化学提供了化学平衡理论、化学反应速率理论以及对给定体系的基本热力学性质的理论估算方法等等。但是应当认为，化学理论的发展速度相对于化学的整体发展速度而言，是不尽如人意的，对此本文不准备展开，只做一般性的讨论。化学在这两个世纪里所形成的思维方式和评价体系，几乎没有太大的变化。化学家对化学是一门实验性科学的含义往往只从狭义上来理解，因而常常疏忽理性的思维，人们习惯于接受物理学的基本原理与定律，借用物理学和其他技术科学所提供的新技术，在这方面通常表现得非常开放和非常敏感，对于新技术的采用则更为明显。但是在另一方面，化学家很少对结合化学运动自身的更为基本的规律进行研究，却是一个不争的事实。也许门捷列夫的成功启发了一些科学家，认为用分类、统计和只针对系统内的某些性质找寻规律性（经验或半经验的）一类的方法，加上以实验数据（有限的）为依据，或以实验数据（有限的）为证据的做法，就成了化学是一门实验性科学的主要注解，同时可能成为化学家从化学教育中继承下来的，最传统的学习和研究方法。化学运动有没有本身的规律？现在借用的物理学规律或原理是否真正揭示了物质化学运动的化学本质？这是21世纪化学家们应当认真思考的问题，也是化学教育改革中的一个关键问题。先由常用的化学反应判据来看，热力学判据是：ΔG＜0是体系中有关过程具有自发进行的趋势或蕴有自发进行的推动力的方向。（这个判据在微观世界中常以体系能量最低原则的形式出现。）热力学判据对于平衡体系，线性化学体系来说，显然是久经考验，不应怀疑的。但是热力学判据应用时的条件是必须先确定始态和终态（可以是虚拟的，但必须是确定的）。可是对于一个尚未研究过的化学过程，又如何能够确定它的终态呢？倘若一个体系在变化后可能达到的终态不止一个，热力学判据只能告诉我们，其中ΔG＜0的数值最小的过程将是最可能的（但未必是最现实的）。例如在生物体的化学变化中，完全分解或氧化成CO2、H2O、N2等时的ΔG应是最小的，但是在很多情况下可能要经过很长的时间才能达到，通常并不是化学变化的第一选择。大自然里动植物化石的形成过程就是一个例子，农家肥的成熟过程也是一个例子。现在已经知道，体系的变化往往要经过相当复杂的过程，形成许多所谓的反应通道，表现为产生多种副产物。这种情况在有机化学中十分普遍，而且分子的结构越复杂（分子包括的对称性元素越多），分子链越长，分支越多，结果就越复杂。副产物，异构体，交联率，分子量分布和介观物相的差异，原子簇组成的变化等等，皆由化学过程的复杂性所致，可以作为远非能量最低原理所能概括的重要例证。局部的能量或瞬时结构的判定与推测，现在仍然遵守着一个原则，即能量最低（相对于始态或另一个虚拟态）原则。在这个原则下设定的构象及其有限的变化（即准定态近似），是量子化学计算的基础。物理运动中，过程方向是由种种定义明确、物理图像清晰的推动力所决定的，如万有引力、电性力、分子间作用力和核子力等。如果把它们直接用于化学过程时，就有着定义模糊，图像与实际体系并不完全符合的问题。这点在前面提到热力学问题判据时已谈到，不再重复。例如，H2和O2本来是各自稳定存在的，当混合后经过引发会发生化学反应生成水，已是大家所熟知的事实。为何会发生反应？现在的化学理论提供的基本思路为：一是由过程的ΔG＜0告诉我们，生成水后体系的自由能可以变得更低些；二是告诉我们在H2和O2获得活化能后，是如何发生键断裂和键生成过程的，由量子力学方法可以计算出过程中体系的势能变化（如势能面或势能曲线），可以讨论反应物分子在反应时应当取何种相对位置（如头对头或肩并肩等）对反应可能更为有利等等。问题是，当H2和O2分子被混合在同一容器中后，体系是如何“知道”生成水后可以达到更加稳定的状态的呢？为什么不可以生成其他的物种，如H2O2等等？此处的“能量趋于更低”的推动力的物理图像是十分模糊不清的，因为“更低”在反应之前只是一个未经证明的假设。20世纪70年代一度引起轰动的伪科学事件──聚合水的发现，曾经使很多科学家陷入困境。他们之所以被误导是可以理解的，因为物理化学原理至今仍是以体系的内能和自由能的绝对值无法测定为基础的。人们相信水是组成为H2O的物质的稳定（最稳定的？）存在形式，不过是千百万次实践的经验的总结。我们相信它的正确，因为正面回答的统计值极高，但仍然是未经严格的理论证明过的一种经验总结。类似的怀疑在哲学上也是站得住的。我讲这些，无意为上述伪科学事件翻案，而是用来说明科学的发现和理论的发展应当是科学的思维方法和严格的科学实践（包括科学的实验与步骤严密的检验）的结合。古人说过：“学而不思则罔，思而不学则殆”，如果把其中的“学”字转义为“科学的研究工作”（着重于方法及程序的科学性），就可以成为现代科学工作者的座右铭了。二、化学教育现状的分析至于化学教育的现状则更值得认真思考和检讨。美国自1990年开始由美国化学会组织、美国自然科学基金会资助，由一个特别工作组以影响面最大的普通化学的改革方案为主要工作内容，进行了近5年的调查研究和研讨，继而分解成多个研究课题，内容涉及教学大纲（核心内容），教学法（如何使得学生感兴趣）以及教科书和多媒体软件包为代表的学习材料等。虽然公布的报告主要和大学化学教育有关，其中有很多论辩和提法对于中学化学教育改革也是可以借鉴的。1.化学教学与教材中的“数学化”倾向问题有一位有着数十年教龄的美国化学教授，在认真地审读了现行的化学教材又翻阅了大量非化学专业教材之后，发现有些化学计算的教学内容，如pH，溶度积，缓冲容量及其他一些复杂的化学平衡体系的有关计算等，不是根本没有必要，就是算出来的结果和实验测定结果相差悬殊，但是在化学教材中却是连篇累牍。为此他沉痛地呼吁道：“为什么还要这样来折磨我们的学生？”他所说的这种情况，在我国的大学及中学化学教学和教材中同样存在。由于化学学科本身还处在半经验化的阶段，亦即在解释化学现象时，至今还没有普适性很广的化学自身的规律。而在化学中应用很广的物理学定律，如热力学、量子力学的规律，以及能量守恒定律和质量守恒定律等，一般并不细致地考虑物质化学运动本身的特点。当我们在教学中不能把物质的化学运动与物理运动的学科差别把握好，并以此来激发学生的兴趣，和不能摆脱高考为便于评分而偏爱各种各样的计算的影响时，以数学计算来代替真正的理性化，就是可以理解的了。但是这样做的结果不仅掩盖了（至少是淡化了）化学本身的特点，同时也扼杀了学生学习化学的兴趣。我建议持有不同看法的朋友可以到科学院化学研究所或北京大学化学系去实地考察和调查一下，也许就会认同我的看法了。他们绝大部分的时间用于化学合成、结构测定和光谱解析以及研究新化合物的状态和性能等方面。除去做必要的量子化学计算外，利用光谱计算某些组分的含量和推导反应动力学方程，以及常规的分子量、化学式量和产率计算等等才是他们常做的计算工作。至于复杂体系的化学平衡状态，理论计算也许在书写论文时会有人加上一笔，在实际工作中，人们更相信用适当的实验方法所测定的结果，而不是计算的结果。所以，理论计算，尤其是复杂的理论计算对于化学工作者来说，也许在设计工作程序时有一定程度的参考作用，但通常并不是必需的，因为对于实际的复杂体系而言，可信度往往不高。由此应该想到，对于非化学专业的技术人员，这种理论计算训练的必要性就更值得怀疑的了。对于学生，要他们在基础化学学习期间，通过计算来了解化学和对化学产生兴趣，几乎是不可能的。近几年常听到不少有丰富教学经验的化学教师对于化学学习的过分“数学化”所抒发的忧虑，他们的忧虑无疑是正确的