科學(xué)技術(shù)及化學(xué)學(xué)科新發(fā)展對化學(xué)教學(xué)的啟示（上）

吳俊明+束婷婷

摘要：世界科學(xué)技術(shù)正在走近新突破時代。概述了化學(xué)學(xué)科發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢。科學(xué)技術(shù)及化學(xué)學(xué)科新發(fā)展啟示化學(xué)教學(xué)要注重研究思路、方法和創(chuàng)新的感悟、體會與訓(xùn)練；注意學(xué)科思想（觀念）的滲透、領(lǐng)悟和發(fā)展；注重立德樹人，促進(jìn)全面發(fā)展；激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，不要嚇跑學(xué)生；痛下決心，全面改革課程、教材、訓(xùn)練與考試。

關(guān)鍵詞：科學(xué)技術(shù)；化學(xué)學(xué)科；發(fā)展趨勢；化學(xué)教學(xué)；啟示

文章編號：1005–6629（2016）9–0011–05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 世界科學(xué)技術(shù)正在走近新突破時代

在公元1900年之前，經(jīng)典物理學(xué)，包括力學(xué)、熱力學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等，已經(jīng)形成比較完整的體系。許多人認(rèn)為物理學(xué)問題已經(jīng)基本解決完了，剩下的只是小修小補(bǔ)的完善工作，以至于被謔稱為“開爾文勛爵”的W·湯姆孫在1899年除夕之夜宣布：“物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成。”然而就在此時，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了黑體輻射理論的“紫外災(zāi)難”——輻射能量不連續(xù)以及光傳播介質(zhì)“以太”假說破滅“兩朵讓人不安的烏云”。5年以后，這“兩朵烏云”，一個導(dǎo)致量子論誕生，一個導(dǎo)致相對論誕生，使物理學(xué)面貌大變，帶動了科學(xué)在20世紀(jì)的突破性發(fā)展。

歷史不會簡單地重復(fù)，但往往驚人地相似。現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)的一些重大發(fā)現(xiàn)，使人們不由地想到：當(dāng)代科學(xué)技術(shù)正在走近新突破時代。就拿最近的2015年來說吧，在這一年，科學(xué)界有很多出乎意料的發(fā)現(xiàn)[1]。例如：

早在1915年，愛因斯坦就曾根據(jù)相對論推算宇宙中物質(zhì)的平均密度必須達(dá)到每立方厘米5×10-30克，而實際觀測到的宇宙的密度卻比這個值小100倍。這意味著，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)本身不發(fā)光、不反射和吸收光，用現(xiàn)有技術(shù)觀察不到，卻有質(zhì)量和引力，是“暗物質(zhì)”。后來一些人提供過暗物質(zhì)的存在證據(jù)，但只是對河外星系觀測結(jié)果做出的假設(shè)。2月9日，歐洲科學(xué)家首次通過對比星體自轉(zhuǎn)速度的方法，從銀河系獲得直接證據(jù)，證實了人類所在的銀河系內(nèi)確實存在暗物質(zhì)。

2月25日，天文學(xué)家宣布，在128億光年遠(yuǎn)處的類星體中發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量為太陽120億倍的極其古老超級黑洞，該黑洞在宇宙極其年輕的時候就生成了，亮度是太陽的420兆倍。現(xiàn)有科學(xué)理論無法解釋如此質(zhì)量巨大、能力極強(qiáng)的黑洞為什么在宇宙大爆炸發(fā)生不久就形成，因此這個發(fā)現(xiàn)將會改寫物理學(xué)。

3月13日，一項最新分子生物學(xué)研究顯示，人類在遠(yuǎn)古時代即從周圍環(huán)境獲得必需的基因，而且這種“基因水平轉(zhuǎn)移”會在多種生物的機(jī)體間發(fā)生。該研究打破了進(jìn)化論認(rèn)定生物完全依賴祖先基因的觀點(diǎn)，說明需要重新分析對進(jìn)化論的認(rèn)識。

8月20日，西班牙科學(xué)家首次在實驗室制造出傳導(dǎo)磁場的“蟲洞”時空隧道，并檢測到自然界不可能單獨(dú)存在的磁單極子。

8月24日，荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)的羅納德·漢森（Ronald Hanson）團(tuán)隊報道他們的貝爾實驗證實了量子非局域性[2]。

9月23日華盛頓大學(xué)宣布，該校科學(xué)家使用網(wǎng)絡(luò)在1.5公里距離內(nèi)，將一個人的思想通過電磁波傳給另一個人，證實人與人的思維可以相連，人的意念和思維是一種物質(zhì)，可以轉(zhuǎn)換成電磁波傳送和接收……

如果再算上2015年之前和之后的發(fā)現(xiàn)暗能量存在的直接證據(jù)[3]、中國科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊測出量子糾纏的傳輸速度至少比光速高4個數(shù)量級、超大規(guī)模集成電路、超級計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、5G通訊、量子通信、量子計算、高溫超導(dǎo)及超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用、有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體（OLED）、人工智能及各種機(jī)器人、自動駕駛、先進(jìn)制造、航天遙控、基因技術(shù)及人類基因組測序、3D打印“活體組織”、數(shù)據(jù)技術(shù)等等以及化學(xué)學(xué)科的一系列新進(jìn)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突破性發(fā)展就更加驚人了。

2 化學(xué)學(xué)科令人興奮的新進(jìn)展

在世界科學(xué)技術(shù)正在走近新突破時代這個大背景下，20世紀(jì)末以來化學(xué)學(xué)科有許多令人興奮的新進(jìn)展。例如：

使人“腦洞大開”的發(fā)現(xiàn)：雖然碳元素在19～20世紀(jì)就已經(jīng)被化學(xué)家詳細(xì)研究過，到了1985年竟然還發(fā)現(xiàn)了球碳（C60）。這個發(fā)現(xiàn)給化學(xué)家很大的震撼并波及其他學(xué)科。看來，在一些基本研究領(lǐng)域中還存在著重大的疏漏，應(yīng)該引起重視。以此為開端，化學(xué)家們“補(bǔ)漏查缺”，不但陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一系列富勒烯分子，還發(fā)現(xiàn)了碳納米管（巴基管）、石墨烯等新型的碳。不久前發(fā)現(xiàn)的電子特性各向異性的硼墨烯跟此也不無關(guān)系。

直觀微粒圖像：化學(xué)要跟分子、原子打交道，多少年來，一直有教師、學(xué)生感嘆：要是能直接看到分子、原子，讓化學(xué)的奧秘一覽無遺就好了。這并非異想天開：就在本世紀(jì)初，中國科技大學(xué)的研究人員利用掃描隧道顯微鏡，在國際上首次直接拍攝到了能夠分辨出化學(xué)鍵的碳-60單分子圖像，這種單分子直接成像技術(shù)為解析分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)、“切割”和重新“組裝”化學(xué)鍵奠定了基礎(chǔ)，使科學(xué)家設(shè)計新物質(zhì)分子乃至于制備單分子級的納米器件人工“組裝”成為可能。因為這一成果如此富有意義，著名的英國《自然》雜志在2001年1月18日發(fā)表了這一成果[4]。接著，奧地利維也納大學(xué)和德國比勒費(fèi)爾德大學(xué)的科學(xué)家利用飛秒（1飛秒為千萬億分之一秒）激光技術(shù)在2002年成功地觀測到原子內(nèi)部電子的運(yùn)動情況[5]；美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）和布朗大學(xué)的科學(xué)家用自由電子激光中的超高亮度X射線脈沖來追蹤化學(xué)反應(yīng)，實時觀察到分子在反應(yīng)中的結(jié)構(gòu)變化和過渡態(tài)分子的形成，英國愛丁堡大學(xué)的科學(xué)家則用同樣方法觀察到碳環(huán)中碳-碳鍵展開等立體化學(xué)過程，觀察到多個反應(yīng)路徑[6]；2013年11月22日，中科院國家納米科學(xué)中心宣布在國際上首次拍到氫鍵的“照片”，實現(xiàn)了氫鍵的實空間成像，為“氫鍵的本質(zhì)”這一化學(xué)界爭論了80多年的問題提供了直觀證據(jù)（圖1照片中4個8-羥基喹啉分子之間的淡色線條即為氫鍵）[7]。這一年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究人員還實現(xiàn)了最高分辨率單分子拉曼成像[8]。

解開一個難題：“水的結(jié)構(gòu)是什么？”是國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年特刊中提出的125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題中僅有的4個“純粹化學(xué)問題”之一*。中國科學(xué)家首次拍攝到了水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對氫核量子特性進(jìn)行了精確探測和描述，實現(xiàn)了單個水分子內(nèi)部自由度的成像和水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型的直接識別，并在此基礎(chǔ)上探測到氫核的動態(tài)轉(zhuǎn)移過程，揭示了單個水分子和四分子水團(tuán)簇的空間姿態(tài)，在國際上首次獲得了單個水分子的高分辨振動譜，同時由此測得單個氫鍵的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)氫核的量子效應(yīng)足以對水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響，揭示了氫鍵的全量子本質(zhì)，澄清了學(xué)術(shù)界的長期爭論，率先回答了氫原子和氧原子究竟如何形成水分子這一世界難題。endprint

成功設(shè)計和制備多種功能分子：繼美國科學(xué)家研制出分子開關(guān)（2000年）和納米馬達(dá)（2003年）之后，中國科學(xué)家研制成功納米“超級開關(guān)”材料（2004年），跟美國科學(xué)家合作成功造出世界首例真實穩(wěn)定可逆單分子電子開關(guān)（2016年）。分子馬達(dá)在制造分子機(jī)器人（納米機(jī)器人）方面的前景十分誘人。2013年4月15日，美國肯塔基大學(xué)藥學(xué)院教授郭培宣（Peixuan Guo）研究組宣布發(fā)現(xiàn)了分子馬達(dá)運(yùn)動的第三種形式，由這種新型的分子馬達(dá)，有望制造出新的納米藥物[9]。

生命化學(xué)進(jìn)展突出：2014年，英國格拉斯哥大學(xué)的科研團(tuán)隊在不使用DNA的情況下首次創(chuàng)造出可進(jìn)化的化學(xué)系統(tǒng)，向創(chuàng)造人造生命的可能邁進(jìn)了一大步[10]。同年，荷蘭阿納姆·奈梅亨大學(xué)的化學(xué)家小組，首次使用聚合物成功制成人工“真核細(xì)胞”[11]。2016年，美國科學(xué)家宣布設(shè)計并制造出包含473個維持生命必需基因、具有自我復(fù)制能力的最簡單的人造合成細(xì)胞，被認(rèn)為是生命科學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展[12]。經(jīng)過多年努力，中科院科學(xué)家通力合作，在2016年成功地通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了高等植物（菠菜）的光系統(tǒng)Ⅱ-捕光復(fù)合物Ⅱ超級膜蛋白復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)[13]。清華大學(xué)鐘毅教授結(jié)合分子遺傳學(xué)和行為學(xué)手段探尋遺忘的分子機(jī)制并突破性地發(fā)現(xiàn)小G蛋白Rac在遺忘調(diào)節(jié)中的核心地位，也預(yù)示了神經(jīng)元細(xì)胞骨架重排可能作為記憶消逝的根本原因，為人們認(rèn)識遺忘乃至記憶的本質(zhì)提供啟示[14]。

能源化學(xué)進(jìn)展喜人：我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究人員已于2013年完成了有機(jī)廢水乙醇型發(fā)酵生物制氫工業(yè)化示范。尤其突出的是，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科學(xué)家顛覆了國際化工界沿襲90多年的水煤氣變換制氫過程（簡稱為F-T過程或費(fèi)托過程），創(chuàng)造性地以CO替代H2來消除烴類形成中多余的氧原子，同時又將氧化物催化劑與分子篩復(fù)合，實現(xiàn)直接采用煤氣化產(chǎn)生的合成氣（純化后CO和H2的混合氣體）在新型復(fù)合催化劑的作用下高選擇性地一步反應(yīng)獲得低碳烯烴，在不改變CO2總排放的情況下，摒棄了高耗能、高耗水的水煤氣變換反應(yīng)，從原理上開創(chuàng)了一條低耗水進(jìn)行煤轉(zhuǎn)化的新途徑，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益，被業(yè)界認(rèn)為是“煤轉(zhuǎn)化領(lǐng)域里程碑式的重大突破”[15]。在新型電池開發(fā)方面，化學(xué)家們也取得了可喜的進(jìn)展。例如，馬里蘭大學(xué)帕克分校的王春生教授和他的研究團(tuán)隊用純鎂代替純鋰與硫配對制成鎂電池，能量密度是商用鋰離子電池的4倍左右，充放電達(dá)到30次，有望經(jīng)過改進(jìn)成為未來電池替代安全差的鋰電池用于驅(qū)動電動汽車等[15]。

人工智能應(yīng)用嶄露頭角：在預(yù)測制備釩亞硒酸鹽晶體反應(yīng)條件比試中，美國哈弗福德學(xué)院Norquist團(tuán)隊的機(jī)器學(xué)習(xí)算法以成功率89%對78%勝過有十余年相關(guān)經(jīng)驗的材料化學(xué)家。雖然這場勝利只是一小步，但在不遠(yuǎn)的將來，AI（人工智能）或許真的能顛覆化學(xué)家的科研方式，掀起化學(xué)科研革命[17]。伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的Burke團(tuán)隊發(fā)明的機(jī)器采用通用的化學(xué)反應(yīng)將模塊化的分子組件裝配成所需的目標(biāo)有機(jī)分子。該研究小組已使用這個系統(tǒng)合成出很多種化合物，包括復(fù)雜的大環(huán)和多環(huán)的天然產(chǎn)物[18]。英國曼徹斯特大學(xué)的RossKing計算機(jī)科學(xué)家團(tuán)隊也開發(fā)出一種名為“夏娃”的“機(jī)器人科學(xué)家”，這是一個完全自動化的人工智能平臺，有每天篩選成千上萬候選藥物的潛力。該系統(tǒng)能夠建立一個假說，并對其進(jìn)行測試和解釋結(jié)果，甚至能基于計算結(jié)果進(jìn)一步精細(xì)化輸入，人工的干預(yù)只在補(bǔ)充試劑和處理廢物時才需要。該平臺確定的廣譜抗生素TNP-470已經(jīng)成為可能的抗瘧疾化合物[19]。

……

20世紀(jì)以來，化學(xué)學(xué)科的發(fā)展走勢被歸納為：由宏觀向微觀、由定性向定量、由簡單到復(fù)雜，由經(jīng)驗逐漸上升到理論。21世紀(jì)初化學(xué)大體上仍然保持了這些走勢，但增加了新的內(nèi)容、呈現(xiàn)了新的特點(diǎn)。細(xì)一點(diǎn)說[20～22]：

研究對象更加復(fù)雜。化學(xué)的研究對象擴(kuò)大到復(fù)雜體系尤其是生命體系，不僅涉及傳統(tǒng)的分子成鍵和斷鍵，即不僅涉及離子鍵和共價鍵那樣的強(qiáng)作用力，而且也涉及復(fù)雜體系中范德華力、π-π堆集和氫鍵等分子間的弱相互作用力。雖然這些作用力較弱，但由此卻組裝成了具有全新性質(zhì)的分子聚集體、分子互補(bǔ)體系或通稱的超分子體系。這種體系具有全新的性質(zhì)，可使通常無法進(jìn)行的反應(yīng)得以進(jìn)行。在生物體中最著名的DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)就是由源自氫鍵的堿基配對而形成的。高效的酶催化反應(yīng)和信息的傳遞也是通過分子聚集體進(jìn)行的。

微觀-介觀層次的研究進(jìn)一步加強(qiáng)。在研究復(fù)雜體系時，研究如何進(jìn)行分子識別，研究如何深入控制分子的各種作用力，研究它們的本質(zhì)以及了解分子識別過程，在研究分子層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡明分子以上層次結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)變化的化學(xué)基礎(chǔ)，以及結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能的關(guān)系。多少年來化學(xué)家認(rèn)為性質(zhì)就是由原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)決定的，事實上很多現(xiàn)象早已說明化學(xué)性質(zhì)具有尺度效應(yīng)，尺度改變可以引起化學(xué)性質(zhì)的躍變。所以，現(xiàn)代化學(xué)已經(jīng)開始注意研究介于宏觀和微觀之間的介觀體系（或稱亞微觀體系，例如納米體系），注意復(fù)雜系統(tǒng)的多尺度問題。

領(lǐng)域進(jìn)一步拓展，視野進(jìn)一步擴(kuò)大。現(xiàn)代化學(xué)不但通過吸收其他學(xué)科的新理論和新結(jié)果孕育新的生長點(diǎn)，而且在跟其他學(xué)科交叉、綜合中不斷開拓新的領(lǐng)域，使自身發(fā)展與整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展融合。

例如，通過合成來理解和最終獲取有各種生物功能的分子，這已經(jīng)成為一個大趨勢。現(xiàn)今國際上涉及合成化學(xué)的著名刊物，在刊載復(fù)雜分子的合成文章時都注重說明目標(biāo)分子的生物功能或者它在生物學(xué)上的意義。純化學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)的天然產(chǎn)物合成，除了確實具有新奇的結(jié)構(gòu)外，已很難在高水平的雜志上出現(xiàn)，相關(guān)課題也難于獲得科學(xué)基金的資助。

化學(xué)家已經(jīng)從各種動植物出發(fā)制造出一大批天然藥物（包括農(nóng)藥）。在我國，從得天獨(dú)厚的中草藥中已經(jīng)分離、鑒定了許多天然產(chǎn)物，在逐步揭示它們的作用機(jī)制的過程中提出許多與治療作用密切相關(guān)的合成工作。合成的目標(biāo)分子已不再僅僅是具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的天然產(chǎn)物分子，更著重具有獨(dú)特功能的結(jié)構(gòu)。在這方面，屠呦呦獲得諾貝爾獎具有標(biāo)志性意義。endprint

化學(xué)合成新材料（主要指功能材料）是相對較近期的趨勢。人工晶體、沸石和超導(dǎo)材料等是無機(jī)合成的成功例子。從合成設(shè)計和控制講來，無機(jī)合成比有機(jī)合成困難得多，但由于某些晶體在尖端和敏感領(lǐng)域的特殊需要，有關(guān)的合成工作常常是無可省略、替代的。有機(jī)功能材料（包括功能高分子）也是發(fā)展得較快的領(lǐng)域。有機(jī)功能材料比較容易從功能出發(fā)進(jìn)行設(shè)計，也比較容易合成。在工作條件不很苛刻時，有機(jī)材料將是十分優(yōu)越的。液晶材料的成功就是很好的例子。近年一些奇特的套環(huán)分子等的合成以及DNA芯片的制備，都顯示了有機(jī)材料在作為微電子學(xué)材料方面的前景。有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料以至金屬摻合材料，更是顯示出廣闊的應(yīng)用天地。

社會問題的解決、跟自然界和諧相處、有關(guān)的倫理道德乃至化學(xué)文化等等，都開始進(jìn)入化學(xué)的視野。

（4）綠色化學(xué)思想及綠色技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和普及

綠色化學(xué)思想已經(jīng)明確。從綠色技術(shù)的觀點(diǎn)來看，化學(xué)合成應(yīng)該是原料和試劑易得；原料和試劑在反應(yīng)中充分利用（原子經(jīng)濟(jì)性）；盡量減少副產(chǎn)物和無法循環(huán)使用的溶劑；低能耗的反應(yīng)條件等。綠色反應(yīng)中減少副產(chǎn)物的基礎(chǔ)，就是高選擇性反應(yīng)。選擇性反應(yīng)也稱作不對稱合成或手性合成控制，目標(biāo)是將生成消旋體的反應(yīng)控制為只生成其中一個有用的對映體。不對稱合成是一個仍在不斷發(fā)展、充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。催化反應(yīng)的重要意義使它在綠色化學(xué)中得到重視。不過，由于催化體系和過程的復(fù)雜性，新的高效催化劑的發(fā)明遠(yuǎn)非易事，還沒有脫離經(jīng)驗篩選的范疇。

現(xiàn)在，綠色技術(shù)方面已經(jīng)取得了一些重要發(fā)展：化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)的改變，超臨界二氧化碳的利用，固相反應(yīng)以及非化學(xué)試劑的應(yīng)用包括電化學(xué)反應(yīng)的新應(yīng)用以及光、聲反應(yīng)的新途徑已經(jīng)顯露廣闊的發(fā)展前景。完全由離子組成、在低溫（<100℃）下呈液態(tài)的離子液體（也稱低溫熔融鹽）作為綠色溶劑用于有機(jī)及高分子合成時具有不揮發(fā)、無色、無嗅；具有較大的穩(wěn)定溫度范圍、化學(xué)穩(wěn)定性及較寬的電化學(xué)穩(wěn)定電位窗口，可調(diào)節(jié)其對無機(jī)物、水、有機(jī)物和聚合物的溶解性，可調(diào)節(jié)溶劑酸度至超酸等優(yōu)點(diǎn)，而受到重視。

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