試論化學(xué)學(xué)科思想體系與探源

傅興春（廈門市教育科學(xué)研究院，福建廈門361003）

試論化學(xué)學(xué)科思想體系與探源

傅興春
（廈門市教育科學(xué)研究院，福建廈門361003）

學(xué)科思想是學(xué)科在形成和發(fā)展過程中逐步形成的學(xué)科內(nèi)核，是學(xué)科的靈魂，是學(xué)生學(xué)科學(xué)習(xí)的重要目的，從研究來看，化學(xué)思想由八個核心觀念組成，本文試圖討論化學(xué)學(xué)科思想的體系及其起源。

學(xué)科思想；核心觀念；探源

思想是客觀存在的事物在人們頭腦中的反映，經(jīng)過人的思維活動而產(chǎn)生的理性認識。一切基于和符合客觀事實的思想是正確的思想，它對客觀事物的發(fā)展起到促進作用。一門學(xué)科，經(jīng)過許多探索，逐漸形成了學(xué)科獨特的思想，這些學(xué)科思想是人們對學(xué)科思維的總結(jié)與歸納。如果我們“進入”了這門學(xué)科領(lǐng)域，就得依照學(xué)科思想的范式來進行思考——尋找答案、解決問題或處理學(xué)科問題。學(xué)習(xí)一門學(xué)科，對大多數(shù)人來說，其終身有作用的部分應(yīng)該就是學(xué)科的思想。本研究對化學(xué)學(xué)科思想的體系和起源進行分析，以期獲得對化學(xué)思想有一個系統(tǒng)的認識。

一、化學(xué)思想體系

化學(xué)是自然科學(xué)的一個組成部分，近年畢華林等提出按知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀為分類視角，提出了化學(xué)的九個基本觀念。但從人們對思想和觀念的定義來看，思想和觀念應(yīng)都屬于情感態(tài)度與價值觀層面。思想又稱為觀念，有時思想和觀念兩詞經(jīng)常混用，在本研究中將其進行了區(qū)分使用，我們將化學(xué)思想作為人們對化學(xué)學(xué)科思維范式的總結(jié)，是人們對化學(xué)學(xué)科理性思維的結(jié)果，是對化學(xué)事實和理性思維進行高度概括而形成的人們對化學(xué)學(xué)科的認識。而觀念作為化學(xué)思想的分支，是人們對各種化學(xué)現(xiàn)象認識的集合，具體體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的基本思想分類，化學(xué)思想是化學(xué)觀念集合的總稱。而且學(xué)科方法是學(xué)科觀念的形成和應(yīng)用的程序，幫助人們形成觀念或應(yīng)用觀念。因此，本研究認為思想、觀念和方法的基本關(guān)系如圖1所示。

圖1 思想、觀念和方法的基本關(guān)系

組成化學(xué)思想的基本觀念，必須概括的原則有：

一是統(tǒng)帥性原則。化學(xué)觀念應(yīng)有足夠的概括性，是化學(xué)學(xué)科的核心，對化學(xué)學(xué)科的研究、學(xué)習(xí)、應(yīng)用起到正確的引導(dǎo)作用。

二是學(xué)科性原則。這是化學(xué)學(xué)科獨有的，不是其他學(xué)科能夠替代的，也不是哲學(xué)上的一般思想。

三是應(yīng)用性原則。化學(xué)觀念在人們的化學(xué)研究、學(xué)習(xí)、應(yīng)用中起到重大的作用，是化學(xué)應(yīng)用所必須的。

根據(jù)以上思想篩選的原則，我們建立了兩種化學(xué)學(xué)科思想體系。

一是認為化學(xué)思想由四項學(xué)科基本思想組成。化學(xué)是研究微觀世界的科學(xué)，人們在長期的研究中形成了微觀思想，而在人們對物質(zhì)組成元素的探索中形成了元素觀；對微觀粒子的探索形成了微粒觀；對微粒形成物質(zhì)的結(jié)構(gòu)探索形成了結(jié)構(gòu)觀。化學(xué)又是研究物質(zhì)的科學(xué)，人們在長期的研究中形成了對物質(zhì)世界的基本認識就是物質(zhì)思想，而人們對物質(zhì)性質(zhì)和應(yīng)用的探索，形成了對物質(zhì)價值、物質(zhì)應(yīng)用等的認識形成物質(zhì)觀；而對物質(zhì)變化的規(guī)律的研究形成了變化觀；由于在物質(zhì)變化的過程中，人們對化學(xué)平衡現(xiàn)象的特殊認識，形成了平衡觀，可以單獨抽取出來進行研究。人們在對物質(zhì)微觀世界和物質(zhì)世界的研究中使用的實驗思想方法，雖然在其他學(xué)科中也有體現(xiàn)，但化學(xué)作為實驗學(xué)科，回避不了實驗問題，人們在大量實驗研究中形成了實證思想（實證觀）。而化學(xué)經(jīng)歷了污染等發(fā)展中的問題讓人們對化學(xué)發(fā)展有新認識，就是綠色化學(xué)思想（綠色觀）。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 化學(xué)思想體系結(jié)構(gòu)圖1

二是認為上述八個觀念可以扁平化處理，形成如圖3更為簡捷的結(jié)構(gòu)。

圖3 化學(xué)思想體系結(jié)構(gòu)圖2

以上八種觀念已能體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心，是我們對化學(xué)思想體系的認識。

二、化學(xué)觀念探源

組成化學(xué)思想的八種核心觀念的內(nèi)涵和外延的形成和發(fā)展，有其歷史，下面我們從化學(xué)發(fā)展史的視角來認識這八種觀念的形成和發(fā)展，并試圖提出其核心價值。

1.元素觀

元素觀的形成可追溯到化學(xué)成為一門科學(xué)之前，從人們開始認識物質(zhì)世界，就一直不斷思考——世界的本源和物質(zhì)的本源，從最原始樸素的觀察、認識和應(yīng)用，上升到哲學(xué)的高度。從古希臘的哲學(xué)家開始，逐步形成元素的觀念，泰勒斯認為物質(zhì)皆由水產(chǎn)生，阿那克西米尼認為物質(zhì)皆由空氣產(chǎn)生，赫拉克利特認為物質(zhì)皆由火產(chǎn)生，齊諾弗尼斯則認為物質(zhì)皆由土產(chǎn)生。恩培多克勒在前人的觀點基礎(chǔ)之上，提出了萬物都是由水、火、空氣、土生成的，稱之為四“根”，他認為一切的物質(zhì)都可以通過他們之間的組合與排列得到，還提出了使這些元素結(jié)合和分離的力量——吸引與排斥。

柏拉圖在古希臘時期，第一次提出了“元素（stoicheia）”這一概念。柏拉圖認為，物質(zhì)都是由沒有形式的初始物質(zhì)取得“形式”后產(chǎn)生的。柏拉圖也認為，有四種最基本的元素，即水、火、空氣、土，這些元素的微粒具有其特殊的形狀，我國也提出了金、木、水、火、土五元素說。隨后經(jīng)過漫長和曲折的認識和思考，直到十八世紀，拉瓦錫建立了近代化學(xué)元素論。水等各種原來認為的元素被分解了，特別是經(jīng)過無數(shù)實驗都證實，化學(xué)操作并不能將一種元素變成另一種元素。拉瓦錫等科學(xué)家在化學(xué)元素理論上為后來的科學(xué)家提供了堅實的認識基礎(chǔ)，19世紀初，約翰·道爾頓（John Dalton）將元素和原子兩個概念聯(lián)系了起來，從而使近代化學(xué)原子論得以形成。

原子論使近代化學(xué)成為一門真正獨立的自然科學(xué)。隨后，化學(xué)家們在科學(xué)的原子論的指引下，從元素的視角來看化學(xué)，發(fā)現(xiàn)了許多的化學(xué)規(guī)律，創(chuàng)造了化學(xué)史的許多奇跡。例如，1869年，俄國化學(xué)家門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素的最基本特征——原子量與元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律，提出了元素周期律。這個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)是建立在“元素不可分”這個元素的基本觀念上的，門捷列夫才能找出元素性質(zhì)和原子量之間的周期變化關(guān)系。隨后，在許多科學(xué)家的努力下，元素觀念隨著人們對物質(zhì)世界認識的深入，不斷發(fā)展。

元素是具有相同核電荷數(shù)的一類原子的總稱。現(xiàn)代元素觀認為自然界的物質(zhì)，從天體到微生物，無論是有無生命（包括人在內(nèi)），皆由化學(xué)元素組成。目前，人們認識的元素有百余種，隨原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)的增加元素性質(zhì)呈現(xiàn)周期性變化。世界形形色色、多種多樣的物質(zhì)，其都是由一百多種元素構(gòu)成的。

這個化學(xué)最原始的觀念構(gòu)成了化學(xué)思想的基礎(chǔ)，為人們認識物質(zhì)世界奠定了基礎(chǔ)，形成了在化學(xué)的學(xué)習(xí)和研究中的獨特體系。人們在生活和其他領(lǐng)域也經(jīng)常將組織事物的基本成分借用元素來說明，實質(zhì)是元素觀的應(yīng)用。

2.微粒觀

關(guān)于物質(zhì)是由離散單元組成且能夠被任意分割的思想流傳了上千年，微粒的觀念可以說和元素觀伴生，在早期人們還難以區(qū)分。古希臘的很多哲學(xué)家都在思考著物質(zhì)的組成與分割這一問題。受到古希臘原子論的啟迪，在早期近代科學(xué)中，波義耳提出了“火粒說”，牛頓提出了“微粒說”，到了近代科學(xué)發(fā)展時期，人們發(fā)現(xiàn)了當量定律、定比定律等化學(xué)定律，為了解釋化學(xué)物質(zhì)之間存在的這些規(guī)律，英國化學(xué)家道爾頓在研究大氣時，通過定量實驗研究，1803年，他提出了原子假說：“認為原子是物質(zhì)構(gòu)成的載體，揭示出許多化學(xué)現(xiàn)象不過是原子的運動這一化學(xué)本質(zhì)……”，在哲學(xué)上認為元素的原子量是元素的本質(zhì)屬性，這就初步揭示了化學(xué)變化中的質(zhì)與量之間的關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)中的本質(zhì)與現(xiàn)象之間的關(guān)系，并由此初步揭示出元素的內(nèi)在聯(lián)系及其相互關(guān)系。1811年，根據(jù)呂薩克定律的發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)家阿伏伽德羅建立了分子論，使道爾頓的原子論在新的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來，也使微粒觀得到進一步的發(fā)展。1858年，德國物理學(xué)家普呂克爾發(fā)現(xiàn)陰極射線的存在。后來湯姆遜為研究陰極射線本質(zhì)，從實驗中發(fā)現(xiàn)了電子的存在，從而打開原子的大門，隨后人們不斷發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部的質(zhì)子、中子，以及更深入層次的微粒，現(xiàn)代微粒觀形成。

微觀世界無法用人的肉眼直接觀察，人們對微觀世界的認識是人們的想象和創(chuàng)造，而不是真實觀察的“拷貝”或“發(fā)現(xiàn)”。現(xiàn)在人們對微觀世界的認識包括：原子核內(nèi)微粒、原子、分子、離子、膠體、有機高分子、超分子等，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步構(gòu)成物質(zhì)的微粒也在不斷更新。由此，人們建立的微粒觀，主要是認為世界萬物是由微粒組成的，微粒是可分和可測量的，微粒間存在相互作用力，化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是微粒的相互作用。

微粒觀是化學(xué)學(xué)科重要的基本觀念，是學(xué)習(xí)化學(xué)過程中，對物質(zhì)的組成的正確認識，對物質(zhì)化學(xué)變化的理解和掌握，認識化學(xué)符號和化學(xué)用語等都具有重要的意義，這是一種全新的思維方式。這些特性使微粒觀對學(xué)生形成正確認識、保持辯證觀點、掌握恰當方法、提高探索能力，都具有深遠的影響。

3.結(jié)構(gòu)觀

19世紀末，一系列重大的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，使人們對物質(zhì)的認識從宏觀到了微觀，進一步揭示了原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，親和力概念進一步深化和發(fā)展。這種深化和發(fā)展，大體上表現(xiàn)在兩個方面，即原子（原子團）自身或原子之間。這兩個方面不是互不相關(guān)、絕然不同的，而是相互聯(lián)系、密不可分的。1897年英國科學(xué)家湯姆森（1856—1940）發(fā)現(xiàn)了原子里的電子，這激勵著科學(xué)家們?nèi)ヌ剿髟拥膬?nèi)在結(jié)構(gòu)。1904年，湯姆森提出了葡萄干面包的原子模型。1911年，盧瑟福和蓋革用粒子轟擊金屬箔的著名實驗，導(dǎo)致了原子核式模型的建立，隨后，玻爾模型和量子力學(xué)模型的相繼建立，使人們越來越深入地了解了原子結(jié)構(gòu)，同時，人們還對分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)進行了大量的研究，逐漸形成了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)觀。

結(jié)構(gòu)是伴隨著微粒的發(fā)現(xiàn)而開始和深入研究的，但微粒間的結(jié)構(gòu)是化學(xué)的基本知識，同時由此形成的結(jié)構(gòu)觀也應(yīng)該成為化學(xué)基本觀念。如果說，近年來大家認同“宏觀（現(xiàn)象）——微觀（分析）——符號（表述）”是化學(xué)學(xué)科獨特的思維方式，那么“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”應(yīng)當是化學(xué)學(xué)科最重要的思想方法之一。從而，人們認識到物質(zhì)都有其結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)有不同的性質(zhì)，而物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的實質(zhì)是舊結(jié)構(gòu)的破壞和新結(jié)構(gòu)的生成。

現(xiàn)代化學(xué)的主要研究任務(wù)之一，是為人類的生存和發(fā)展，發(fā)現(xiàn)和制造一些對人類有用的新物質(zhì)，比如研究新的藥物、研究新的材料、人工模擬蛋白質(zhì)等。這一進程中必須解決三個問題：一是要確定新物質(zhì)的性能和結(jié)構(gòu)；二是要選擇最好的路線以合成新物質(zhì)；三是要知道按照這條路線合成是否有副反應(yīng)，所得的新物質(zhì)的產(chǎn)率能有多大。這三個問題的解決都離不開“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”新的理論的建立。同時，我們在日常生活和研究中也經(jīng)常借用“結(jié)構(gòu)”一詞，從某種意義上說也是結(jié)構(gòu)觀念的應(yīng)用。

4.物質(zhì)觀

人類產(chǎn)生以來就時刻在研究物質(zhì)世界，試圖認識他們自身和周邊的物質(zhì)世界。古代的樸素唯物主義物質(zhì)觀是從“本原”“始基”“統(tǒng)一性”的問題引出物質(zhì)概念的，在具體的物質(zhì)形態(tài)中尋求世界的共同本質(zhì)。牛頓“微粒說”一直在經(jīng)典物理學(xué)中占據(jù)主導(dǎo)地位，后來道爾頓創(chuàng)立了原子論，物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論方面的成就和方法又給近代唯物論物質(zhì)觀產(chǎn)生了重大影響。它認為，物質(zhì)就是原子，原子是物質(zhì)的本質(zhì)。隨后，恩格斯和列寧對現(xiàn)代物質(zhì)觀進行了系統(tǒng)的闡述。

物質(zhì)觀是人們對物質(zhì)世界的基本看法，有哲學(xué)層面和化學(xué)層面。現(xiàn)代物質(zhì)觀，從哲學(xué)層面看，主要是物質(zhì)和意識的關(guān)系問題，世界的統(tǒng)一性在于其物質(zhì)性，物質(zhì)觀與運動觀、時空觀、意識觀，以及自然發(fā)展史、人與自然的關(guān)系一起構(gòu)成自然觀。從化學(xué)層面，主要是認為世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)的性質(zhì)是可預(yù)測和認識的，物質(zhì)分類有助于人們認識物質(zhì)，物質(zhì)是可以相互轉(zhuǎn)化的，物質(zhì)應(yīng)用的價值觀和可持續(xù)發(fā)展等。

化學(xué)學(xué)科一方面為哲學(xué)的物質(zhì)觀提供了素材和證據(jù)，另一方面也為人們認識物質(zhì)、利用物質(zhì)、創(chuàng)造物質(zhì)提供了思想基礎(chǔ)。因此，物質(zhì)觀是化學(xué)重要的基本觀念。

5.變化觀

對物質(zhì)變化的研究，在燃素說提出之前，就已經(jīng)有人對燃燒現(xiàn)象進行了仔細的研究并且發(fā)表了許多議論。1703年，施塔爾對前人關(guān)于燃燒本質(zhì)的各種觀點進行了總結(jié)，并對其進行甄別后，提出了更系統(tǒng)的燃素學(xué)說。施塔爾認為：“火是由無數(shù)細小而活潑的微粒構(gòu)成的物質(zhì)實體”。這些微粒可與其他的元素結(jié)合形成化合物，也可以以游離形式存在。如果大量的微粒聚集在一起就形成了明顯的火焰，這些微粒彌漫在大氣中就給人以熱的感覺。由這種微粒構(gòu)成的火的元素稱為“燃素”。從此以后，燃素說統(tǒng)治了科學(xué)界近百年，直到1772年，隨著空氣之謎被揭開，燃燒的本質(zhì)也隨之被拉瓦錫研究清楚了。雖然燃素說是錯誤的，但作為人們認識物質(zhì)變化的第一個系統(tǒng)理論，在變化觀的形成上還是有其積極的意義的。后來，隨著原子分子論和有機化學(xué)的建立，化學(xué)符號系統(tǒng)的使用，人們對物質(zhì)變化的基本規(guī)律的認識越來越清晰，許多新物質(zhì)被創(chuàng)造出來，變化觀也隨之形成和發(fā)展起來。

現(xiàn)代變化觀認為，化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是原子的重新組合，它的本質(zhì)是舊化學(xué)鍵的斷裂與新化學(xué)鍵的形成；一些化學(xué)變化是有方向和限度的，許多化學(xué)反應(yīng)能自發(fā)進行；化學(xué)變化是有規(guī)律的，質(zhì)量和能量守恒是化學(xué)變化中的一個普遍規(guī)律。

化學(xué)變化的觀念是化學(xué)的本質(zhì)觀念，它使人們認識到化學(xué)就是認識分子、改造分子，進而創(chuàng)造新物質(zhì)，以美化和豐富我們的生活，消除或減輕污染，同時化學(xué)反應(yīng)還可以為我們提供能量。

6.平衡觀

早在西周時期（公元前1046-771年），《周易》就已經(jīng)在人類歷史上第一次提出了“平衡”這一概念。隨后中外哲學(xué)家在哲學(xué)層面對平衡觀念進行了研究。1799年，化學(xué)家貝托雷發(fā)現(xiàn)埃及的鹽湖沿岸不斷有Na2CO3沉積出來，他認為化學(xué)反應(yīng)可達平衡，提出了化學(xué)平衡理論和可逆反應(yīng)的科學(xué)概念。1884年，范特霍夫提出化學(xué)平衡的移動原理。建立了平衡常數(shù)與反應(yīng)溫度及體系吸收熱量間的函數(shù)關(guān)系，稱之為動態(tài)平衡原理。這就是在物質(zhì)的兩種不同狀態(tài)之間的任何平衡，隨著溫度的下降，向產(chǎn)生熱量方向進行移動。此項研究，提出了化學(xué)平衡移動與反應(yīng)溫度的關(guān)系。此后，在化學(xué)的發(fā)展歷程中，化學(xué)平衡觀念的發(fā)展是伴隨著化學(xué)動力學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)的發(fā)展而發(fā)展的。

現(xiàn)代化學(xué)平衡觀認為，在一定條件下，所有的化學(xué)反應(yīng)都存在一定的限度，化學(xué)反應(yīng)達到平衡時，反應(yīng)仍在進行，且是相對的，改變外界條件，可以使化學(xué)平衡發(fā)生改變，一段時間后又會建立新的平衡。當外界條件改變時，化學(xué)平衡的移動是有規(guī)律的。運用化學(xué)平衡的原理可以控制化學(xué)反應(yīng)的方向和程度。

7.實證觀

作為一種研究的實證性研究，源自培根的經(jīng)驗哲學(xué)和牛頓、伽利略的自然科學(xué)研究。法國哲學(xué)家孔多塞、圣西門、孔德認為應(yīng)該將自然科學(xué)實證的觀念貫徹于社會現(xiàn)象研究中，他們提出研究要從經(jīng)驗入手，采用程序化和定量分析的手段，使對社會現(xiàn)象的研究結(jié)果具有精細化和準確化的水平。孔德的《實證哲學(xué)教程》六卷本的出版，開啟了實證主義運動的序幕，形成實證主義思潮。

實證觀是科學(xué)的實踐基礎(chǔ)。科學(xué)的目的是要獲得對自然事物的真理性認識。以科學(xué)研究而產(chǎn)生的科學(xué)概念、科學(xué)假說等是否為真理，能否正確反映客觀世界的真實面目，需要通過科學(xué)實驗來檢驗。只有經(jīng)過科學(xué)實驗，才能檢驗概念和假說真實性和真理性，對錯誤的認識則被證偽和摒棄。這種以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)求實精神才使得科學(xué)理論具有真理性，使科學(xué)具有真正的力量。也正因為如此，實驗研究成為了科學(xué)區(qū)別于宗教、迷信和偽科學(xué)的劃界標準。實證精神使科學(xué)實驗占有了科學(xué)的基礎(chǔ)地位。正確的科學(xué)研究必須從經(jīng)驗材料出發(fā)，而不是從已有的理論開始，且必須經(jīng)過實驗的檢驗。對此，馬克思指出：“科學(xué)是實驗的科學(xué)，科學(xué)就在于用理性方法去整理感性材料”，這就是實證觀的基本理解。

對化學(xué)學(xué)科來說，實驗是檢驗化學(xué)概念、化學(xué)理論正確性的標準。但從實驗本身來說，也應(yīng)該為結(jié)論的可信度提供證據(jù)。

8.綠色觀

“不得將危害藥品給予他人”是“希波克拉底誓言”中的一部分。“希波克拉底誓言”是2000多年來醫(yī)生對病人、對社會的責(zé)任及醫(yī)生行為規(guī)范的誓言，是以公元前5～公元前4世紀著名的希臘醫(yī)生、西方“醫(yī)學(xué)之父”希波克拉底的名字命名的。綠色化學(xué)，就猶如化學(xué)界的希波克拉底誓言，“不得將危害藥品給予他人”這樣的標準意味著化學(xué)家們有義務(wù)把對人類健康和環(huán)境產(chǎn)生的最終影響結(jié)合到每一個新的合成方法的設(shè)計中。

綠色化學(xué)觀念是對傳統(tǒng)化學(xué)思維的創(chuàng)新和發(fā)展。它就是要從源頭消除污染，保護人們賴以生存的環(huán)境；合理利用資源和能源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是當前化學(xué)工業(yè)和化學(xué)事業(yè)重要的思想基礎(chǔ)。

［1］丁緒賢.化學(xué)史通考［M］.上海：商務(wù)印書館，1936.

［2］《化學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)》編委會.化學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，1986.

［3］袁翰青，白春禮.化學(xué)重要史實［M］.北京：人民教育出版社，1985.

［4］張家治.化學(xué)史教程［M］.太原：山西教育出版社，2009.

（責(zé)任編輯：張賢金）