化学学科的现状及基础化学教育改革问题..doc

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2 000万种（1999年12月已达到2 000万种），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10-1 nm的量级，垂直检出灵敏度达到10-2 nm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10-15 s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