科学技术及化学学科新发展对化学教学的启示（上）

吴俊明+束婷婷

摘要：世界科学技术正在走近新突破时代。概述了化学学科发展的特点和趋势。科学技术及化学学科新发展启示化学教学要注重研究思路、方法和创新的感悟、体会与训练；注意学科思想（观念）的渗透、领悟和发展；注重立德树人，促进全面发展；激发学习兴趣，不要吓跑学生；痛下决心，全面改革课程、教材、训练与考试。

关键词：科学技术；化学学科；发展趋势；化学教学；启示

文章编号：1005–6629（2016）9–0011–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 世界科学技术正在走近新突破时代

在公元1900年之前，经典物理学，包括力学、热力学、电学、电磁学、光学等，已经形成比较完整的体系。许多人认为物理学问题已经基本解决完了，剩下的只是小修小补的完善工作，以至于被谑称为“开尔文勋爵”的W·汤姆孙在1899年除夕之夜宣布：“物理学的大厦已经建成。”然而就在此时，物理学家发现了黑体辐射理论的“紫外灾难”——辐射能量不连续以及光传播介质“以太”假说破灭“两朵让人不安的乌云”。5年以后，这“两朵乌云”，一个导致量子论诞生，一个导致相对论诞生，使物理学面貌大变，带动了科学在20世纪的突破性发展。

历史不会简单地重复，但往往惊人地相似。现今科学技术的一些重大发现，使人们不由地想到：当代科学技术正在走近新突破时代。就拿最近的2015年来说吧，在这一年，科学界有很多出乎意料的发现[1]。例如：

早在1915年，爱因斯坦就曾根据相对论推算宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10-30克，而实际观测到的宇宙的密度却比这个值小100倍。这意味着，宇宙中的大多数物质本身不发光、不反射和吸收光，用现有技术观察不到，却有质量和引力，是“暗物质”。后来一些人提供过暗物质的存在证据，但只是对河外星系观测结果做出的假设。2月9日，欧洲科学家首次通过对比星体自转速度的方法，从银河系获得直接证据，证实了人类所在的银河系内确实存在暗物质。

2月25日，天文学家宣布，在128亿光年远处的类星体中发现存在质量为太阳120亿倍的极其古老超级黑洞，该黑洞在宇宙极其年轻的时候就生成了，亮度是太阳的420兆倍。现有科学理论无法解释如此质量巨大、能力极强的黑洞为什么在宇宙大爆炸发生不久就形成，因此这个发现将会改写物理学。

3月13日，一项最新分子生物学研究显示，人类在远古时代即从周围环境获得必需的基因，而且这种“基因水平转移”会在多种生物的机体间发生。该研究打破了进化论认定生物完全依赖祖先基因的观点，说明需要重新分析对进化论的认识。

8月20日，西班牙科学家首次在实验室制造出传导磁场的“虫洞”时空隧道，并检测到自然界不可能单独存在的磁单极子。

8月24日，荷兰代尔夫特技术大学的罗纳德·汉森（Ronald Hanson）团队报道他们的贝尔实验证实了量子非局域性[2]。

9月23日华盛顿大学宣布，该校科学家使用网络在1.5公里距离内，将一个人的思想通过电磁波传给另一个人，证实人与人的思维可以相连，人的意念和思维是一种物质，可以转换成电磁波传送和接收……

如果再算上2015年之前和之后的发现暗能量存在的直接证据[3]、中国科技大学潘建伟团队测出量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级、超大规模集成电路、超级计算机、互联网应用、5G通讯、量子通信、量子计算、高温超导及超导技术应用、有机发光半导体（OLED）、人工智能及各种机器人、自动驾驶、先进制造、航天遥控、基因技术及人类基因组测序、3D打印“活体组织”、数据技术等等以及化学学科的一系列新进展，现代科学技术的突破性发展就更加惊人了。

2 化学学科令人兴奋的新进展

在世界科学技术正在走近新突破时代这个大背景下，20世纪末以来化学学科有许多令人兴奋的新进展。例如：

使人“脑洞大开”的发现：虽然碳元素在19～20世纪就已经被化学家详细研究过，到了1985年竟然还发现了球碳（C60）。这个发现给化学家很大的震撼并波及其他学科。看来，在一些基本研究领域中还存在着重大的疏漏，应该引起重视。以此为开端，化学家们“补漏查缺”，不但陆续发现了一系列富勒烯分子，还发现了碳纳米管（巴基管）、石墨烯等新型的碳。不久前发现的电子特性各向异性的硼墨烯跟此也不无关系。

直观微粒图像：化学要跟分子、原子打交道，多少年来，一直有教师、学生感叹：要是能直接看到分子、原子，让化学的奥秘一览无遗就好了。这并非异想天开：就在本世纪初，中国科技大学的研究人员利用扫描隧道显微镜，在国际上首次直接拍摄到了能够分辨出化学键的碳-60单分子图像，这种单分子直接成像技术为解析分子内部结构、“切割”和重新“组装”化学键奠定了基础，使科学家设计新物质分子乃至于制备单分子级的纳米器件人工“组装”成为可能。因为这一成果如此富有意义，著名的英国《自然》杂志在2001年1月18日发表了这一成果[4]。接着，奥地利维也纳大学和德国比勒费尔德大学的科学家利用飞秒（1飞秒为千万亿分之一秒）激光技术在2002年成功地观测到原子内部电子的运动情况[5]；美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）和布朗大学的科学家用自由电子激光中的超高亮度X射线脉冲来追踪化学反应，实时观察到分子在反应中的结构变化和过渡态分子的形成，英国爱丁堡大学的科学家则用同样方法观察到碳环中碳-碳键展开等立体化学过程，观察到多个反应路径[6]；2013年11月22日，中科院国家纳米科学中心宣布在国际上首次拍到氢键的“照片”，实现了氢键的实空间成像，为“氢键的本质”这一化学界争论了80多年的问题提供了直观证据（图1照片中4个8-羟基喹啉分子之间的淡色线条即为氢键）[7]。这一年，中国科学技术大学研究人员还实现了最高分辨率单分子拉曼成像[8]。

解开一个难题：“水的结构是什么？”是国际顶级学术期刊《科学》杂志在创刊125周年特刊中提出的125个最具挑战性的科学问题中仅有的4个“纯粹化学问题”之一*。中国科学家首次拍摄到了水分子的内部结构，对氢核量子特性进行了精确探测和描述，实现了单个水分子内部自由度的成像和水的氢键网络构型的直接识别，并在此基础上探测到氢核的动态转移过程，揭示了单个水分子和四分子水团簇的空间姿态，在国际上首次获得了单个水分子的高分辨振动谱，同时由此测得单个氢键的强度，发现氢核的量子效应足以对水的结构和性质产生显著的影响，揭示了氢键的全量子本质，澄清了学术界的长期争论，率先回答了氢原子和氧原子究竟如何形成水分子这一世界难题。endprint

成功设计和制备多种功能分子：继美国科学家研制出分子开关（2000年）和纳米马达（2003年）之后，中国科学家研制成功纳米“超级开关”材料（2004年），跟美国科学家合作成功造出世界首例真实稳定可逆单分子电子开关（2016年）。分子马达在制造分子机器人（纳米机器人）方面的前景十分诱人。2013年4月15日，美国肯塔基大学药学院教授郭培宣（Peixuan Guo）研究组宣布发现了分子马达运动的第三种形式，由这种新型的分子马达，有望制造出新的纳米药物[9]。

生命化学进展突出：2014年，英国格拉斯哥大学的科研团队在不使用DNA的情况下首次创造出可进化的化学系统，向创造人造生命的可能迈进了一大步[10]。同年，荷兰阿纳姆·奈梅亨大学的化学家小组，首次使用聚合物成功制成人工“真核细胞”[11]。2016年，美国科学家宣布设计并制造出包含473个维持生命必需基因、具有自我复制能力的最简单的人造合成细胞，被认为是生命科学领域的突破性进展[12]。经过多年努力，中科院科学家通力合作，在2016年成功地通过单颗粒冷冻电镜技术，首次解析了高等植物（菠菜）的光系统Ⅱ-捕光复合物Ⅱ超级膜蛋白复合体的三维结构[13]。清华大学钟毅教授结合分子遗传学和行为学手段探寻遗忘的分子机制并突破性地发现小G蛋白Rac在遗忘调节中的核心地位，也预示了神经元细胞骨架重排可能作为记忆消逝的根本原因，为人们认识遗忘乃至记忆的本质提供启示[14]。

能源化学进展喜人：我国哈尔滨工业大学研究人员已于2013年完成了有机废水乙醇型发酵生物制氢工业化示范。尤其突出的是，中国科学院大连化学物理研究所科学家颠覆了国际化工界沿袭90多年的水煤气变换制氢过程（简称为F-T过程或费托过程），创造性地以CO替代H2来消除烃类形成中多余的氧原子，同时又将氧化物催化剂与分子筛复合，实现直接采用煤气化产生的合成气（纯化后CO和H2的混合气体）在新型复合催化剂的作用下高选择性地一步反应获得低碳烯烃，在不改变CO2总排放的情况下，摒弃了高耗能、高耗水的水煤气变换反应，从原理上开创了一条低耗水进行煤转化的新途径，具有很高的经济效益，被业界认为是“煤转化领域里程碑式的重大突破”[15]。在新型电池开发方面，化学家们也取得了可喜的进展。例如，马里兰大学帕克分校的王春生教授和他的研究团队用纯镁代替纯锂与硫配对制成镁电池，能量密度是商用锂离子电池的4倍左右，充放电达到30次，有望经过改进成为未来电池替代安全差的锂电池用于驱动电动汽车等[15]。

人工智能应用崭露头角：在预测制备钒亚硒酸盐晶体反应条件比试中，美国哈弗福德学院Norquist团队的机器学习算法以成功率89%对78%胜过有十余年相关经验的材料化学家。虽然这场胜利只是一小步，但在不远的将来，AI（人工智能）或许真的能颠覆化学家的科研方式，掀起化学科研革命[17]。伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的Burke团队发明的机器采用通用的化学反应将模块化的分子组件装配成所需的目标有机分子。该研究小组已使用这个系统合成出很多种化合物，包括复杂的大环和多环的天然产物[18]。英国曼彻斯特大学的RossKing计算机科学家团队也开发出一种名为“夏娃”的“机器人科学家”，这是一个完全自动化的人工智能平台，有每天筛选成千上万候选药物的潜力。该系统能够建立一个假说，并对其进行测试和解释结果，甚至能基于计算结果进一步精细化输入，人工的干预只在补充试剂和处理废物时才需要。该平台确定的广谱抗生素TNP-470已经成为可能的抗疟疾化合物[19]。

……

20世纪以来，化学学科的发展走势被归纳为：由宏观向微观、由定性向定量、由简单到复杂，由经验逐渐上升到理论。21世纪初化学大体上仍然保持了这些走势，但增加了新的内容、呈现了新的特点。细一点说[20～22]：

研究对象更加复杂。化学的研究对象扩大到复杂体系尤其是生命体系，不仅涉及传统的分子成键和断键，即不仅涉及离子键和共价键那样的强作用力，而且也涉及复杂体系中范德华力、π-π堆集和氢键等分子间的弱相互作用力。虽然这些作用力较弱，但由此却组装成了具有全新性质的分子聚集体、分子互补体系或通称的超分子体系。这种体系具有全新的性质，可使通常无法进行的反应得以进行。在生物体中最著名的DNA的双螺旋结构就是由源自氢键的碱基配对而形成的。高效的酶催化反应和信息的传递也是通过分子聚集体进行的。

微观-介观层次的研究进一步加强。在研究复杂体系时，研究如何进行分子识别，研究如何深入控制分子的各种作用力，研究它们的本质以及了解分子识别过程，在研究分子层次结构的基础上，阐明分子以上层次结构和结构变化的化学基础，以及结构、性质与功能的关系。多少年来化学家认为性质就是由原子结构和分子结构决定的，事实上很多现象早已说明化学性质具有尺度效应，尺度改变可以引起化学性质的跃变。所以，现代化学已经开始注意研究介于宏观和微观之间的介观体系（或称亚微观体系，例如纳米体系），注意复杂系统的多尺度问题。

领域进一步拓展，视野进一步扩大。现代化学不但通过吸收其他学科的新理论和新结果孕育新的生长点，而且在跟其他学科交叉、综合中不断开拓新的领域，使自身发展与整体科学技术的发展融合。

例如，通过合成来理解和最终获取有各种生物功能的分子，这已经成为一个大趋势。现今国际上涉及合成化学的著名刊物，在刊载复杂分子的合成文章时都注重说明目标分子的生物功能或者它在生物学上的意义。纯化学观点出发的天然产物合成，除了确实具有新奇的结构外，已很难在高水平的杂志上出现，相关课题也难于获得科学基金的资助。

化学家已经从各种动植物出发制造出一大批天然药物（包括农药）。在我国，从得天独厚的中草药中已经分离、鉴定了许多天然产物，在逐步揭示它们的作用机制的过程中提出许多与治疗作用密切相关的合成工作。合成的目标分子已不再仅仅是具有独特结构的天然产物分子，更着重具有独特功能的结构。在这方面，屠呦呦获得诺贝尔奖具有标志性意义。endprint

化学合成新材料（主要指功能材料）是相对较近期的趋势。人工晶体、沸石和超导材料等是无机合成的成功例子。从合成设计和控制讲来，无机合成比有机合成困难得多，但由于某些晶体在尖端和敏感领域的特殊需要，有关的合成工作常常是无可省略、替代的。有机功能材料（包括功能高分子）也是发展得较快的领域。有机功能材料比较容易从功能出发进行设计，也比较容易合成。在工作条件不很苛刻时，有机材料将是十分优越的。液晶材料的成功就是很好的例子。近年一些奇特的套环分子等的合成以及DNA芯片的制备，都显示了有机材料在作为微电子学材料方面的前景。有机无机复合材料以至金属掺合材料，更是显示出广阔的应用天地。

社会问题的解决、跟自然界和谐相处、有关的伦理道德乃至化学文化等等，都开始进入化学的视野。

（4）绿色化学思想及绿色技术进一步发展和普及

绿色化学思想已经明确。从绿色技术的观点来看，化学合成应该是原料和试剂易得；原料和试剂在反应中充分利用（原子经济性）；尽量减少副产物和无法循环使用的溶剂；低能耗的反应条件等。绿色反应中减少副产物的基础，就是高选择性反应。选择性反应也称作不对称合成或手性合成控制，目标是将生成消旋体的反应控制为只生成其中一个有用的对映体。不对称合成是一个仍在不断发展、充满挑战的领域。催化反应的重要意义使它在绿色化学中得到重视。不过，由于催化体系和过程的复杂性，新的高效催化剂的发明远非易事，还没有脱离经验筛选的范畴。

现在，绿色技术方面已经取得了一些重要发展：化学反应介质的改变，超临界二氧化碳的利用，固相反应以及非化学试剂的应用包括电化学反应的新应用以及光、声反应的新途径已经显露广阔的发展前景。完全由离子组成、在低温（<100℃）下呈液态的离子液体（也称低温熔融盐）作为绿色溶剂用于有机及高分子合成时具有不挥发、无色、无嗅；具有较大的稳定温度范围、化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口，可调节其对无机物、水、有机物和聚合物的溶解性，可调节溶剂酸度至超酸等优点，而受到重视。

参考文献：

[1] http：//blog.sina.com.cn/s/blog_1301247e40102wuq7. html.

[2] http：//mt.sohu.com/20150909/n420692188.shtml.

[3] http：//news.sina.com.cn/o/2003-07-25/0909444209s. shtml.

[4] http：//news.chinabyte.com/287/1220787.shtml.

[5] http：//www.cas.cn/xw/zyxw/yw/201306/t20130606_ 3861366.shtml.

[6] http：//www.x-mol.com/news/668.

[7] http：//www.nanoctr.cn/xwdt/kyjz/201310/ t20131029_3964591.html.

[8] http：//news.sina.com.cn/o/2014-01-25/071929341187. shtml.

[9] http：//news.sciencenet.cn/htmlpaper/201341810-105946928850.shtm.

[10] http：//scitech.people.com.cn/n/2014/1213/c1057-26199936.html.

[11] http：//world.huanqiu.com/exclusive/2014-01/ 4772903.html.

[12] http：//news.mydrivers.com/1/475/475546.htm.

[13] http：//news.xinhuanet.com/tech/2016-05/22/ c_129004905.htm.

[14] http：//www.stdaily.com/kjrb/content/2010-03/16/ content_165917.htm.

[15] http：//news.xinhuanet.com/politics/2016-03/04/ c_1118235820.htm.

[16]下一代电池. 《JACS》报道镁电池技术突破. X-MOL发布于 2015-10-16.

[17]《Nature》封面文章报道.X-MOL发布于 2016- 05-14.

[18] Science， 2015， DOI： 10.1126/science.aaa5414.

[19] Cutting edge chemistry in 2015. X-MOL发布于2015-12-15.

[20]王佛松，王夔，陈新滋，彭旭明主编.展望21世纪的化学[M].北京：化学工业出版社，2000.

[21]吴毓林，陈耀全.化学迈向辉煌的新世纪[J].化学通报，1999，（1）：3～9.

[22]宋心琦.化学的明天[M].南宁：广西教育出版社，1999.endprint