理解化学，选择化学

赵华 刘前树

摘要：化学学科是在原子、分子水平上研究和创造物质的基础科学。人们在享受着由它带来便利和文明的时候，有时却不能理解它，甚至诋毁它。从事化学研究、化学产业和化学教育的人有时选择少发声、不发声，使更多人产生迷惑和误解。教育领域內对化学的理解存在各种形式的偏差，基础教育领域更是从学科评价的“指挥棒”一高考着手，正出现化学不断“边缘化”的趋势。让未来的建设者和全社会了解“化学是什么、为什么学化学？化学学什么？化学怎么学？”迫在眉睫。同时，化学也需要让更多人理解它作为一门“中心学科”和“中心咨询者”的价值。

关键词：化学，为什么学化学，化学学什么，化学怎么学，中心科学

文章编号：1008-0546（2020）05-0002-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.001

一、问题背景

当前，化学学科正在被弱化或者误解。有化学工业本身带来的问题、化学产品的非正当应用的问题、化学学科本身不善于沟通和宣传的问题等等，种种因素导致了全世界对化学“非善意对待”。

美国科普作家蕾切尔·卡逊的《寂静的春天》一书中，描绘了工业文明所带来的负面影响。从积极意义上看，推动了现代环保主义的发展，然而，也引发了对工业文明的抵制，尤其是对化学工业及其产品的误解。从事化学研究、化学产业和化学教育的人，更多选择少发声或者不发声，使更多人产生误解。这种趋势酝酿成一种社会情绪，最终形成对化学学科的偏见。正如徐光宪院士在《今日化学何去何从》一文中所说：“化学家太谦虚”，不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。因此20世纪化学取得的辉煌成就，并未获得社会应有的认可。

新高考方案对化学选种产生现实影响。当前，八省市实施“3+1+2”的新高考方案，因为方案中显性和隐性的“物理必选”和“再选科目等级赋分”两个要素，导致化学学科选考人数偏少，这种下降趋势将在实施之后愈演愈烈，如果不出台“再选科目保障机制”（俗称“托底”等政策），化学学科的弱势地位已成定局。选修化学的学生越来越少，不是因为“无兴趣”，根本源于“趋利避害”。此趋势的蔓延，其效应在未来的10-20年将会逐步显现，比如基础科学人才结构异变，人才缺乏导致未来新能源、新材料、新技术等产业受较大影响;基层学校化学教师需求锐减，导致化学师范专业萎缩。

中考评价对化学学科产生冲击。当前，北京中考方案将化学变为“生物、化学就高分选”，文件表述为：按照文理兼顾原则，在化学和生物中择优确定1门计人;上海将化学统整到“综合学科”，分值降为55分（含5分实验操作），文件表述为：综合测试满分150分，其中物理试题满分70分，化学试题满分50分，跨学科案例分析题满分15分，物理和化学实验操作考试满分15分（其中物理实验操作考试满分10分，化学实验操作考试满分5分）;云南新方案则打算将化学降到30分，等等。这些信息表明：处于顶层的教育决策者正试图调整化学学科在全学科中的位置，“下移或者弱化”已经成为一种趋势。在与许多决策者对话时发现，化学学科在中考中被弱化，政策制定者的核心依据是“初三化学学习时长仅1年”，于是，按照国家课程开设时间和课时安排，换算产生比例，用此比例再折算成相应分值。

种种迹象表明，误解和弱化化学学科的潮流，已经逐渐转化为决策者的政策制定。因此，化学何去何从，化学学科何去何从，化学教育工作者自身能做些什么，都需要进行深入思考。无论是国家和民族的未来发展，还是从学科本位出发，都有必要进行系统梳理，并有步骤地实施宣传、引导，采取一些影响政策制定的具体行动。

二、化学是什么和学什么

1.化学是中心的、发展的和实用的科学

化学是一门古老的学科。先哲对世界本原的追问，古代神秘的炼金术，冶金、陶瓷等实用技术孕育了近代化学。17世纪以来的科学革命推动化学蓬勃发展，化学研究从定性走向定量，从宏观走向微观，从静态走向动态，今天的化学已成为现代自然科学大厦的主要基石和分支之一。现代化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。

化学是一门蓬勃发展中的学科。有机合成大师伍德沃德说过：在自然界之外，化学家又创造了另外一个世界。在分离和认识天然物质之外，化学家合成了大量新物质，法国化学家贝特洛说：化学学科好似艺术，潜在着惊人的创造力。2019年5月，美国化学文摘社（CAS）注冊了第1.52亿个化学物质—2-氨基嘧啶甲腈衍生物，CAS注册的物质绝大多数是人工合成的。我国著名化学家唐有祺说：化学物种是当今人类所能真正依赖的物质宝库，它们能满足人类的全部物资需求，生活资料只是其中的一个部分而已。

化学是一门实用的学科。化学与人们的日常生活密切相关，衣食住行及日常大多数生活用品都离不开化学工业所生产的产品。一是衣帽的面料，涤纶、锦纶（尼龙）、腈纶、维纶、丙纶、氨纶等。服装的多样色彩也应归功于合成染料，从1856年无意中发现苯胺紫，到1870年化学家合成蒽醌类染料，人类的衣着开始五彩缤纷起来。二是化学肥料使得人类有了足够食物。从1838年处理磷矿石获得磷肥到1909年合成氨，化肥家族"32朵金花”钾肥、磷肥、铵肥、复合肥、微量元素肥为粮食增产做出了巨大贡献，据联合国粮农组织（FAO）统计，化肥对世界粮食增产的贡献达40%-60%。当然，农用薄膜的增产效应、食品添加剂改善食物色香味等，也与化学合成相关。三是建筑材料和城市管道建设使人类居住条件得到改善。塑料门窗、塑料管道（城市燃气管）、墙体保温材料、居室装修材料、建筑涂料、防水材料、绿色墙体等也与化学工业密切相关。四是为人类出行助力。首先是提供燃料，油料生产、氢动力离不开化学;其次是塑料复合材料使汽车轻量化，绿色轮胎、高速列车的碳纤维增强复合材料、共享单车的微发泡材料制作的免充气轮胎，飞机舰船等更离不开轻质、高强度的化学合成材料。五是日常生活离不开化学合成。洗涤剂、化妆品、纸尿裤、口罩（防护服）、白色家电、体育旅游休闲产品等，日常生活中的包装产品、各种塑料容器等更是离不开合成化工。总之，化学与你的生活无法切割。

徐光宪院士曾说：化学是一门发现的科学，创造的科学，也是支撑国家安全和國民经济发展的科学，化学在解决粮食问题、战胜疾病、解决能源问题、改善环境问题、发展国家防御与安全所用的新材料和新技术等方面起着不可或缺的关键作用。

2.高中化学的三类课程

普通高中化学课程由必修、选择性必修和选修三类课程构成（如图1）。（1）必修课程是全体学生必须修习的课程，是普通高中学生发展的共同基础。必修课程努力体现化学基本观念与发展趋势，促进全体学生化学学科核心素养的发展，以适应未来社会发展需求。（2）选择性必修课程是学生根据个人需求与升学考试要求选择修习的课程，培养学生深入学习与探索化学的志向，引导学生更深入地认识化学科学，了解化学研究的内容与方法，提升学生化学学科核心素养的水平。选择性必修课程设置3个模块。（3）选修课程是学生自主选择修习的课程，面向对化学学科有不同兴趣和不同需要的学生，拓展化学视野，深化对化学科学及其价值的认识。选修课程设置3个系列。学生在高一必修学习结束后，将进行选科，选科确定之后，将继续学习选择性必修的3个模块，部分学校还会同时开设其他选修课程。

3个选择性必修模块有助于我们在必修课程基础上，从化学学科自身的逻辑结构出发更好地理解化学，为进一步学习化学或相关专业奠定基础。“化学反应原理”模块将从化学反应与能量，化学反应的方向、限度和速率，以及水溶液中的离子反应与平衡等方面，探索化学反应的规律及其应用。“物质结构与性质”模块将从原子、分子水平上认识物质构成的规律，以微粒之间不同的作用力为线索，研究不同类型物质的有关性质，进一步丰富学生物质结构的知识。“有机化学基础”模块将从有机化合物的组成与结构、烃及其衍生物的性质与应用、生物大分子及合成高分子等3个主题，帮助我们形成基于官能团、化学键与反应类型认识有机化合物的思路。通过选择性必修三个模块的学习，能让学生在看似杂乱无章的事实背后，找到具有统摄性的规律和思路，记忆更多为理解所取代，从而感悟到化学学科内在的理性之美。

三、为什么学化学和怎么学化学

1.学习化学是职业生活、社会生活和个人生活的需要

学科是人类智慧的结晶，每一门学科都体现着人们认识和改造世界时的某种独特视角，多种视角的综合构成了人们的视野。我们眼中的世界，我们面对世界时提出问题、解决问题的方式很大程度上是由我们的视野决定的。作为人类文明成果的重要组成部分之一，化学及其基础上的技术对我们未来的职业生活、社会生活和个人生活都有着极大的影响。

首先，就人的职业生活而言。与化学直接相关的化学工业是国民经济的基础产业和战略性产业，为三大产业各种经济部门提供配套服务和产品。当前，尽管我国的纯碱、烧碱、氮肥、尿素、鞣料、颜料、通用塑料橡胶等技术壁垒较低的通用型化工产品产量位居世界前列，但技术含量较高的药品、特种塑料橡胶以及细分领域的精细化学品等仍需进口，目前我国化工品整体仍处于贸易逆差状态，高端化学品的产量不足已成为我国许多行业发展的瓶颈。同时，作为一门中心科学，许多行业都与化学有着千丝万缕的联系，无论将来是否从事与化学直接相关的行业，良好的化学基础都将为我们未来的职业发展创造更多机遇。

其次，就人的社会生活而言。化学及其基础上的技术已渗透进现代社会公共生活的每一个方面，无论是面对“环境保护”“食品安全”等社会公共议题时的讨论和决策，还是抵制“水变油”等伪科学观念，都要求现代社会“有文化的人”必须懂一些化学。良好的化学基础能赋予我们科学理性，辩证地认识科学与社会的关系，有助于我们在面对选择时能勇敢地运用自己的理性，不盲从、不偏执，从而让我们的社会更加理性和美好。

再次，就人的个人生活而言。形成观察和理解世界的化学视角，能让我们打破俗谛和常识的桎梏从而更深刻地认识世界。通过学习化学，我们能打开宏观与微观的“开关”，认识世界本原，形成正确的世界观。当我们如理查德·费曼所说：把学习科学的过程变成一个“智力娱乐”的过程，我们会逐步发现，我们眼中的世界真的更美丽了。化学无处不在而又身居幕后，能觉察又能以之解释现象、解决问题，我们的精神世界将更为丰满。先哲构建了化学的大厦，使我们能以敬畏和感恩的心态以化学提升自己。

2.好奇心、专注力和自主建构力是学好化学的关键

化学学科是从9年级开始开设的一门学科，实际上，化学学科的学习从小学科学就开始了。比如，紫甘蓝浸取液的实验，金属制品的防腐等，都蕴含着化学原理。初中化学让学生感受到物质转化的美妙，高中化学的学习将让学生进一步领悟化学反应的本质和创造物质的神奇。学生将会初步理解化学反应为什么发生和怎么控制，理解化学能让人类过上美好生活。精彩纷呈的高中化学，想学好它、教好它并不困难，只要葆有“一心二力”就可以跨入化学的神秘殿堂，好奇心、专注力和自主建构力。

一是葆有好奇心。高中化学学习中，可以尝试让学生在脑海里保持这样几个问题：你生活世界有化学的身影吗？化学反应内在规律是什么？如何控制化学反应？微观世界和化学模型是怎样的？比如，手机锂离子电池就与原电池原理相关;合成缓释阿司匹林片及在人体中发挥作用就与有机化学相关;汽车尾气的“三效催化转化器”就与化学平衡原理相关等。从生活中来，用“化学眼光”审视这个世界，发现美好，解读神奇。

葆有好奇心，你还可以尝试让学生拥有“化学之眼”，比如“宏微转换之眼”。“反复折叠的纸张”可以将纸张裁得比较整齐，是否与提供能量让纤维素链“整齐排列”有关;打破鸡蛋的一瞬，是否可以感受到“离子键”和“蛋白质长链”的魅力，这里的蛋壳的价键形式，“丝丝难断的鸡蛋清黏液”价键形式，都是让学生葆有好奇的化学视角。

葆有好奇心，你可以尝试让学生做一些项目研究，组建化学学科学习共同体。比如“电池原理及发展史研究”“金属材料及新型材料的发展与应用”等，让学生从中体会氧化还原反应原理;可利用生活用品开展课外实验探究，比如“84消毒液、洁厕灵、管道疏通剂”等;“新冠疫情”期间，“酒精与消毒液”的叠加，是否实现了“强强联手”等。

二是保持专注力。首先，让学生专注于系统化解决问题。比如学习离子反应问题，可以从“微观离子间怎样发生作用”“能证明其反应的宏观表现是什么”“如何用化学用语表达”“离子反应遵循怎样的规律”等进行系统研究。

其次，专注于研究人类对化学世界的认知历史。比如学习原子结构，让学生拥有“原子的结构发展思维”，道尔顿的“不可分的实心球”受到什么实验事实的挑战？汤姆森的“枣糕模型”受到何种实验事实的挑战？“卢瑟福行星模型”依然没有解决什么问题？“电子云模型”是终点了吗？等等。

第三，引导学生专注于化学学科理解和化学学科观念的形成。化学学科的核心观念主要有：守恒观、能量观、转化观、平衡观等，这些观念的应用不是孤立的，常常联合应用。比如认识合成氨的反应，通过适当提高温度提高反应速率，通过控制温度和适当增大压强提高转化率，通过分离循环提高原料利用率等，就是融通了上述学科观念。

最后，还要指导学生专注于化学实验探究和提升学科服务能力。高中化学的很多专题既可以在学校进行深度探究，也可以与高校专业老师取得联系，进行科研型研究，还可以应用日常生活常见材料和试剂进行实验探究，并将所学用于实践。你可以指导学生研发一些趣味主题实验，到科技馆或者低年段儿童中去，为他们提供力所能及的志愿服务等。

三是提升自主建构力。高中化学学习中，学习方法主要有：科学谋划预习，提升自主建构能力，适度习题精练，重视错题归类反思等。其中，自主建构能力是核心。自主建构能力的主要策略是善用思维导图和构建认知模型。

学会应用思维导图。高中化学知识点之间有着紧密的联系，如果能够发掘出知识点之间的关联性，会让化学学习变得轻松高效。可以借助思维导图来帮助学生归纳和总结知识点，提高对知识点网络化认识的水平。思维导图可以是软件绘制（如Xmind等软件），也可以是手工绘制和便签纸标注等，化学学习中以“手工绘制、绘图着色”方法较为常见和便捷。其运用要点为：以某个知识点或者某个核心情境为核心，串珠成链、串链成网。例如“氧化还原反应”学习后，围绕“氧化还原反应”为中心延伸出六个模块：基本概念、反应规律、常见氧化剂和还原剂、氧化性及还原性强弱规律、常用方程式书写及配平、电化学知识应用等，在二级主题下进一步延伸，达成知识的贯通性理解。

学会构建认知模型。化学学科的发展过程中，化学家创建了许多化学模型，以方便我们更好地认识物质世界及变化原理等。如在“元素周期律和元素周期表”的学习中，需要理解这些模型的建构过程。元素周期律对元素周期表设计的价值何在？同主族元素之间的本质特点是什么？元素结构和性质之间有什么关联？元素的“位-构-性”之间的内在关系是什么？门捷列夫的独特贡献以及“元素周期表”对未来化学发展的意义是什么？等。

四、选择学习化学学科的意义

1.为中华民族伟大复兴而庄重选科

应引导学生站在维护国家安全、建设世界科技强国的高度，为建设世界科技强国、创新型国家，实现中华民族伟大复兴的中国梦，作出新时代青年的应有贡献。

面对我国新能源、新能源汽车、轨道交通、航空航天、生物制药、国防军工等重大战略需求，我们正紧缺“高端材料、高端药品”等生产技术。有志青年要根据自身特长，科学规划自己未来主攻方向，为报效祖国而庄重选科。

选择化学学科，可以在十大类中有所发展，比如材料科学与工程、应用化学、化工与制药类、医学及技术类等，化学已成为生命科学、材料科学、环境科学、能源科学、信息科学等领域的重要基础。未来化学的学习，可以为祖国研制新材料、新药品、新能源等贡献智慧，可以为保护和恢复“绿水青山”作出贡献。

2.为未来的发展而慎重选科

每个人都有自己的生涯规划，每个人都有自己未来的职业憧憬。选择化学学科，可以从事与化学相关的专业，可为非化学相关专业提供跨界理解和视域整合。比如，若从事的“信息与电子科技”“航空航天和武器类”，就必然要有材料科学基础;若从事“医学类”，就必然要有药物化学等基础;若从事“公共管理”“哲学类”等，要有环境知识基础和科学思考的思维经验等;若从事“水利水电”“城市规划”，则需要环保和材料应用知识等。因此，化学学科是未来很多职业的基础性学科。有一定化学基础，你的决策可能更加科学、系统。

3.为拥有良好的思维品质

许多伟大的化学家和化学从业者都拥有仁善德性、朴实坚毅和担当包容的品格。一个人通过化学学科的学习，在他身上会留下一些“独特的精神元素”。宏微结合思想，使人看问题更深刻;平衡思想，使人在工作中特别注意“度”的把握;变化观念，使人对待事件的发生和发展有动态理解。除了这些，通过化学学科的学习，烙在一个人身上最宝贵的品质是“精进和包容”，因为化学学科很多原理和解释还不够完美，还在发展中。

4.为更好的学科逻辑关联

自然科学有着内在的关联和发展序列。正如威尔.杜兰特所说：科学的终点是至善的艺术。化学学科也像它的“先锋”一物理学一样，始终以一种唯美的状态呈现在人们面前，就连绝大多数物质的分子结构，总是“对称”“富有魅力”的展现在人们面前。因此，化学学科与很多学科是关联的，也是其他学科学习的基础。

化学与物理是紧密关联的，它们在更大的“尺寸”（天体）研究时，在更小的“尺寸”（微觀粒子-夸克）研究时，紧紧握手。而化学学科还有自己“自留地”，那就是“中端尺寸”（比如“纳米尺度”），这也是化学未来要解决的“四大难题”之一。化学与生物相偎相依，化学是生物的上游学科，它们在“分子生物学”联手、在“靶向药物”联手等。化学与地理联手，解决“地质问题、环境问题”等等。化学是一个“中心学科”，更是“中心咨询者”。因此，学习化学，可以形成立体化的学科逻辑链。

如果我们站在学科发展史和学科育人视角上，各学科本身没有高低贵贱之分，人为的用“学科分值高低和学科主次排序”来标定学科价值的观点，本身就是错误的。化学学科作为在原子、分子水平上研究和创造物质的基础科学，人们在享受着有它带来便利和文明的时候，需要理解并应用它，而不是诋毁它。当下的化学，需要的是“宣传和阐述自己”，而不是“抬高自己”，正如哈佛大学教授怀特塞德所说：化学不是一切，没有化学就没有一切。如何引导化学学习者、化学受益者理解和理性看待化学，这是当前化学教育工作者、产业工作者、科研工作者需要面对的问题。

从这一点上看，化学教育本身需要进一步反思，并努力做一点实实在在的工作。