科學技術及化學學科新發展對化學教學的啟示（上）

吳俊明+束婷婷

摘要：世界科學技術正在走近新突破時代。概述了化學學科發展的特點和趨勢。科學技術及化學學科新發展啟示化學教學要注重研究思路、方法和創新的感悟、體會與訓練；注意學科思想（觀念）的滲透、領悟和發展；注重立德樹人，促進全面發展；激發學習興趣，不要嚇跑學生；痛下決心，全面改革課程、教材、訓練與考試。

關鍵詞：科學技術；化學學科；發展趨勢；化學教學；啟示

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

1 世界科學技術正在走近新突破時代

在公元1900年之前，經典物理學，包括力學、熱力學、電學、電磁學、光學等，已經形成比較完整的體系。許多人認為物理學問題已經基本解決完了，剩下的只是小修小補的完善工作，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：“物理學的大廈已經建成。”然而就在此時，物理學家發現了黑體輻射理論的“紫外災難”——輻射能量不連續以及光傳播介質“以太”假說破滅“兩朵讓人不安的烏云”。5年以后，這“兩朵烏云”，一個導致量子論誕生，一個導致相對論誕生，使物理學面貌大變，帶動了科學在20世紀的突破性發展。

歷史不會簡單地重復，但往往驚人地相似。現今科學技術的一些重大發現，使人們不由地想到：當代科學技術正在走近新突破時代。就拿最近的2015年來說吧，在這一年，科學界有很多出乎意料的發現[1]。例如：

早在1915年，愛因斯坦就曾根據相對論推算宇宙中物質的平均密度必須達到每立方厘米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，宇宙中的大多數物質本身不發光、不反射和吸收光，用現有技術觀察不到，卻有質量和引力，是“暗物質”。后來一些人提供過暗物質的存在證據，但只是對河外星系觀測結果做出的假設。2月9日，歐洲科學家首次通過對比星體自轉速度的方法，從銀河系獲得直接證據，證實了人類所在的銀河系內確實存在暗物質。

2月25日，天文學家宣布，在128億光年遠處的類星體中發現存在質量為太陽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。現有科學理論無法解釋如此質量巨大、能力極強的黑洞為什么在宇宙大爆炸發生不久就形成，因此這個發現將會改寫物理學。

3月13日，一項最新分子生物學研究顯示，人類在遠古時代即從周圍環境獲得必需的基因，而且這種“基因水平轉移”會在多種生物的機體間發生。該研究打破了進化論認定生物完全依賴祖先基因的觀點，說明需要重新分析對進化論的認識。

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

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

9月23日華盛頓大學宣布，該校科學家使用網絡在1.5公里距離內，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，可以轉換成電磁波傳送和接收……

如果再算上2015年之前和之后的發現暗能量存在的直接證據[3]、中國科技大學潘建偉團隊測出量子糾纏的傳輸速度至少比光速高4個數量級、超大規模集成電路、超級計算機、互聯網應用、5G通訊、量子通信、量子計算、高溫超導及超導技術應用、有機發光半導體（OLED）、人工智能及各種機器人、自動駕駛、先進制造、航天遙控、基因技術及人類基因組測序、3D打印“活體組織”、數據技術等等以及化學學科的一系列新進展，現代科學技術的突破性發展就更加驚人了。

2 化學學科令人興奮的新進展

在世界科學技術正在走近新突破時代這個大背景下，20世紀末以來化學學科有許多令人興奮的新進展。例如：

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

直觀微粒圖像：化學要跟分子、原子打交道，多少年來，一直有教師、學生感嘆：要是能直接看到分子、原子，讓化學的奧秘一覽無遺就好了。這并非異想天開：就在本世紀初，中國科技大學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鍵的碳-60單分子圖像，這種單分子直接成像技術為解析分子內部結構、“切割”和重新“組裝”化學鍵奠定了基礎，使科學家設計新物質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日發表了這一成果[4]。接著，奧地利維也納大學和德國比勒費爾德大學的科學家利用飛秒（1飛秒為千萬億分之一秒）激光技術在2002年成功地觀測到原子內部電子的運動情況[5]；美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）和布朗大學的科學家用自由電子激光中的超高亮度X射線脈沖來追蹤化學反應，實時觀察到分子在反應中的結構變化和過渡態分子的形成，英國愛丁堡大學的科學家則用同樣方法觀察到碳環中碳-碳鍵展開等立體化學過程，觀察到多個反應路徑[6]；2013年11月22日，中科院國家納米科學中心宣布在國際上首次拍到氫鍵的“照片”，實現了氫鍵的實空間成像，為“氫鍵的本質”這一化學界爭論了80多年的問題提供了直觀證據（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，中國科學技術大學研究人員還實現了最高分辨率單分子拉曼成像[8]。

解開一個難題：“水的結構是什么？”是國際頂級學術期刊《科學》雜志在創刊125周年特刊中提出的125個最具挑戰性的科學問題中僅有的4個“純粹化學問題”之一*。中國科學家首次拍攝到了水分子的內部結構，對氫核量子特性進行了精確探測和描述，實現了單個水分子內部自由度的成像和水的氫鍵網絡構型的直接識別，并在此基礎上探測到氫核的動態轉移過程，揭示了單個水分子和四分子水團簇的空間姿態，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度，發現氫核的量子效應足以對水的結構和性質產生顯著的影響，揭示了氫鍵的全量子本質，澄清了學術界的長期爭論，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

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

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

能源化學進展喜人：我國哈爾濱工業大學研究人員已于2013年完成了有機廢水乙醇型發酵生物制氫工業化示范。尤其突出的是，中國科學院大連化學物理研究所科學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過程或費托過程），創造性地以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合，實現直接采用煤氣化產生的合成氣（純化后CO和H2的混合氣體）在新型復合催化劑的作用下高選擇性地一步反應獲得低碳烯烴，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，從原理上開創了一條低耗水進行煤轉化的新途徑，具有很高的經濟效益，被業界認為是“煤轉化領域里程碑式的重大突破”[15]。在新型電池開發方面，化學家們也取得了可喜的進展。例如，馬里蘭大學帕克分校的王春生教授和他的研究團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，充放電達到30次，有望經過改進成為未來電池替代安全差的鋰電池用于驅動電動汽車等[15]。

人工智能應用嶄露頭角：在預測制備釩亞硒酸鹽晶體反應條件比試中，美國哈弗福德學院Norquist團隊的機器學習算法以成功率89%對78%勝過有十余年相關經驗的材料化學家。雖然這場勝利只是一小步，但在不遠的將來，AI（人工智能）或許真的能顛覆化學家的科研方式，掀起化學科研革命[17]。伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的Burke團隊發明的機器采用通用的化學反應將模塊化的分子組件裝配成所需的目標有機分子。該研究小組已使用這個系統合成出很多種化合物，包括復雜的大環和多環的天然產物[18]。英國曼徹斯特大學的RossKing計算機科學家團隊也開發出一種名為“夏娃”的“機器人科學家”，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。該系統能夠建立一個假說，并對其進行測試和解釋結果，甚至能基于計算結果進一步精細化輸入，人工的干預只在補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已經成為可能的抗瘧疾化合物[19]。

……

20世紀以來，化學學科的發展走勢被歸納為：由宏觀向微觀、由定性向定量、由簡單到復雜，由經驗逐漸上升到理論。21世紀初化學大體上仍然保持了這些走勢，但增加了新的內容、呈現了新的特點。細一點說[20～22]：

研究對象更加復雜。化學的研究對象擴大到復雜體系尤其是生命體系，不僅涉及傳統的分子成鍵和斷鍵，即不僅涉及離子鍵和共價鍵那樣的強作用力，而且也涉及復雜體系中范德華力、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的分子聚集體、分子互補體系或通稱的超分子體系。這種體系具有全新的性質，可使通常無法進行的反應得以進行。在生物體中最著名的DNA的雙螺旋結構就是由源自氫鍵的堿基配對而形成的。高效的酶催化反應和信息的傳遞也是通過分子聚集體進行的。

微觀-介觀層次的研究進一步加強。在研究復雜體系時，研究如何進行分子識別，研究如何深入控制分子的各種作用力，研究它們的本質以及了解分子識別過程，在研究分子層次結構的基礎上，闡明分子以上層次結構和結構變化的化學基礎，以及結構、性質與功能的關系。多少年來化學家認為性質就是由原子結構和分子結構決定的，事實上很多現象早已說明化學性質具有尺度效應，尺度改變可以引起化學性質的躍變。所以，現代化學已經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），注意復雜系統的多尺度問題。

領域進一步拓展，視野進一步擴大。現代化學不但通過吸收其他學科的新理論和新結果孕育新的生長點，而且在跟其他學科交叉、綜合中不斷開拓新的領域，使自身發展與整體科學技術的發展融合。

例如，通過合成來理解和最終獲取有各種生物功能的分子，這已經成為一個大趨勢。現今國際上涉及合成化學的著名刊物，在刊載復雜分子的合成文章時都注重說明目標分子的生物功能或者它在生物學上的意義。純化學觀點出發的天然產物合成，除了確實具有新奇的結構外，已很難在高水平的雜志上出現，相關課題也難于獲得科學基金的資助。

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

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

社會問題的解決、跟自然界和諧相處、有關的倫理道德乃至化學文化等等，都開始進入化學的視野。

（4）綠色化學思想及綠色技術進一步發展和普及

綠色化學思想已經明確。從綠色技術的觀點來看，化學合成應該是原料和試劑易得；原料和試劑在反應中充分利用（原子經濟性）；盡量減少副產物和無法循環使用的溶劑；低能耗的反應條件等。綠色反應中減少副產物的基礎，就是高選擇性反應。選擇性反應也稱作不對稱合成或手性合成控制，目標是將生成消旋體的反應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展、充滿挑戰的領域。催化反應的重要意義使它在綠色化學中得到重視。不過，由于催化體系和過程的復雜性，新的高效催化劑的發明遠非易事，還沒有脫離經驗篩選的范疇。

現在，綠色技術方面已經取得了一些重要發展：化學反應介質的改變，超臨界二氧化碳的利用，固相反應以及非化學試劑的應用包括電化學反應的新應用以及光、聲反應的新途徑已經顯露廣闊的發展前景。完全由離子組成、在低溫（<100℃）下呈液態的離子液體（也稱低溫熔融鹽）作為綠色溶劑用于有機及高分子合成時具有不揮發、無色、無嗅；具有較大的穩定溫度范圍、化學穩定性及較寬的電化學穩定電位窗口，可調節其對無機物、水、有機物和聚合物的溶解性，可調節溶劑酸度至超酸等優點，而受到重視。

參考文獻：

[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]下一代電池. 《JACS》報道鎂電池技術突破. X-MOL發布于 2015-10-16.

[17]《Nature》封面文章報道.X-MOL發布于 2016- 05-14.

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

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

[20]王佛松，王夔，陳新滋，彭旭明主編.展望21世紀的化學[M].北京：化學工業出版社，2000.

[21]吳毓林，陳耀全.化學邁向輝煌的新世紀[J].化學通報，1999，（1）：3～9.

[22]宋心琦.化學的明天[M].南寧：廣西教育出版社，1999.endprint