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摘要：傳統(tǒng)化學(xué)以研究變化，關(guān)注變化前后的結(jié)果而著稱(chēng)。化學(xué)與其他學(xué)科，特別是生命科學(xué)的相互滲透使得化學(xué)的動(dòng)態(tài)特征更加突出，化學(xué)學(xué)科格局也因之發(fā)生了變化。因此，化學(xué)需要新認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：超分子化學(xué)；動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵化學(xué)；組成動(dòng)態(tài)化學(xué)；適應(yīng)性

化學(xué)相對(duì)穩(wěn)定的研究對(duì)象，獨(dú)具特色的研究方法和手段構(gòu)成了一門(mén)學(xué)科獨(dú)立存在的基礎(chǔ)。在這個(gè)基礎(chǔ)之上，隨著內(nèi)容的豐富和學(xué)術(shù)的發(fā)展，不同的學(xué)科逐漸形成了各不相同的學(xué)科思想和學(xué)科特質(zhì)，在文明傳承和發(fā)展中發(fā)揮著各不相同的作用。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，了解學(xué)科思想，把握學(xué)科特質(zhì)，對(duì)于理解學(xué)科內(nèi)涵，預(yù)判學(xué)科發(fā)展具有重要的意義。

1化學(xué)學(xué)科認(rèn)識(shí)的新視角

1.1基于超分子的動(dòng)態(tài)化學(xué)

化學(xué)學(xué)科特別強(qiáng)調(diào)“變化、演化、轉(zhuǎn)化、進(jìn)化”的思想，因此，在化學(xué)家眼里，沒(méi)有一成不變的東西，沒(méi)有一成不變的道理。地球從產(chǎn)生到地球智慧生物的出現(xiàn)就是一個(gè)鮮活的化學(xué)演化(chemicalevolution)的過(guò)程。在這一過(guò)程中，宇宙大爆炸產(chǎn)生的宇宙塵埃相互聚集形成有形但相對(duì)無(wú)序的原生態(tài)地球。隨著時(shí)間推移，這種無(wú)序聚集結(jié)構(gòu)逐漸演化出有序結(jié)構(gòu)，從而為生命物質(zhì)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。在化學(xué)家眼里，地球生命的出現(xiàn)，地球生命由低級(jí)向高級(jí)的演化就是一個(gè)物質(zhì)有序度不斷提高、結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜化的過(guò)程。物質(zhì)有序度的高低和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定著物質(zhì)包含信息的多少和物質(zhì)加工信息的能力。人類(lèi)之所以處于地球生物的最高端就在于人類(lèi)擁有較之其他地球生物更加復(fù)雜、更加有序的大腦結(jié)構(gòu)。這就是為什么化學(xué)也可以被看作是一門(mén)信息學(xué)科的原因。正是基于對(duì)自然界化學(xué)演化的深刻理解，化學(xué)學(xué)科也從社會(huì)大眾所熟知的傳統(tǒng)的、相對(duì)“靜止”的、主要關(guān)注分子中原子間強(qiáng)相互作用的“分子化學(xué)(molecularchemistry)”階段，逐漸發(fā)展到了如今的更加關(guān)注分子間弱相互作用的、相對(duì)“動(dòng)態(tài)”的“超分子化學(xué)(supramoleularchemistry)”階段。當(dāng)然，隨著學(xué)科的發(fā)展，人們又認(rèn)識(shí)到，僅有“靜態(tài)”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)或“動(dòng)態(tài)”的不穩(wěn)定(可逆)結(jié)構(gòu)還不足以應(yīng)對(duì)學(xué)科面臨的一些新的挑戰(zhàn)，解決學(xué)科需要解決的一些新的更加棘手的問(wèn)題。于是，近年來(lái)又出現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵化學(xué)(dynamiccovalentchemistry)”和“組成動(dòng)態(tài)化學(xué)(constitutionaldynamicchemistry)”等概念，超分子化學(xué)也因此與動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵化學(xué)和組成動(dòng)態(tài)化學(xué)共同構(gòu)成了當(dāng)代“動(dòng)態(tài)化學(xué)(dynamicchemistry)”的主要內(nèi)容。

1.2基于動(dòng)態(tài)變化的適應(yīng)性化學(xué)

刺激響應(yīng)和組成動(dòng)態(tài)是生命現(xiàn)象的基本特征，組成動(dòng)態(tài)化學(xué)正是在理解生命、學(xué)習(xí)生命的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)。將超分子化學(xué)的動(dòng)態(tài)性特征引入基于共價(jià)鍵的分子化學(xué)就產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵化學(xué)。在動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵化學(xué)體系中，某些共價(jià)鍵可以根據(jù)需要斷裂或形成。這種可逆性使得體系組成會(huì)因某些單元的交換與再組合而持續(xù)改變，體系因此獲得了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。也就是說(shuō)動(dòng)態(tài)性的注入使得分子化學(xué)發(fā)展到了“適應(yīng)性化學(xué)(adaptivechemistry)”階段。適應(yīng)性化學(xué)原理是生命現(xiàn)象得以出現(xiàn)的基礎(chǔ)。地球生命為什么能夠適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，原因就在于它能夠通過(guò)自身組成的改變適應(yīng)這種改變，從而獲得自身的生存和發(fā)展?；趧?dòng)態(tài)化學(xué)原理，研究模型體系中組分對(duì)環(huán)境因素變化的依賴(lài)性就成為當(dāng)今適應(yīng)性化學(xué)研究的主要內(nèi)容。這些研究無(wú)疑有助于加深對(duì)生命現(xiàn)象的理解，豐富創(chuàng)造新體系、發(fā)展新材料的思路，從而提升化學(xué)學(xué)科創(chuàng)造新物質(zhì)、探索新功能、實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用的能力。近年來(lái)，前所未有的高性能動(dòng)態(tài)材料的不斷出現(xiàn)就是動(dòng)態(tài)化學(xué)原理實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果。

2化學(xué)新視角對(duì)學(xué)科和教學(xué)的挑戰(zhàn)

歷史上，化學(xué)因研究不同物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化而獨(dú)立成為學(xué)科，如今化學(xué)也因自身的不斷變化和演化而呈現(xiàn)出蓬勃生機(jī)。眾所周知，客觀世界只有“動(dòng)”和“變”是永恒的、絕對(duì)的。而“動(dòng)”和“變”也恰好構(gòu)成了化學(xué)學(xué)科的特質(zhì)，因此，在哲學(xué)層面，任何認(rèn)為化學(xué)是“落日科學(xué)(sunsetscience)”的觀點(diǎn)都是缺乏遠(yuǎn)見(jiàn)，沒(méi)有根據(jù)，不能立足的。

2.1可變性、刺激響應(yīng)性與構(gòu)效關(guān)系

“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”是化學(xué)家的信條，當(dāng)今的結(jié)構(gòu)已與往日絕不相同?？勺冃?、刺激響應(yīng)性已經(jīng)成為新型結(jié)構(gòu)的重要特征?？勺冃院痛碳ろ憫?yīng)性賦予“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”更加豐富的內(nèi)涵。例如，導(dǎo)彈和航天技術(shù)中普遍使用的化學(xué)推進(jìn)劑分為液體推進(jìn)劑和固體推進(jìn)劑兩大類(lèi)。液體的流動(dòng)性賦予液體推進(jìn)劑優(yōu)異的燃燒可控性。與之相反，固體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性雖然使其失去了流動(dòng)性，但作為推進(jìn)劑，卻避免了液體推進(jìn)劑的加注耗時(shí)、加注困難問(wèn)題，從而獲得了極大的機(jī)動(dòng)性。正是對(duì)于固體和液體性質(zhì)的這一對(duì)比，新近發(fā)展起來(lái)的凝膠推進(jìn)技術(shù)，則兼顧了固體推進(jìn)和液體推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)。其根本原因就在于凝膠兼具液固兩性。凝膠，特別是基于小分子化合物的分子凝膠，在宏觀上具有固體一樣的保型性，但在一定剪切力作用下可轉(zhuǎn)化為液體，從而擁有普通液體所具有的一切性質(zhì)。分子凝膠就是一類(lèi)典型的動(dòng)態(tài)材料，是化學(xué)學(xué)科發(fā)展新階段的新成果。注重結(jié)構(gòu)、研究結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)看問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題是化學(xué)家的習(xí)慣，是化學(xué)家的看家本領(lǐng)。然而需要注意，結(jié)構(gòu)除了在空間尺度上可以變化之外，在時(shí)間尺度上結(jié)構(gòu)也可以變化。這就是說(shuō)，結(jié)構(gòu)是分層次的。事實(shí)上，物質(zhì)在某個(gè)時(shí)刻的宏觀性質(zhì)是物質(zhì)在那個(gè)時(shí)刻不同層級(jí)結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。

2.2化學(xué)本質(zhì)與目標(biāo)的新認(rèn)識(shí)

結(jié)構(gòu)除了分層次，會(huì)演化之外，結(jié)構(gòu)往往還以美輪美奐的形式呈現(xiàn)。因此，學(xué)習(xí)化學(xué)就要學(xué)會(huì)欣賞。要認(rèn)識(shí)到，化學(xué)不但可以變腐朽為神奇，還可以通過(guò)結(jié)構(gòu)解析，理解事物的本質(zhì)，創(chuàng)造新的物質(zhì)。這種能力是化學(xué)之所以成為化學(xué)，化學(xué)之所以能夠區(qū)別于別的學(xué)科，成為自然科學(xué)中的中心科學(xué)(centralscience)的原因所在。也正因?yàn)檫@些原因，不像物理以理解“上帝”怎么創(chuàng)造了世界為終極目標(biāo)，也不像生物學(xué)以理解“上帝”怎么創(chuàng)造了人類(lèi)為終極目標(biāo)，化學(xué)不但要理解這些問(wèn)題，還要像“上帝”一樣創(chuàng)造新的世界。如果硬要說(shuō)化學(xué)有一個(gè)終極目標(biāo)的話(huà)，這大概就是化學(xué)的終極目標(biāo)。有了這些認(rèn)識(shí)，我們就不難認(rèn)同諾貝爾獎(jiǎng)得主Jean-MarieLehn的感嘆，化學(xué)是一支創(chuàng)造性力量(acreativepower)，化學(xué)是有關(guān)物質(zhì)的一門(mén)藝術(shù)(artofmatter)，以及著名科學(xué)家美國(guó)哈佛大學(xué)教授GeorgeM.Whitesides的觀點(diǎn)，“化學(xué)不能代替一切，但沒(méi)有化學(xué)肯定沒(méi)有一切”(Chemistryisn’teverything,buteverythingisnothingwithoutchemistry)，“化學(xué)就是未來(lái)，沒(méi)有化學(xué)就沒(méi)有未來(lái)”(Chemistryisthefuture,andnofuturewithoutchemistry)。同樣，也就不難理解，為什么2011年國(guó)際化學(xué)年將“我們的生活，我們的未來(lái)(ourlife,ourfuture)”作為活動(dòng)主題。了解了這些，我們就沒(méi)有理由懷疑化學(xué)家基于物質(zhì)的生命觀，這就是化學(xué)是連接生命物質(zhì)和非生命物質(zhì)的橋梁，生命的出現(xiàn)和消失確實(shí)只是物質(zhì)存在形式的改變。Whitesides認(rèn)為，化學(xué)學(xué)科必須從關(guān)注分子拓展至關(guān)注包含分子的所有物質(zhì)或物質(zhì)體系。這種拓展不僅可以為化學(xué)學(xué)科創(chuàng)造新知識(shí)，實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用帶來(lái)新的機(jī)遇，為化學(xué)工業(yè)發(fā)展帶來(lái)新的空間，也為政府和社會(huì)解決過(guò)去難以解決的問(wèn)題帶來(lái)新的辦法。有了這個(gè)視野以后，考慮諸如“生命的分子基礎(chǔ)是什么，生命如何起源？”“大腦是怎么思考的？”“耗散體系是怎么工作的？”“人類(lèi)孤獨(dú)嗎？生命遍布宇宙嗎？”等問(wèn)題就是化學(xué)學(xué)科的責(zé)任所在。此外，事關(guān)人類(lèi)文明永續(xù)發(fā)展的“能量的產(chǎn)生，使用與儲(chǔ)存”“不可能物質(zhì)(impossiblematerials)”的創(chuàng)造，人類(lèi)能力的技術(shù)強(qiáng)化(augmentinghumanbeings)途徑，以及死亡如何發(fā)生等都是化學(xué)家未來(lái)要涉獵的問(wèn)題。

2.3化學(xué)教育的核心要求

學(xué)習(xí)化學(xué)，講授化學(xué)，研究化學(xué)，就必須堅(jiān)持發(fā)展的觀點(diǎn)，秉承辯證思維，這樣才能與學(xué)科發(fā)展俱進(jìn)，與學(xué)科特質(zhì)適應(yīng)。否則，再美好的學(xué)科也可能因個(gè)人知識(shí)的陳舊、認(rèn)識(shí)的落后而被矮化，甚至妖魔化。教育的價(jià)值在于通過(guò)接受教育，學(xué)生做人的信心得到加強(qiáng)，承擔(dān)責(zé)任的能力得到提高，化學(xué)教育的價(jià)值也在其中。2014年10月以來(lái)，教育部組織了新一輪高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂工作，提出以核心素養(yǎng)統(tǒng)領(lǐng)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂，指導(dǎo)教材編寫(xiě)，組織課程教學(xué)。化學(xué)也不例外。所謂核心素養(yǎng)是指“學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過(guò)程中，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格與關(guān)鍵能力”。換言之，即便在學(xué)校學(xué)習(xí)的具體內(nèi)容完全忘記了，但學(xué)習(xí)過(guò)程中給個(gè)體留下的思考習(xí)慣、做事習(xí)慣、做人態(tài)度等不曾改變的東西就是所謂的核心素養(yǎng)。就像文學(xué)使人富有情懷，歷史使人具有責(zé)任感，科學(xué)使人嚴(yán)謹(jǐn)求真一樣，不同學(xué)科特點(diǎn)不同，給學(xué)生留下的烙印自然不同。因此，相應(yīng)于學(xué)校教育，要倍加重視學(xué)生的核心素養(yǎng)養(yǎng)成，學(xué)科教育也存在學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成問(wèn)題。為此，新版高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)從化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思想和方法，化學(xué)學(xué)科的實(shí)踐性和化學(xué)學(xué)科的價(jià)值追求三個(gè)維度歸納為“宏觀辨識(shí)與微觀探析，證據(jù)推理與模型認(rèn)知，變化觀念與平衡思想，科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，以及科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等五個(gè)方面。盡管這些素養(yǎng)表述還存在值得改進(jìn)，甚至爭(zhēng)議之處，但可以說(shuō)這些努力無(wú)疑使我們對(duì)化學(xué)教育的價(jià)值有了更加到位的認(rèn)識(shí)。也明確了化學(xué)教育不僅僅對(duì)將來(lái)從事化學(xué)和化學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)工作的人有價(jià)值，對(duì)即使從事與化學(xué)毫不相關(guān)工作的人也照樣有意義。這就是人們因接受化學(xué)學(xué)科教育，因從事化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究而在潛移默化中做事的態(tài)度，思考問(wèn)題的習(xí)慣有了改變。學(xué)科教育因此而具有普遍的意義。

在2017年全國(guó)化學(xué)課程與教學(xué)論第十四屆學(xué)術(shù)年會(huì)(大連)期間，國(guó)際著名科學(xué)教育專(zhuān)家臺(tái)灣師范大學(xué)邱美紅教授問(wèn)及筆者一個(gè)問(wèn)題，“如果聚焦到一個(gè)點(diǎn)，化學(xué)學(xué)科教育帶給人的最根本的東西是什么？”筆者給了一個(gè)答復(fù)。這就是，在筆者看來(lái)，化學(xué)訓(xùn)練到位的人一定會(huì)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，這就是做事時(shí)會(huì)“把每一個(gè)細(xì)節(jié)都想到，把每一個(gè)細(xì)節(jié)都做好”。也就是說(shuō)，注重細(xì)節(jié)、身體力行是化學(xué)人的特質(zhì)。一個(gè)學(xué)科要被別人青睞，要得到社會(huì)重視，那么這個(gè)學(xué)科要么就特別重要，要么就特別神奇。人們之所以認(rèn)為生命科學(xué)重要，是因?yàn)樗谘芯考戎匾稚衿娴纳?。物理學(xué)重要是因?yàn)樗跃哂袩o(wú)窮想象的時(shí)間和空間為研究對(duì)象。天文學(xué)關(guān)注的星際、黑洞和宇宙大爆炸都是極具神秘感的問(wèn)題。人工智能概念的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)科學(xué)受到前所未有的重視。即便是傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)也因大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)而備受關(guān)注。與之相反，為人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)無(wú)窮福祉的化學(xué)學(xué)科因自身的“不善言辭”而備受冷落。這就是為什么Whitesides要說(shuō)他做的化學(xué)是“改變?nèi)藗兊纳婧退劳龇绞健钡氖虑?Wechangethewayyouliveanddie)。

3結(jié)語(yǔ)

行文到此，對(duì)化學(xué)學(xué)科做出新的概括也就是一件理所當(dāng)然的事情了。這就是在新版高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中，化學(xué)被定義為：化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化及其應(yīng)用的一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，其特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)?；瘜W(xué)不僅與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)文明的關(guān)系密切，也是材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)和信息科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)?；瘜W(xué)在促進(jìn)人類(lèi)文明可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用，是揭示元素到生命奧秘的核心力量。

作者：房喻 單位：陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院