论化学学科的四大魅力

唐隆健

原文发于《中化参》2019第7期

在新高考实行学生自主选课的大背景下，高中教师如何通过彰显自身学科的魅力，从而吸引较多优秀学生选择本学科作为其高考科目乃至终生志业，是每位教师需要迫切思考的大问题。然而通过中国知网等检索发现，目前在与化学教育教学有关的重要期刊上专门探讨化学魅力的文章却很少，已有的某些文章虽然也在呼吁化学魅力，但往往止于空喊口号或囿于个别教学片断，缺乏对化学魅力全面系统的发掘提炼，这在一定程度上反映出当前部分化学教师对学科魅力的自觉关注和深入思考仍然不足，也因此在一定程度上影响了学生化学学习积极性。这一严峻现状在已实行新高考的省份更为突出，尤其是部分省份将在新高考中实行“3+1+2”模式（即除语数英必考外，还将物理定为理科生必选科目），如此一来，化学在高考中的地位就更尴尬了。而事实上，化学是一门极富个性魅力和具有深远影响的基础学科，其未来的长远发展也离不开众多优秀学生的投入。基于此，笔者将从四个方面探讨化学学科的多维魅力，与广大同仁交流。

一、化学具有绚丽多姿、变幻无穷的巨大表象魅力

化学物质和性质的缤纷多彩及化学反应的变幻无穷本身就极富吸引力，尤其对初学者。比如：红矾胆矾等晶体的晶莹亮丽、金刚石的超级坚硬和其“同胞兄弟”石墨的柔软润滑、焰色试验的五颜六色、铝热反应的激烈壮观、氨气喷泉实验的小巧美丽、含酚酞的硅酸钠溶液因滴入适量酸而刹那间生成粉红凝胶时的奇妙（试管倒置而不流出），等等，光是这些中学课本中的常见物质和演示实验就足以让学生对化学的表象魅力略窥一二，更不用说像“滴水生火、魔棒点灯、滴水生烟、空杯生烟、喷雾作画”等带有魔术性质的趣味实验对学生的影响力了。化学五光十色、变幻无穷的表象之美，让学科充满了直接的视觉魅力。值得一提的是，近年来由中国科技大学梁琰老师团队充分利用现代可视化技术精心制作的数字科普项目《美丽化学》，更是将化学的这种表象魅力推向了极致，对部分学生和公众欣赏热爱化学也起到了一定积极作用。

表象魅力是化学魅力最简单最直接的一个层次（因而也最为人熟知），对激发化学初学者的兴趣至关重要，因而教师在教学（尤其是实验教学）中一定要精心设计将其充分展现出来。

二、化学在人类发展进步中具有无可替代的实用魅力

在众多学科中，化学的实用性一直十分突出。我国著名化学家徐光宪院士曾言，若没有现代化学化工技术，世界粮食产量可能减半，而人类的平均寿命也将缩短20多年^[1]。这绝非危言耸听。

1.化学已在材料、医药、资源、环境等领域发挥无可替代的作用

化学家用一张简洁小巧的元素周期表涵盖了整个物质世界的基元组成（这当是化学家对人类文明最伟大的贡献之一），由表中的一百多种元素所组成的近亿种化学物质及其转化，奠定了我们生存发展的坚实基础。若无高纯硅的冶炼与提纯技术，再厉害的科学家也难以发展出现有的信息技术和人工智能；若无各种轻质、耐磨、耐高温和抗腐蚀材料及高效燃料的开发，再高明的科学家也无法将飞船和卫星送上太空；若无各种高效、低副作用、低成本的化学合成药物，我们也许永远难以摆脱疾病和伤痛的威胁；若无煤、石油、燃气等能源的大型化工炼制和净化技术，则我们今天不可能如此便捷地获取温暖、光明和动力；若无发达的有机合成染料，则我们今天就不会有这么多五颜六色的漂亮衣物和装饰，整个世界或许都会因颜料匮乏而黯然失色……从燃烧反应到氨的合成，从不锈钢到高分子，每个化学反应和化学物种都在直接或间接地影响我们的生活，这就是化学学科最实在的魅力。相比于近现代物理越来越远离人们的经验生活和“有理无物”的现象^[2]，化学则永远言之有物，永远“食人间烟火”，始终与人们的衣食住行和健康紧密相伴。

2.化学学科的巨大创造力将为人类未来生活的进一步改善提供无限可能

1900年在 Chemical Abstracts(CA)上登录的从天然产物中分离出来的和人工合成的已知化合物只有55万种，到1999年已达2000多万种^[1]，而现在已近亿种。这使人们（尤其是化学工作者）逐渐认识到：自然界能够直接提供的物质和反应，相比于实验室里那始终处于不断创造中的、难以穷尽的化学世界而言只不过是沧海一粟。据估计，化学世界里目前已知的所有天然及合成的分子总数还不到它所有可能数目的1%，化学物种可能拥有的结构和性能几乎是难以穷尽的^[3]，即化学几乎能永无止境地创造新物质，这在很大程度上使我们对化学的未来和世界的未来葆有巨大好奇。因为历史上，从青铜时代到铁器时代，再到高分子和硅器时代，每一次新物质新材料的发明或发现（如O₂的发现）都曾极大地改变了人类生活。也正是从这个角度讲，化学始终蕴含着无限创造的机会，有时化学家冷不丁造出一个物质可能就会改变世界。化学在未来将继续为人类创造无限可能。

三、化学在探索宏观世界与微观世界内在联系和统一性方面具有非凡魅力

近代以来，化学一直以“原子分子论”为基石，致力于探索宏观世界与微观世界的内在联系和统一性，并由此产生了大量交叉学科，也正是在这个角度上看，化学属于中心科学^[1]。虽然物理、生物等学科也涉及原子分子，但诚如著名物理学家理查德·费曼所言，原子学说在很大程度上是由化学家提出并实验证实的^[4]。而且，没有任何其他学科能像化学那样系统而详尽地描述那么多分子、原子、离子的结构、性质、变化、制备与应用。

1.“原子分子论”解释了宏观世界与微观世界的内在联系和统一性

细细想来，生活中几乎所有的宏观现象和变化都与原子分子论密切相关。如，为何常温常压下物质会呈现固、液、气等不同状态？因为一定条件下物质的聚集状态主要由其构成微粒及其相互作用决定，比如常温常压下呈气态或液态的物质往往由小分子构成（其分子间作用力较弱导致熔沸点较低）。又以“能量”这一科学大主题为例，科学家已从原子分子等层面深刻揭示了众多能量变化的微观本质，比如从化学键断裂与生成角度解释化学反应中的能量变化，从电极上电子的得失转移解释化学能与电能的相互转化，从分子原子中电子的能级跃迁解释光的释放和吸收，从大量分子原子的无规则热运动解释热能及其传递的本质。再如，对于最让人不可思议的生命，现代科学也早已认为所有复杂生物体都由简单的原子分子构成并逐步演化形成，生命体内不计其数的生化反应（包括酶催化和分子识别等）机制无不基于原子分子的特定结构与性能（如手性、氢键或疏水作用等）。

总之，从物质状态到质量守恒、从导热导电到燃烧溶解、从温度压强到硬度熔点、从头疼脑热到心理情绪、从生物的新陈代谢与繁衍到宇宙深处星球的发光（通常是原子在进行核反应），似乎没有哪个领域不和“原子分子论”密切相联。地球、星星、生物与非生物皆由同样的原子构成，这是一个多么奇妙而深刻的事实！难怪科学家理查德·费曼曾言：“假如由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话传给下一代，我相信这句话是原子的假设（或者说原子的事实）”^[4]。

2.“原子分子论”是化学家洞察物质世界的“法眼”

正如新一轮高中课程标准已把“宏观辨识与微观探析”作为化学学科的第一条核心素养而明确提出，“宏观现象—微观本质—符号表征”的确早已成了化学工作者分析问题特有的思路和范式，没有哪个领域的人能像化学工作者那样，几乎把“原子分子”作为口头禅。对化学训练有素的人而言，基于原子分子论的“微观视角”确实是其洞察物质世界的真正“法眼”,其心智可自由地在驰骋于宏观与微观之间，并通过对宏观世界与微观世界内在联系与统一性的洞察、想象与推理,真正把物质世界的万千变幻看得更深刻、更有趣。化学家用原子分子进行科学精密地组装、搭建、修饰、复制、创造和解释的过程，其工作的挑战性、艺术性和乐趣丝毫不逊于高明的画家用普通的颜料水墨描绘出传世佳作或杰出的音乐家用简单的几个节拍音符谱写出千古绝唱。这或许是化学更深层次的学科魅力和思维乐趣所在吧。

四、化学在哲学文化层面展示独特魅力

化学学科蕴含丰富的哲学思想与文化。如在关于唯物论（客观世界基于元素、原子、分子等实在之物）、量变与质变（如化学反应本身）、对立统一（如酸碱、氧化还原、可逆反应、沉淀与溶解等）、现象与本质等哲学论题上，化学都提供了大量极富启示性的素材，这些具体生动的素材能潜移默化地提升我们的物质观和变化观，甚至改善我们的世界观和人生观。其实在化学蕴含的众多哲学思想与启示中，笔者最欣赏的正是“化学”这一“化”字所蕴含的深刻而简洁的启示。

1.化学学科对事物“变化、转化、造化”规律的启示

化学，顾名思义，探寻物质（也包括能量）变化、转化、造化规律的学问（如通过催化、氧化、活化、钝化、酯化、裂化、老化等千变万化的具体机制）。化学是一门最懂得世间万物变化循环之道的学科，它不仅在促进人类生存发展方面尽显其“变化、转化、造化”之能事，而且还深刻启示我们：

（1）千变万化的现象后面往往隐藏着某些关键的不变量（或守恒量），如化学反应中的原子守恒和能量守恒、氧化还原反应中的电子守恒等，这使我们对事物变化的认识更为深刻和全面，并习得“持经达变”的智慧；

（2）事物的变化转化都是有条件的，控制条件可以控制变化趋势，正如化学反应中的条件控制对反应的方向、速率、限度和选择性等起着关键作用。其中，“催化”这一表示化学反应条件的专业术语，如今早已广泛用于日常生活并给人以智慧启发；

（3）化学为“化繁为简、化害为利、化腐朽为神奇”等众多代表智慧的词句作出了深刻而生动的注释（其精妙都在一个“化”字）。如，化学家把大千物质世界的基元构成化解还原为元素周期表中的百十种元素，并认为宏观物质（包括高级生命）的众多行为现象都可从这些元素形成的不同微粒的行为解释，从元素到分子再到生命万象，化学家最终解释了连哲学家都难以回答的一个谜——宇宙的本源与演化，这是何等境界的化繁为简。又如，化学工作者将Cl₂、SO₂等有毒之物限量用于消毒、漂白或防腐，将回收的垃圾和废料通过反应处理再次转化为资源与产品，这是可等巧妙的化害为利。再如，化学家用空气造氮肥，把煤和石油转化为塑料和衣物，将矿石化为玻璃和金属等，这又是何等智慧的化腐朽为神奇！

2.化学之“化”字对人生亦有丰富启示

化学的学习思考，往往使人更易体察万物“变化不息、循环往复”的本质，也更易使人觉悟和理解人生“福祸相依、跌宕起伏”的真相和常态，因而促使我们在生活中学会居安思危、谦卑谨慎并善于“化危机为转机”，从而在处变不惊和自我超越中使人生渐至“化境”（自我实现），这或许是化学之“化”字更高层次的哲学启示吧。若教师在平常教学中能利用恰当的素材情境，让学生渐渐领悟一点化学知识背后的这些哲学思想与生命启悟，从而达到“超越化学教化学”的境界^[5]，难道不比让其多记几个化学反应或多刷几道习题更有意义吗？任何学科的教育教学，其出发点一旦远离了对每个鲜活生命的关照与启悟，必将丧失活力甚至误入歧途。

综上，笔者认为化学学科具有四大突出魅力，即五彩缤纷变幻无穷的表象魅力、无可替代无处不在的实用魅力、以“原子分子论”为基石探索宏观世界与微观世界内在联系与统一性的学科思维魅力，以及学科所蕴含的独特哲学与文化魅力。当然，化学的魅力还远不止这些。对学科魅力的充分发掘展示是激发学生化学兴趣的关键途径，尤其是在新高考背景下，教师应努力使学生在刚入学的众多科目的比较学习中，多角度、多层次深刻领略化学魅力，进而热爱化学、选择化学，甚至将来推动学科的进步。当然，如何在具体的每一节课中潜移默化地渗透和展示化学魅力，仍需每个人结合学校实际和个人特点深入探索实践。

参 考 文 献

[1]  徐光宪.今日化学何去何从[J].大学化学,2003(1)：1-6.

[2]  周公度.结构和物性－化学原理的应用[M].第3版.北京：高等教育出版社,2009：1-2.

[3]  宋心琦.化学家想知道什么－什么是化学学科的大问题[J].化学教学,2009(3):1-4.

[4]  (美)理查德·费曼.费曼物理学讲义（第1卷）[M].本书翻译组，译.上海：上海科学技术出版社,1983：21，2.

[5]  唐隆健.超越化学教化学－兼论化学教师的阅读视野[J].中学化学教学参考,2017(13):1-3.