化学进展与化学教育的前景

化学进展与化学教育的前景王夔(北京医科大学药学院)现在的化学教育要解决两个重要的、带有方向性的问题。一个是在科学技术迅猛发展以及人类进步向科学技术不断提出新问题、新需求之际，化学科学怎样安排它的今天和明天?化学教育怎样适应这一特点?第二个问题是在知识(信息)量爆炸性增长，知识储存、加工由个人行为变成技术的今天，以传授化学知识为目的的化学教育今后要教什么?怎样教?+一基本矛盾化学教育发展到今天，至少遇到四个基本矛盾：1．要求积极创新的技术革新和技术革命与传统的以知识的积累为基础的教育之间的矛盾。或者简单的说是传统与创新的矛盾。2．科学进步要求多样化的、动态的思维方法和工作方法，这与立足于以巩固的、统一的理论为指导的传统教育有很大的矛盾。3．现代计算机储存加工信息的容量和速度猛增，这与以记忆为主的描述性的知识教育也有矛盾。·4．人工智能使程序性思维能力大大提高，这又与以逐步推导、演绎归纳、模仿等程式为基础的科学教育相矛盾。为阐述这些矛盾的本质和解决途径，下面就几个主要问题稍加说明。二化学面l临的挑战与机会科技的进步与革命主要由人类需要决定，包括物质的需要和精神需要(如认识自然现象)。现代化学在上世纪末到今天为人类征服自然起了极其重要的作用。但是，它在今天却感到来自各方面的压力。如：．1．环境、能源、资源向化学提出的挑战极大。要求建立洁净、节能、节约的化学合成与工艺呼声极大。化学有兵临城下之感。要达到此目的，需要考虑：①提高原子利用率，②提高转化率，③提高合成选择性和精度，④避免把原来固定在岩石圈中的元素活动化(mobilize)，⑤避免把化学惰性物质(如N。)转化为活性物质(如NO，)，⑥减少使用有机溶剂，⑦减少使用和排放有毒的和影响生态环境的物质，⑧尽量使过程可循环、可再生，⑨避免高温及深冷(特别是高温裂解后的深冷)及⑩减少步骤。满足这十个条件是极其困难的。因为目前在合成工业中所用的路线(很多是我们在大学里教给学生的)是由许多经典合成反应组合而成。这些反应是几十年、甚至上百年前的研究成果。研究者当时没有考虑其用于大规模生产，更没有考虑洁净、节能、节约的要求。因此，要达到上述十条要求，我们必须更新反应和更新路线、改变与’5更新反应条件、更新技术与工艺，以至更新产品，。那么，我们的学生在中学和大学阶段学什么才能满足这个要求呢?2．缩短研究周期、减少投入、提高命中率是寻找新药、新材料、新农药、新催化剂的迫切要求。最早靠偶然性、机会一来、灵机一动之例至今还有(如顺铂抗癌活性的发现)。其后有了“筛选法”，但命中率低，成功率更低。近年来人们开始强调分子设计，但设计要有指导思想，于是人们又集中力量去研究构效关系。但在结构与效果之间还有许多未知问题，如性质、反应机理、[药物]的代谢，不清楚这些问题命中率还低。又有人从探索作用机理(如药物与靶分子的作用)入手来设计药物，但当反应复杂、反应物结构复杂(如蛋白质)时，又感到束手无策。最近计算机及基于分子力学的图形显示带来不小的希望，因而近年来热衷于这方面研究、希望计算机能有助于提高命中率。尽管如此，迅速发展的新方法也仍然不能使化学家摆脱困境。新药物筛选的命中率仍在万分之一水平。积数十年的经验之后，人们开始思考新的出路。正因为如此，加强实验前的设计的合理性，减少误导便成为今后努力的方向。回顾过去的“筛选”成功率之低，仍然在于我们掌握的结构一性质一功能的规律不够(特别是作为中间环节的性质)，设计者主观因素起了很大的导向作用。针对这一问题有两种截然相反的思路：(1)进一步加强设计的目的性，充分掌握更多的信息，完善实验前设计，彻底改变反复筛选的方式。例如在研究催化剂时，先研究反应机理，再依赖充足的资料，通过类比法和进化法不断创造概念中的分子，从理论上估计它们的催化功能，直到选出少数符合要求的结构后，再合成和做功能测试。然后模拟过程，理论上分析比较工作条件，直到满意后再做实验。(2)与上述思路相反，是彻底去掉设计中的主观因素，把所有可能的化合物全部合成出来，一一检测，避免因研究者主观因素误导所造成的错误。这两条途径都已见苗头。从头设计的计算机方法将会提高设计的准确度，而组合化学为大规模合成筛选奠定了基础。这两条途径又向化学及化学教育提出新的要求。前者要求理论化学和计算机化学向预测方面发展，而组合化学则要求发展在缓和条件下的合成反应、复杂混合物中个别组分的识别和研究等。3．许多观念的转变要求化学跳出百年传统，探索新领域。最突出的观念转变是从过去对复杂系统做简化处理转向探索复杂性。数理科学的历史中都是从复杂体系抽出简单规律，用最简单的数学式描述物质世界的成果。但是，现在愈来愈感到，若简单化处理，把复杂系统中抽出一个一个事物来研究，就不可避免地丢了一些关键性的东西。因此，现在回归自然，探索复杂性的趋势日益得到自然科学各个领域的认可和参与。它向化学研究和化学教育展现了几个新观念，迫使我们从原有的认识范围中走出来。可举出几个方面：(1)结构化学正在从以研究分子的结构为主，扩大到研究分子与分子如何通过分子间力形成超分子结构，以及分子与分子如何相互识别而使超分子形成有序的高级结构的。(2)传统化学研究化学反应组合以热力学和动力学为依据。复杂系统中反应物定位、传质定向，因此受时间和空间两方面制约。怎样知道在某一时间和某一位置的情况以及在某一位置出现的事件顺序。(3)传统化学中充满了线性处理方法，学习化学中印象深刻的是那些非常巧妙的线性处理所得到的简洁规律。但是，目前人们愈来愈认为化学系统的非线性行为无处不在，不能忽视。由以上所举的几个方面可以知道化学不能在因袭旧的思路和方法上求得大发展。除去跳出旧框框、求创新之外别无他法。因而化学教育势必不能因袭旧的教学内容和教学方法。6

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