化学思维引论

化学教学 2018年第6期··

··化學教学 2018年第6期

专 论·化学篇·

专 论·化学篇·

化学思维引论

吴俊明

（上海师范大学， 上海 200234）

摘要： 阐述思维的本质、意义、基本操作、过程、属性、要素及种类；介绍化学思维的界定与主要类型；分析古代及中古时期化学思维、近代化学思维和现代化学思维的形成、发展与特点；介绍新世纪初化学的反省思维，并对质疑化学科学作出回答。

关键词： 化学思维； 化学思维研究； 近代化学思维； 现代化学思维； 21世纪化学思维

文章编号： 1005-6629（2018）6-0003-09 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

自从1986年我国《全日制中学化学教学大纲》第一次明确地把“逐步培养和发展学生的观察能力、思维能力、实验能力和自学能力”作为对中学化学教学的一项要求之后，化学思维就吸引了化学教育工作者的目光。我国新世纪基础教育课程改革和高考改革启动后，化学思维的过程方法进一步引起人们的关注。笔者通过超星“读秀”知识库在网上搜索含有“化学思维”字段的中文图书，发现竟多达8531种，而且还在不断增加，热度之高由此可见一斑。前100本中绝大部分都跟中学化学教学及解题训练有关，对什么是化学思维、它是怎么形成的却少有讨论，且有把化学思维与化学思想混为一谈，把一般的思维方式说成是化学思维、未考虑化学学科特点的……

作为一种学科思维，化学思维应该具有鲜明的化学学科特点。

鉴于此，笔者觉得有必要就什么是化学思维、它是怎么形成的、有哪些特点等问题作一些讨论。“引论”者，“引玉”之意也。化学思维博大精深，笔者虽努力探究、不敢马虎懈怠，仍觉此文讹漏恐难避免，恭请读者不吝指正，衷心希望更多人士关注化学思维、积极参与讨论。

1 思维概述

综合有关文献和网络资料，在古代汉语中，“思”字的本义是想、考虑、动脑筋以及想念、挂念、想法等（《书·洪范》： 思曰容，言心之所虑，无不包也）；“维”字通“惟”，本义是思（《说文》： 惟，凡思也）。思、维二字合在一起，意为思考、思虑（惟思），思考忖度（惟度），思念、考虑（惟念）。

思维的本质是什么？脑科学的研究结果显示，思维是发生于脑内的物理运动、化学运动与生物细胞的运动，也就是说，是一种物质运动；心理学以及神经生理学的研究表明，思维是一种高级意识活动，是脑内物质运动派生出来的（也有人把思维定义为“是一种指向问题解决的间接和概括的认知过程”）；信息科学认为，思维是神经组织把外界信息变换为神经系统不同部位信息，或者是脑内现有信息对后入信息的加工，是信息的变形与改造；人工智能学则认为，思维是一种可表现为意识活动的物质运动[1]。

现代语汇通常从认识论角度释义，界定思维是人脑借助于内隐或外隐的语言或动作、表象表现出的对现实事物的间接的、概括的加工形式和反映过程。思维同感知觉一样，是人脑对客观现实的反映。但是，感知觉所反映的是事物的个别属性、个别事物及其外部的特征和联系，形成的是感性认识；而思维所反映的是一类事物共同的、本质的属性和事物间内在的、必然的联系，形成的是理性认识。思维以感知为基础又超越感知的界限，它不但揭露事物内在的、本质的特征，而且探索、寻找事物间的本质联系和规律性。思维通过其他媒介的作用认识客观事物，能借助于已有的知识经验、已知的条件推测未知的事物，对客观存在的关系、联系进行多层加工，是认识过程的高级阶段、高级形式。总之，思维的本质是具有意识的人脑对客观现实的本质属性、内部规律的自觉的、间接的和概括的反映[2][3]。

思维跟思想有一定关系： 它们都跟思考有关，所以容易被混淆。然而，它们是有重要区别的： 思维是脑的功能过程，是人脑借助于语言对客观事物的概括和间接的反映过程，或者说，思维是一种精神活动，常常表现为一定的形式或方式；而思想是客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的结果，属于认识，一般也称“观念”。

思维是人类认识世界、改造世界最重要的主观来源。人是通过思维而达到理性认识的，思维是认识的理性阶段。在这个阶段，人们在感性认识的基础上，形成概念，并用其构成判断（命题）、推理和论证。

思维的基本操作是分析、综合以及比较、抽象、概括、判断、推理、系统化或具体化等，其中，分析和综合是最基本的，其他操作中常常含有分析、综合成分。分析是将事物的组成部分和个别特征通过神经活动区分开来；综合则是将事物的各个成分和个别特征联系起来，结合成为一个整体；比较是将几种有关事物加以对照，确定它们之间相同和不同之处；抽象是抽出同类事物部分的共同和重要的特征，摒弃该类事物的其他特征；概括是事物的某些共同特征在脑中的结合；对客观事物的观察，通过分析、综合、比较、抽象和概括，借助于词的作用，就可以形成概念；反映事物关系的、概念之间的联系称为判断；把两个判断联系起来，从而获得一个新判断的过程，称为推理；通过推理，获得事物的现象和本质、原因和结果之间内在联系的过程称为理解。思维的工具是语言。思维是在语言材料基础上进行的，思维的每一步都离不开概念（词），言语是思维的外壳，是思维的载体。思维不是借助于声音和写在纸上的外部语言，而是靠在心里默默进行的内部言语实现的。

笔者认为，完整、完美的思维过程由下列阶段构成：

（1） 激发阶段。受到有关信息刺激，自发地进行联想，感觉到有问题存在、产生解决问题的心向，或者直接面临解决问题的要求，对问题有所领悟、了解，准备启动思维。

（2） 定向阶段。通过表征明确并理解问题，通过分析、综合、比较、抽象、概括和整体构思，明确思维结果（目标）的大致形态，问题解决的方向、思路与关键逐渐明晰，直至形成解决问题的策略和思路。

（3） 搜索阶段。为解决问题而在问题空间所谓问题空间，是指问题解决者对一个问题所达到的全部认识状态。中搜索信息、准备材料；搜索有关概念和思维模板；搜索运用由有关概念可以得到的判断、推理和论证，力求全方位地思维。为此，可以对问题进行分解、转换（包括设置中介问题），还可以进一步搜索以往的成功样例、新的思维路线等信息，直至能够得到满意的结果。为解决问题，搜索应该有明确的目标，有针对性。

（4） 明朗阶段。通过对有关材料进行思维加工获得需要的各个局部（特别是关键问题、新问题）的结果。获得常常是多方面、多阶段的，每一次获得都是解决问题的一种跃升、上一个阶梯。获得有思想捕获和实事捕获两种形式。实事捕获常常来自资料查询和实验观察等。思想捕获主要在脑内进行，更能使问题的解决跃上一个新的阶梯。

（5） 整理阶段。问题的解决随着搜索-捕获而逐渐展开、逐渐明朗化之后，对全过程作综合整理，使过程的逻辑贯通流畅。之后，常常还需要使有关认识系统化（纳入上位逻辑结构），使抽象的结果具体化并进行验证。

（6） 完善阶段。通过不断地反思、自我批判，以及论证、修正和补充，从正、反两方面使思维的过程和结果更加可靠、完善。这个阶段可能很长，直到能够达到目的、达到能够比较令人满意的程度。

思维不但具有概括性与间接性、抽象性、逻辑性，还具有统一性与差异性、历史性与现实性，也可能具有形象性。

思维具有主体、对象、问题（主题）、目标、信息、概念、逻辑（根据）以及过程、结果等要素，概念和逻辑是维系人类思维活动的本质要素。

思维的种类很多，可以按不同的方式分类。例如：

按目的分为求解性思维、求证性思维、决断性思维、批判性思维、统摄性思维、分解性思维和上升性思维等；

按思维结果的具体/抽象属性分为感性具象思维、理性具象思维和抽象思维等；

按思维对象分为动作思维、形象思维、逻辑思维、理论思维等；

按创造性分为再现思维和创造思维；

按思维技法技巧分为归纳思维、演绎思维、集中思维、求异思维、逆向思维、平行思维、交叉思维、侧向思维、横向思维、递进思维、组合思维、综合思维、分析思维、辩证思维等等。

顿悟、直觉、灵感等没有清晰的思维过程，但它们可能在整个思维过程中发挥特别的作用。

2 什么是化学思维

化学思维应该反映化学的目的、对象、过程、方法等方面的特点，否则就没有必要冠以“化学”二字来限定。这里的“思维”不是简单地只指一种思维方式，而是化学领域内相互联系的多种思维活动构成的体系，这些思维活动的方式具有共同的指向规定性。化学学科的内容与特殊性規定和制约着化学思维的内容及过程方式特点。

化学思维是人类在化学研究这个特定领域中的思维活动。在化学知识的形成和掌握过程中，逐步形成了以关于物质组成、结构、性质、变化和相互联系的概念、定律、原理等来间接、概括地反映化学事物的、独具特色的一类思维活动。在学生主体性的化学学习活动中需要、也存在着化学思维。

人类的化学思维形式除了化学抽象（逻辑）思维外，还有化学形象（直感）思维和化学灵感（包括顿悟、直觉）。这些思维形式既有共性，又有个性，它们相互区别、相互联系、相互制约，在协调中构成人的整体化学思维活动。

化学抽象思维又叫化学逻辑思维，是用形式逻辑、辩证逻辑等逻辑方法对化学事物感性材料进行分析、综合、抽象、概括、比较、分类、判断、推理等思维加工的思维活动，可以分为化学普通（逻辑）思维和化学辩证（逻辑）思维两类。化学普通思维又叫化学知性思维，但通常就称为化学抽象思维；它包括对事物进行分析综合、抽象概括、比较分类、归纳演绎等等以形成化学概念、化学判断、化学推理的思维活动。化学辩证思维又叫化学理性思维，是反映化学现象或化学概念的矛盾、联系、转化、运动和发展的思维活动。

要把握化学事物的本质特征和内在联系，认识物质及其组成、结构、性质和变化，离不开化学抽象思维活动。一些作者所说的化学思维实际上多是指化学抽象思维。

化学形象思维，是在对化学事物的印象、表象基础上，进行形象分析和形象综合，建立反映同类化学事物形象一般特征的意象，以及运用意象进行联想和想象，从而形成对化学事物的形象认识，并用以指导化学实践的活动。在化学形象思维中，最重要的是化学想象[4]。

实验是获得化学思维材料的主要来源，也是对化学思维进行检验、发展的重要手段。为了做好化学实验，需要在化学实验思维指导下进行化学实验的设计与操作。化学实验思维是化学思维的重要组成部分，其中既有抽象思维成分，又有实验操作（动作）思维成分。

目前，对化学思维的研究远不能满足实践的需要，亟待加强。对化学思维的宏观研究可以通过逻辑的分析、讨论进行，或者通过对微观的个案研究的概括实现。但是，对化学思维的微观实证研究尚难一见，自陈材料也很少见。

如同一般的思维那样，分析、综合以及比较、抽象、概括、判断、推理、系统化或具体化等等是构成化学思维的基本成分，化学思维遵循着思维的一般规律。然而，仅仅由分析、综合以及比较、抽象、概括、判断、推理、系统化和具体化等思维操作不一定就能构成化学思维。一个掌握了分析、综合、比较、抽象、概括、判断、推理、系统化和具体化等思维操作技能的逻辑大师不一定就是化学思维大师，一个掌握了化学抽象思维和化学形象思维的人也不一定能成为化学大师，关键在于： 他还必须有化学的意识（精神、思想或观念），必须有化学人的品格。所以笔者认为，按照分析、综合、比较、抽象、概括、判断、推理……顺序来讨论化学思维可能不是最好的。

化学思维是复杂的。钱学森（1911～2009）曾经指出，凡是涉及人及人脑思维的系统，都是开放的复杂巨系统，由此可以确定化学思维属于开放的复杂巨系统。解决复杂系统的问题不能采用简单的方法，解决开放的复杂巨系统的问题更是如此。钱学森认为，解决开放的复杂巨系统的问题要采用综合集成法。综合集成法的特点是： （1）以实践经验，特别是（实践）专家的经验为基础，把局部性的经验知识跟现代科学提供的系统的理论结合起来。（2）系统研究（整体研究）与分析还原相结合，获得关于系统整体的状态、特性、行为的描述。（3）历史研究与现实研究相结合，发现、揭示、检验对象的内在逻辑。（4）以经验为基础建立模型进行计算，把定性知识跟各种观测数据、统计资料结合起来，从局部的定性知识发展到整体的定量的认识。（5）充分利用现代信息技术的优势，实行人机结合，内省思辨与观察实验结合，宏观研究与微观研究结合。（6）多种学科不同角度的研究相结合，最终产生新知识、新思想、新方法；等等。要解决化学思维问题，需要在综合集成法指导下，结合学科特点，从思维内容的实际出发，积极创新研究方法[5]。

笔者认为，现代化学思维日益复杂，不妨先从不同维度展开研究，例如按照基本单元尺度分为原子思维、分子思维、泛分子思维，纳米尺度思维、超纳米聚集体思维等层次分别进行研究，也可以根据化学基本问题分别开展组成思维、结构思维、反应思维等的研究……然后再进行综合。

化学思维主体的建构能力是促进化学理论发生变革的主观力量，是人类对化学革命促进作用的体现[6]。

化学思维来源于化学的现实，来自对化学事实材料的概括和加工，不是凭脱离实践的冥思苦想确定的。决定化学思维特殊性的因素主要有化学的研究对象、目标和任务，化学问题、化学活动过程的特殊性等。随着化学研究的发展和深入，化学的研究对象、目标和任务，化学活动过程的特殊性等会有所变化，从而使化学思维呈现不同的特点。因此，对化学思维的深入讨论需要按不同时期逐步展开。

3 古代及中古时期化学思维

人类的化学思维最初萌发于对物质本质的直觉和臆测。古代的一些学者哲人通过思辨和辩论形成了多种关于万物基本组成的原始理论。中国古代的土、金、木、水、火“五行说”和亚里斯多德（Aristotle，公元前384～前322，希腊）的火、土、水、气“四元素说”，以及墨子提出的“端”概念，是这类原始理论的代表。其中，“五行说”认为“土与金、木、水、火杂以成百物”；“四元素说”则把万物的性质归结为热、干、湿、冷4种原性，认为火具有热和干性质，土具有冷和干性质，水具有湿和冷性质，气具有湿和热性质，将人们常见的现象以及物质变化事实结合起来，自圆其说。炼金术和炼丹术是古代和中古时期人们通过实践实现幻想的努力，这种制取物质的努力为古代化学的形成奠定了基础。如今，制取物质仍然是现代化学的一个重要特征。

总的看来，在古代及中古时期，化学尚未成为科学，少数学者哲人初步萌发了对物质本质的直觉和臆测。虽然其中蕴含着他们的逻辑努力，但是非逻辑的、缺乏说服力的，因而是不可靠的[7][8]。

4 近代化学思维

炼金术失败以及中世纪末期资本主义在欧洲兴起，推动了生产力大发展，促使越来越多的炼金家转向社会需要的医药、冶金等新领域的研究与实践，客观上为化学科学的基础概念——元素概念的形成准备了思维材料。波义耳（Robert Boyle， 1627～1691，英）正是在这个背景下，通过总结当时发现的大量事实以及自己的实践经验，指出“元素应当是某些不由任何其他物质所构成的原始的和简单的物质或完全纯净的物质”，“是具有一定确定的、实在的、可觉察到的实物，它们应该是用一般化学方法不能再分解为更简单的某些实物”，摆脱了以往的“四元素说”等陈旧观念的束缚，为化学元素作了一个朴实但不够准确的定义，“把化学确立为科学”[9]。这个化学史中的重要事件标志着人类关于物质组成的思维方式由原始的综合（整体）思维向分析（分化）思维阶段的转变。

接着，燃素说的兴起与式微，特别是拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier， 1743～1794，法）设计实验推翻燃素说并提出科学的燃烧理论，促进了逻辑思维在化学认识活动中的应用。基于化学事实概括元素概念的成功以及化学逻辑思维的需要，刺激化学家们通过化学实验来获取更多、更有力的实验事实，促使他们运用逻辑思维指导实验设计、改进实验、提高实验的科学水平，为具有学科特点的化学实验思维方式的形成奠定了最初的基础。

善于应用天平对化学变化作量的研究是拉瓦锡的特点，这不但使他最终建立了科学的燃烧理论，还使他最终发现了质量守恒定律。应用质量思维，化学家们进一步弄清了定比定律（定组成定律）、倍比定律等关于物质组成和化学反应的一些基本定律，使人类对物质及其化学变化的认识得到了深化。

近代化学史中的另一个重大事件是道尔顿（John Dalton， 1766—1844，英）提出原子论。道尔顿研究空气的组成、混合气体的扩散和分压问题，总结出气体分压定律，推论空气是由大小、重量都不同的原子组成，从而使思维进入微观领域。道尔顿用原子的化合与化分来解释、说明各种化学现象和各种化学定律之间的内在联系，成功地抓住了化学的核心和本质问题；又进一步用原子思维对当时人们了解的、彼此孤立的各种化学变化资料进行综合、整理，经过不断完善，最终形成说明化学现象的统一理论，“给整个科学创造一个中心”，开启了“化学中的新时代”[10]。道尔顿在研究中使用的自制仪器比较粗糙，他的实验技巧并非一流，所得数据并不精确，而且他又是色盲，然而他却“一鸣惊人”得到了辉煌的成就，个中的原因在于他具有邏辑思维能力、怀疑精神和非凡的洞察力，严密并卓有成效地运用了归纳思维和演绎思维。这个例子生动地说明，思维分析可以达到实验分析尚未达到的广度和深度。

在道尔顿致力于建立原子学说的同时，盖·吕萨克（Gay-Lussac JL， 1778～1850，法）等人在研究各种气体物质反应时的体积关系时发现氮与氧化合生成不同的氮氧化合物时，它们的体积比约略呈简单整数比，后来又发现其他反应的类似情况。他们综合多个实验结果作出结论： 各种气体在彼此起化学作用时常以简单的体积比相结合；在同温同压下，相同体积的不同气体，无论是单质还是化合物，都含有相同数目的原子（他和道尔顿一样，把各种元素的“简单原子”跟化合物的“复杂原子”统称为“原子”）。道尔顿坚决反对盖·吕萨克的结论： 不同物质的原子大小一定不同，因此在相同容积内不同物质不可能含有相同数目的原子；若在相同体积中不同气体的原子数目相同，1体积氮与1体积氧化合生成2体积氧化氮，每一个氧化氮原子中就只含有半个氮原子和半个氧原子，这跟“简单原子是不可分割的”相互矛盾。后来，为了解决这个争论，阿伏伽德罗（Ameldeo Avogadro， 1776～1856，意）以盖·吕萨克的实验为基础，进行合理的假设与推理，引入分子概念，圆满地解决了这个争论。阿伏伽德罗的分子思维是一个重大的创新，它更加贴近物质真实的微观状态，使化学对物质的理性认识上升到新的层次。

由于道尔顿提出的原子论促进了化学的加速发展，从1801年到1830年，人们发现的化学元素差不多翻了一番，达到63种。门捷列夫（

Дмитрий Иванович Менделеев，

1834～1907，俄）在前人研究元素分类的基础上，对当时发现的元素进行比较、排列、分类，发现把元素按原子量大小顺序排列时，元素的化学性质明显地呈现周期性变化并制作成元素周期表，成功地预言了“类铝”、“类硼”和“类硅”的存在和性质，正确地修订了一些元素的原子量、化合价和排列位置，轰动了化学界，赢得了广泛的重视，丰富了化学思维。元素周期律揭示化学元素之间存在着内在的联系，它们是一个统一体。周期表中每一周期元素的性质都随着原子量的增加呈现渐变，但到了周期末尾就顯示出质的飞跃；相邻两周期间既不是简单重复又不是截然不同，而是由低级到高级、由简单到复杂地变化发展，生动地反映了元素性质发展变化的过程是由量变到质变的过程，反映了化学元素的内部联系是辩证的。元素周期律还生动地显示了科学理论和科学思维的预见性和创造性。

门捷列夫在其稍晚出版的著作《化学原理》中描述了他发现元素周期律时的思考和过程：“当我想到物质的时候……总不能避开……物质的质量和化学性质，……应该找出元素特性和它的原子量之间的关系”。为了揭露元素特性和它的原子量之间的联系，他考察了元素已有的全部分类方法，认为仅仅基于元素的某些特征进行分类（人为的分类法）带有很大的片面性，必须按照元素化学性质的总和进行元素的分类（“自然分类法”）。他指出：“仅仅限于把最相似的元素归于一类，……还是盲目的、描述式的”，必须对元素从整体上进行概括，而原子量恰是所有元素的共同基础……可见，门捷列夫确立元素周期律时的思维已经不仅是一般的关系思维、规律思维，还具有了自发的、初级的整体思维的特点。元素周期律的发现，是整体思维以及科学抽象思维、创造思维共同发挥作用的结果。

讨论近代化学思维，不能不涉及有机化学领域。早在古代，人类就已掌握了酿酒、造醋、制漆、提取染料药品等化学工艺。但是，由于有机物的复杂性以及有机物来源于动植物等有机体，令人产生神秘感，使其研究远比无机物落后。直到18世纪末、19世纪初，拉瓦锡通过对葡萄酒酿制过程的研究证明质量守恒定律也适用于有机物，盖·吕萨克通过对糖和淀粉的组成分析确定这类有机物由碳、氢、氧三元素组成且氢氧原子比例为2∶1，贝采尼乌斯（John Jakob Berzelius， 1779～1848，瑞典）通过精确实验证明有机物也遵守定组成定律……人们才开始对有机物有较深入的研究。

原先人们总以为，有机物只有在生命力作用下才能形成，只能从动植物有机体中提取。然而，1824年，维勒（Friedrich Wohler， 1800～1882，德）在用氯化铵水溶液跟氰酸银反应时，没有得到预期的氰酸铵，却得到了有机物尿素！这一事实打破了无机领域和有机领域的绝对界限，动摇了生命力论的统治。此后，醋酸、酒精、蚁酸、葡萄酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸、脂肪以及糖类等有机物先后用无机物质合成制得，充分证实了人工合成有机物的可能性，把广大化学家的思想从生命力论的禁锢中解放出来，使他们充满信心地投入到有机物的合成与研究中去，使有机化学进入了蓬勃发展的阶段，人们的化学思维开辟了新的领域。同分异构现象、原子价、碳四价学说以及碳链、基团概念、立体化学模型等等促使化学家们开展结构思维，对分子理论和有机结构理论的确立和充实起了重要的作用。

1861年，布特列洛夫（Бутлеров А.М.， 1828～1886，俄）以“化学结构”这个词表示化合物中各原子间的相互连接，指出“一个分子的本性，取决于组合单元的本性、数量和化学结构”，认为有机物的化学性质跟其化学结构之间存在着一定的依赖关系，依据分子的化学结构可以推测它的化学性质，也可以依据其性质及化学反应推测分子的化学结构。肖莱马（Carl Schorlemmer， 1834～1892，德）选择有机化学中最简单、最重要的脂肪烃作为重点研究对象，发现并分离出一系列此前人们不知道的烷烃，如戊烷、己烷、庚烷、辛烷等等，研究了它们的物理和化学性质，开了对有机物做系列研究的先河。他注重寻找脂肪烃及其衍生物的异构现象的正确解释，曾经否定乙烷有两个异构体、肯定丙醇有两个异构体存在，抓住了解决问题的关键，对有机结构理论的确立和发展作了重要贡献。随着有机合成和有机分析的发展，人们不仅了解了有机分子中各原子相互结合的方式，建立了有机结构理论，也逐步了解了这些原子在三维空间排布的规律，形成了立体结构思维，建立了有机立体化学理论使有机结构理论进一步充实和发展。

近代化学时期也是物理化学萌芽、建立和发展的时期。原子—分子学说、气体分子运动学说、元素周期律和经典热力学的最终确立和形成，为物理化学的形成和发展铺平了道路。化学家们对积累的大量感性材料进行加工，形成了化学反应的焓变、熵变、反应自由能、化学亲和力和化学平衡等概念，基于热力学定律寻求化学反应的方向、限度以及速率的规律，发现了质量作用定律，建立了溶液理论、电离理论和催化理论，也开始研究复相平衡以及化学变化与电现象的关联和转化。物理化学的建立以人们对化学微观世界的了解为基础，反过来又加深了人们对化学微观世界的了解、提升了人们的微观思维水平。物理化学的建立促进了化学的理论思维。

总之，近代化学思维主要是基于对元素、原子、分子及其化学运动的认识展开的，它以经验思维为主，理论思维是局部的、比较肤浅的，特别是对分子的认识刚刚进入起步阶段。受制于对原子、分子的认识有限，近代化学思维远未形成完整的推理体系。近代化学思维的分化主要表现为化学的各主要分支初步形成。批判思维在近代化学思维中显示了重要的作用[11][12][13]。

5 现代化学思维

进入20世纪之后，化学的分子思维逐步丰富和强化，在分子层次上认识和研究化学，对组成分子的化学键本质、分子的强相互作用和弱相互作用、分子催化、化学反应历程、物质结构与其反应能力关系等方面的研究取得显著进展，导致了上千万种新化合物的合成，促进了分子生物学和生命化学的研究与发展；化学不但保障了人类吃、穿、用、住方面的基本需求，而且在提高人类生活质量、享受现代物质文明方面做出了重大贡献；化学键和量子化学理论与方法使人类进入分子理性设计的高层次领域，创造出许多前所未有的功能分子；合成化学家不但设计、合成了大量的新分子和新材料，还发现了大量的新反应、新试剂、新方法和新理论，能够更有效地控制化学反应过程[14]。

1927年，海特勒（Walter Heinrich Heitler， 1904～1981，德）和伦敦（Fritz London， 1900～1954，德）用量子力学基本原理讨论氢分子结构问题，说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因，并且利用相当近似的计算方法，算出其结合能。由此，人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题，从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。1927年到20世纪50年代末，分子间相互作用的量子化学研究促成了价键理论、分子轨道理论和配位场理论三种化学键理论的建立和发展。20世纪60年代以后，从头计算法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等量子化学计算方法出现，扩大了量子化学的应用范围，提高了计算精度。可以得到与实验值几乎完全相同的结果，显露了在化学研究中应用量子计算进行推理的可能性，使量子化学倍受重视。计算量子化学的发展使定量的计算扩大到原子数较多的分子。量子化学研究范围扩大到稳定和不稳定分子的结构、性能以及结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题，逐步形成了表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用的量子化学理论和分子反应动力学的量子理论等。计算量子化学的发展还加速了量子化学向其他学科的渗透。量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用，导致了量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药物化学等边缘学科的建立，在材料科学研究（例如钙矾石相力学强度的大小差异）、能源研究（例如锂原子在碳层间的插入反应研究）以及生物大分子体系的精细研究中发挥了关键作用。通过上述过程，化学思维提升到了量子思维的新高度。

在20世纪，核化学和无机化学、仪器分析化学、现代有机化学和高分子化学、结构化学和量子化学、化学动力学和分子反应动态学以及化学工程学的建立和发展，使化学科学进一步发展并完善了自己的结构。环境化学和绿色化学的建立，开启了化学的绿色思维。化学对社会的贡献和影响，如何趋利避害、恰当处理好有关的社会问题，增加人类生存的安全性，形成了化学的社会关联思维。生命科学、材料科学、能源化学、计算化学、纳米化学等交叉学科和热点研究领域则展现了化学思维跟其他学科思维的综合。

概而言之，现代化学思维的发展特点主要是： 化学键思维、结构思维使化学的分子思维丰富和强化；量子思维使化学思维提升到了新的高度；化学科学开启了绿色思维；形成了化学的社会关联思维和学科综合思维[15][16]。

6 新世纪初化学的反省思维

在1900年之前，经典物理学（包括力学、电学、电磁学、光学、热力学等）已经形成比较完整的体系，许多人认为物理学问题已经基本解决完了，剩下的只是修补性的工作。乃至于“开尔文勋爵”

开尔文（Lord Kelvin， 1824～1907，英）本名W.汤姆孙（William Thomson），因为他任职的格拉斯哥大学在开尔文河畔，大家戏称他“开尔文勋爵”，遂改名为开尔文。是19世纪英国卓越的物理学家，在热学、电磁学、流体力学、光学、地球物理、数学等方面都有贡献，并以热学、电磁学及它们的工程应用研究最为出色。在1899年除夕之夜宣布“物理学的大厦已经建成”。可是差不多同时，人们发现了“远处的天空还飘着两朵让人不安的乌云”。这“两朵乌云”，一个导致了量子论诞生，一个导致了相对论诞生。量子论和相对论在整个20世纪蓬勃发展，使物理学面貌大变。事实表明，物理学大厦是宏伟、复杂的，经典物理学不过是整个物理学大厦的一小部分，原先人们对于物理学的一些认识差一点迷失前进的动力和方向。这个事件使物理学界深切体会到： 对学科的认识进行反思实在很有必要。化学家们也从中受到启发，自此开始重视进行化学的反省思维[17][18][19]。在20、21世纪之交，

国际科学界的有识之士忧心忡忡地讨论了化学面临的学科声望问题[20]；

中国化学家则着重反思、讨论了怎样回答“化学是科学吗？是一门独立的科学吗？”“化学只是一门实验科学，没有‘像样的理论”“究竟化学是什么”“怎样使化学学科提升水平更好地发展”等问题。

思考这些问题的背景是： 一些学者认为，化学的主题是创造新物质，而创造新物质依赖的是技术和经验，作为一门科学，只有经验和技术是不够的。一些学者认为，化学理论可以由物理学理论派生。例如，化学引以为骄傲的元素周期律，看起来是化学家发现的，且不说它最初只是猜度到的、不是由理论前提严密地推导出的，若要进一步解释元素周期律、揭示它的本质，就离不开物理学中的原子核结构理论（核内质子数决定了核电荷数）和自由原子对称性理论（自由原子外形的球对称决定了原子内电子状态的角分布）了。因此，化学不是一门独立的科学，甚至不是科学，而是一门技术。这样，一些讨论现代科学的专著把化学也排除在外就不难理解了。不少化学工作者都因为“化学的作用和地位似乎被淡化了”，化学似乎不再是核心科学、牵头学科了，而感到困惑[21]。

笔者认为，原先人们也曾认为“物理学是一门实验科学”，后来逐步改变，认为“物理学不是一门单纯的实验科学”。这跟目前化学的状况不是很相似吗？1998年诺贝尔化学奖颁奖公报已经宣布：“……量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具，将化学带入一个新时代，在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯实验科学了”！如果因为一些化学理论是在某些物理学理论基础上发展形成的，就把化学说成是物理学的分支，那么，物理学理论是以某些数学理论为基础的（例如相对论以闵科夫斯基空间和黎曼空间的几何学为基础，量子理论要以泛函分析为基础，随机运动研究要以概率统计为基础，整个理论物理学要以数学分析、高等代数、数学物理方法、群论为基础……），并且有不少数学家加入到理论物理学家行列中[22]，能把物理学说成是数学的分支吗？现代生物学中应用了许多化学，能把生物学说成是化学的分支吗？化学不能解决所有的生物學问题，物理学能够解决所有的化学问题吗？人们把数学成为物理学的工具看作是物理学成熟的结果和标志[23]，把化学成为生物学的工具看作是生物学成熟的结果和标志，为什么却把物理学成为化学的工具看作是化学不成熟的结果和标志？

化学的研究对象既不同于物理的研究对象也不同于生物学的研究对象，化学科学既不同于物理科学也不同于生物科学。同时，在它们之间划出一条绝对严格分明的界限是不可能的[24]。

值得关注的是，一些结构化学家提出，化学的本质在于（分子中的）电子云密度。由于化学常常被定义为分子的科学，这意味着由量子化学足以解决化学的问题，化学正在走向严密科学，化学可以成为严密科学。

受计算机计算能力的限制，目前人们还不能对复杂的化学体系进行从头计算来精密地确定结构与性质的关系，解决怎样找到具有给定性质的（新）物质等化学问题，从而建立化学的核心理论。然而计算能力超强、速度超快的量子计算机的前景使我们看到了新的曙光： 理论上讲，拥有300个量子比特，就能支持比宇宙中所有粒子数量更多的并行计算，通过从头计算来建立满足人们要求的化学新理论是可以期待的。

笔者在网上看到过一些年轻学者有关化学学科的讨论，质疑批评者有之，调侃幽默者有之，理解辩护者有之，心存期望者有之，深入思考者有之……一位博士后在bbs上说：“难道化学的前景就是在已有的2千多万种化合物的基础上，把一个个新的合成出来吗？”年轻学者在思考，让我们看到了希望。

对化学科学的反思、质疑和讨论目前仍在在继续，还没有结束。相信科学界用自己的智慧能够圆满地找到问题的答案，也能够在多学科的协同努力下找到解决问题的有效措施。

徐光宪院士曾多次明确指出： 21世纪的化学是研究泛分子

泛分子是已故徐光宪（1920～2015）院士用于概括化学研究对象的一个概念，包括原子、分子片、结构单元、分子、超分子、高分子、生物分子和活分子、纳米分子和纳米聚集体、原子和分子的宏观聚集体、复杂分子体系及其组装体等。

的科学。由此还可以预言，21世纪的化学思维将进入泛分子思维新阶段。从思维的角度看，化学最主要的任务是通过泛分子理论思维，从理论角度认识泛分子层次物质的内外联系（内部联系——物质性质跟其组成、结构的关系，外部联系——物质间的变化关系等）；并应用于实际，特别是解决怎样找到具有给定性质物质的问题。这两方面的内容进一步丰富、深化、完善后将会形成化学科学两大最基本的分支——泛分子理论化学和泛分子应用化学。

总之，反思化学的学科本质、定位与方向，以及开展泛分子思维，是新世纪初化学思维的主要特征。

只要化学在思维着，化学就是大有希望的。

化学思维如此重要，它对化学教育有哪些启示？值得我们深思[25]。

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[25]吴俊明. 刍议化学学科教育的研究与转型[J]. 化学教学， 2008， （8）： 1.