化學(xué)思維引論

化學(xué)教學(xué) 2018年第6期··

··化學(xué)教學(xué) 2018年第6期

專 論·化學(xué)篇·

專 論·化學(xué)篇·

化學(xué)思維引論

吳俊明

（上海師范大學(xué)， 上海 200234）

摘要： 闡述思維的本質(zhì)、意義、基本操作、過程、屬性、要素及種類；介紹化學(xué)思維的界定與主要類型；分析古代及中古時期化學(xué)思維、近代化學(xué)思維和現(xiàn)代化學(xué)思維的形成、發(fā)展與特點；介紹新世紀初化學(xué)的反省思維，并對質(zhì)疑化學(xué)科學(xué)作出回答。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)思維； 化學(xué)思維研究； 近代化學(xué)思維； 現(xiàn)代化學(xué)思維； 21世紀化學(xué)思維

文章編號： 1005-6629（2018）6-0003-09 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

自從1986年我國《全日制中學(xué)化學(xué)教學(xué)大綱》第一次明確地把“逐步培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的觀察能力、思維能力、實驗?zāi)芰妥詫W(xué)能力”作為對中學(xué)化學(xué)教學(xué)的一項要求之后，化學(xué)思維就吸引了化學(xué)教育工作者的目光。我國新世紀基礎(chǔ)教育課程改革和高考改革啟動后，化學(xué)思維的過程方法進一步引起人們的關(guān)注。筆者通過超星“讀秀”知識庫在網(wǎng)上搜索含有“化學(xué)思維”字段的中文圖書，發(fā)現(xiàn)竟多達8531種，而且還在不斷增加，熱度之高由此可見一斑。前100本中絕大部分都跟中學(xué)化學(xué)教學(xué)及解題訓(xùn)練有關(guān)，對什么是化學(xué)思維、它是怎么形成的卻少有討論，且有把化學(xué)思維與化學(xué)思想混為一談，把一般的思維方式說成是化學(xué)思維、未考慮化學(xué)學(xué)科特點的……

作為一種學(xué)科思維，化學(xué)思維應(yīng)該具有鮮明的化學(xué)學(xué)科特點。

鑒于此，筆者覺得有必要就什么是化學(xué)思維、它是怎么形成的、有哪些特點等問題作一些討論?！耙摗闭撸耙瘛敝庖?。化學(xué)思維博大精深，筆者雖努力探究、不敢馬虎懈怠，仍覺此文訛漏恐難避免，恭請讀者不吝指正，衷心希望更多人士關(guān)注化學(xué)思維、積極參與討論。

1 思維概述

綜合有關(guān)文獻和網(wǎng)絡(luò)資料，在古代漢語中，“思”字的本義是想、考慮、動腦筋以及想念、掛念、想法等（《書·洪范》： 思曰容，言心之所慮，無不包也）；“維”字通“惟”，本義是思（《說文》： 惟，凡思也）。思、維二字合在一起，意為思考、思慮（惟思），思考忖度（惟度），思念、考慮（惟念）。

思維的本質(zhì)是什么？腦科學(xué)的研究結(jié)果顯示，思維是發(fā)生于腦內(nèi)的物理運動、化學(xué)運動與生物細胞的運動，也就是說，是一種物質(zhì)運動；心理學(xué)以及神經(jīng)生理學(xué)的研究表明，思維是一種高級意識活動，是腦內(nèi)物質(zhì)運動派生出來的（也有人把思維定義為“是一種指向問題解決的間接和概括的認知過程”）；信息科學(xué)認為，思維是神經(jīng)組織把外界信息變換為神經(jīng)系統(tǒng)不同部位信息，或者是腦內(nèi)現(xiàn)有信息對后入信息的加工，是信息的變形與改造；人工智能學(xué)則認為，思維是一種可表現(xiàn)為意識活動的物質(zhì)運動[1]。

現(xiàn)代語匯通常從認識論角度釋義，界定思維是人腦借助于內(nèi)隱或外隱的語言或動作、表象表現(xiàn)出的對現(xiàn)實事物的間接的、概括的加工形式和反映過程。思維同感知覺一樣，是人腦對客觀現(xiàn)實的反映。但是，感知覺所反映的是事物的個別屬性、個別事物及其外部的特征和聯(lián)系，形成的是感性認識；而思維所反映的是一類事物共同的、本質(zhì)的屬性和事物間內(nèi)在的、必然的聯(lián)系，形成的是理性認識。思維以感知為基礎(chǔ)又超越感知的界限，它不但揭露事物內(nèi)在的、本質(zhì)的特征，而且探索、尋找事物間的本質(zhì)聯(lián)系和規(guī)律性。思維通過其他媒介的作用認識客觀事物，能借助于已有的知識經(jīng)驗、已知的條件推測未知的事物，對客觀存在的關(guān)系、聯(lián)系進行多層加工，是認識過程的高級階段、高級形式?？傊?，思維的本質(zhì)是具有意識的人腦對客觀現(xiàn)實的本質(zhì)屬性、內(nèi)部規(guī)律的自覺的、間接的和概括的反映[2][3]。

思維跟思想有一定關(guān)系： 它們都跟思考有關(guān)，所以容易被混淆。然而，它們是有重要區(qū)別的： 思維是腦的功能過程，是人腦借助于語言對客觀事物的概括和間接的反映過程，或者說，思維是一種精神活動，常常表現(xiàn)為一定的形式或方式；而思想是客觀存在反映在人的意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生的結(jié)果，屬于認識，一般也稱“觀念”。

思維是人類認識世界、改造世界最重要的主觀來源。人是通過思維而達到理性認識的，思維是認識的理性階段。在這個階段，人們在感性認識的基礎(chǔ)上，形成概念，并用其構(gòu)成判斷（命題）、推理和論證。

思維的基本操作是分析、綜合以及比較、抽象、概括、判斷、推理、系統(tǒng)化或具體化等，其中，分析和綜合是最基本的，其他操作中常常含有分析、綜合成分。分析是將事物的組成部分和個別特征通過神經(jīng)活動區(qū)分開來；綜合則是將事物的各個成分和個別特征聯(lián)系起來，結(jié)合成為一個整體；比較是將幾種有關(guān)事物加以對照，確定它們之間相同和不同之處；抽象是抽出同類事物部分的共同和重要的特征，摒棄該類事物的其他特征；概括是事物的某些共同特征在腦中的結(jié)合；對客觀事物的觀察，通過分析、綜合、比較、抽象和概括，借助于詞的作用，就可以形成概念；反映事物關(guān)系的、概念之間的聯(lián)系稱為判斷；把兩個判斷聯(lián)系起來，從而獲得一個新判斷的過程，稱為推理；通過推理，獲得事物的現(xiàn)象和本質(zhì)、原因和結(jié)果之間內(nèi)在聯(lián)系的過程稱為理解。思維的工具是語言。思維是在語言材料基礎(chǔ)上進行的，思維的每一步都離不開概念（詞），言語是思維的外殼，是思維的載體。思維不是借助于聲音和寫在紙上的外部語言，而是靠在心里默默進行的內(nèi)部言語實現(xiàn)的。

筆者認為，完整、完美的思維過程由下列階段構(gòu)成：

（1） 激發(fā)階段。受到有關(guān)信息刺激，自發(fā)地進行聯(lián)想，感覺到有問題存在、產(chǎn)生解決問題的心向，或者直接面臨解決問題的要求，對問題有所領(lǐng)悟、了解，準備啟動思維。

（2） 定向階段。通過表征明確并理解問題，通過分析、綜合、比較、抽象、概括和整體構(gòu)思，明確思維結(jié)果（目標）的大致形態(tài)，問題解決的方向、思路與關(guān)鍵逐漸明晰，直至形成解決問題的策略和思路。

（3） 搜索階段。為解決問題而在問題空間所謂問題空間，是指問題解決者對一個問題所達到的全部認識狀態(tài)。中搜索信息、準備材料；搜索有關(guān)概念和思維模板；搜索運用由有關(guān)概念可以得到的判斷、推理和論證，力求全方位地思維。為此，可以對問題進行分解、轉(zhuǎn)換（包括設(shè)置中介問題），還可以進一步搜索以往的成功樣例、新的思維路線等信息，直至能夠得到滿意的結(jié)果。為解決問題，搜索應(yīng)該有明確的目標，有針對性。

（4） 明朗階段。通過對有關(guān)材料進行思維加工獲得需要的各個局部（特別是關(guān)鍵問題、新問題）的結(jié)果。獲得常常是多方面、多階段的，每一次獲得都是解決問題的一種躍升、上一個階梯。獲得有思想捕獲和實事捕獲兩種形式。實事捕獲常常來自資料查詢和實驗觀察等。思想捕獲主要在腦內(nèi)進行，更能使問題的解決躍上一個新的階梯。

（5） 整理階段。問題的解決隨著搜索-捕獲而逐漸展開、逐漸明朗化之后，對全過程作綜合整理，使過程的邏輯貫通流暢。之后，常常還需要使有關(guān)認識系統(tǒng)化（納入上位邏輯結(jié)構(gòu)），使抽象的結(jié)果具體化并進行驗證。

（6） 完善階段。通過不斷地反思、自我批判，以及論證、修正和補充，從正、反兩方面使思維的過程和結(jié)果更加可靠、完善。這個階段可能很長，直到能夠達到目的、達到能夠比較令人滿意的程度。

思維不但具有概括性與間接性、抽象性、邏輯性，還具有統(tǒng)一性與差異性、歷史性與現(xiàn)實性，也可能具有形象性。

思維具有主體、對象、問題（主題）、目標、信息、概念、邏輯（根據(jù)）以及過程、結(jié)果等要素，概念和邏輯是維系人類思維活動的本質(zhì)要素。

思維的種類很多，可以按不同的方式分類。例如：

按目的分為求解性思維、求證性思維、決斷性思維、批判性思維、統(tǒng)攝性思維、分解性思維和上升性思維等；

按思維結(jié)果的具體/抽象屬性分為感性具象思維、理性具象思維和抽象思維等；

按思維對象分為動作思維、形象思維、邏輯思維、理論思維等；

按創(chuàng)造性分為再現(xiàn)思維和創(chuàng)造思維；

按思維技法技巧分為歸納思維、演繹思維、集中思維、求異思維、逆向思維、平行思維、交叉思維、側(cè)向思維、橫向思維、遞進思維、組合思維、綜合思維、分析思維、辯證思維等等。

頓悟、直覺、靈感等沒有清晰的思維過程，但它們可能在整個思維過程中發(fā)揮特別的作用。

2 什么是化學(xué)思維

化學(xué)思維應(yīng)該反映化學(xué)的目的、對象、過程、方法等方面的特點，否則就沒有必要冠以“化學(xué)”二字來限定。這里的“思維”不是簡單地只指一種思維方式，而是化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)相互聯(lián)系的多種思維活動構(gòu)成的體系，這些思維活動的方式具有共同的指向規(guī)定性。化學(xué)學(xué)科的內(nèi)容與特殊性規(guī)定和制約著化學(xué)思維的內(nèi)容及過程方式特點。

化學(xué)思維是人類在化學(xué)研究這個特定領(lǐng)域中的思維活動。在化學(xué)知識的形成和掌握過程中，逐步形成了以關(guān)于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化和相互聯(lián)系的概念、定律、原理等來間接、概括地反映化學(xué)事物的、獨具特色的一類思維活動。在學(xué)生主體性的化學(xué)學(xué)習(xí)活動中需要、也存在著化學(xué)思維。

人類的化學(xué)思維形式除了化學(xué)抽象（邏輯）思維外，還有化學(xué)形象（直感）思維和化學(xué)靈感（包括頓悟、直覺）。這些思維形式既有共性，又有個性，它們相互區(qū)別、相互聯(lián)系、相互制約，在協(xié)調(diào)中構(gòu)成人的整體化學(xué)思維活動。

化學(xué)抽象思維又叫化學(xué)邏輯思維，是用形式邏輯、辯證邏輯等邏輯方法對化學(xué)事物感性材料進行分析、綜合、抽象、概括、比較、分類、判斷、推理等思維加工的思維活動，可以分為化學(xué)普通（邏輯）思維和化學(xué)辯證（邏輯）思維兩類。化學(xué)普通思維又叫化學(xué)知性思維，但通常就稱為化學(xué)抽象思維；它包括對事物進行分析綜合、抽象概括、比較分類、歸納演繹等等以形成化學(xué)概念、化學(xué)判斷、化學(xué)推理的思維活動?；瘜W(xué)辯證思維又叫化學(xué)理性思維，是反映化學(xué)現(xiàn)象或化學(xué)概念的矛盾、聯(lián)系、轉(zhuǎn)化、運動和發(fā)展的思維活動。

要把握化學(xué)事物的本質(zhì)特征和內(nèi)在聯(lián)系，認識物質(zhì)及其組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，離不開化學(xué)抽象思維活動。一些作者所說的化學(xué)思維實際上多是指化學(xué)抽象思維。

化學(xué)形象思維，是在對化學(xué)事物的印象、表象基礎(chǔ)上，進行形象分析和形象綜合，建立反映同類化學(xué)事物形象一般特征的意象，以及運用意象進行聯(lián)想和想象，從而形成對化學(xué)事物的形象認識，并用以指導(dǎo)化學(xué)實踐的活動。在化學(xué)形象思維中，最重要的是化學(xué)想象[4]。

實驗是獲得化學(xué)思維材料的主要來源，也是對化學(xué)思維進行檢驗、發(fā)展的重要手段。為了做好化學(xué)實驗，需要在化學(xué)實驗思維指導(dǎo)下進行化學(xué)實驗的設(shè)計與操作。化學(xué)實驗思維是化學(xué)思維的重要組成部分，其中既有抽象思維成分，又有實驗操作（動作）思維成分。

目前，對化學(xué)思維的研究遠不能滿足實踐的需要，亟待加強。對化學(xué)思維的宏觀研究可以通過邏輯的分析、討論進行，或者通過對微觀的個案研究的概括實現(xiàn)。但是，對化學(xué)思維的微觀實證研究尚難一見，自陳材料也很少見。

如同一般的思維那樣，分析、綜合以及比較、抽象、概括、判斷、推理、系統(tǒng)化或具體化等等是構(gòu)成化學(xué)思維的基本成分，化學(xué)思維遵循著思維的一般規(guī)律。然而，僅僅由分析、綜合以及比較、抽象、概括、判斷、推理、系統(tǒng)化和具體化等思維操作不一定就能構(gòu)成化學(xué)思維。一個掌握了分析、綜合、比較、抽象、概括、判斷、推理、系統(tǒng)化和具體化等思維操作技能的邏輯大師不一定就是化學(xué)思維大師，一個掌握了化學(xué)抽象思維和化學(xué)形象思維的人也不一定能成為化學(xué)大師，關(guān)鍵在于： 他還必須有化學(xué)的意識（精神、思想或觀念），必須有化學(xué)人的品格。所以筆者認為，按照分析、綜合、比較、抽象、概括、判斷、推理……順序來討論化學(xué)思維可能不是最好的。

化學(xué)思維是復(fù)雜的。錢學(xué)森（1911～2009）曾經(jīng)指出，凡是涉及人及人腦思維的系統(tǒng)，都是開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，由此可以確定化學(xué)思維屬于開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)。解決復(fù)雜系統(tǒng)的問題不能采用簡單的方法，解決開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的問題更是如此。錢學(xué)森認為，解決開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的問題要采用綜合集成法。綜合集成法的特點是： （1）以實踐經(jīng)驗，特別是（實踐）專家的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，把局部性的經(jīng)驗知識跟現(xiàn)代科學(xué)提供的系統(tǒng)的理論結(jié)合起來。（2）系統(tǒng)研究（整體研究）與分析還原相結(jié)合，獲得關(guān)于系統(tǒng)整體的狀態(tài)、特性、行為的描述。（3）歷史研究與現(xiàn)實研究相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)、揭示、檢驗對象的內(nèi)在邏輯。（4）以經(jīng)驗為基礎(chǔ)建立模型進行計算，把定性知識跟各種觀測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計資料結(jié)合起來，從局部的定性知識發(fā)展到整體的定量的認識。（5）充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢，實行人機結(jié)合，內(nèi)省思辨與觀察實驗結(jié)合，宏觀研究與微觀研究結(jié)合。（6）多種學(xué)科不同角度的研究相結(jié)合，最終產(chǎn)生新知識、新思想、新方法；等等。要解決化學(xué)思維問題，需要在綜合集成法指導(dǎo)下，結(jié)合學(xué)科特點，從思維內(nèi)容的實際出發(fā)，積極創(chuàng)新研究方法[5]。

筆者認為，現(xiàn)代化學(xué)思維日益復(fù)雜，不妨先從不同維度展開研究，例如按照基本單元尺度分為原子思維、分子思維、泛分子思維，納米尺度思維、超納米聚集體思維等層次分別進行研究，也可以根據(jù)化學(xué)基本問題分別開展組成思維、結(jié)構(gòu)思維、反應(yīng)思維等的研究……然后再進行綜合。

化學(xué)思維主體的建構(gòu)能力是促進化學(xué)理論發(fā)生變革的主觀力量，是人類對化學(xué)革命促進作用的體現(xiàn)[6]。

化學(xué)思維來源于化學(xué)的現(xiàn)實，來自對化學(xué)事實材料的概括和加工，不是憑脫離實踐的冥思苦想確定的。決定化學(xué)思維特殊性的因素主要有化學(xué)的研究對象、目標和任務(wù)，化學(xué)問題、化學(xué)活動過程的特殊性等。隨著化學(xué)研究的發(fā)展和深入，化學(xué)的研究對象、目標和任務(wù)，化學(xué)活動過程的特殊性等會有所變化，從而使化學(xué)思維呈現(xiàn)不同的特點。因此，對化學(xué)思維的深入討論需要按不同時期逐步展開。

3 古代及中古時期化學(xué)思維

人類的化學(xué)思維最初萌發(fā)于對物質(zhì)本質(zhì)的直覺和臆測。古代的一些學(xué)者哲人通過思辨和辯論形成了多種關(guān)于萬物基本組成的原始理論。中國古代的土、金、木、水、火“五行說”和亞里斯多德（Aristotle，公元前384～前322，希臘）的火、土、水、氣“四元素說”，以及墨子提出的“端”概念，是這類原始理論的代表。其中，“五行說”認為“土與金、木、水、火雜以成百物”；“四元素說”則把萬物的性質(zhì)歸結(jié)為熱、干、濕、冷4種原性，認為火具有熱和干性質(zhì)，土具有冷和干性質(zhì)，水具有濕和冷性質(zhì)，氣具有濕和熱性質(zhì)，將人們常見的現(xiàn)象以及物質(zhì)變化事實結(jié)合起來，自圓其說。煉金術(shù)和煉丹術(shù)是古代和中古時期人們通過實踐實現(xiàn)幻想的努力，這種制取物質(zhì)的努力為古代化學(xué)的形成奠定了基礎(chǔ)。如今，制取物質(zhì)仍然是現(xiàn)代化學(xué)的一個重要特征。

總的看來，在古代及中古時期，化學(xué)尚未成為科學(xué)，少數(shù)學(xué)者哲人初步萌發(fā)了對物質(zhì)本質(zhì)的直覺和臆測。雖然其中蘊含著他們的邏輯努力，但是非邏輯的、缺乏說服力的，因而是不可靠的[7][8]。

4 近代化學(xué)思維

煉金術(shù)失敗以及中世紀末期資本主義在歐洲興起，推動了生產(chǎn)力大發(fā)展，促使越來越多的煉金家轉(zhuǎn)向社會需要的醫(yī)藥、冶金等新領(lǐng)域的研究與實踐，客觀上為化學(xué)科學(xué)的基礎(chǔ)概念——元素概念的形成準備了思維材料。波義耳（Robert Boyle， 1627～1691，英）正是在這個背景下，通過總結(jié)當時發(fā)現(xiàn)的大量事實以及自己的實踐經(jīng)驗，指出“元素應(yīng)當是某些不由任何其他物質(zhì)所構(gòu)成的原始的和簡單的物質(zhì)或完全純凈的物質(zhì)”，“是具有一定確定的、實在的、可覺察到的實物，它們應(yīng)該是用一般化學(xué)方法不能再分解為更簡單的某些實物”，擺脫了以往的“四元素說”等陳舊觀念的束縛，為化學(xué)元素作了一個樸實但不夠準確的定義，“把化學(xué)確立為科學(xué)”[9]。這個化學(xué)史中的重要事件標志著人類關(guān)于物質(zhì)組成的思維方式由原始的綜合（整體）思維向分析（分化）思維階段的轉(zhuǎn)變。

接著，燃素說的興起與式微，特別是拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier， 1743～1794，法）設(shè)計實驗推翻燃素說并提出科學(xué)的燃燒理論，促進了邏輯思維在化學(xué)認識活動中的應(yīng)用。基于化學(xué)事實概括元素概念的成功以及化學(xué)邏輯思維的需要，刺激化學(xué)家們通過化學(xué)實驗來獲取更多、更有力的實驗事實，促使他們運用邏輯思維指導(dǎo)實驗設(shè)計、改進實驗、提高實驗的科學(xué)水平，為具有學(xué)科特點的化學(xué)實驗思維方式的形成奠定了最初的基礎(chǔ)。

善于應(yīng)用天平對化學(xué)變化作量的研究是拉瓦錫的特點，這不但使他最終建立了科學(xué)的燃燒理論，還使他最終發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量守恒定律。應(yīng)用質(zhì)量思維，化學(xué)家們進一步弄清了定比定律（定組成定律）、倍比定律等關(guān)于物質(zhì)組成和化學(xué)反應(yīng)的一些基本定律，使人類對物質(zhì)及其化學(xué)變化的認識得到了深化。

近代化學(xué)史中的另一個重大事件是道爾頓（John Dalton， 1766—1844，英）提出原子論。道爾頓研究空氣的組成、混合氣體的擴散和分壓問題，總結(jié)出氣體分壓定律，推論空氣是由大小、重量都不同的原子組成，從而使思維進入微觀領(lǐng)域。道爾頓用原子的化合與化分來解釋、說明各種化學(xué)現(xiàn)象和各種化學(xué)定律之間的內(nèi)在聯(lián)系，成功地抓住了化學(xué)的核心和本質(zhì)問題；又進一步用原子思維對當時人們了解的、彼此孤立的各種化學(xué)變化資料進行綜合、整理，經(jīng)過不斷完善，最終形成說明化學(xué)現(xiàn)象的統(tǒng)一理論，“給整個科學(xué)創(chuàng)造一個中心”，開啟了“化學(xué)中的新時代”[10]。道爾頓在研究中使用的自制儀器比較粗糙，他的實驗技巧并非一流，所得數(shù)據(jù)并不精確，而且他又是色盲，然而他卻“一鳴驚人”得到了輝煌的成就，個中的原因在于他具有邏輯思維能力、懷疑精神和非凡的洞察力，嚴密并卓有成效地運用了歸納思維和演繹思維。這個例子生動地說明，思維分析可以達到實驗分析尚未達到的廣度和深度。

在道爾頓致力于建立原子學(xué)說的同時，蓋·呂薩克（Gay-Lussac JL， 1778～1850，法）等人在研究各種氣體物質(zhì)反應(yīng)時的體積關(guān)系時發(fā)現(xiàn)氮與氧化合生成不同的氮氧化合物時，它們的體積比約略呈簡單整數(shù)比，后來又發(fā)現(xiàn)其他反應(yīng)的類似情況。他們綜合多個實驗結(jié)果作出結(jié)論： 各種氣體在彼此起化學(xué)作用時常以簡單的體積比相結(jié)合；在同溫同壓下，相同體積的不同氣體，無論是單質(zhì)還是化合物，都含有相同數(shù)目的原子（他和道爾頓一樣，把各種元素的“簡單原子”跟化合物的“復(fù)雜原子”統(tǒng)稱為“原子”）。道爾頓堅決反對蓋·呂薩克的結(jié)論： 不同物質(zhì)的原子大小一定不同，因此在相同容積內(nèi)不同物質(zhì)不可能含有相同數(shù)目的原子；若在相同體積中不同氣體的原子數(shù)目相同，1體積氮與1體積氧化合生成2體積氧化氮，每一個氧化氮原子中就只含有半個氮原子和半個氧原子，這跟“簡單原子是不可分割的”相互矛盾。后來，為了解決這個爭論，阿伏伽德羅（Ameldeo Avogadro， 1776～1856，意）以蓋·呂薩克的實驗為基礎(chǔ)，進行合理的假設(shè)與推理，引入分子概念，圓滿地解決了這個爭論。阿伏伽德羅的分子思維是一個重大的創(chuàng)新，它更加貼近物質(zhì)真實的微觀狀態(tài)，使化學(xué)對物質(zhì)的理性認識上升到新的層次。

由于道爾頓提出的原子論促進了化學(xué)的加速發(fā)展，從1801年到1830年，人們發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素差不多翻了一番，達到63種。門捷列夫（

Дмитрий Иванович Менделеев，

1834～1907，俄）在前人研究元素分類的基礎(chǔ)上，對當時發(fā)現(xiàn)的元素進行比較、排列、分類，發(fā)現(xiàn)把元素按原子量大小順序排列時，元素的化學(xué)性質(zhì)明顯地呈現(xiàn)周期性變化并制作成元素周期表，成功地預(yù)言了“類鋁”、“類硼”和“類硅”的存在和性質(zhì)，正確地修訂了一些元素的原子量、化合價和排列位置，轟動了化學(xué)界，贏得了廣泛的重視，豐富了化學(xué)思維。元素周期律揭示化學(xué)元素之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，它們是一個統(tǒng)一體。周期表中每一周期元素的性質(zhì)都隨著原子量的增加呈現(xiàn)漸變，但到了周期末尾就顯示出質(zhì)的飛躍；相鄰兩周期間既不是簡單重復(fù)又不是截然不同，而是由低級到高級、由簡單到復(fù)雜地變化發(fā)展，生動地反映了元素性質(zhì)發(fā)展變化的過程是由量變到質(zhì)變的過程，反映了化學(xué)元素的內(nèi)部聯(lián)系是辯證的。元素周期律還生動地顯示了科學(xué)理論和科學(xué)思維的預(yù)見性和創(chuàng)造性。

門捷列夫在其稍晚出版的著作《化學(xué)原理》中描述了他發(fā)現(xiàn)元素周期律時的思考和過程：“當我想到物質(zhì)的時候……總不能避開……物質(zhì)的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)，……應(yīng)該找出元素特性和它的原子量之間的關(guān)系”。為了揭露元素特性和它的原子量之間的聯(lián)系，他考察了元素已有的全部分類方法，認為僅僅基于元素的某些特征進行分類（人為的分類法）帶有很大的片面性，必須按照元素化學(xué)性質(zhì)的總和進行元素的分類（“自然分類法”）。他指出：“僅僅限于把最相似的元素歸于一類，……還是盲目的、描述式的”，必須對元素從整體上進行概括，而原子量恰是所有元素的共同基礎(chǔ)……可見，門捷列夫確立元素周期律時的思維已經(jīng)不僅是一般的關(guān)系思維、規(guī)律思維，還具有了自發(fā)的、初級的整體思維的特點。元素周期律的發(fā)現(xiàn)，是整體思維以及科學(xué)抽象思維、創(chuàng)造思維共同發(fā)揮作用的結(jié)果。

討論近代化學(xué)思維，不能不涉及有機化學(xué)領(lǐng)域。早在古代，人類就已掌握了釀酒、造醋、制漆、提取染料藥品等化學(xué)工藝。但是，由于有機物的復(fù)雜性以及有機物來源于動植物等有機體，令人產(chǎn)生神秘感，使其研究遠比無機物落后。直到18世紀末、19世紀初，拉瓦錫通過對葡萄酒釀制過程的研究證明質(zhì)量守恒定律也適用于有機物，蓋·呂薩克通過對糖和淀粉的組成分析確定這類有機物由碳、氫、氧三元素組成且氫氧原子比例為2∶1，貝采尼烏斯（John Jakob Berzelius， 1779～1848，瑞典）通過精確實驗證明有機物也遵守定組成定律……人們才開始對有機物有較深入的研究。

原先人們總以為，有機物只有在生命力作用下才能形成，只能從動植物有機體中提取。然而，1824年，維勒（Friedrich Wohler， 1800～1882，德）在用氯化銨水溶液跟氰酸銀反應(yīng)時，沒有得到預(yù)期的氰酸銨，卻得到了有機物尿素！這一事實打破了無機領(lǐng)域和有機領(lǐng)域的絕對界限，動搖了生命力論的統(tǒng)治。此后，醋酸、酒精、蟻酸、葡萄酸、蘋果酸、檸檬酸、琥珀酸、脂肪以及糖類等有機物先后用無機物質(zhì)合成制得，充分證實了人工合成有機物的可能性，把廣大化學(xué)家的思想從生命力論的禁錮中解放出來，使他們充滿信心地投入到有機物的合成與研究中去，使有機化學(xué)進入了蓬勃發(fā)展的階段，人們的化學(xué)思維開辟了新的領(lǐng)域。同分異構(gòu)現(xiàn)象、原子價、碳四價學(xué)說以及碳鏈、基團概念、立體化學(xué)模型等等促使化學(xué)家們開展結(jié)構(gòu)思維，對分子理論和有機結(jié)構(gòu)理論的確立和充實起了重要的作用。

1861年，布特列洛夫（Бутлеров А.М.， 1828～1886，俄）以“化學(xué)結(jié)構(gòu)”這個詞表示化合物中各原子間的相互連接，指出“一個分子的本性，取決于組合單元的本性、數(shù)量和化學(xué)結(jié)構(gòu)”，認為有機物的化學(xué)性質(zhì)跟其化學(xué)結(jié)構(gòu)之間存在著一定的依賴關(guān)系，依據(jù)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)可以推測它的化學(xué)性質(zhì)，也可以依據(jù)其性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)推測分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。肖萊馬（Carl Schorlemmer， 1834～1892，德）選擇有機化學(xué)中最簡單、最重要的脂肪烴作為重點研究對象，發(fā)現(xiàn)并分離出一系列此前人們不知道的烷烴，如戊烷、己烷、庚烷、辛烷等等，研究了它們的物理和化學(xué)性質(zhì)，開了對有機物做系列研究的先河。他注重尋找脂肪烴及其衍生物的異構(gòu)現(xiàn)象的正確解釋，曾經(jīng)否定乙烷有兩個異構(gòu)體、肯定丙醇有兩個異構(gòu)體存在，抓住了解決問題的關(guān)鍵，對有機結(jié)構(gòu)理論的確立和發(fā)展作了重要貢獻。隨著有機合成和有機分析的發(fā)展，人們不僅了解了有機分子中各原子相互結(jié)合的方式，建立了有機結(jié)構(gòu)理論，也逐步了解了這些原子在三維空間排布的規(guī)律，形成了立體結(jié)構(gòu)思維，建立了有機立體化學(xué)理論使有機結(jié)構(gòu)理論進一步充實和發(fā)展。

近代化學(xué)時期也是物理化學(xué)萌芽、建立和發(fā)展的時期。原子—分子學(xué)說、氣體分子運動學(xué)說、元素周期律和經(jīng)典熱力學(xué)的最終確立和形成，為物理化學(xué)的形成和發(fā)展鋪平了道路?；瘜W(xué)家們對積累的大量感性材料進行加工，形成了化學(xué)反應(yīng)的焓變、熵變、反應(yīng)自由能、化學(xué)親和力和化學(xué)平衡等概念，基于熱力學(xué)定律尋求化學(xué)反應(yīng)的方向、限度以及速率的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量作用定律，建立了溶液理論、電離理論和催化理論，也開始研究復(fù)相平衡以及化學(xué)變化與電現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)化。物理化學(xué)的建立以人們對化學(xué)微觀世界的了解為基礎(chǔ)，反過來又加深了人們對化學(xué)微觀世界的了解、提升了人們的微觀思維水平。物理化學(xué)的建立促進了化學(xué)的理論思維。

總之，近代化學(xué)思維主要是基于對元素、原子、分子及其化學(xué)運動的認識展開的，它以經(jīng)驗思維為主，理論思維是局部的、比較膚淺的，特別是對分子的認識剛剛進入起步階段。受制于對原子、分子的認識有限，近代化學(xué)思維遠未形成完整的推理體系。近代化學(xué)思維的分化主要表現(xiàn)為化學(xué)的各主要分支初步形成。批判思維在近代化學(xué)思維中顯示了重要的作用[11][12][13]。

5 現(xiàn)代化學(xué)思維

進入20世紀之后，化學(xué)的分子思維逐步豐富和強化，在分子層次上認識和研究化學(xué)，對組成分子的化學(xué)鍵本質(zhì)、分子的強相互作用和弱相互作用、分子催化、化學(xué)反應(yīng)歷程、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與其反應(yīng)能力關(guān)系等方面的研究取得顯著進展，導(dǎo)致了上千萬種新化合物的合成，促進了分子生物學(xué)和生命化學(xué)的研究與發(fā)展；化學(xué)不但保障了人類吃、穿、用、住方面的基本需求，而且在提高人類生活質(zhì)量、享受現(xiàn)代物質(zhì)文明方面做出了重大貢獻；化學(xué)鍵和量子化學(xué)理論與方法使人類進入分子理性設(shè)計的高層次領(lǐng)域，創(chuàng)造出許多前所未有的功能分子；合成化學(xué)家不但設(shè)計、合成了大量的新分子和新材料，還發(fā)現(xiàn)了大量的新反應(yīng)、新試劑、新方法和新理論，能夠更有效地控制化學(xué)反應(yīng)過程[14]。

1927年，海特勒（Walter Heinrich Heitler， 1904～1981，德）和倫敦（Fritz London， 1900～1954，德）用量子力學(xué)基本原理討論氫分子結(jié)構(gòu)問題，說明了兩個氫原子能夠結(jié)合成一個穩(wěn)定的氫分子的原因，并且利用相當近似的計算方法，算出其結(jié)合能。由此，人們認識到可以用量子力學(xué)原理討論分子結(jié)構(gòu)問題，從而逐漸形成了量子化學(xué)這一分支學(xué)科。1927年到20世紀50年代末，分子間相互作用的量子化學(xué)研究促成了價鍵理論、分子軌道理論和配位場理論三種化學(xué)鍵理論的建立和發(fā)展。20世紀60年代以后，從頭計算法、半經(jīng)驗計算的全略微分重疊和間略微分重疊等量子化學(xué)計算方法出現(xiàn)，擴大了量子化學(xué)的應(yīng)用范圍，提高了計算精度。可以得到與實驗值幾乎完全相同的結(jié)果，顯露了在化學(xué)研究中應(yīng)用量子計算進行推理的可能性，使量子化學(xué)倍受重視。計算量子化學(xué)的發(fā)展使定量的計算擴大到原子數(shù)較多的分子。量子化學(xué)研究范圍擴大到穩(wěn)定和不穩(wěn)定分子的結(jié)構(gòu)、性能以及結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；分子與分子之間的相互作用；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應(yīng)等問題，逐步形成了表面吸附和催化中的量子理論、分子間相互作用的量子化學(xué)理論和分子反應(yīng)動力學(xué)的量子理論等。計算量子化學(xué)的發(fā)展還加速了量子化學(xué)向其他學(xué)科的滲透。量子化學(xué)的研究結(jié)果在其他化學(xué)分支學(xué)科的直接應(yīng)用，導(dǎo)致了量子有機化學(xué)、量子無機化學(xué)、量子生物和藥物化學(xué)等邊緣學(xué)科的建立，在材料科學(xué)研究（例如鈣礬石相力學(xué)強度的大小差異）、能源研究（例如鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)研究）以及生物大分子體系的精細研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過上述過程，化學(xué)思維提升到了量子思維的新高度。

在20世紀，核化學(xué)和無機化學(xué)、儀器分析化學(xué)、現(xiàn)代有機化學(xué)和高分子化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)、化學(xué)動力學(xué)和分子反應(yīng)動態(tài)學(xué)以及化學(xué)工程學(xué)的建立和發(fā)展，使化學(xué)科學(xué)進一步發(fā)展并完善了自己的結(jié)構(gòu)。環(huán)境化學(xué)和綠色化學(xué)的建立，開啟了化學(xué)的綠色思維?；瘜W(xué)對社會的貢獻和影響，如何趨利避害、恰當處理好有關(guān)的社會問題，增加人類生存的安全性，形成了化學(xué)的社會關(guān)聯(lián)思維。生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源化學(xué)、計算化學(xué)、納米化學(xué)等交叉學(xué)科和熱點研究領(lǐng)域則展現(xiàn)了化學(xué)思維跟其他學(xué)科思維的綜合。

概而言之，現(xiàn)代化學(xué)思維的發(fā)展特點主要是： 化學(xué)鍵思維、結(jié)構(gòu)思維使化學(xué)的分子思維豐富和強化；量子思維使化學(xué)思維提升到了新的高度；化學(xué)科學(xué)開啟了綠色思維；形成了化學(xué)的社會關(guān)聯(lián)思維和學(xué)科綜合思維[15][16]。

6 新世紀初化學(xué)的反省思維

在1900年之前，經(jīng)典物理學(xué)（包括力學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)等）已經(jīng)形成比較完整的體系，許多人認為物理學(xué)問題已經(jīng)基本解決完了，剩下的只是修補性的工作。乃至于“開爾文勛爵”

開爾文（Lord Kelvin， 1824～1907，英）本名W.湯姆孫（William Thomson），因為他任職的格拉斯哥大學(xué)在開爾文河畔，大家戲稱他“開爾文勛爵”，遂改名為開爾文。是19世紀英國卓越的物理學(xué)家，在熱學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)、地球物理、數(shù)學(xué)等方面都有貢獻，并以熱學(xué)、電磁學(xué)及它們的工程應(yīng)用研究最為出色。在1899年除夕之夜宣布“物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成”。可是差不多同時，人們發(fā)現(xiàn)了“遠處的天空還飄著兩朵讓人不安的烏云”。這“兩朵烏云”，一個導(dǎo)致了量子論誕生，一個導(dǎo)致了相對論誕生。量子論和相對論在整個20世紀蓬勃發(fā)展，使物理學(xué)面貌大變。事實表明，物理學(xué)大廈是宏偉、復(fù)雜的，經(jīng)典物理學(xué)不過是整個物理學(xué)大廈的一小部分，原先人們對于物理學(xué)的一些認識差一點迷失前進的動力和方向。這個事件使物理學(xué)界深切體會到： 對學(xué)科的認識進行反思實在很有必要?；瘜W(xué)家們也從中受到啟發(fā)，自此開始重視進行化學(xué)的反省思維[17][18][19]。在20、21世紀之交，

國際科學(xué)界的有識之士憂心忡忡地討論了化學(xué)面臨的學(xué)科聲望問題[20]；

中國化學(xué)家則著重反思、討論了怎樣回答“化學(xué)是科學(xué)嗎？是一門獨立的科學(xué)嗎？”“化學(xué)只是一門實驗科學(xué)，沒有‘像樣的理論”“究竟化學(xué)是什么”“怎樣使化學(xué)學(xué)科提升水平更好地發(fā)展”等問題。

思考這些問題的背景是： 一些學(xué)者認為，化學(xué)的主題是創(chuàng)造新物質(zhì)，而創(chuàng)造新物質(zhì)依賴的是技術(shù)和經(jīng)驗，作為一門科學(xué)，只有經(jīng)驗和技術(shù)是不夠的。一些學(xué)者認為，化學(xué)理論可以由物理學(xué)理論派生。例如，化學(xué)引以為驕傲的元素周期律，看起來是化學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，且不說它最初只是猜度到的、不是由理論前提嚴密地推導(dǎo)出的，若要進一步解釋元素周期律、揭示它的本質(zhì)，就離不開物理學(xué)中的原子核結(jié)構(gòu)理論（核內(nèi)質(zhì)子數(shù)決定了核電荷數(shù)）和自由原子對稱性理論（自由原子外形的球?qū)ΨQ決定了原子內(nèi)電子狀態(tài)的角分布）了。因此，化學(xué)不是一門獨立的科學(xué)，甚至不是科學(xué)，而是一門技術(shù)。這樣，一些討論現(xiàn)代科學(xué)的專著把化學(xué)也排除在外就不難理解了。不少化學(xué)工作者都因為“化學(xué)的作用和地位似乎被淡化了”，化學(xué)似乎不再是核心科學(xué)、牽頭學(xué)科了，而感到困惑[21]。

筆者認為，原先人們也曾認為“物理學(xué)是一門實驗科學(xué)”，后來逐步改變，認為“物理學(xué)不是一門單純的實驗科學(xué)”。這跟目前化學(xué)的狀況不是很相似嗎？1998年諾貝爾化學(xué)獎頒獎公報已經(jīng)宣布：“……量子化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為廣大化學(xué)家所使用的工具，將化學(xué)帶入一個新時代，在這個新時代里實驗和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)。化學(xué)不再是純實驗科學(xué)了”！如果因為一些化學(xué)理論是在某些物理學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，就把化學(xué)說成是物理學(xué)的分支，那么，物理學(xué)理論是以某些數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)的（例如相對論以閔科夫斯基空間和黎曼空間的幾何學(xué)為基礎(chǔ)，量子理論要以泛函分析為基礎(chǔ)，隨機運動研究要以概率統(tǒng)計為基礎(chǔ)，整個理論物理學(xué)要以數(shù)學(xué)分析、高等代數(shù)、數(shù)學(xué)物理方法、群論為基礎(chǔ)……），并且有不少數(shù)學(xué)家加入到理論物理學(xué)家行列中[22]，能把物理學(xué)說成是數(shù)學(xué)的分支嗎？現(xiàn)代生物學(xué)中應(yīng)用了許多化學(xué)，能把生物學(xué)說成是化學(xué)的分支嗎？化學(xué)不能解決所有的生物學(xué)問題，物理學(xué)能夠解決所有的化學(xué)問題嗎？人們把數(shù)學(xué)成為物理學(xué)的工具看作是物理學(xué)成熟的結(jié)果和標志[23]，把化學(xué)成為生物學(xué)的工具看作是生物學(xué)成熟的結(jié)果和標志，為什么卻把物理學(xué)成為化學(xué)的工具看作是化學(xué)不成熟的結(jié)果和標志？

化學(xué)的研究對象既不同于物理的研究對象也不同于生物學(xué)的研究對象，化學(xué)科學(xué)既不同于物理科學(xué)也不同于生物科學(xué)。同時，在它們之間劃出一條絕對嚴格分明的界限是不可能的[24]。

值得關(guān)注的是，一些結(jié)構(gòu)化學(xué)家提出，化學(xué)的本質(zhì)在于（分子中的）電子云密度。由于化學(xué)常常被定義為分子的科學(xué)，這意味著由量子化學(xué)足以解決化學(xué)的問題，化學(xué)正在走向嚴密科學(xué)，化學(xué)可以成為嚴密科學(xué)。

受計算機計算能力的限制，目前人們還不能對復(fù)雜的化學(xué)體系進行從頭計算來精密地確定結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，解決怎樣找到具有給定性質(zhì)的（新）物質(zhì)等化學(xué)問題，從而建立化學(xué)的核心理論。然而計算能力超強、速度超快的量子計算機的前景使我們看到了新的曙光： 理論上講，擁有300個量子比特，就能支持比宇宙中所有粒子數(shù)量更多的并行計算，通過從頭計算來建立滿足人們要求的化學(xué)新理論是可以期待的。

筆者在網(wǎng)上看到過一些年輕學(xué)者有關(guān)化學(xué)學(xué)科的討論，質(zhì)疑批評者有之，調(diào)侃幽默者有之，理解辯護者有之，心存期望者有之，深入思考者有之……一位博士后在bbs上說：“難道化學(xué)的前景就是在已有的2千多萬種化合物的基礎(chǔ)上，把一個個新的合成出來嗎？”年輕學(xué)者在思考，讓我們看到了希望。

對化學(xué)科學(xué)的反思、質(zhì)疑和討論目前仍在在繼續(xù)，還沒有結(jié)束。相信科學(xué)界用自己的智慧能夠圓滿地找到問題的答案，也能夠在多學(xué)科的協(xié)同努力下找到解決問題的有效措施。

徐光憲院士曾多次明確指出： 21世紀的化學(xué)是研究泛分子

泛分子是已故徐光憲（1920～2015）院士用于概括化學(xué)研究對象的一個概念，包括原子、分子片、結(jié)構(gòu)單元、分子、超分子、高分子、生物分子和活分子、納米分子和納米聚集體、原子和分子的宏觀聚集體、復(fù)雜分子體系及其組裝體等。

的科學(xué)。由此還可以預(yù)言，21世紀的化學(xué)思維將進入泛分子思維新階段。從思維的角度看，化學(xué)最主要的任務(wù)是通過泛分子理論思維，從理論角度認識泛分子層次物質(zhì)的內(nèi)外聯(lián)系（內(nèi)部聯(lián)系——物質(zhì)性質(zhì)跟其組成、結(jié)構(gòu)的關(guān)系，外部聯(lián)系——物質(zhì)間的變化關(guān)系等）；并應(yīng)用于實際，特別是解決怎樣找到具有給定性質(zhì)物質(zhì)的問題。這兩方面的內(nèi)容進一步豐富、深化、完善后將會形成化學(xué)科學(xué)兩大最基本的分支——泛分子理論化學(xué)和泛分子應(yīng)用化學(xué)。

總之，反思化學(xué)的學(xué)科本質(zhì)、定位與方向，以及開展泛分子思維，是新世紀初化學(xué)思維的主要特征。

只要化學(xué)在思維著，化學(xué)就是大有希望的。

化學(xué)思維如此重要，它對化學(xué)教育有哪些啟示？值得我們深思[25]。

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