淺談大學(xué)里的化學(xué)專業(yè)

供稿|王東瑞

什么是化學(xué)？化學(xué)主要學(xué)什么？學(xué)了化學(xué)以后能干什么？這些問題可能是在大家剛上中學(xué)接觸了化學(xué)課、甚至在更小的時候碰巧知道了“化學(xué)”這個詞以后，就會在腦子里縈繞的一些問題。然而大多數(shù)人仍然缺乏對于化學(xué)內(nèi)涵的深刻理解，甚至對于化學(xué)存在很多誤解和偏見。

化學(xué)究竟是什么？

經(jīng)過中學(xué)化學(xué)的學(xué)習(xí)，大家肯定已經(jīng)掌握了很多化學(xué)知識，對于物質(zhì)、元素、反應(yīng)等等名詞一定不陌生。那么究竟什么是化學(xué)呢？想清清楚楚地回答好這個問題并不容易。說到化學(xué)，大家腦子里浮現(xiàn)的也許是這個刻板的概念：化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用以及它們和物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系。這個概念當然沒問題，可顯然通過這個概念我們還不能準確知道什么是化學(xué)。

事實上，化學(xué)沒那么復(fù)雜、也并不那么高深，化學(xué)是應(yīng)用性非常強的一個學(xué)科，是同我們每一個人的日常生活最密切、最息息相關(guān)的一門核心的自然科學(xué)。我國著名高分子化學(xué)家、前北京大學(xué)和吉林大學(xué)校長周其鳳院士曾寫過一首題為《化學(xué)是你、化學(xué)是我》的歌，在網(wǎng)絡(luò)上曾被傳為“神曲”。這里我們不談音樂，如果關(guān)注這首歌的歌詞，我們會讀到一位對于“化學(xué)”有著深刻理解的學(xué)者對這個專業(yè)名詞的描述：父母生下的你我，是化學(xué)過程的結(jié)果；你我的消化系統(tǒng)、記憶、思維活動也是化學(xué)過程；我們要穿衣、吃飯，也要靠化學(xué)提供。圖1中展示的書法作品[1]也能折射出周院士對化學(xué)的深刻理解。

圖1 中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授周其鳳先生的作品(圖片源自《世界科學(xué)》雜志2019年第4期大家欄目 http://www.worldscience.cn/qk/2019/4y/djkjqy/597349.shtml)

誠然，如果我們細心地去發(fā)現(xiàn)和體會，就會認可這樣一個事實：我們生活里的衣食住行方方面面接觸到的物質(zhì)，甚至我們?nèi)说纳鸵磺猩顒?，都是化學(xué)[2]。就拿2020年春天我們經(jīng)歷的這場史無前例的新型冠狀病毒疫情來說吧，從一線醫(yī)護人員抗擊新冠病毒所采用的藥品、醫(yī)療器械設(shè)備、防護服、護目鏡等，到普通人日常生活里個人防護經(jīng)常使用的口罩、消毒噴霧、洗手液等，這些產(chǎn)品的發(fā)明、制造、使用，全部都有化學(xué)知識的運用和化學(xué)研究的功勞在里面。所以，具象地說，化學(xué)就是不斷發(fā)明和創(chuàng)造新的、對我們?nèi)祟惿钣幸娴姆肿雍臀镔|(zhì)，來提高人們的生活質(zhì)量。在這個過程中，化學(xué)衍生出了兩大核心任務(wù)[3]：一是設(shè)計和高效率地制造有用的分子；二是探索物質(zhì)的鑒定和化學(xué)分析方法、以及化學(xué)反應(yīng)如何發(fā)生和進行的機理問題。所產(chǎn)生的化學(xué)知識有利于幫助人們獲得更多、更好的由新物質(zhì)構(gòu)成的新產(chǎn)品，同時也有利于產(chǎn)生一些有用的技術(shù)對生產(chǎn)過程進行嚴密的監(jiān)測并控制產(chǎn)品質(zhì)量、對環(huán)境變化進行監(jiān)測和評估、對健康相關(guān)的生理指標進行監(jiān)測和評估，更進一步地，可以用于設(shè)計和制造抗癌藥物、人工器官等，大幅延長人類的壽命和生存質(zhì)量。從哲學(xué)的角度來說，化學(xué)是通過揭露我們生活的這個世界中分子的復(fù)雜性，探討它們和人類及其他生物之間的關(guān)系來深刻認識物質(zhì)世界的一門自然科學(xué)。

化學(xué)的作用也可以通過一個有關(guān)諾貝爾獎獎牌的小知識來體現(xiàn)。諾貝爾化學(xué)獎是舉世聞名的自然科學(xué)獎，可能是全世界范圍內(nèi)最有影響力的化學(xué)獎，按照諾貝爾本人的遺愿，每一年頒發(fā)給做出了最重要的化學(xué)發(fā)明或進步的人(to the person who shall have made the most important chemical discovery or improvement)。頒發(fā)的獎牌正面是諾貝爾的頭像，背面則浮雕了兩位女神(見圖2)，左邊是手拿豐饒之角(Cornucopia)的母性與生育之神伊西斯(Isis)，豐饒之角是一個羊角，里面裝滿了鮮花、水果、谷物等等；右邊的是科學(xué)女神，她正掀開伊西絲的面紗，意思是用科學(xué)破解神秘現(xiàn)象。同時背面還銘刻了一句拉丁文，“Inventas vitam iuvat excoluisse per artes”，意思是“用發(fā)明改善美好生活”。這個獎牌的設(shè)計非常典型地反映出，化學(xué)這門科學(xué)最重要、最關(guān)鍵的部分正是在于為了人類的美好生活去揭示、去發(fā)明、去創(chuàng)造。順便一提，諾貝爾本人正是一位成功的化學(xué)家和化學(xué)工程師。

圖2 諾貝爾化學(xué)獎獎?wù)卤趁嬲掌?源自諾貝爾獎網(wǎng)站https://www.nobelprize.org/prizes/facts/the-nobel-medal-for-physics-andchemistry-2)

化學(xué)的研究前沿

作為一門基礎(chǔ)、重要的學(xué)科，化學(xué)有著悠久、輝煌的歷史，那些化學(xué)大師們充滿智慧的發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造至今仍在影響著我們的生活和對這個世界的認知。已經(jīng)有很多科普書籍談及化學(xué)史，不再贅述。這里簡單談一談當代的化學(xué)人都在關(guān)注哪些前沿問題。

我們都知道，當今世界人類社會面臨的重要挑戰(zhàn)在于能源和環(huán)境?；瘜W(xué)在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。為了應(yīng)對石油、煤炭等化石能源的危機，為了減輕日益增長的人口帶來的環(huán)境污染壓力，人們正在嘗試運用化學(xué)知識去設(shè)計、制造更高效、更綠色的能源形式，比如我們耳熟能詳?shù)奶柲茈姵?，除了已?jīng)大規(guī)模商用的基于單晶硅和多晶硅的無機太陽能電池之外，全世界的實驗室里化學(xué)家們還在積極探索更先進的有機薄膜太陽能電池、鈣鈦礦電池等；在能源存儲領(lǐng)域，過去的幾十年間我們使用的電池經(jīng)歷了從鉛酸電池、干電池、鎳錳電池、鎳氫電池到鋰離子電池的快速變遷，為了追求更高能、更安全、造價更低廉的儲能技術(shù)，化學(xué)家們?nèi)匀辉谧巫尾痪氲亻_發(fā)氫燃料電池、液流電池、鋰硫電池、金屬-空氣電池等，這些能源器件的發(fā)展都離不開對化學(xué)反應(yīng)的深刻理解、對材料分子的精準操控。同時，為了更好地利用地球上有限的資源、更好地保護環(huán)境，發(fā)展環(huán)境友好的催化劑、使化學(xué)反應(yīng)可以在室溫和水相中高效進行的“綠色化學(xué)”理念也越來越受到重視。

生物化學(xué)也是化學(xué)學(xué)科重要的科學(xué)分支之一。在這個領(lǐng)域，積極探索化學(xué)原理與生命活動之間的關(guān)系，進而發(fā)展基于這些原理的材料和技術(shù)來改善生命體的生存質(zhì)量是非常有挑戰(zhàn)的課題。生命是一種分子行為，是由多種分子、催化劑和各種化學(xué)反應(yīng)所構(gòu)成的一種奇妙的復(fù)雜化學(xué)網(wǎng)絡(luò)，這種理念目前已經(jīng)取得共識。然而對于生命體或者細胞是如何由沒有生命的化學(xué)物質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)組合而變得有生命的，仍然缺乏深層次的理解，而這些理解對于設(shè)計和制造人造器官甚至人造生命、改善人類的生存質(zhì)量等有著積極和重要的影響。此外，我們的思維活動也是一個化學(xué)過程，大腦的神經(jīng)活動與神經(jīng)遞質(zhì)、蛋白質(zhì)、細胞膜的電化學(xué)電位等物質(zhì)和反應(yīng)過程有關(guān)。同樣地，我們對這一化學(xué)過程與大腦對信息識別、加工和存儲等認知活動的關(guān)系認識得還比較膚淺。如何揭示神經(jīng)活動深層次的科學(xué)原理，對于神經(jīng)醫(yī)學(xué)、腦機接口等領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。另外，在包括癌癥在內(nèi)的各種困難疾病診斷、治療方面，綜合化學(xué)、材料、醫(yī)學(xué)方面的知識，有針對性地發(fā)展靶向化學(xué)治療藥物、以及先進的診療和康復(fù)方法等，都是舉世關(guān)注的熱門前沿課題。

另外需要指出的是，在這個知識爆炸的時代，學(xué)科與學(xué)科之間的界限正逐漸變得模糊，學(xué)科交叉和融合已經(jīng)成為一個重要的發(fā)展趨勢。今天大學(xué)里的化學(xué)專業(yè)，早已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的無機化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)四大二級學(xué)科的劃分藩籬，正在向綜合性更高、交叉性更強的方向快速發(fā)展。當今的化學(xué)已經(jīng)同包括數(shù)學(xué)、物理、生物和生命科學(xué)、化學(xué)工程、材料科學(xué)、電子和自動化、醫(yī)藥衛(wèi)生、甚至計算機在內(nèi)的多個學(xué)科交叉合作，產(chǎn)生了許多新興的領(lǐng)域和知識。例如借助計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，當前高精尖的化學(xué)合成已經(jīng)變得自動化、微型化、機器人化，計算機程序可以對合成路線進行篩選和設(shè)計、對起始底物和成本進行成本經(jīng)濟核算，一些復(fù)雜分子比如藥物和蛋白質(zhì)片段的合成可以在芯片上自動化完成。化學(xué)這門迷人的科學(xué)，仍然在不斷萌發(fā)新芽。

化學(xué)類專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)前景

正是由于“化學(xué)”學(xué)科的知識特點和獨特作用，學(xué)習(xí)化學(xué)尤其是高等化學(xué)在就業(yè)方面的選擇余地非常寬泛，就業(yè)薪酬水平良好。就業(yè)去向首要選擇是在化學(xué)品、化學(xué)工程相關(guān)企業(yè)、科研院所從事管理、研發(fā)等技術(shù)性較強的工作。2019年《財富》雜志公布的世界500強企業(yè)中，化學(xué)化工類企業(yè)有80家左右。上榜中國企業(yè)有129家，其中化學(xué)化工類企業(yè)近50家，中石化、中石油分別排名世界第二、第四。這份榜單說明化學(xué)化工類企業(yè)在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著舉足輕重的重要地位，同時也為化學(xué)相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生創(chuàng)造了眾多的就業(yè)崗位。一份調(diào)查報告顯示，2018年中國大學(xué)專業(yè)薪酬排名中，“應(yīng)用化學(xué)”專業(yè)排名高居第四名。

此外，學(xué)習(xí)化學(xué)專業(yè)并不意味著職業(yè)生涯被限定在化學(xué)、化工領(lǐng)域，化學(xué)知識尤其是對客觀世界復(fù)雜性的理解也有助于深入理解其他學(xué)科門類的知識，從而轉(zhuǎn)行進入管理、金融、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，成為跨領(lǐng)域的專門人才。社會知名人士中化學(xué)專業(yè)出身的不勝枚舉，例如德國總理默克爾在大學(xué)里學(xué)習(xí)的就是化學(xué)專業(yè)。

北京科技大學(xué)的化學(xué)專業(yè)

北京科技大學(xué)化學(xué)學(xué)科發(fā)軔于北京鋼鐵學(xué)院建校伊始的基礎(chǔ)部化學(xué)專業(yè)，自1979年開始招收研究生，1981年開始招收本科生。經(jīng)過60余年的發(fā)展，現(xiàn)已成為擁有化學(xué)一級學(xué)科博士和碩士授予權(quán)、以理為主、理工結(jié)合的高水平人才培養(yǎng)單位。擁有“功能分子與晶態(tài)材料科學(xué)與應(yīng)用”北京市重點實驗室、“生物工程與傳感技術(shù)”北京市重點實驗室和農(nóng)業(yè)部“農(nóng)藥殘留與環(huán)境毒理實驗室”三個省部級重點實驗室。學(xué)科排名方面，北京科技大學(xué)化學(xué)學(xué)科自2012年起連續(xù)多年進入ESI排名世界前1%，且排名逐年上升。在2018年教育部第四輪學(xué)科評估中進入B檔，躋身國內(nèi)高?；瘜W(xué)專業(yè)前20%～30%。

一直以來，北京科技大學(xué)化學(xué)專業(yè)以為我國社會主義建設(shè)事業(yè)培養(yǎng)具有國際化視野、較強創(chuàng)新能力和實踐應(yīng)用能力的化學(xué)人才為使命，培養(yǎng)了一批又一批優(yōu)秀人才。近五年，北京科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院的應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生深造率(讀研率)一直在維持在60%以上，多數(shù)畢業(yè)生可以通過免試、考試等多種渠道進入清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、香港大學(xué)和本校進行研究生階段的學(xué)習(xí)，也有很多優(yōu)秀同學(xué)赴美國、英國、德國等海外知名大學(xué)留學(xué)。北科大化學(xué)系也與很多科研院所、企事業(yè)單位建立了良好關(guān)系，在航空航天院所、電信業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)公司(如華為、阿里巴巴、中芯國際)、汽車制造業(yè)(如北京奔馳、北京現(xiàn)代、一汽大眾)、鋼鐵企業(yè)(如寶武集團、中鐵集團)等各大行業(yè)中均活躍著北科大化學(xué)專業(yè)的畢業(yè)生。