一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級(jí)基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba-O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級(jí)和Ca-O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

摘要：物理學(xué)是一項(xiàng)國際事業(yè)，它對(duì)人類未來的進(jìn)步起著關(guān)鍵的作用。在中學(xué)的各門課程中，物理課在提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)方面起著無可替代的作用。本文從物理學(xué)的重要作用出發(fā)闡述了對(duì)中學(xué)物理教師的要求。

國際純粹物理和應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)第23屆代表大會(huì)(1999美國亞特蘭大市)通過決議，呼吁社會(huì)正視物理學(xué)的重要性。對(duì)物理學(xué)的作用，大會(huì)的口號(hào)是“探索自然，驅(qū)動(dòng)技術(shù)，拯救生命”。決議指出：“物理學(xué)——研究物質(zhì)、能量和它們相互作用的學(xué)科——是一項(xiàng)國際事業(yè)，它對(duì)人類未來的進(jìn)步起著關(guān)鍵的作用。對(duì)物理教育的支持和研究，對(duì)所有國家都是重要的?！?/p>

中等教育階段，是一個(gè)人從少年步入青年的時(shí)期，是身心成長趨于成型的時(shí)期，是在知識(shí)上和能力上為今后的工作和學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)、作準(zhǔn)備的時(shí)期，有著特殊的重要意義。在中學(xué)的各門課程中，物理課在提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)方面起著無可替代的作用。對(duì)于這個(gè)問題，我想從20世紀(jì)科技發(fā)展大的背景談起。

1、物理學(xué)推動(dòng)了20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展

20世紀(jì)，是科學(xué)技術(shù)空前高速發(fā)展的世紀(jì)。在此世紀(jì)內(nèi)，人類社會(huì)在科技進(jìn)步上經(jīng)歷了一個(gè)又一個(gè)劃時(shí)代的變革。這個(gè)世紀(jì)之初，無論在動(dòng)力和信息交流方面，人類社會(huì)就全面地進(jìn)入了“電氣化時(shí)代”。這是19世紀(jì)安培、法拉第、麥克斯韋等一批物理學(xué)家和愛迪生等發(fā)明家努力的結(jié)果。從上個(gè)世紀(jì)之交放射性的發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)原子物理、核物理的研究，40年代物理學(xué)使人類掌握了核能的奧秘，把人類社會(huì)帶進(jìn)了“原子時(shí)代”。今天核技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于為社會(huì)提供長久可靠的能源，放射性與核磁共振在醫(yī)學(xué)上的診斷與治療作用，已為人所共知。這個(gè)成果是和盧瑟福、玻爾、愛因斯坦、居里夫人和她的女婿和女兒約里奧-居里夫婦、海森伯、費(fèi)米、哈恩等一大串光輝的名字分不開的。到了50、60年代，物理學(xué)家又發(fā)明了激光，它的理論基礎(chǔ)是愛因斯坦1916年提出的光的受激發(fā)射過程。今天激光技術(shù)已廣泛應(yīng)于尖端科學(xué)研究、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊、計(jì)算、軍事和日常生活，成為幾十億、上百億的巨大產(chǎn)業(yè)。

20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)給人類社會(huì)帶來的最大的沖擊，莫過于以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的信息技術(shù)。號(hào)稱“信息時(shí)代”的到來被譽(yù)為“第二次產(chǎn)業(yè)革命”。的確，計(jì)算機(jī)給人類社會(huì)帶來如此廣泛而深刻的變化，是二三十年前任何有遠(yuǎn)見的科學(xué)家都不可能預(yù)見到的。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的硬件核心是半導(dǎo)體集成電路，PN結(jié)是基礎(chǔ)。半個(gè)多世紀(jì)前，巴丁、肖克萊、布賴頓等三位物理學(xué)家發(fā)明了晶體管，標(biāo)志著信息時(shí)代的誕生。從我們物理學(xué)家的眼光看來，這個(gè)嬰兒在娘胎里至少孕育了20年。這就是說，20年代建立量子力學(xué)之后，物理學(xué)家發(fā)展了費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)、能帶論，從此有了電子和空穴的概念。爾后用摻雜的辦法產(chǎn)生了N型和P型的半導(dǎo)體，這才為晶體管的發(fā)明打下基礎(chǔ)。

摘要：物理學(xué)是一項(xiàng)國際事業(yè)，它對(duì)人類未來的進(jìn)步起著關(guān)鍵的作用。在中學(xué)的各門課程中，物理課在提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)方面起著無可替代的作用。本文從物理學(xué)的重要作用出發(fā)闡述了對(duì)中學(xué)物理教師的要求。

國際純粹物理和應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)第23屆代表大會(huì)（1999美國亞特蘭大市）通過決議，呼吁社會(huì)正視物理學(xué)的重要性。對(duì)物理學(xué)的作用，大會(huì)的口號(hào)是“探索自然，驅(qū)動(dòng)技術(shù)，拯救生命”。決議指出：“物理學(xué)——研究物質(zhì)、能量和它們相互作用的學(xué)科——是一項(xiàng)國際事業(yè)，它對(duì)人類未來的進(jìn)步起著關(guān)鍵的作用。對(duì)物理教育的支持和研究，對(duì)所有國家都是重要的?！?/p>

中等教育階段，是一個(gè)人從少年步入青年的時(shí)期，是身心成長趨于成型的時(shí)期，是在知識(shí)上和能力上為今后的工作和學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)、作準(zhǔn)備的時(shí)期，有著特殊的重要意義。在中學(xué)的各門課程中，物理課在提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)方面起著無可替代的作用。對(duì)于這個(gè)問題，我想從20世紀(jì)科技發(fā)展大的背景談起。

1、物理學(xué)推動(dòng)了20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展

20世紀(jì)，是科學(xué)技術(shù)空前高速發(fā)展的世紀(jì)。在此世紀(jì)內(nèi)，人類社會(huì)在科技進(jìn)步上經(jīng)歷了一個(gè)又一個(gè)劃時(shí)代的變革。這個(gè)世紀(jì)之初，無論在動(dòng)力和信息交流方面，人類社會(huì)就全面地進(jìn)入了“電氣化時(shí)代”。這是19世紀(jì)安培、法拉第、麥克斯韋等一批物理學(xué)家和愛迪生等發(fā)明家努力的結(jié)果。從上個(gè)世紀(jì)之交放射性的發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)原子物理、核物理的研究，40年代物理學(xué)使人類掌握了核能的奧秘，把人類社會(huì)帶進(jìn)了“原子時(shí)代”。今天核技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于為社會(huì)提供長久可靠的能源，放射性與核磁共振在醫(yī)學(xué)上的診斷與治療作用，已為人所共知。

這個(gè)成果是和盧瑟福、玻爾、愛因斯坦、居里夫人和她的女婿和女兒約里奧-居里夫婦、海森伯、費(fèi)米、哈恩等一大串光輝的名字分不開的。到了50、60年代，物理學(xué)家又發(fā)明了激光，它的理論基礎(chǔ)是愛因斯坦1916年提出的光的受激發(fā)射過程。今天激光技術(shù)已廣泛應(yīng)于尖端科學(xué)研究、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊、計(jì)算、軍事和日常生活，成為幾十億、上百億的巨大產(chǎn)業(yè)。

[摘要]畢業(yè)論文是高等學(xué)校人才培養(yǎng)方案的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)本科培養(yǎng)目標(biāo)的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。根據(jù)近年來化學(xué)化工專業(yè)畢業(yè)生畢業(yè)論文答辯過程中發(fā)現(xiàn)的問題，本文提出了政策上保障畢業(yè)論文的實(shí)施、優(yōu)化畢業(yè)論文指導(dǎo)教師隊(duì)伍、強(qiáng)化畢業(yè)論文的教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控、嚴(yán)格把關(guān)畢業(yè)論文答辯、探索校企聯(lián)合的畢業(yè)論文教學(xué)實(shí)踐工作新模式、量子化學(xué)軟件輔助完成畢業(yè)論文等6個(gè)方面，以提高畢業(yè)論文質(zhì)量，構(gòu)建化學(xué)化工專業(yè)本科畢業(yè)生的畢業(yè)論文質(zhì)量保障體系。

[關(guān)鍵詞]化學(xué)化工專業(yè)；畢業(yè)論文；本科教學(xué)；建設(shè)與管理；對(duì)策研究

1引言

近年來在畢業(yè)論文答辯過程中發(fā)現(xiàn)，畢業(yè)論文存在寫作缺少創(chuàng)新，研究深度不夠，如有的同學(xué)的畢業(yè)論文工作量僅相當(dāng)于完成了一個(gè)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有系統(tǒng)深入的研究，或重復(fù)了已有論文的實(shí)驗(yàn)條件，創(chuàng)新性不足；有的畢業(yè)論文存在知識(shí)點(diǎn)錯(cuò)誤的問題，比如分光光度法測定的吸光度為負(fù)值；有的同學(xué)在回答教師提問的時(shí)候，化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理、概念不清；有的論文格式、參考文獻(xiàn)引文不規(guī)范、甚至存在代寫畢業(yè)論文等一系列問題。教育部印發(fā)《本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))抽檢辦法(試行)》(簡稱《辦法》)，啟動(dòng)了本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))抽檢試點(diǎn)工作。從2021年1月1日起，每年進(jìn)行一次本科畢業(yè)論文抽檢，抽檢比例原則上應(yīng)不低于2%[1]。加強(qiáng)對(duì)化學(xué)化工專業(yè)本科生畢業(yè)論文的科學(xué)管理，提高高校本科生畢業(yè)論文質(zhì)量，構(gòu)建本科畢業(yè)論文質(zhì)量保障體系以提升畢業(yè)論文質(zhì)量，是值得探索的重要課題。

2提高畢業(yè)論文質(zhì)量的對(duì)策

為了規(guī)范畢業(yè)論文寫作，提高化學(xué)化工學(xué)院的畢業(yè)論文質(zhì)量，本文提出了以下對(duì)策：

摘要：物理學(xué)是一項(xiàng)國際事業(yè)，它對(duì)人類未來的進(jìn)步起著關(guān)鍵的作用。在中學(xué)的各門課程中，物理課在提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)方面起著無可替代的作用。本文從物理學(xué)的重要作用出發(fā)闡述了對(duì)中學(xué)物理教師的要求。

國際純粹物理和應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)第23屆代表大會(huì)(1999美國亞特蘭大市)通過決議，呼吁社會(huì)正視物理學(xué)的重要性。對(duì)物理學(xué)的作用，大會(huì)的口號(hào)是“探索自然，驅(qū)動(dòng)技術(shù)，拯救生命”。決議指出：“物理學(xué)——研究物質(zhì)、能量和它們相互作用的學(xué)科——是一項(xiàng)國際事業(yè)，它對(duì)人類未來的進(jìn)步起著關(guān)鍵的作用。對(duì)物理教育的支持和研究，對(duì)所有國家都是重要的?！?/p>

中等教育階段，是一個(gè)人從少年步入青年的時(shí)期，是身心成長趨于成型的時(shí)期，是在知識(shí)上和能力上為今后的工作和學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)、作準(zhǔn)備的時(shí)期，有著特殊的重要意義。在中學(xué)的各門課程中，物理課在提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)方面起著無可替代的作用。對(duì)于這個(gè)問題，我想從20世紀(jì)科技發(fā)展大的背景談起。

1、物理學(xué)推動(dòng)了20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展

20世紀(jì)，是科學(xué)技術(shù)空前高速發(fā)展的世紀(jì)。在此世紀(jì)內(nèi)，人類社會(huì)在科技進(jìn)步上經(jīng)歷了一個(gè)又一個(gè)劃時(shí)代的變革。這個(gè)世紀(jì)之初，無論在動(dòng)力和信息交流方面，人類社會(huì)就全面地進(jìn)入了“電氣化時(shí)代”。這是19世紀(jì)安培、法拉第、麥克斯韋等一批物理學(xué)家和愛迪生等發(fā)明家努力的結(jié)果。從上個(gè)世紀(jì)之交放射性的發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)原子物理、核物理的研究，40年代物理學(xué)使人類掌握了核能的奧秘，把人類社會(huì)帶進(jìn)了“原子時(shí)代”。今天核技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于為社會(huì)提供長久可靠的能源，放射性與核磁共振在醫(yī)學(xué)上的診斷與治療作用，已為人所共知。這個(gè)成果是和盧瑟福、玻爾、愛因斯坦、居里夫人和她的女婿和女兒約里奧-居里夫婦、海森伯、費(fèi)米、哈恩等一大串光輝的名字分不開的。到了50、60年代，物理學(xué)家又發(fā)明了激光，它的理論基礎(chǔ)是愛因斯坦1916年提出的光的受激發(fā)射過程。今天激光技術(shù)已廣泛應(yīng)于尖端科學(xué)研究、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊、計(jì)算、軍事和日常生活，成為幾十億、上百億的巨大產(chǎn)業(yè)。

20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)給人類社會(huì)帶來的最大的沖擊，莫過于以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的信息技術(shù)。號(hào)稱“信息時(shí)代”的到來被譽(yù)為“第二次產(chǎn)業(yè)革命”。的確，計(jì)算機(jī)給人類社會(huì)帶來如此廣泛而深刻的變化，是二三十年前任何有遠(yuǎn)見的科學(xué)家都不可能預(yù)見到的?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的硬件核心是半導(dǎo)體集成電路，PN結(jié)是基礎(chǔ)。半個(gè)多世紀(jì)前，巴丁、肖克萊、布賴頓等三位物理學(xué)家發(fā)明了晶體管，標(biāo)志著信息時(shí)代的誕生。從我們物理學(xué)家的眼光看來，這個(gè)嬰兒在娘胎里至少孕育了20年。這就是說，20年代建立量子力學(xué)之后，物理學(xué)家發(fā)展了費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)、能帶論，從此有了電子和空穴的概念。爾后用摻雜的辦法產(chǎn)生了N型和P型的半導(dǎo)體，這才為晶體管的發(fā)明打下基礎(chǔ)。

經(jīng)過約200多年的努力，化學(xué)進(jìn)入現(xiàn)代時(shí)期?？偨Y(jié)起來說現(xiàn)代化學(xué)有五大特點(diǎn)和兩個(gè)發(fā)展方向。

五大特點(diǎn)是

（1）化學(xué)家對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)和研究，從宏觀向微觀深入。20世紀(jì)以來，化學(xué)家已用實(shí)驗(yàn)打開原子大門，深入地了解原子內(nèi)部的情況，并且用量子理論探討原子內(nèi)的電子排布、能量變化等。就是對(duì)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)來說，也可以測量反應(yīng)機(jī)理，了解反應(yīng)過渡態(tài)的情況以及分子、原子間能量的交換。

（2）從定性和半定量化向高度定量化深入。雖然近代化學(xué)也曾廣泛地使用各種定量化工具，但是還只能說停留在定性和半定量化水平。本世紀(jì)60年代后，電子計(jì)算機(jī)大規(guī)模地引進(jìn)化學(xué)領(lǐng)域，用它來計(jì)算分子結(jié)構(gòu)已取得巨大的成功。如今任何化學(xué)論文如無詳盡的定量數(shù)據(jù)就難以發(fā)表，發(fā)表了也難取得公認(rèn)。而且如今化學(xué)實(shí)驗(yàn)的精密度愈來愈高，幾乎所有儀器都是定量化的，有的還用電子計(jì)算機(jī)來控制。

（3）對(duì)物質(zhì)的研究從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)伸展。近代化學(xué)對(duì)物質(zhì)的研究基本上停留在靜態(tài)的水平或從靜態(tài)出發(fā)，推出一些動(dòng)態(tài)情況。例如，從熱力學(xué)定律出發(fā)，通過狀態(tài)函數(shù)的變化，從始態(tài)及終態(tài)情況推斷反應(yīng)變化中一些可能情況。現(xiàn)代化學(xué)已擺脫這種間接研究推理，而采用直接的方法去了解或描述動(dòng)態(tài)情況，特別是激光技術(shù)、同位素技術(shù)、微微秒技術(shù)、分子束技術(shù)在現(xiàn)代化學(xué)里的大規(guī)模應(yīng)用?；瘜W(xué)家目前已能了解皮秒內(nèi)微粒運(yùn)動(dòng)的情況，反應(yīng)中化學(xué)鍵的斷裂以及能量交換等情況。特別值得一提的是有關(guān)動(dòng)態(tài)薛定諤方程的研究，一旦成功它將會(huì)為動(dòng)態(tài)研究開辟光輝前景。

（4）由描述向推理或設(shè)計(jì)深化。近代化學(xué)幾乎全憑經(jīng)驗(yàn)，主要通過實(shí)驗(yàn)來了解和闡述物質(zhì)。雖然也有一些理論如溶液理論、結(jié)構(gòu)理論等可以指示研究方向，但總體來說近代化學(xué)基本上是描述性的。原來化學(xué)中四大學(xué)科（無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)）彼此存在很大獨(dú)立性。然而現(xiàn)代化學(xué)已打破傳統(tǒng)的界限，化學(xué)不僅自身各學(xué)科相互滲透，而且跟物理、生物、數(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科相互交融和滲透。特別是近年量子化學(xué)的發(fā)展，已滲透到各學(xué)科，使化學(xué)擺脫歷史傳統(tǒng)，可以預(yù)先預(yù)測和推理，然后用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證或合成。例如，當(dāng)今許多高難度的合成工作都事先根據(jù)理論設(shè)計(jì)，然后決定合成路線。著名的維生素B12的合成工作就是一個(gè)典范，它標(biāo)志著化學(xué)已從描述向設(shè)計(jì)飛躍。

我自己是學(xué)化學(xué)的，從事學(xué)化學(xué)、教化學(xué)、研究化學(xué)也幾十年了，但現(xiàn)在似乎有點(diǎn)兒不太認(rèn)得了。我覺得世紀(jì)之交，大家要重新有一個(gè)認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)學(xué)科本位的問題。

一門科學(xué)的內(nèi)涵和定義至少有四個(gè)屬性：

整體和局部性科學(xué)是一個(gè)復(fù)雜的知識(shí)體系，好比一塊蛋糕。為了便于研究，要把它切成大、中、小塊。首先切成自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和社會(huì)科學(xué)三大塊。在自然科學(xué)中，又有許多切法。一種傳統(tǒng)的切法是分為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)等一級(jí)學(xué)科。近年來又有切成物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、生態(tài)環(huán)境科學(xué)、納米科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等的分類方法?；瘜W(xué)是從科學(xué)整體中分割開來的一個(gè)局部，它和整體必然有千絲萬縷的聯(lián)系。這是它的第一個(gè)屬性。

學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)和交叉如果把科學(xué)整體看成一條大河，那么按照各門科學(xué)研究的對(duì)象由簡單到復(fù)雜，可以分為上游、中游和下游。數(shù)學(xué)、物理學(xué)是上游科學(xué)，化學(xué)是中游科學(xué)，生命科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等是下游科學(xué)。上游科學(xué)研究的對(duì)象比較簡單，但研究的深度很大。下游科學(xué)的研究對(duì)象比較復(fù)雜，除了用本門科學(xué)的方法以外，如果借用上游科學(xué)的理論和方法，往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科學(xué)之花，可以接下游科學(xué)之木”。具有上游科學(xué)的深厚基礎(chǔ)的科學(xué)家，如果把上游科學(xué)的花，移植到下游科學(xué)，往往能取得突破性的成就。例如1994年諾貝爾經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)授予納什，他在1950年得數(shù)學(xué)博士學(xué)位，1951－1958年任美國麻省理工學(xué)院數(shù)學(xué)講師、副教授，后轉(zhuǎn)而研究經(jīng)濟(jì)學(xué)，把數(shù)學(xué)中概率論之花，移到經(jīng)濟(jì)學(xué)中來，提出預(yù)測經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢的博弈論，因而獲得諾貝爾經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)。

發(fā)展性化學(xué)的內(nèi)涵隨時(shí)代前進(jìn)而改變。在19世紀(jì)，恩格斯認(rèn)為化學(xué)是原子的科學(xué)（參見《自然辯證法》），因?yàn)榛瘜W(xué)是研究化學(xué)變化，即改變?cè)拥慕M合和排布，而原子本身不變的科學(xué)。到了20世紀(jì)，人們認(rèn)為化學(xué)是研究分子的科學(xué)，因?yàn)樵谶@100年中，在《美國化學(xué)文摘》上登錄的天然和人工合成的分子和化合物的數(shù)目已從1900年的55萬種，增加到1999年12月31日的2340萬種。沒有別的科學(xué)能像化學(xué)那樣制造出如此眾多的新分子、新物質(zhì)。現(xiàn)在世紀(jì)之交，我們大家深深感受到化學(xué)的研究對(duì)象和研究內(nèi)容大大擴(kuò)充了，研究方法大大深化和延伸了，所以21世紀(jì)的化學(xué)是研究泛分子的科學(xué)。

定義的多維性一門科學(xué)的定義，按照從簡單到詳細(xì)的程度可以分為：（1）一維定義或X－定義，X是指研究對(duì)象。（2）二維定義或XY－定義。Y是指研究的內(nèi)容。（3）三維定義或XYZ－定義。Z是指研究方法。（4）四維定義或WXYZ定義，W是指研究的目的。（5）多維定義或全息定義。一門科學(xué)的全息定義還要說明它的發(fā)展趨勢、與其他科學(xué)的交叉、世紀(jì)難題和突破口等等。這樣才能對(duì)這門科學(xué)有全面的了解。下面以化學(xué)為例加以說明。

一門科學(xué)的內(nèi)涵和定義至少有四個(gè)屬性：

整體和局部性科學(xué)是一個(gè)復(fù)雜的知識(shí)體系，好比一塊蛋糕。為了便于研究，要把它切成大、中、小塊。首先切成自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和社會(huì)科學(xué)三大塊。在自然科學(xué)中，又有許多切法。一種傳統(tǒng)的切法是分為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)等一級(jí)學(xué)科。近年來又有切成物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、生態(tài)環(huán)境科學(xué)、納米科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等的分類方法?；瘜W(xué)是從科學(xué)整體中分割開來的一個(gè)局部，它和整體必然有千絲萬縷的聯(lián)系。這是它的第一個(gè)屬性。

學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)和交叉如果把科學(xué)整體看成一條大河，那么按照各門科學(xué)研究的對(duì)象由簡單到復(fù)雜，可以分為上游、中游和下游。數(shù)學(xué)、物理學(xué)是上游科學(xué)，化學(xué)是中游科學(xué)，生命科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等是下游科學(xué)。上游科學(xué)研究的對(duì)象比較簡單，但研究的深度很大。下游科學(xué)的研究對(duì)象比較復(fù)雜，除了用本門科學(xué)的方法以外，如果借用上游科學(xué)的理論和方法，往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科學(xué)之花，可以接下游科學(xué)之木”。具有上游科學(xué)的深厚基礎(chǔ)的科學(xué)家，如果把上游科學(xué)的花，移植到下游科學(xué)，往往能取得突破性的成就。例如1994年諾貝爾經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)授予納什，他在1950年得數(shù)學(xué)博士學(xué)位，1951－1958年任美國麻省理工學(xué)院數(shù)學(xué)講師、副教授，后轉(zhuǎn)而研究經(jīng)濟(jì)學(xué)，把數(shù)學(xué)中概率論之花，移到經(jīng)濟(jì)學(xué)中來，提出預(yù)測經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢的博弈論，因而獲得諾貝爾經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)。

發(fā)展性化學(xué)的內(nèi)涵隨時(shí)代前進(jìn)而改變。在19世紀(jì)，恩格斯認(rèn)為化學(xué)是原子的科學(xué)（參見《自然辯證法》），因?yàn)榛瘜W(xué)是研究化學(xué)變化，即改變?cè)拥慕M合和排布，而原子本身不變的科學(xué)。到了20世紀(jì)，人們認(rèn)為化學(xué)是研究分子的科學(xué)，因?yàn)樵谶@100年中，在《美國化學(xué)文摘》上登錄的天然和人工合成的分子和化合物的數(shù)目已從1900年的55萬種，增加到1999年12月31日的2340萬種。沒有別的科學(xué)能像化學(xué)那樣制造出如此眾多的新分子、新物質(zhì)?，F(xiàn)在世紀(jì)之交，我們大家深深感受到化學(xué)的研究對(duì)象和研究內(nèi)容大大擴(kuò)充了，研究方法大大深化和延伸了，所以21世紀(jì)的化學(xué)是研究泛分子的科學(xué)。

定義的多維性一門科學(xué)的定義，按照從簡單到詳細(xì)的程度可以分為：（1）一維定義或X－定義，X是指研究對(duì)象。（2）二維定義或XY－定義。Y是指研究的內(nèi)容。（3）三維定義或XYZ－定義。Z是指研究方法。（4）四維定義或WXYZ定義，W是指研究的目的。（5）多維定義或全息定義。一門科學(xué)的全息定義還要說明它的發(fā)展趨勢、與其他科學(xué)的交叉、世紀(jì)難題和突破口等等。這樣才能對(duì)這門科學(xué)有全面的了解。下面以化學(xué)為例加以說明。

化學(xué)的一維定義

經(jīng)過約200多年的努力，化學(xué)進(jìn)入現(xiàn)代時(shí)期。總結(jié)起來說現(xiàn)代化學(xué)有五大特點(diǎn)和兩個(gè)發(fā)展方向。

五大特點(diǎn)是

（1）化學(xué)家對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)和研究，從宏觀向微觀深入。20世紀(jì)以來，化學(xué)家已用實(shí)驗(yàn)打開原子大門，深入地了解原子內(nèi)部的情況，并且用量子理論探討原子內(nèi)的電子排布、能量變化等。就是對(duì)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)來說，也可以測量反應(yīng)機(jī)理，了解反應(yīng)過渡態(tài)的情況以及分子、原子間能量的交換。

（2）從定性和半定量化向高度定量化深入。雖然近代化學(xué)也曾廣泛地使用各種定量化工具，但是還只能說停留在定性和半定量化水平。本世紀(jì)60年代后，電子計(jì)算機(jī)大規(guī)模地引進(jìn)化學(xué)領(lǐng)域，用它來計(jì)算分子結(jié)構(gòu)已取得巨大的成功。如今任何化學(xué)論文如無詳盡的定量數(shù)據(jù)就難以發(fā)表，發(fā)表了也難取得公認(rèn)。而且如今化學(xué)實(shí)驗(yàn)的精密度愈來愈高，幾乎所有儀器都是定量化的，有的還用電子計(jì)算機(jī)來控制。

（3）對(duì)物質(zhì)的研究從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)伸展。近代化學(xué)對(duì)物質(zhì)的研究基本上停留在靜態(tài)的水平或從靜態(tài)出發(fā)，推出一些動(dòng)態(tài)情況。例如，從熱力學(xué)定律出發(fā)，通過狀態(tài)函數(shù)的變化，從始態(tài)及終態(tài)情況推斷反應(yīng)變化中一些可能情況。現(xiàn)代化學(xué)已擺脫這種間接研究推理，而采用直接的方法去了解或描述動(dòng)態(tài)情況，特別是激光技術(shù)、同位素技術(shù)、微微秒技術(shù)、分子束技術(shù)在現(xiàn)代化學(xué)里的大規(guī)模應(yīng)用。化學(xué)家目前已能了解皮秒內(nèi)微粒運(yùn)動(dòng)的情況，反應(yīng)中化學(xué)鍵的斷裂以及能量交換等情況。特別值得一提的是有關(guān)動(dòng)態(tài)薛定諤方程的研究，一旦成功它將會(huì)為動(dòng)態(tài)研究開辟光輝前景。

（4）由描述向推理或設(shè)計(jì)深化。近代化學(xué)幾乎全憑經(jīng)驗(yàn)，主要通過實(shí)驗(yàn)來了解和闡述物質(zhì)。雖然也有一些理論如溶液理論、結(jié)構(gòu)理論等可以指示研究方向，但總體來說近代化學(xué)基本上是描述性的。原來化學(xué)中四大學(xué)科（無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)）彼此存在很大獨(dú)立性。然而現(xiàn)代化學(xué)已打破傳統(tǒng)的界限，化學(xué)不僅自身各學(xué)科相互滲透，而且跟物理、生物、數(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科相互交融和滲透。特別是近年量子化學(xué)的發(fā)展，已滲透到各學(xué)科，使化學(xué)擺脫歷史傳統(tǒng)，可以預(yù)先預(yù)測和推理，然后用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證或合成。例如，當(dāng)今許多高難度的合成工作都事先根據(jù)理論設(shè)計(jì)，然后決定合成路線。著名的維生素B12的合成工作就是一個(gè)典范，它標(biāo)志著化學(xué)已從描述向設(shè)計(jì)飛躍。

摘要結(jié)合構(gòu)象教學(xué)、立體化學(xué)教學(xué)、反應(yīng)機(jī)理教學(xué)等，簡單地介紹了Chem3D軟件的一些功能及其在有機(jī)化學(xué)多媒體授課中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞Chem3D；有機(jī)化學(xué)；教學(xué)

Chem3D是英國劍橋軟件公司（CambridgeSoftCorporation）所編寫的Chemoffice化學(xué)辦公軟件的一個(gè)組成部分，其界面友好，便于操作，可以顯示分子的立體結(jié)構(gòu)、鍵長、鍵角、分子軌道形狀等，同時(shí)還具有簡單的量子化學(xué)計(jì)算功能，可以對(duì)有機(jī)分子進(jìn)行能量、電荷分布、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等的計(jì)算與模擬。作為一款專業(yè)的化學(xué)形軟件，Chem3D可以為化學(xué)教育工作者［1］，特別是有機(jī)化學(xué)教師在教學(xué)工作中帶來很多便利。下面簡單介紹筆者在有機(jī)化學(xué)［2-3］教學(xué)過程中利用Chem3D軟件的實(shí)踐和體會(huì)。

1在構(gòu)象教學(xué)中的應(yīng)用

環(huán)己烷的構(gòu)象是有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中總是占用大量的時(shí)間，但是教學(xué)效果也并不理想。利用Chem3D可以簡單形象的把環(huán)己烷的兩種經(jīng)典的構(gòu)象椅式和船式［1(a),(b)］展現(xiàn)出來，為教學(xué)提供很多便利。

在授課時(shí)，可以事先在制作的PPT中插入超級(jí)鏈接，然后就可以方便地把已經(jīng)制作好的形文件打開。如1(e)所示，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，可以使模型任意地旋轉(zhuǎn)，讓學(xué)生從不同的角度觀察分子模型，從而可以清楚地辨認(rèn)出e鍵和a鍵的位置以及它們的特點(diǎn)。還可以用鼠標(biāo)選定任意的兩個(gè)氫原子，軟件則自動(dòng)測出兩者之間的距離，從而很方便地說明椅式構(gòu)象沒有空間張力，而船式構(gòu)象存在較大的空間張力。并且通過軟件的ModelDisplay選項(xiàng)，可以控制形顯示或不顯示氫原子，便于學(xué)生分辨出船式和椅式構(gòu)象。