化学类专业的数学基础需要更新换代

所谓的“生化环材”专业,又可称“化类”专业,确实有一些共同的特点。它们最大的共同点应该是:化学是这些专业的核心学科。

现代化学的基石是道尔顿的原子模型。在化学里,我们称“原子是化学反应的最小单元”。这是一个关系到化学学科范畴的一个重要的界定性语言。当然,事实上我们在化学上至少还往原子以下关心到了价电子,但仍然不改变原话的成立。化学反应只关心到原子之间的组合的变化。假设的是原子的种类和数量在化学反应当中是不变的,即“化学反应的质量守恒定律”。

值得一提的重要概念是“分子”。它是基于上述的原子模型,再进行大量实验观察之后总结出来的概念。它的定义我就不在这里重复了。

纯粹的化学,就是仅基于上述的理论模型下的实验科学。具体而言,就是根据上述的模型,观察和测定各种化学反应,写出化学反应式。我们写化学反应式的方式和规则,其实都是承认和遵循上述模型的表现。

也就是说,纯粹的化学仅关心“化学反应式”这一层面,而不关心“原子或分子是如何构成宏观物质的”这一问题。故可想而知,纯粹的化学的实验十分要求“纯物质”,因为事实上现代化学史的大部分阶段化学反应的实验研究都是在宏观尺度进行的,实验上发生反应的不是一、两个原子或分子,而是阿弗加德罗常数量级的原子或分子。要使这样的实验结果能够证实或证伪一条只描述原子组合变化的化学反应式,就必须基于“纯物质”假设,以及使实验尽可能接进(或说必须相信实验相当于满足)纯物质假设。这就使得哪怕是只关心纯粹化学的研究者,也不得不同时研究宏观物质“提纯”问题,从而无法回避今天我们称为“物理化学”所关心的一些问题。

更不用说,化学一旦连接到工业应用,就不可能只停留在反应式。正如一切纯粹科学联接到工业应用后都会加上“工程”二字那样,“化学工程”正是关心化学连接到工业应用后的一切附加问题的学科。无独有偶,我们的现代工业史(无论如何断“工业”的“现代”)中大部分阶段的应用也都是在宏观尺度。所以“化学工程”几乎包括了一切宏观尺度问题。

这一切都使得,现在称为“物理化学”的课程是一切以化学为核心的学科(尤其是工科)除只关心化学反应的“无机化学”、“有机化学”和提纯问题的“分析化学”之外的第四门必修课,与前三门课一齐构成了所谓的“四大化学”。

因为上述的原由而成为必要的所谓“物理化学”,其内容将不会是别的,而正是以下两个主题:1)物质的微观单元(仅化学意义上的)与宏观性质的关系;2)物质的宏观规律。解决第一个问题的科学知识是统计力学(由于只关心化学意义上的微观单元故只需经典统计力学);解决第二个问题的科学知识是(广义的)热力学。这两种知识,恰好是物理学发展出来的,因此我们才称这门课为“物理化学”。括号中的“广义”,是指包括了传质传热等经典非平衡热力学的热力学。事实上,从现有的培养计划来看,《物理化学》课中的热力学部分是平衡态热力学,非平衡态热力学主要由《化工原理》课负责,故《化工原理》也成为了所有化学类专业的“第五门必修课”。在本文我仍用“物理化学”概括实际上的这两门课。

正是因为物理化学就是现代化学的不可或缺的内容。因此,现代化学的发展包括物理化学的发展。如果物理化学所关心的内容已经发展了,化学学科的相关课程的教授内容也应该发展。例如,如果关于“物质的宏观性质与微观单元之间的关系”问题的研究——1)经典力学已不足,量子力学是必须的;2)描述介观结构所需要的数学工具发展了、深化了;3)描述相变、多体相互作用需要用到统计场论……那么这些数学和物理也应该是化学学生的必修,从而发展化学学科的培养方案。

遗憾的是,我们国家的大学化学学科长久以来没有上述所说的这种发展。化学专业的大学生失去了一般大学生应有的价值。这是“生化环材”专业贬值的本质原因。科研领域和行业的凋敝,实际上不过是大学专业早年止步不前培养出来的知识落后“人才”进入了科研领域和工业界并成为主导造成的效应而已,只能说明“生化环材”专业内的人员缺乏在今天的世界工业水平基础上进行创新、创造所需的基本理论已成为染遍相关科研领域与工业界的普遍现象。

“劝退”并不触及“关于这一现象是否需要改变的问题”,因此在这里不评论“劝退”。然而如果具体地,例如有人认为“我国材料领域的创新人才其实已经足够,不需要那么多人才”,那这与本人的观点是相悖的(但其实这个问题也并非劝退者关心的重点)。

若承认“这一现象需要改变”,上述的关于化学学科本质的回顾说明,改变应该在物理化学内容及其所要求的数、理基础的近世化上着手。

只有化学类专业研究者,一个纯粹却又当代的化学家(而不是任何物理学家),才能准确地说出:到底当代化学研究需要哪些数理基础,并为当今的化学学生遴选或编写深度和广度恰当的数学基础和物理基础教材。这原本不是什么新闻——大学教育一向就是建立在研究者同时搞教学上的。任何大学专业,如果在这一点上失效了,它将走向凋敝;长期如此就会导致对应的研究领域和工业也凋敝。从现在的我国大学教、研生态来看,生化环材将不会是仅有的不幸者。

包括本人在内的大量化学研究者,已经是上述的不正常的化学教、研培养下的产物。因此要做到上述要求的改变,一个现在的化学研究者必须:1)既了解化学的现代研究,又参与教学实践;2)具体地,在给学生补充数、理基础之前,自己要补习(因为自己已是不正常产物)。