化学研究中的创新思维

1、化学研究中的创新思维摘要：本文结合化学研究的要求、进展和科学研究中的创新理论，通过重点介绍产生创新思维的过程、条件和具体化学研究中创新性发挥作用的实践，阐述了化学研究中创新思维对本学科发展的推动作用。关键词：化学研究；创新思维；推动发展一、 前言什么是化学？从狭义的角度讲，它是学习、应用、操作原子、离子和分子的学科。广义上讲，它又包括了很多内容，它是提供理解生命过程基础的科学；它能为材料创造各种组分也包括制备材料本身；它是药物的基础；它创造保护农作物的化学物质来保证人类食物的供给，总之，它是囊括能感知的世界中大部分的科学和行业。化学的一个显著特征就是作为主要工业能生产对其相关工业重要的化工产品

2、，并且能生产对其他工业至关重要的产品。例如，聚合物能直接用做涂料，也能作为材料组分之一制备电子元件，汽车元件和生物器件等。化学经历了认识化学现象、化学物质的萌芽阶段，建立原子、分子等物质结构分析的中兴阶段。进入20世纪以后，由于受到自然科学其他学科发展的影响，并广泛地应用了当代科学的理论、技术和方法，化学在认识物质的组成、结构、合成和测试等方面都有了长足的进展，而且在理论方面取得了许多重要成果。20世纪以来，化学发展的趋势可以归纳为：由宏观向微观、由定性向定量、由稳定态向亚稳定态发展，由经验逐渐上升到理论，再用于指导设计和开创新的研究。一方面，化学为生产和技术部门提供尽可能多的新物质、新材料。

3、另一方面，在与其它自然科学相互渗透的进程中不断产生新学科，并向探索生命科学和宇宙起源的方向发展。化学的每一次创新产品都能促进前言科学的进步，例如医学器件、航空、计算机、汽车、燃料等。化学研究推动技术革新，保证社会生活安全。化学研究如同任何科学一样，创新是灵魂，而创新的关键是创新思维，研究者的创新思维推动着化学相关领域的发展。二、 产生创新思维的过程及条件创新思维是人类创造力的核心，是指进行全新构思、联想和创新性设计，不受现成的常规思路的约束，寻求对问题的独特性解答和全新方法的一种思维方式和过程。它具有独创性、广阔性、敏捷性、流畅性和灵活性等特点。即与他人看同样的事物，却能想出和别人不同的想法，

4、表现为思路灵活、新奇、开阔、独特，能扩展思维的空间范围，进行全方位的观察和思考，能综合多种思维形式后协调思维活动。它不仅存在于灵感、想象活动之中，还普遍存在于联想、归纳、分析、抽象、总结、类比、创造等思维形式之中，是一种集独创性、连动性、多向性、跨越性等特征的综合能力表现的思维。它的产生过程需要具备一定的条件，在任何科学研究中都需要这些条件的满足，创新思维才能发挥作用并促进相关领域的发展。1、创新性思维需要想象力作为基础想象力是人类创新的源泉，是在你头脑中创造一个念头或思想画面的能力。人类最早的想象力原于火，一次闪电产生森林大火烧死了很多动物，我们的祖先发现煮熟的食物很好吃，于是改变了以前和动

5、物一样茹毛饮血的生活。看着跳动的火苗想象，想怎么样将火保留下来，想怎么样利用火取暖，想怎么利用火。渐渐就通过想象力创造了文字、语言、科技，发明一些新的事物，能力的增加就开始对未知事物很感兴趣，就开始探索之路。想象力是人类比其他物种优秀的根本原因，因为有想象力，我们才能创造发明，发现新的事物定理。爱因斯坦之所能发现相对论，就是因为他能经常保持童真的想象力。牛顿因为有想象力，所以能从苹果落地，而想象到万有引力这个科学的重大发现。想象力不是生来就有的先天素质，而是后天开拓的结果，它是完全能够培养的一种能力。想象力首先需要积累丰富的知识和生存经验；其次要保持和发展自己的好奇心；再次，应善于捕捉创造性想

6、象和创造性思维的产物，进行思维加工，使之变成有价值的成果。还有，你如果想要把想象力发挥的话，那么你就像个孩子一样去观察这个世界。其次是要把自己的精力放在想象上，这样你的想象力就会很好的发挥。想象力作为一种创造性的认识能力，是一种强大的创造力量，它从实际自然所提供的材料中，创造出第二自然。2、创新性思维需要保持有好奇心人类强烈的好奇心会驱使探究、操作，认知等行为，凡是科学上的重大发现、发明和创造都是在好奇心驱使下产生，好奇心是个体学习的内在动机之一。卓越的科学家，都对科学原理及自然界具有强烈的好奇心，好奇而专注去研究，会导致很多新思想和新发明。爱因斯坦说过：“当我们的头脑里已有的概念同现实世界中

7、遇到的事物和现象发生冲突的时候，我们就感到惊奇，而我们认识的发展就是对这种惊奇的不断摆脱。” 好奇心是创造性人才的重要特征。美国学者希克森特米哈伊在谈到创造性人材的因素好奇心的重要性时，也明确提出，“通往创造性的第一步就是好奇心和兴趣的培养”。科学研究的动力来自人类对于浩瀚无际宇宙和千变万化的大自然的好奇心，正是这些好奇心促使科学家不断探索，推进科学不断向前发展。3、创造性思维需要保持兴趣和激情心理学认为兴趣是人们力求认识某种事物和从事某项活动的意识倾向，它表现为人们对某件事物、某项活动的选择性态度和积极的情绪反应。兴趣在人的实践活动中具有重要的意义，可以使人集中注意，产生愉快紧张的心理状态。

8、这种兴趣为创造性思维发展提供源源不断的动力。对事业的热爱由兴趣而来，没有兴趣就没有创作，科学创新者从热爱的工作中感到无比的喜悦。古人云：知者不如乐者，乐者不如好者。科学创新过程是一个艰苦的历练过程，漫长、枯燥的研究工作需要科研工作者对自己的工作具有强烈的兴趣，而且兴趣恰能激发灵感和人的潜能。有了兴趣就有了创新的激情，激情造就梦想，时刻保持激情与动力，才能有勇气突破一般性思维的常规惯例，突破已有的陈腐观念和陈旧的理论框架，突破科学上的未知王国的层层设防。才能经过思维的创新，能够给出新概念、新判断、新假说、新思想，提出新的方法。4、创新性思维的产生需要知识和能力的积累知识和信息量是科学创新活动中不

9、可缺少的因素。科学工作者的创新思维是知识积累、长期刻苦钻研的结果。积累的过程是量变，而创新的结果则是质变，这符合唯物辩证法事物发展的规律。知识是创新的基础，只有具有丰富的知识，尤其在目前各个学科交叉非常常见的今天，对于多学科知识的掌握和运用都是非常必要的。有了知识的积累，才能利用对事物的认识，了解，想象，联想和判断，来开启创新思维的模式。创新思维所要求的联想、判断、发散思维、灵感思维，都需要以丰富的知识和能力为基础，这种长期的积累是保证思维畅通的重要条件，是促使创造性解决疑难问题，是标新立异突破原有模式的保证，是创造发明的基础。创新思维要求科学工作者具有分析、综合、归类、概括、归纳、演绎、等能

10、力，并将这些综合运用，促进思维能力的快速发展。另外还应学会用系统方法去思考问题，发现事物之间的多重联系，学会逆向思考，善于联想、比较，打破常规去思考。只有具备了独立思考和分析问题、解决问题的实际能力，才能把所学的知识与技术灵活地运用到生活实际和客观世界的改造之中去，才能有力地促进创新能力的发展。三、 创新性思维在化学研究中的实践化学是一门建立在实验基础上的科学，实验与理论一直是化学研究中相互依赖、彼此促进的两个方面。笔者五年的博士研究生涯中，课题以有机化学为手段和方法，利用超分子化学和物理化学的知识背景，构筑天然产物骨架为基础的超分子组装材料体系。期间，接触了有机化学、超分子化学、材料化学等相

11、关知识，通过系统学习参考相关文献，对相关领域的发展也有了系统地了解，知识的积累和认识的加深，让我对化学研究中的创新思维和成果的产生有了更深刻的认识和体会。下面将从有机化学、超分子化学的发展和创新性研究实例中探讨创新性思维的作用。1、有机合成化学的发展及创新有机化学特别是有机合成化学是一门发展得比较完备的学科。在人类文明史上，它对提高人类的生活质量作出了巨大的贡献。自从1828年德国化学家维勒用无机物氰酸铵的热分解方法，成功地制备了有机物尿素，揭开了有机合成的帷幕。有机合成发展的基础是各类基本合成反应，发现新反应、新试剂、新方法和新理论是有机合成的创新所在。不论合成多么复杂的化合物，其全合成可用

12、逆合成分析法（Retrosynthesis Analysis）分解为若干基本反应，如加成反应、重排反应等。一路发展而来，一方面合成了各种有特种结构和特种性能的有机化合物；另一方面，合成了从不稳定的自由基到有生物活性的蛋白质、核酸等生命基础物质。结构复杂的天然有机化合物和药物的合成促进了科学的发展。但是，“传统”的合成化学方法以及依其建立起来的“传统”合成工业，对人类生存的生态环境造成了严重的污染和破坏。化学中清洁工业的需求推动化学家寻求新技术和新方法的创新，于是在传统合成化学的基础上，提出了绿色化学的概念。绿色化学理念提供了发现和应用新合成路线的机会，通过更换原料，利用环境友好的反应条件，能量

13、低耗和产生更少的有毒产品，更多的安全化学品等方法。十几年来，关于绿色化学的概念、目标、基本原理和研究领域等已经迈步明确，初步形成了一个多学科交叉的新的研究领域。1995年美国总统克林顿设立了总统绿色化学挑战奖，旨在奖励在创造性地研究、开发和应用绿色化学基本原理方面获得杰出成就的个人、集体或组织。为了对新一代的化学家产生持久的影响，美国化学会和US EPA合作，提供对人类环境和安全的化学方法和技术。绿色化学要求化学家从一个崭新的角度来审视“传统”的合成化学研究和化工过程，并以“与环境友好”为出发点提出新的化学问题，和化学方法，创造出新的合成技术。作为一个新的适应时代发展提出的创新性研究概念，绿色

14、化学需要深入研究的科学问题。化学家根据绿色化学的原则和要求，通过对传统化学的基本原理和基础方法的借鉴，经过长期的探索与研究，提出了关于绿色化学实施的创新性方法和准则，这些创新的成果，不断推动着绿色化学的发展，促进化学工业的可持续发展。利用绿色化学的原理可以审视和发展有机合成方法学。例如，1991年化学家BMTrost提出了“原于经济性”的概念，它是评估化学反应的效率，即要考察有多少反应物分子进入到最后的产物分子。理想的“原子经济性”反应，应该是反应物有100的原子转化为最终产物中，而没有副产物。“原子经济性”是绿色化学的基本原理之一。传统的有机合成化学比较重视反应产物的收率，而较多地忽略了副产

15、物或废弃物的生成。实现“原子经济性”的目标是一个长的过程，需要科学工作者用“原子经济性”的原则去审视传统有机合成反应，努力开发符合“原子经济性”原则的新反应。化学家认为高选择性、高效的催化反应更符合绿色化学的基本要求，于是创新性催化反应的研究成为热点问题，Knowles，Noyori和Sharpless三位化学家获得了2001年的诺贝尔化学奖，表彰他们在催化不对称反应的研究方面所取得的卓越成就，也说明开展催化反应研究的重要意义。2000年，著名化学家Chi-Huey Wong以在酶促反应所取得的创新性成就获得了美国总统绿色化学挑战奖。Chi-Huey Wong教授认为，设计与发展适于酶促反应的

16、新的底物和利用遗传工程改变酶的催化性质等，都将大大有利于合成工业中的应用。绿色化学是一门新的交叉学科，是对传统有机合成化学的革新性改进，是化学家适应可持续发展提出的创新性理念和方法。它的发展对社会和经济的可持续发展都有重要的意义，应该得到大力支持和发展。2、化学前言-超分子化学的发展及创新超分子化学是上世纪八十年代末才兴起的一门新兴边缘学科，超分子化学的创始人之一Lehn定义超分子化学为超出单个分子以外的化学, 它是研究由两个或两个以上的分子通过分子间超分子作用联接起来具有一定结构和功能的实体或聚集体的结构与功能的学科。它包括在分子水平和结构特征上的信息存储, 以及通过特异性相互作用的分子识别

17、过程实现在超分子尺寸上的修正、传输和处理。超分子化学由于与生命科学密切相关，已经迅速地与有机化学、生物化学和新型材料科学结合起来, 为生命科学的研究和新技术、新材料的开发开拓了一个崭新的领域。超分子化学的创立就是化学创新研究的重要体现，对它的研究超越了分子水平，从分子之间的作用出发。受自然现象启示，如自然界存在着许多和弱的非共价键相互作用密切相关的现象，如通过DNA双螺旋结构所进行的遗传信息的储存和传递，并随着超分子研究的深入，科学家尝试着利用非共价键相互作用从天然和人工设计的结构单元来制备许多包括非共价键聚合物在内的非常复杂的自组装体系。超分子研究的分子聚集体不但在拓扑学上具有重要的意义而且

18、具有非常重要的实际应用，自组装是创造具有新颖结构和功能的分子聚集体的重要手段。超分子化学方面的创新研究与其他学科相互影响，不仅能促进超分子化学的进展，更能利用超分子组装的原理，将传统的化学相联系，推进与其他学科的渗透交叉，往往能推进其他科学的创新进展，如材料化学，催化化学等。例如，借助分子间弱的非共价键相互作用（如静电相互作用、氢键、亲水-疏水作用、-堆积作用），将超分子化学和高分子合成化学紧密结合，利用单体分子在溶液中自组装，来“合成”超分子聚合物是高分子合成化学领域的最新进展之一，也是当前高分子领域内的研究热点。又如，具备高度对称性和精确结构的超分子纳米结构可以用于制备金属纳米材料，形成的

19、金属纳米配位结构材料是一种非常有潜力的新材料。科学家创新性地将超分子主体与金属纳米结构有机的结合在一起，制备了有望用于主客体化学和分子反应器的金属纳米配位结构材料，具有特殊的物理、光电性质和应用前景。超分子化学的研究将更加紧密地与各化学分支相结合，化学家通过创新性的思维，将主客体化学与有机合成化学、生物化学和配位化学互相促进,为生命科学、能源科学等共同做出了巨大贡献。四、 总结化学研究中每一次大的进展，都是科学家经过前期知识的积累，在实验事实的基础上，大胆提出创新的想法和概念，再经过无数实验事实反复验证，得到成熟的结果。创新结果与成就不会凭空而来，它必须经过创造者知识的积累，灵感的捕捉，坚持不懈地探索。只有热爱这项事业的人才能有强烈的欲望和好奇心去发现化学的魅力，才能推进化学不断向前发展，为人类创造更多的价值。但是，没有知识积累的创新思想只能是凭