浅谈大学里的化学专业

供稿|王东瑞

什么是化学？化学主要学什么？学了化学以后能干什么？这些问题可能是在大家刚上中学接触了化学课、甚至在更小的时候碰巧知道了“化学”这个词以后，就会在脑子里萦绕的一些问题。然而大多数人仍然缺乏对于化学内涵的深刻理解，甚至对于化学存在很多误解和偏见。

化学究竟是什么？

经过中学化学的学习，大家肯定已经掌握了很多化学知识，对于物质、元素、反应等等名词一定不陌生。那么究竟什么是化学呢？想清清楚楚地回答好这个问题并不容易。说到化学，大家脑子里浮现的也许是这个刻板的概念：化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、应用以及它们和物质性质的关系。这个概念当然没问题，可显然通过这个概念我们还不能准确知道什么是化学。

事实上，化学没那么复杂、也并不那么高深，化学是应用性非常强的一个学科，是同我们每一个人的日常生活最密切、最息息相关的一门核心的自然科学。我国著名高分子化学家、前北京大学和吉林大学校长周其凤院士曾写过一首题为《化学是你、化学是我》的歌，在网络上曾被传为“神曲”。这里我们不谈音乐，如果关注这首歌的歌词，我们会读到一位对于“化学”有着深刻理解的学者对这个专业名词的描述：父母生下的你我，是化学过程的结果；你我的消化系统、记忆、思维活动也是化学过程；我们要穿衣、吃饭，也要靠化学提供。图1中展示的书法作品[1]也能折射出周院士对化学的深刻理解。

图1 中国科学院院士、北京大学教授周其凤先生的作品(图片源自《世界科学》杂志2019年第4期大家栏目 http://www.worldscience.cn/qk/2019/4y/djkjqy/597349.shtml)

诚然，如果我们细心地去发现和体会，就会认可这样一个事实：我们生活里的衣食住行方方面面接触到的物质，甚至我们人的生命和一切生命活动，都是化学[2]。就拿2020年春天我们经历的这场史无前例的新型冠状病毒疫情来说吧，从一线医护人员抗击新冠病毒所采用的药品、医疗器械设备、防护服、护目镜等，到普通人日常生活里个人防护经常使用的口罩、消毒喷雾、洗手液等，这些产品的发明、制造、使用，全部都有化学知识的运用和化学研究的功劳在里面。所以，具象地说，化学就是不断发明和创造新的、对我们人类生活有益的分子和物质，来提高人们的生活质量。在这个过程中，化学衍生出了两大核心任务[3]：一是设计和高效率地制造有用的分子；二是探索物质的鉴定和化学分析方法、以及化学反应如何发生和进行的机理问题。所产生的化学知识有利于帮助人们获得更多、更好的由新物质构成的新产品，同时也有利于产生一些有用的技术对生产过程进行严密的监测并控制产品质量、对环境变化进行监测和评估、对健康相关的生理指标进行监测和评估，更进一步地，可以用于设计和制造抗癌药物、人工器官等，大幅延长人类的寿命和生存质量。从哲学的角度来说，化学是通过揭露我们生活的这个世界中分子的复杂性，探讨它们和人类及其他生物之间的关系来深刻认识物质世界的一门自然科学。

化学的作用也可以通过一个有关诺贝尔奖奖牌的小知识来体现。诺贝尔化学奖是举世闻名的自然科学奖，可能是全世界范围内最有影响力的化学奖，按照诺贝尔本人的遗愿，每一年颁发给做出了最重要的化学发明或进步的人(to the person who shall have made the most important chemical discovery or improvement)。颁发的奖牌正面是诺贝尔的头像，背面则浮雕了两位女神(见图2)，左边是手拿丰饶之角(Cornucopia)的母性与生育之神伊西斯(Isis)，丰饶之角是一个羊角，里面装满了鲜花、水果、谷物等等；右边的是科学女神，她正掀开伊西丝的面纱，意思是用科学破解神秘现象。同时背面还铭刻了一句拉丁文，“Inventas vitam iuvat excoluisse per artes”，意思是“用发明改善美好生活”。这个奖牌的设计非常典型地反映出，化学这门科学最重要、最关键的部分正是在于为了人类的美好生活去揭示、去发明、去创造。顺便一提，诺贝尔本人正是一位成功的化学家和化学工程师。

图2 诺贝尔化学奖奖章背面照片(源自诺贝尔奖网站https://www.nobelprize.org/prizes/facts/the-nobel-medal-for-physics-andchemistry-2)

化学的研究前沿

作为一门基础、重要的学科，化学有着悠久、辉煌的历史，那些化学大师们充满智慧的发现、创造至今仍在影响着我们的生活和对这个世界的认知。已经有很多科普书籍谈及化学史，不再赘述。这里简单谈一谈当代的化学人都在关注哪些前沿问题。

我们都知道，当今世界人类社会面临的重要挑战在于能源和环境。化学在应对这些挑战过程中发挥着举足轻重的作用。为了应对石油、煤炭等化石能源的危机，为了减轻日益增长的人口带来的环境污染压力，人们正在尝试运用化学知识去设计、制造更高效、更绿色的能源形式，比如我们耳熟能详的太阳能电池，除了已经大规模商用的基于单晶硅和多晶硅的无机太阳能电池之外，全世界的实验室里化学家们还在积极探索更先进的有机薄膜太阳能电池、钙钛矿电池等；在能源存储领域，过去的几十年间我们使用的电池经历了从铅酸电池、干电池、镍锰电池、镍氢电池到锂离子电池的快速变迁，为了追求更高能、更安全、造价更低廉的储能技术，化学家们仍然在孜孜不倦地开发氢燃料电池、液流电池、锂硫电池、金属-空气电池等，这些能源器件的发展都离不开对化学反应的深刻理解、对材料分子的精准操控。同时，为了更好地利用地球上有限的资源、更好地保护环境，发展环境友好的催化剂、使化学反应可以在室温和水相中高效进行的“绿色化学”理念也越来越受到重视。

生物化学也是化学学科重要的科学分支之一。在这个领域，积极探索化学原理与生命活动之间的关系，进而发展基于这些原理的材料和技术来改善生命体的生存质量是非常有挑战的课题。生命是一种分子行为，是由多种分子、催化剂和各种化学反应所构成的一种奇妙的复杂化学网络，这种理念目前已经取得共识。然而对于生命体或者细胞是如何由没有生命的化学物质和化学反应组合而变得有生命的，仍然缺乏深层次的理解，而这些理解对于设计和制造人造器官甚至人造生命、改善人类的生存质量等有着积极和重要的影响。此外，我们的思维活动也是一个化学过程，大脑的神经活动与神经递质、蛋白质、细胞膜的电化学电位等物质和反应过程有关。同样地，我们对这一化学过程与大脑对信息识别、加工和存储等认知活动的关系认识得还比较肤浅。如何揭示神经活动深层次的科学原理，对于神经医学、脑机接口等领域的发展至关重要。另外，在包括癌症在内的各种困难疾病诊断、治疗方面，综合化学、材料、医学方面的知识，有针对性地发展靶向化学治疗药物、以及先进的诊疗和康复方法等，都是举世关注的热门前沿课题。

另外需要指出的是，在这个知识爆炸的时代，学科与学科之间的界限正逐渐变得模糊，学科交叉和融合已经成为一个重要的发展趋势。今天大学里的化学专业，早已经突破了传统的无机化学、有机化学、物理化学、分析化学四大二级学科的划分藩篱，正在向综合性更高、交叉性更强的方向快速发展。当今的化学已经同包括数学、物理、生物和生命科学、化学工程、材料科学、电子和自动化、医药卫生、甚至计算机在内的多个学科交叉合作，产生了许多新兴的领域和知识。例如借助计算机和自动化技术的发展，当前高精尖的化学合成已经变得自动化、微型化、机器人化，计算机程序可以对合成路线进行筛选和设计、对起始底物和成本进行成本经济核算，一些复杂分子比如药物和蛋白质片段的合成可以在芯片上自动化完成。化学这门迷人的科学，仍然在不断萌发新芽。

化学类专业毕业生的就业前景

正是由于“化学”学科的知识特点和独特作用，学习化学尤其是高等化学在就业方面的选择余地非常宽泛，就业薪酬水平良好。就业去向首要选择是在化学品、化学工程相关企业、科研院所从事管理、研发等技术性较强的工作。2019年《财富》杂志公布的世界500强企业中，化学化工类企业有80家左右。上榜中国企业有129家，其中化学化工类企业近50家，中石化、中石油分别排名世界第二、第四。这份榜单说明化学化工类企业在国民经济中发挥着举足轻重的重要地位，同时也为化学相关专业的毕业生创造了众多的就业岗位。一份调查报告显示，2018年中国大学专业薪酬排名中，“应用化学”专业排名高居第四名。

此外，学习化学专业并不意味着职业生涯被限定在化学、化工领域，化学知识尤其是对客观世界复杂性的理解也有助于深入理解其他学科门类的知识，从而转行进入管理、金融、互联网等领域，成为跨领域的专门人才。社会知名人士中化学专业出身的不胜枚举，例如德国总理默克尔在大学里学习的就是化学专业。

北京科技大学的化学专业

北京科技大学化学学科发轫于北京钢铁学院建校伊始的基础部化学专业，自1979年开始招收研究生，1981年开始招收本科生。经过60余年的发展，现已成为拥有化学一级学科博士和硕士授予权、以理为主、理工结合的高水平人才培养单位。拥有“功能分子与晶态材料科学与应用”北京市重点实验室、“生物工程与传感技术”北京市重点实验室和农业部“农药残留与环境毒理实验室”三个省部级重点实验室。学科排名方面，北京科技大学化学学科自2012年起连续多年进入ESI排名世界前1%，且排名逐年上升。在2018年教育部第四轮学科评估中进入B档，跻身国内高校化学专业前20%～30%。

一直以来，北京科技大学化学专业以为我国社会主义建设事业培养具有国际化视野、较强创新能力和实践应用能力的化学人才为使命，培养了一批又一批优秀人才。近五年，北京科技大学化学与生物工程学院的应用化学专业本科生深造率(读研率)一直在维持在60%以上，多数毕业生可以通过免试、考试等多种渠道进入清华大学、北京大学、中国科学院大学、香港大学和本校进行研究生阶段的学习，也有很多优秀同学赴美国、英国、德国等海外知名大学留学。北科大化学系也与很多科研院所、企事业单位建立了良好关系，在航空航天院所、电信业和互联网公司(如华为、阿里巴巴、中芯国际)、汽车制造业(如北京奔驰、北京现代、一汽大众)、钢铁企业(如宝武集团、中铁集团)等各大行业中均活跃着北科大化学专业的毕业生。