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15分鐘“遊戲”﹐掌握13年科研精髓

來源﹕《中國科學報》2019-05-22 10:20

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  圓底燒瓶﹑球形冷凝管﹑旋轉蒸發儀……化學實驗中的“裝備”一一出現在電腦屏幕上。屏幕右下角的小機器人提示“取出圓底燒瓶”“打開活塞”。南京郵電大學大一學生丁正按照“傅克反應─螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯反應虛擬仿真合成”實驗教學項目的演示進行操作。

  像丁正這樣﹐利用一臺電腦便可以輕鬆學習化學實驗操作的學生﹐在南郵還有很多。在“傅克反應─螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯反應虛擬仿真合成”實驗教學項目網站首頁的統計中顯示﹐除了課堂教學需求進入虛擬實驗室進行學習的學生外﹐還有一小部分學生是自主預約學習﹐該項目受學生歡迎的程度可見一斑。

  “傅克反應─螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯反應虛擬仿真合成”實驗教學項目﹐是教育部公佈的2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目﹐是國家級“金課”。讓學生通過一場化學“遊戲”﹐掌握十三年的科研精髓。

  小偶然引發的新發現

  “用‘一鍋法傅克串聯反應’來合成螺芴氧雜蒽(SFX)﹐是我十三年的科研精髓。”該實驗教學項目負責人﹑南京郵電大學材料科學與工程學院教授解令海介紹道。

  螺芴氧雜蒽是有機化學中螺芳烴分子家族的一員。而傅克反應─螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法﹐則是能夠簡潔﹑高效合成螺芳烴的方法﹐並因其操作低成本﹑環境友好等優勢﹐深受同行和企業歡迎。

  不過﹐這種分子和其合成操作方法卻是偶然發現於一場“失敗”的化學實驗。“之所以說是失敗的實驗﹐是因為當時並未合成實驗目標的分子。”解令海解釋道。

  彼時﹐解令海正在復旦大學攻讀博士學位﹐這一失敗後的產物並未被他忽略掉﹐在導師的幫助下﹐他進行了進一步解析。

  “經過核磁共振波譜﹑氣相色譜─質譜聯用技術﹑單晶衍射等一系列表征與解析過程後﹐我們證實這個分子是SFX結構。由此﹐我們進一步總結出了其形成的合成機理﹐後來﹐通過不斷優化反應條件﹑提高產率﹐確立了如今這種簡單﹑高效的‘一鍋煮’傅克串聯方法﹐即SFX的一鍋法。”解令海說。

  以該法制備螺環材料還獲得了國家自然科學獎二等獎﹐多篇論文更發表于相關領域國際頂級期刊雜誌。該方法因為所需原料成本低﹑化學操作簡單﹐還被韓國LG﹑德國Merk公司等有機電致發光(OLED)顯示材料相關的企業實現商業化。

  從科研到教學的完美轉化

  然而﹐解令海從未忘記自己教師的身份﹐秉承“教研一體化”的理念﹐完成了一次從科研到教學的完美轉化。

  “科學創新的中心使命是發現知識﹐在大學﹐發現知識的目的是為大學提供前沿的教育素材﹐將最新發現不斷轉化為課堂教育素材是大學生生不息的根本。通過前沿科學探索﹐以學術論文方式呈現自然與社會規律祗是第一步﹔結合專業課程﹐轉化為前沿知識點﹐引入到課程﹑課堂與實驗教學中反哺教學﹐這樣才能讓科學研究更有意義。”解令海說。

  藉助SFX知識點﹐學生能夠綜合運用有機化學中的多個單元實驗﹐彌補傳統實驗課本素材的碎片化。同時﹐依托虛擬仿真實驗教學平臺﹐還可以將這部分此前祗能教給碩士生的知識﹐傳授給本科生﹐加速了前沿知識點的轉換效率。

  該實驗平臺設計了演示與教學實驗﹑練習與考試實驗﹑一鍋法拓展實驗﹑SFX的OLED應用實驗四個項目。學生通過演示版學習後﹐點擊不同實驗項目即可進入虛擬實驗室﹐其佈置還原真實的實驗室場景。在類似遊戲的界面上﹐鼠標點擊相應實驗設備圖標﹐進行拖動﹐即可完成萃取﹑重結晶和柱分離等任務。

  除了還原實際實驗操作外﹐版面針對新手還設有新手指引。在每一步操作過程中﹐諸如在電子秤上放置稱量紙後“歸零”等實驗中不可忽視的小細節﹐也都會“貼心”地給出提示﹐規範學生操作。

  “如果進行順利的話﹐15分鐘時間就可以做完一個‘化學遊戲’。學生在此過程中﹐能夠瞭解傅克反應原理﹑芳烴化合物的傅克反應活性﹐掌握‘一鍋法’製備螺芴氧雜蒽的反應原理和方法等﹐同時對動力學與熱力學產物﹑芳烴化學會有深刻的認識﹐還能順便瞭解一些與OLED相關的產業知識。”解令海介紹說。

  在考試實驗中﹐平臺還能根據學生操作﹐進行精准評分﹐讓教師及時掌握學生的學習情況。在思維拓展實驗中﹐祗有對反應的優化條件正確選擇﹐才能最後通關﹐獲得化學產物。

  “這個平臺令我在教學中有的放矢。”該項目團隊第二負責人﹑材料學院教師劉玉玉每天都會關注平臺的智能數據管理系統。該系統會將學生操作中的錯誤點記錄下來。比如在TOP10錯誤點中﹐柱色譜分離步驟中的“加壓色譜柱之前﹐打開色譜柱活塞”有一百多人操作錯誤。根據大數據分析﹐讓教師及時瞭解學生實驗中的薄弱環節。

  “學生在虛擬仿真實驗中﹐可以多次試錯﹐這相當於做了多份預習報告﹐更有助於掌握正確的操作步驟﹐降低了現實操作失誤帶來的危險。”解令海提醒道﹐化學實驗的安全性尤為重要。

  人工智能化學家的理想與堅持

  談及“傅克反應─螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯反應虛擬仿真合成”實驗教學項目的誕生﹐解令海強調﹐“我們的初心是將科學家自己從實驗室裡解放出來……不祗是為了報項目﹑拿獎項而進行這樣的創新與嘗試﹐建立起虛擬仿真合成實驗平臺是我們新的起跑線。南郵有著信息技術領域的優勢背景﹐加之正逢人工智能的熱潮﹐我們希望通過這個項目及其相關課程在固化我國原創化學知識基礎上﹐培養具有靈活思維能力的跨學科‘智能+化學超循環’人才”。

  “大信息”一直以來都是南郵的特色﹐這為像解令海這樣有理想肯堅持的青年人才提供了特有的環境與有力的支撐。然而﹐機遇與挑戰並存﹐對於解令海來說﹐項目團隊所面臨的最初挑戰是找到結合智能與化學的切入點。在他看來﹐經費不足祗是項目建立﹑探索中的暫時困難﹐要讓夢想不破﹐將理想變為現實﹐最終要解決的仍是交叉前沿學科的學生培養問題。

  “經過多年的科研與教學實踐﹐我發現即便是在研究生中﹐也有很多學生思維僵化不夠靈活﹐對於知識的把握較為薄弱。有些學生是注意力不在學習上﹐有些是知識能力不足﹐總之﹐影響因素是多樣的﹑原因是個性的。”解令海分析道。

  為瞭解決這一問題﹐解令海除了建立起虛擬實驗項目外﹐還為本科生開設了《哲學博士》《知識發現之旅》等課程﹐並在十幾年前就建立起了本碩博互動機制。通過講好中國化學學者的故事﹐藉助親身經歷的探索發現﹐力求從多個維度培養學生的能力﹐這也有利於科學發現的傳承固化。

  這僅僅是開始﹐培養跨學科的人才還面臨更多挑戰。“‘互聯網+智能+化學’的思路決定了我們需要更多具有跨學科能力的人才參與其中。這樣的人才目前還很少。”解令海表示﹐對於學生的培養﹐其團隊一直在探索﹐他很期待後續能夠把VR技術用於“傅克反應─螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯反應虛擬仿真合成”實驗教學項目中﹐加速信息+化學的交叉學科人才培養﹐培養出更多具有學科交叉融合能力的學生。

  團隊還要迎接另外一個挑戰──跨學科人才的缺乏。

  “如今﹐‘傅克反應─螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯反應虛擬仿真合成’實驗教學項目已經取得了一些成果﹐深受教師和學生歡迎。今後﹐我們有信心依托南郵強勢信息科學背景和自身化學專業﹐進一步激發學生想象力﹐跟上時代步伐﹐為人工智能化學培養接班人。”解令海說。(許悅  張前)

[ 責編﹕張佳興 ]
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