【中国科学报】15分钟“游戏”,掌握13年科研精髓

——南邮国家级虚拟仿真“金课”

发布者:材料科学与工程学院、信息科学与纳米技术研究院 发布时间:2019-05-23浏览次数:109

    底烧瓶、球形冷凝管、旋转蒸发仪……化学实验中的“装备”一一出现在电脑屏幕上。屏幕右下角的小机器人提示“取出圆底烧瓶”“打开活塞”。南京邮电大学大一学生丁正按照“傅克反应—螺芴氧杂蒽(SFX)的一锅法串联反应虚拟仿真合成”实验教学项目的演示进行操作。

 像丁正这样,利用一台电脑便可以轻松学习化学实验操作的学生,在南邮还有很多。在“傅克反应—螺芴氧杂蒽(SFX)的一锅法串联反应虚拟仿真合成”实验教学项目网站首页的统计中显示,除了课堂教学需求进入虚拟实验室进行学习的学生外,还有一小部分学生是自主预约学习,该项目受学生欢迎的程度可见一斑。

“傅克反应—螺芴氧杂蒽(SFX)的一锅法串联反应虚拟仿真合成”实验教学项目,是教育部公布的2018年度国家虚拟仿真实验教学项目,是国家级“金课”。让学生通过一场化学“游戏”,掌握十三年的科研精髓。

小偶然引发的新发现

“用‘一锅法傅克串联反应’来合成螺芴氧杂蒽(SFX),是我十三年的科研精髓。”该实验教学项目负责人、南京邮电大学材料科学与工程学院教授解令海介绍道。

 螺芴氧杂蒽是有机化学中螺芳烃分子家族的一员。而傅克反应—螺芴氧杂蒽(SFX)的一锅法,则是能够简洁、高效合成螺芳烃的方法,并因其操作低成本、环境友好等优势,深受同行和企业欢迎。

 不过,这种分子和其合成操作方法却是偶然发现于一场“失败”的化学实验。“之所以说是失败的实验,是因为当时并未合成实验目标的分子。”解令海解释道。

 彼时,解令海正在复旦大学攻读博士学位,这一失败后的产物并未被他忽略掉,在导师的帮助下,他进行了进一步解析。

“经过核磁共振波谱、气相色谱—质谱联用技术、单晶衍射等一系列表征与解析过程后,我们证实这个分子是SFX结构。由此,我们进一步总结出了其形成的合成机理,后来,通过不断优化反应条件、提高产率,确立了如今这种简单、高效的‘一锅煮’傅克串联方法,即SFX的一锅法。”解令海说。

 以该法制备螺环材料还获得了国家自然科学奖二等奖,多篇论文更发表于相关领域国际顶级期刊杂志。该方法因为所需原料成本低、化学操作简单,还被韩国LG、德国Merk公司等有机电致发光(OLED)显示材料相关的企业实现商业化。

从科研到教学的完美转化

 然而,解令海从未忘记自己教师的身份,秉承“教研一体化”的理念,完成了一次从科研到教学的完美转化。

“科学创新的中心使命是发现知识,在大学,发现知识的目的是为大学提供前沿的教育素材,将最新发现不断转化为课堂教育素材是大学生生不息的根本。通过前沿科学探索,以学术论文方式呈现自然与社会规律只是第一步;结合专业课程,转化为前沿知识点,引入到课程、课堂与实验教学中反哺教学,这样才能让科学研究更有意义。”解令海说。

 借助SFX知识点,学生能够综合运用有机化学中的多个单元实验,弥补传统实验课本素材的碎片化。同时,依托虚拟仿真实验教学平台,还可以将这部分此前只能教给硕士生的知识,传授给本科生,加速了前沿知识点的转换效率。

 该实验平台设计了演示与教学实验、练习与考试实验、一锅法拓展实验、SFX的OLED应用实验四个项目。学生通过演示版学习后,点击不同实验项目即可进入虚拟实验室,其布置还原真实的实验室场景。在类似游戏的界面上,鼠标点击相应实验设备图标,进行拖动,即可完成萃取、重结晶和柱分离等任务。

 除了还原实际实验操作外,版面针对新手还设有新手指引。在每一步操作过程中,诸如在电子秤上放置称量纸后“归零”等实验中不可忽视的小细节,也都会“贴心”地给出提示,规范学生操作。

“如果进行顺利的话,15分钟时间就可以做完一个‘化学游戏’。学生在此过程中,能够了解傅克反应原理、芳烃化合物的傅克反应活性,掌握‘一锅法’制备螺芴氧杂蒽的反应原理和方法等,同时对动力学与热力学产物、芳烃化学会有深刻的认识,还能顺便了解一些与OLED相关的产业知识。”解令海介绍说。

 在考试实验中,平台还能根据学生操作,进行精准评分,让教师及时掌握学生的学习情况。在思维拓展实验中,只有对反应的优化条件正确选择,才能最后通关,获得化学产物。

“这个平台令我在教学中有的放矢。”该项目团队第二负责人、材料学院教师刘玉玉每天都会关注平台的智能数据管理系统。该系统会将学生操作中的错误点记录下来。比如在TOP10错误点中,柱色谱分离步骤中的“加压色谱柱之前,打开色谱柱活塞”有一百多人操作错误。根据大数据分析,让教师及时了解学生实验中的薄弱环节。

“学生在虚拟仿真实验中,可以多次试错,这相当于做了多份预习报告,更有助于掌握正确的操作步骤,降低了现实操作失误带来的危险。”解令海提醒道,化学实验的安全性尤为重要。

人工智能化学家的理想与坚持

 谈及“傅克反应—螺芴氧杂蒽(SFX)的一锅法串联反应虚拟仿真合成”实验教学项目的诞生,解令海强调,“我们的初心是将科学家自己从实验室里解放出来……不只是为了报项目、拿奖项而进行这样的创新与尝试,建立起虚拟仿真合成实验平台是我们新的起跑线。南邮有着信息技术领域的优势背景,加之正逢人工智能的热潮,我们希望通过这个项目及其相关课程在固化我国原创化学知识基础上,培养具有灵活思维能力的跨学科‘智能+化学超循环’人才”。

“大信息”一直以来都是南邮的特色,这为像解令海这样有理想肯坚持的青年人才提供了特有的环境与有力的支撑。然而,机遇与挑战并存,对于解令海来说,项目团队所面临的最初挑战是找到结合智能与化学的切入点。在他看来,经费不足只是项目建立、探索中的暂时困难,要让梦想不破,将理想变为现实,最终要解决的仍是交叉前沿学科的学生培养问题。

“经过多年的科研与教学实践,我发现即便是在研究生中,也有很多学生思维僵化不够灵活,对于知识的把握较为薄弱。有些学生是注意力不在学习上,有些是知识能力不足,总之,影响因素是多样的、原因是个性的。”解令海分析道。

 为了解决这一问题,解令海除了建立起虚拟实验项目外,还为本科生开设了《哲学博士》《知识发现之旅》等课程,并在十几年前就建立起了本硕博互动机制。通过讲好中国化学学者的故事,借助亲身经历的探索发现,力求从多个维度培养学生的能力,这也有利于科学发现的传承固化。

 这仅仅是开始,培养跨学科的人才还面临更多挑战。“‘互联网+智能+化学’的思路决定了我们需要更多具有跨学科能力的人才参与其中。这样的人才目前还很少。”解令海表示,对于学生的培养,其团队一直在探索,他很期待后续能够把VR技术用于“傅克反应—螺芴氧杂蒽(SFX)的一锅法串联反应虚拟仿真合成”实验教学项目中,加速信息+化学的交叉学科人才培养,培养出更多具有学科交叉融合能力的学生。

 团队还要迎接另外一个挑战——跨学科人才的缺乏。

“如今,‘傅克反应—螺芴氧杂蒽(SFX)的一锅法串联反应虚拟仿真合成’实验教学项目已经取得了一些成果,深受教师和学生欢迎。今后,我们有信心依托南邮强势信息科学背景和自身化学专业,进一步激发学生想象力,跟上时代步伐,为人工智能化学培养接班人。”解令海说。

■本报见习记者 许悦 通讯员 张前


文章来源:《中国科学报》 (2019-05-22 第2版 动态)

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