15分鐘“游戲”，掌握13年科研精髓 人工智能化學(xué)家的理想與堅(jiān)持

圓底燒瓶、球形冷凝管、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀……化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“裝備”一一出現(xiàn)在電腦屏幕上。屏幕右下角的小機(jī)器人提示“取出圓底燒瓶”“打開活塞”。南京郵電大學(xué)大一學(xué)生丁正按照“傅克反應(yīng)—螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯(lián)反應(yīng)虛擬仿真合成”實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的演示進(jìn)行操作。

像丁正這樣，利用一臺(tái)電腦便可以輕松學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)生，在南郵還有很多。在“傅克反應(yīng)—螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯(lián)反應(yīng)虛擬仿真合成”實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目網(wǎng)站首頁(yè)的統(tǒng)計(jì)中顯示，除了課堂教學(xué)需求進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)的學(xué)生外，還有一小部分學(xué)生是自主預(yù)約學(xué)習(xí)，該項(xiàng)目受學(xué)生歡迎的程度可見一斑。

“傅克反應(yīng)—螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯(lián)反應(yīng)虛擬仿真合成”實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，是教育部公布的2018年度國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，是國(guó)家級(jí)“金課”。讓學(xué)生通過(guò)一場(chǎng)化學(xué)“游戲”，掌握十三年的科研精髓。

小偶然引發(fā)的新發(fā)現(xiàn)

“用‘一鍋法傅克串聯(lián)反應(yīng)’來(lái)合成螺芴氧雜蒽(SFX)，是我十三年的科研精髓。”該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授解令海介紹道。

螺芴氧雜蒽是有機(jī)化學(xué)中螺芳烴分子家族的一員。而傅克反應(yīng)—螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法，則是能夠簡(jiǎn)潔、高效合成螺芳烴的方法，并因其操作低成本、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，深受同行和企業(yè)歡迎。

不過(guò)，這種分子和其合成操作方法卻是偶然發(fā)現(xiàn)于一場(chǎng)“失敗”的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。“之所以說(shuō)是失敗的實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)并未合成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的分子。”解令海解釋道。

彼時(shí)，解令海正在復(fù)旦大學(xué)攻讀博士學(xué)位，這一失敗后的產(chǎn)物并未被他忽略掉，在導(dǎo)師的幫助下，他進(jìn)行了進(jìn)一步解析。

“經(jīng)過(guò)核磁共振波譜、氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、單晶衍射等一系列表征與解析過(guò)程后，我們證實(shí)這個(gè)分子是SFX結(jié)構(gòu)。由此，我們進(jìn)一步總結(jié)出了其形成的合成機(jī)理，后來(lái)，通過(guò)不斷優(yōu)化反應(yīng)條件、提高產(chǎn)率，確立了如今這種簡(jiǎn)單、高效的‘一鍋煮’傅克串聯(lián)方法，即SFX的一鍋法。”解令海說(shuō)。

以該法制備螺環(huán)材料還獲得了國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，多篇論文更發(fā)表于相關(guān)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊雜志。該方法因?yàn)樗柙铣杀镜?、化學(xué)操作簡(jiǎn)單，還被韓國(guó)LG、德國(guó)Merk公司等有機(jī)電致發(fā)光(OLED)顯示材料相關(guān)的企業(yè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

從科研到教學(xué)的完美轉(zhuǎn)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(xué)的完美轉(zhuǎn)化。

“科學(xué)創(chuàng)新的中心使命是發(fā)現(xiàn)知識(shí)，在大學(xué)，發(fā)現(xiàn)知識(shí)的目的是為大學(xué)提供前沿的教育素材，將最新發(fā)現(xiàn)不斷轉(zhuǎn)化為課堂教育素材是大學(xué)生生不息的根本。通過(guò)前沿科學(xué)探索，以學(xué)術(shù)論文方式呈現(xiàn)自然與社會(huì)規(guī)律只是第一步;結(jié)合專業(yè)課程，轉(zhuǎn)化為前沿知識(shí)點(diǎn)，引入到課程、課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中反哺教學(xué)，這樣才能讓科學(xué)研究更有意義。”解令海說(shuō)。

借助SFX知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生能夠綜合運(yùn)用有機(jī)化學(xué)中的多個(gè)單元實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課本素材的碎片化。同時(shí)，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，還可以將這部分此前只能教給碩士生的知識(shí)，傳授給本科生，加速了前沿知識(shí)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換效率。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了演示與教學(xué)實(shí)驗(yàn)、練習(xí)與考試實(shí)驗(yàn)、一鍋法拓展實(shí)驗(yàn)、SFX的OLED應(yīng)用實(shí)驗(yàn)四個(gè)項(xiàng)目。學(xué)生通過(guò)演示版學(xué)習(xí)后，點(diǎn)擊不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目即可進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，其布置還原真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景。在類似游戲的界面上，鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖標(biāo)，進(jìn)行拖動(dòng)，即可完成萃取、重結(jié)晶和柱分離等任務(wù)。

除了還原實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作外，版面針對(duì)新手還設(shè)有新手指引。在每一步操作過(guò)程中，諸如在電子秤上放置稱量紙后“歸零”等實(shí)驗(yàn)中不可忽視的小細(xì)節(jié)，也都會(huì)“貼心”地給出提示，規(guī)范學(xué)生操作。

“如果進(jìn)行順利的話，15分鐘時(shí)間就可以做完一個(gè)‘化學(xué)游戲’。學(xué)生在此過(guò)程中，能夠了解傅克反應(yīng)原理、芳烴化合物的傅克反應(yīng)活性，掌握‘一鍋法’制備螺芴氧雜蒽的反應(yīng)原理和方法等，同時(shí)對(duì)動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)產(chǎn)物、芳烴化學(xué)會(huì)有深刻的認(rèn)識(shí)，還能順便了解一些與OLED相關(guān)的產(chǎn)業(yè)知識(shí)。”解令海介紹說(shuō)。

在考試實(shí)驗(yàn)中，平臺(tái)還能根據(jù)學(xué)生操作，進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)分，讓教師及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。在思維拓展實(shí)驗(yàn)中，只有對(duì)反應(yīng)的優(yōu)化條件正確選擇，才能最后通關(guān)，獲得化學(xué)產(chǎn)物。

“這個(gè)平臺(tái)令我在教學(xué)中有的放矢。”該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)第二負(fù)責(zé)人、材料學(xué)院教師劉玉玉每天都會(huì)關(guān)注平臺(tái)的智能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)會(huì)將學(xué)生操作中的錯(cuò)誤點(diǎn)記錄下來(lái)。比如在TOP10錯(cuò)誤點(diǎn)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(cuò)誤。根據(jù)大數(shù)據(jù)分析，讓教師及時(shí)了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的薄弱環(huán)節(jié)。

“學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，可以多次試錯(cuò)，這相當(dāng)于做了多份預(yù)習(xí)報(bào)告，更有助于掌握正確的操作步驟，降低了現(xiàn)實(shí)操作失誤帶來(lái)的危險(xiǎn)。”解令海提醒道，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全性尤為重要。

人工智能化學(xué)家的理想與堅(jiān)持

談及“傅克反應(yīng)—螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯(lián)反應(yīng)虛擬仿真合成”實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的誕生，解令海強(qiáng)調(diào)，“我們的初心是將科學(xué)家自己從實(shí)驗(yàn)室里解放出來(lái)……不只是為了報(bào)項(xiàng)目、拿獎(jiǎng)項(xiàng)而進(jìn)行這樣的創(chuàng)新與嘗試，建立起虛擬仿真合成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是我們新的起跑線。南郵有著信息技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)背景，加之正逢人工智能的熱潮，我們希望通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目及其相關(guān)課程在固化我國(guó)原創(chuàng)化學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)上，培養(yǎng)具有靈活思維能力的跨學(xué)科‘智能+化學(xué)超循環(huán)’人才”。

“大信息”一直以來(lái)都是南郵的特色，這為像解令海這樣有理想肯堅(jiān)持的青年人才提供了特有的環(huán)境與有力的支撐。然而，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，對(duì)于解令海來(lái)說(shuō)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)所面臨的最初挑戰(zhàn)是找到結(jié)合智能與化學(xué)的切入點(diǎn)。在他看來(lái)，經(jīng)費(fèi)不足只是項(xiàng)目建立、探索中的暫時(shí)困難，要讓夢(mèng)想不破，將理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，最終要解決的仍是交叉前沿學(xué)科的學(xué)生培養(yǎng)問(wèn)題。

“經(jīng)過(guò)多年的科研與教學(xué)實(shí)踐，我發(fā)現(xiàn)即便是在研究生中，也有很多學(xué)生思維僵化不夠靈活，對(duì)于知識(shí)的把握較為薄弱。有些學(xué)生是注意力不在學(xué)習(xí)上，有些是知識(shí)能力不足，總之，影響因素是多樣的、原因是個(gè)性的。”解令海分析道。

為了解決這一問(wèn)題，解令海除了建立起虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，還為本科生開設(shè)了《哲學(xué)博士》《知識(shí)發(fā)現(xiàn)之旅》等課程，并在十幾年前就建立起了本碩博互動(dòng)機(jī)制。通過(guò)講好中國(guó)化學(xué)學(xué)者的故事，借助親身經(jīng)歷的探索發(fā)現(xiàn)，力求從多個(gè)維度培養(yǎng)學(xué)生的能力，這也有利于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的傳承固化。

這僅僅是開始，培養(yǎng)跨學(xué)科的人才還面臨更多挑戰(zhàn)。“‘互聯(lián)網(wǎng)+智能+化學(xué)’的思路決定了我們需要更多具有跨學(xué)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(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)，其團(tuán)隊(duì)一直在探索，他很期待后續(xù)能夠把VR技術(shù)用于“傅克反應(yīng)—螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯(lián)反應(yīng)虛擬仿真合成”實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中，加速信息+化學(xué)的交叉學(xué)科人才培養(yǎng)，培養(yǎng)出更多具有學(xué)科交叉融合能力的學(xué)生。

團(tuán)隊(duì)還要迎接另外一個(gè)挑戰(zhàn)——跨學(xué)科人才的缺乏。

“如今，‘傅克反應(yīng)—螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯(lián)反應(yīng)虛擬仿真合成’實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目已經(jīng)取得了一些成果，深受教師和學(xué)生歡迎。今后，我們有信心依托南郵強(qiáng)勢(shì)信息科學(xué)背景和自身化學(xué)專業(yè)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生想象力，跟上時(shí)代步伐，為人工智能化學(xué)培養(yǎng)接班人。”解令海說(shuō)。