15分钟“游戏”，掌握13年科研精髓

■本报见习记者徐悦和记者张谦

圆底烧瓶、球形冷凝管、旋转蒸发器...化学实验中的“设备”一个接一个地出现在电脑屏幕上。屏幕右下角的小机器人提示“取出圆底烧瓶”和“打开活塞”。南京邮电大学大一新生丁正按照实验教学项目“福克反应-SFX系列反应虚拟仿真合成”的演示进行操作。

像丁正一样，南油仍然有很多学生可以用一台电脑轻松学会化学实验的操作。根据实验教学项目“福柯反应-SFX系列反应虚拟模拟合成”网站主页上的统计，除了需要进入虚拟实验室进行课堂学习的学生外，还有少量学生是自主学习的。这个项目的受欢迎程度是显而易见的。

“福柯反应-螺芴氧杂蒽(SFX)一锅串联反应虚拟模拟合成”实验教学项目是教育部2018年公布的*虚拟模拟实验教学项目，是*“黄金课”。让学生通过化学“游戏”掌握13年科研的精髓。

由小事故引发的新发现

“用一锅法福柯系列反应合成螺芴氧杂蒽(SFX)是我13年科学研究的精髓。”南京邮电大学材料科学与工程学院实验教学项目负责人谢凌海教授说。

螺氟醚呫吨是有机化学中螺芳烃分子家族的一员。一锅法傅克反应-螺芴氧杂蒽(SFX)是一种简单有效的合成螺芳烃的方法，因其操作成本低、环境友好等优点而深受同行和企业的欢迎。

然而，这种分子及其合成方法是在一次“失败”的化学实验中意外发现的。“我们说这是一个失败的实验的原因是没有合成目标分子。”谢灵海解释道。

当时，谢凌海正在复旦大学攻读博士学位。他没有忽视这次失败的结果。在导师的帮助下，他进一步分析了它。

“经过一系列的表征和分析过程，如核磁共振光谱、气相色谱-质谱和单晶衍射，我们已经证实这种分子是SFX结构。因此，我们进一步总结了其形成的合成机理。后来，通过不断优化反应条件和提高产率，我们建立了简单高效的“一锅法”福柯级数法，即SFX一锅法谢凌海说道。

用这种方法制备的螺旋环材料还获得了国家自然科学二等奖，许多论文发表在国际*期刊和相关领域的杂志上。由于所需原料的低成本和简单的化学操作，该方法也被与有机电致发光(OLED)显示材料相关的企业商业化，例如韩国的LG和德国的Merk。

从科研到教学的完美转化

然而，谢灵海从未忘记老师的身份，坚持“教学与科研相结合”的理念，完成了从科研到教学的完美转型。

“科学创新的中心任务是发现知识。在大学里，发现知识的目的是为大学提供尖端的教育材料。最新发现不断转化为课堂教学材料是大学持续发展的基础。通过前沿科学探索，以学术论文的形式呈现自然和社会规律只是第一步。结合专业课程，将其转化为前沿知识点，并将其引入课程、课堂和实验教学，以反馈教学，可以使科学研究更有意义。”谢凌海说道。

借助SFX知识点，学生可以综合运用有机化学中的多单元实验，弥补传统实验教材的不足。同时，依托虚拟仿真实验教学平台，这部分以前只传授给硕士学生的知识也可以传授给本科生，加快了尖端知识点的转化效率。

该实验平台设计了四个项目:演示与教学实验、练习与考核实验、一锅膨胀实验和SFX有机发光二极管应用实验。通过演示版学习后，学生可以点击不同的实验项目进入虚拟实验室，虚拟实验室将被安排恢复真实的实验室场景。在类似游戏的界面上，鼠标点击相应实验设备的图标，拖动它完成萃取、重结晶和柱分离的任务。

除了恢复实际的实验操作之外，这个布局也有新手指南。在操作过程的每一步，在实验中不可忽略的小细节，如将称重纸放在电子秤上后的“归零”，也会给学生提供“亲密”的提示，以规范学生的操作。

“如果进展顺利，你可以在15分钟内完成一场化学比赛。在这个过程中，学生可以了解傅科反应原理、芳香族化合物的傅科反应活性、一锅法制备螺芴氧杂蒽的反应原理和方法等。同时，他们将对动力学和热力学产物、芳香化学有深刻的理解，并且还可以顺便学习一些与有机发光二极管相关的工业知识。”谢凌海说道。

在测试实验中，该平台还可以根据学生的操作准确评分，以便教师及时掌握学生的学习情况。在思维拓展实验中，只有正确选择最佳反应条件，才能获得最终的通关和化工产品。

"这个平台让我在教学中有了明确的目标."项目组第二负责人、材料学院教师刘玉宇每天都在关注平台的智能数据管理系统。该系统将记录学生操作中的错误。例如，在前10个错误点中，超过100人在柱色谱分离步骤中“在给柱加压之前打开柱活塞”时出错。根据大数据分析，让教师及时了解学生实验中的薄弱环节。

在虚拟仿真实验中，学生可以多次尝试出错，相当于做了很多预习报告，更有助于掌握正确的操作步骤，减少实际操作错误带来的危险谢灵海警告说，化学实验的安全性尤为重要。

人工智能化学家的理想与执着

提到实验教学项目“福柯反应——SFX系列反应虚拟模拟合成”的诞生，谢灵海强调，“我们的第一个意图是把科学家们自己从实验室中解放出来...不仅是为了提交项目和获奖而进行创新和尝试，而且建立虚拟仿真综合实验平台也是我们的新起点。南油在信息技术领域有着得天独厚的背景，加上人工智能的兴起，我们希望在巩固原有化学知识的基础上，通过本项目及相关课程，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”一直是南油的特色，它为像谢令海这样有理想并愿意坚持下去的年轻人才提供了独特的环境和强大的支持。然而，机遇和挑战并存。对谢灵海来说，项目团队面临的第一个挑战是找到一个结合智力和化学的突破点。在他看来，缺乏资金只是项目建立和探索的暂时困难。为了让梦想牢不可破，把理想变成现实，最终的解决办法仍然是培养跨学科的前沿学科的学生。

“经过多年的科研和教学实践，我发现即使在研究生中，也有很多学生思维僵化，知识掌握薄弱。一些学生不注意他们的学习，其他人没有足够的知识和能力。简而言之，影响因素是多方面的，其原因是个体的谢凌海说道。

为了解决这一问题，谢灵海不仅设立了虚拟实验项目，还为本科生开设了“哲学博士”和“知识发现之旅”等课程。十多年前，谢灵海建立了硕士生和博士生之间的互动机制。通过讲述中国化学家的故事，利用个人的经验和发现，我们努力从多个维度培养学生的能力，这也有利于科学发现的继承和巩固。

这只是开始，培养跨学科人才仍面临更多挑战。“‘互联网+智能+化学’决定了我们需要更多具有跨学科能力的人才来参与其中。这样的人才仍然很少。”谢令海说，他的团队一直在探索培养学生。他期待将虚拟现实技术应用到“福柯反应-螺芴氧杂蒽(SFX)一锅串联反应虚拟模拟合成”实验教学项目中，加快信息+化学跨学科人才的培养，培养更多具有跨学科融合能力的学生。

该团队还必须应对另一个挑战——缺乏跨学科人才。

“现在，‘福柯反应——SFX系列反应虚拟模拟合成’实验教学项目已经取得了一些成果，受到了师生的好评。未来，我们有信心依托南友强大的信息科学背景和我们的化学专业，进一步激发学生的想象力，与时俱进，为人工智能化学培养接班人。”谢凌海说道。

中国科学新闻(2019-05-22，第二版)