在2024年一堂普通的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課上，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的三名大一新生周奕鋮、黃旭豪和湯奕翚正專(zhuān)注地進(jìn)行著“連續(xù)流制備溶劑黃7”的實(shí)驗(yàn)。課程的授課老師嚴(yán)佳駿教授發(fā)現(xiàn)，即便嚴(yán)格按照文獻(xiàn)步驟操作，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果始終呈現(xiàn)出不穩(wěn)定，重現(xiàn)性差的問(wèn)題。

 “為什么文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們做不出來(lái)？”這個(gè)簡(jiǎn)單而直接的問(wèn)題，激發(fā)了三位同學(xué)的研究熱情。在授課老師的鼓勵(lì)下，他們決定將這個(gè)實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為研究課題，開(kāi)啟了一段從學(xué)習(xí)者到知識(shí)創(chuàng)造者的蛻變歷程。

經(jīng)過(guò)多輪嘗試與實(shí)踐驗(yàn)證，他們的相關(guān)成果在近期以“Improved Continuous Flow Synthesis of a Diazo Dye in Teaching Laboratory and its Digitalization”為題發(fā)表于化學(xué)教育領(lǐng)域國(guó)際期刊——美國(guó)化學(xué)會(huì)《化學(xué)教育雜志》（Journal of Chemical Education）。該成果不僅改進(jìn)了流動(dòng)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案，還修正了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理并開(kāi)發(fā)了數(shù)字孿生教學(xué)工具，展現(xiàn)了上科大學(xué)生在科教融合中的創(chuàng)新能力。

師生合照，左起：曹金麗老師、張?jiān)破G老師、黃旭豪、湯奕翚、嚴(yán)佳駿教授、趙亞楠老師

周奕鋮，目前在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校參加3+1交流學(xué)習(xí)

 從課堂疑問(wèn)到科研突破  

該研究源于2023-2024學(xué)年“流動(dòng)化學(xué)（含實(shí)驗(yàn)）”課程的教學(xué)實(shí)踐，嚴(yán)佳駿教授在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)按照文獻(xiàn)步驟操作，學(xué)生們卻無(wú)法穩(wěn)定重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在后續(xù)的探究類(lèi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課上，周奕鋮、黃旭豪和湯奕翚對(duì)此開(kāi)展了研究。

在嚴(yán)佳駿教授和化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心張?jiān)破G等教師的指導(dǎo)下，三位同學(xué)通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和對(duì)比分析，終于揭開(kāi)了問(wèn)題的神秘面紗。他們發(fā)現(xiàn)，原文獻(xiàn)中使用的氫氧化鈉濃度過(guò)低是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。“我們通過(guò)系統(tǒng)性的條件篩選發(fā)現(xiàn)，只有在適當(dāng)提高氫氧化鈉濃度后，實(shí)驗(yàn)才能穩(wěn)定重現(xiàn)?！敝苻蠕呁瑢W(xué)回憶道。

實(shí)驗(yàn)室科研，左起：黃旭豪、湯奕翚、嚴(yán)佳駿教授

這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的具體問(wèn)題，更體現(xiàn)了科學(xué)研究中批判性思維的重要性。研究團(tuán)隊(duì)隨后建立了一套步驟清晰、結(jié)果穩(wěn)定的新實(shí)驗(yàn)方案，成功解決了重現(xiàn)性難題。

連續(xù)流制備溶劑黃7的反應(yīng)步驟示意圖和教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

 深入機(jī)理研究，修正經(jīng)典認(rèn)知

解決了實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性問(wèn)題后，團(tuán)隊(duì)成員并未滿(mǎn)足于此。在整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，他們敏銳地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的疑點(diǎn)：原文獻(xiàn)中報(bào)道的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在顯著差異。

 “這促使我們進(jìn)一步深入探究反應(yīng)的本質(zhì)機(jī)理?！秉S旭豪同學(xué)表示。他們結(jié)合“普通化學(xué)II”課程所學(xué)的動(dòng)力學(xué)知識(shí)，并查閱了1950年代《自然》期刊報(bào)道的經(jīng)典反應(yīng)機(jī)理，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茖?dǎo)驗(yàn)證，最終證實(shí)該反應(yīng)實(shí)際上屬于三級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

討論實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，左起：嚴(yán)佳駿教授、黃旭豪、湯奕翚

這一發(fā)現(xiàn)不僅修正了原有文獻(xiàn)中的認(rèn)知偏差，更展現(xiàn)了本科生從事原創(chuàng)性研究的潛力。新推導(dǎo)的反應(yīng)速率方程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

 開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生體，推動(dòng)教學(xué)普及

為了讓更多學(xué)生能夠受益于這項(xiàng)研究成果，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用建模仿真和人工智能技術(shù)，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)字孿生體。這一創(chuàng)新工具不僅能夠模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，還能幫助學(xué)生深入理解反應(yīng)機(jī)理和裝置原理。

 “即使在沒(méi)有實(shí)體裝置的條件下，同學(xué)們也能通過(guò)數(shù)字孿生體完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。”湯奕翚同學(xué)介紹道。這一創(chuàng)新為解決教學(xué)資源不平衡問(wèn)題提供了新的思路，提高了教學(xué)的可及性。

數(shù)字孿生體主界面

 課程創(chuàng)新培育科研素養(yǎng)  

此項(xiàng)成果的取得得益于“流動(dòng)化學(xué)（含實(shí)驗(yàn)）”課程的創(chuàng)新教學(xué)模式。該課程自2024年春季起由嚴(yán)佳駿教授主講，采用原理講解、基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)和探索性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，引導(dǎo)學(xué)生從課堂細(xì)節(jié)中發(fā)掘科研切入點(diǎn)。

值得一提的是，該研究成果已在第五屆全國(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中獲得二等獎(jiǎng)。論文第一作者為周奕鋮同學(xué)，通訊作者為嚴(yán)佳駿教授，其他作者包括黃旭豪、湯奕翚三位本科生以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的張?jiān)破G、趙亞楠、曹金麗老師。論文已在美國(guó)化學(xué)會(huì)網(wǎng)站以開(kāi)放獲取形式發(fā)表。

2024 年春季參與課程的學(xué)生李霄繪制的流動(dòng)化學(xué)裝置示意圖

這三名本科生的科研故事，正是上科大“科教融合”理念的生動(dòng)寫(xiě)照，學(xué)校通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的創(chuàng)新培養(yǎng)模式，為學(xué)生科研能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)提供了有力支撐。

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論文地址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jchemed.5c00637

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