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“元宇宙+教育” 会碰撞出怎样 的火花？******

　　◎本报记者 张盖伦

　　近日 ，第五届世界教育前沿论坛举行。在该论坛“元宇宙与教育”环节 的尾声 ，北京大学教育学院原副院长 、中国教育技术协会教育游戏专委会理事长尚俊杰向与会嘉宾提了一个问题 ：元宇宙常态化应用到教育领域还需多久 ？这也是近一年来常被探讨的话题 。

　　我国教育信息化经过近十年 的大力推进 ，已经实现了跨越式发展 。教育部提供的数据显示，全国各级各类学校全部接入互联网 ，所有学校出口带宽达到100兆以上 ，接入无线网 的学校数超过21万所 ，99.5% 的中小学拥有多媒体教室 。

　　那么 ，下一个十年 ，像元宇宙这样的新技术又将如何影响教育 ？

　　元宇宙是教育信息化 的高级阶段

　　尚俊杰指出，元宇宙 的本质就 是与现实世界交互融通的数字化交互环境。狭义上，它 是指基于VR/AR、人工智能技术实现 的让人身临其境 的虚拟世界 ；广义上 ，它可涵盖数字世界 的所有概念，从当前的互联网到未来虚实融合 的数字化世界都是元宇宙 。

　　信息技术对教育具有革命性影响，新 的技术，总会给教育变革带来新的可能。尚俊杰总结，元宇宙可以为学生带来更具临场感 、体验感 的学习环境 ，还可以创造混合现实 的学习环境 。

　　不过 ，元宇宙不是教育的万能药 。尚俊杰坦言 ，教育是个“慢领域” ，不要指望有某个技术能突然地变革它。可以把元宇宙看作教育信息化 的高级阶段。长期来看，元宇宙属于颠覆性技术，但短期来看，它 的发展还有许多不确定因素，要重视元宇宙研究 ，为业界实践提供理论指引 。

　　尚俊杰表示，要把教育元宇宙融入教育信息化的长远规划和顶层设计中，明确发展目标和具体方案 ，为教育元宇宙 的健康有序和可持续发展提供政策指导 。

　　他还指出 ，应以教育新基建推动教育元宇宙发展 ，将教育元宇宙纳入教育数字化战略行动方案，加快推进教育专网建设 ，推动5G、VR/AR 、人工智能 、区块链等技术在教育领域广泛落地应用 ，建构智能学习交互等教育新场景。“只有推动教育基建，我们 的元宇宙才可能真正‘搭’起来 。否则 ，如果网络很卡顿，学生就不会有兴趣 。”尚俊杰说。

　　他表示，还需加强教育元宇宙相关技术标准的制定，首先要明确元宇宙 的技术架构和规则，在此基础上 ，根据教育领域 的实际需求 ，面向学生全面健康成长，结合各学科课程内容 、课程标准和相关研究 ，发现教育 的一般规律和特殊规律 ，并进一步总结迭代，形成适用于教育领域 的元宇宙技术标准和伦理规则。

　　各层级教育元宇宙发展各有侧重

　　元宇宙在教育领域的应用，最终仍要落脚到学习上。

　　华东师范大学信息管理系教授许鑫认为 ，元宇宙在高等教育 、基础教育和职业教育领域落地 的典型场景和研发 的重点方向会有不同侧重。

　　在高等教育领域 ，侧重于元宇宙在产教融合方面的落地和社交属性 的体现 ；在职业教育领域，侧重于借助自动化内容生成工具，为数字虚拟场景快速搭建、VR教学资源自动生成 、数字人教师实现等赋能；在基础教育领域 ，则聚焦科学教育，开展学生VR环境下学习能力 、抗压能力测评 的系列研究。

　　值得一提的 是，许鑫强调 ，元宇宙在基础教育领域的应用还需慎重 。此前，他们考虑进行课件的3D转换 ，比如把课堂上立体几何的内容通过3D的方式直接呈现给同学们 。但是研究数学的老师给出了不同的观点——他们担心这样会限制学生 的空间想象力 。“当给学生提供沉浸式学习环境时 ，他们注意力究竟是比以前更集中 ，还是更分散 ？这都需要进一步研究 。”许鑫说。

　　“教育元宇宙 的发展要能够把握教育的本质，不 是为了用技术而用技术，而是真正让技术促进学生 的成长和进步。”许鑫强调。

诺奖问答| 2022 年诺贝尔化学奖授予点击化学和生物正交化学 ，有哪些信息值得关注？******

　　相比起今年诺贝尔生理学或医学奖 、物理学奖 的高冷 ，今年诺贝尔化学奖其实 是相当接地气了。

　　你或身边人正在用 的某些药物 ，很有可能就来自他们的贡献。

　　2022 年诺贝尔化学奖因「点击化学和生物正交化学」而共同授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西、丹麦化学家莫滕·梅尔达、美国化学家巴里·夏普莱斯（第5位两次获得诺贝尔奖 的科学家）。

　　一 、夏普莱斯：两次获得诺贝尔化学奖

　　2001年，巴里·夏普莱斯因为「手性催化氧化反应[1] [2] [3]」获得诺贝尔化学奖，对药物合成（以及香料等领域）做出了巨大贡献。

　　今年 ，他第二次获奖的「点击化学」 ，同样与药物合成有关 。

　　1998年 ，已经是手性催化领军人物的夏普莱斯，发现了传统生物药物合成的一个弊端。

　　过去200年，人们主要在自然界植物、动物 ，以及微生物中能寻找能发挥药物作用的成分，然后尽可能地人工构建相同分子 ，以用作药物 。

　　虽然相关药物的工业化 ，让现代医学取得了巨大的成功。然而随着所需分子越来越复杂，人工构建的难度也在指数级地上升 。

　　虽然有的化学家， 的确能够在实验室构造出令人惊叹 的分子，但要实现工业化几乎不可能 。

　　有机催化 是一个复杂 的过程 ，涉及到诸多的步骤。

　　任何一个步骤都可能产生或多或少 的副产品 。在实验过程中，必须不断耗费成本去去除这些副产品 。

　　不仅成本高，这还是一个极其费时 的过程，甚至最后可能还得不到理想 的产物 。

　　为了解决这些问题，夏普莱斯凭借过人智慧 ，提出了「点击化学（Click chemistry）」 的概念[4]。

　　点击化学的确定也并非一蹴而就 的 ，经过三年的沉淀 ，到了2001年，获得诺奖的这一年，夏普莱斯团队才完善了「点击化学」 。

　　点击化学又被称为“链接化学” ，实质上 是通过链接各种小分子，来合成复杂的大分子。

　　夏普莱斯之所以有这样 的构想 ，其实也是来自大自然 的启发。

　　大自然就像一个有着神奇能力 的化学家 ，它通过少数 的单体小构件，合成丰富多样的复杂化合物。

　　大自然创造分子 的多样性 是远远超过人类的，她总是会用一些精巧 的催化剂，利用复杂的反应完成合成过程 ，人类 的技术比起来 ，实在 是太粗糙简单了。

　　大自然的一些催化过程，人类几乎是不可能完成 的。

　　一些药物研发 ，到了最后却破产了，恰恰是卡在了大自然设下 的巨大陷阱中 。

　　　夏普莱斯不禁在想 ，既然大自然创造的难度，人类无法逾越 ，为什么不还给大自然，我们跳过这个步骤呢 ？

　　大自然有的 是不需要从头构建C-C键，以及不需要重组起始材料和中间体。

　　在对大型化合物做加法时，这些C-C键的构建可能十分困难。但直接用大自然现有 的 ，找到一个办法把它们拼接起来，同样可以构建复杂 的化合物 。

　　其实这种方法，就像搭积木或搭乐高一样 ，先组装好固定的模块（甚至点击化学可能不需要自己组装模块 ，直接用大自然现成 的），然后再想一个方法把模块拼接起来。

　　诺贝尔平台给三位化学家的配图 ，可谓 是形象生动[5] [6]：

　　夏普莱斯从碳-杂原子键上获得启发，构想出了碳-杂原子键（C-X-C）为基础的合成方法。

　　他 的最终目标 ， 是开发一套能不断扩展 的模块，这些模块具有高选择性 ，在小型和大型应用中都能稳定可靠地工作。

　　「点击化学」 的工作 ，建立在严格 的实验标准上 ：

　　反应必须 是模块化 ，应用范围广泛

　　具有非常高 的产量

　　仅生成无害 的副产品

　　反应有很强的立体选择性

　　反应条件简单(理想情况下 ，应该对氧气和水不敏感)

　　原料和试剂易于获得

　　不使用溶剂或在良性溶剂中进行(最好 是水) ，且容易移除

　　可简单分离 ，或者使用结晶或蒸馏等非色谱方法 ，且产物在生理条件下稳定

　　反应需高热力学驱动力（>84kJ/mol）

　　符合原子经济

　　夏尔普莱斯总结归纳了大量碳-杂原子，并在2002年的一篇论文[7]中指出，叠氮化物和炔烃之间 的铜催化反应 是能在水中进行的可靠反应 ，化学家可以利用这个反应，轻松地连接不同 的分子 。

　　他认为这个反应 的潜力 是巨大 的 ，可在医药领域发挥巨大作用。

　　二、梅尔达尔：筛选可用药物

　　夏尔普莱斯 的直觉 是多么地敏锐，在他发表这篇论文 的这一年 ，另外一位化学家在这方面有了关键性 的发现 。

　　他就是莫滕·梅尔达尔 。

　　梅尔达尔在叠氮化物和炔烃反应的研究发现之前，其实与“点击化学”并没有直接的联系。他反而是一个在“传统”药物研发上，走得很深的一位科学家。

　　为了寻找潜在药物及相关方法 ，他构建了巨大 的分子库，囊括了数十万种不同的化合物 。

　　他日积月累地不断筛选 ，意图筛选出可用的药物。

　　在一次利用铜离子催化炔与酰基卤化物反应时 ，发生了意外，炔与酰基卤化物分子 的错误端（叠氮）发生了反应 ，成了一个环状结构——三唑 。

　　三唑 是各类药品 、染料 ，以及农业化学品关键成分的化学构件 。过去 的研发，生产三唑的过程中 ，总 是会产生大量的副产品。而这个意外过程，在铜离子 的控制下 ，竟然没有副产品产生 。

　　2002年，梅尔达尔发表了相关论文 。

　　夏尔普莱斯和梅尔达尔也正式在“点击化学”领域交汇，并促使铜催化 的叠氮-炔基Husigen环加成反应（Copper-Catalyzed Azide–Alkyne Cycloaddition） ，成为了医药生物领域应用最为广泛的点击化学反应 。

　　三、贝尔托齐西：把点击化学运用在人体内

　　不过，把点击化学进一步升华的却 是美国科学家——卡罗琳·贝尔托西 。

　　虽然诺奖三人平分，但不难发现，卡罗琳·贝尔托西排在首位 ，在“点击化学”构图中，她也在C位。

　　诺贝尔化学奖颁奖时，也提到，她把点击化学带到了一个新的维度 。

　　她解决了一个十分关键 的问题，把“点击化学”运用到人体之内，这个运用也完全超出创始人夏尔普莱斯意料之外的。

　　这便 是所谓的生物正交反应 ，即活细胞化学修饰 ，在生物体内不干扰自身生化反应而进行 的化学反应 。

　　卡罗琳·贝尔托西打开生物正交反应这扇大门，其实最开始也和“点击化学”无关 。

　　20世纪90年代，随着分子生物学的爆发式发展 ，基因和蛋白质地图的绘制正在全球范围内如火如荼地进行 。

　　然而位于蛋白质和细胞表面，发挥着重要作用的聚糖，在当时却没有工具用来分析 。

　　当时，卡罗琳·贝尔托西意图绘制一种能将免疫细胞吸引到淋巴结 的聚糖图谱 ，但仅仅为了掌握多聚糖的功能就用了整整四年 的时间 。

　　后来，受到一位德国科学家 的启发 ，她打算在聚糖上面添加可识别 的化学手柄来识别它们的结构。

　　由于要在人体中反应且不影响人体，所以这种手柄必须对所有的东西都不敏感 ，不与细胞内的任何其他物质发生反应 。

　　经过翻阅大量文献，卡罗琳·贝尔托西最终找到了最佳的化学手柄。

　　巧合是 ，这个最佳化学手柄 ，正是一种叠氮化物，点击化学 的灵魂。通过叠氮化物把荧光物质与细胞聚糖结合起来，便可以很好地分析聚糖 的结构。

　　虽然贝尔托西的研究成果已经是划时代的，但她依旧不满意，因为叠氮化物的反应速度很不够理想。

　　就在这时 ，她注意到了巴里·夏普莱斯和莫滕·梅尔达尔 的点击化学反应 。

　　她发现铜离子可以加快荧光物质 的结合速度 ，但铜离子对生物体却有很大毒性，她必须想到一个没有铜离子参与，还能加快反应速度的方式。

　　大量翻阅文献后，贝尔托西惊讶地发现 ，早在1961年，就有研究发现当炔被强迫形成一个环状化学结构后，与叠氮化物便会以爆炸式地进行反应 。

　　2004年 ，她正式确立无铜点击化学反应（又被称为应变促进叠氮-炔化物环加成），由此成为点击化学的重大里程碑事件 。

　　贝尔托西不仅绘制了相应的细胞聚糖图谱，更是运用到了肿瘤领域。

　　在肿瘤 的表面会形成聚糖，从而可以保护肿瘤不受免疫系统 的伤害 。贝尔托西团队利用生物正交反应 ，发明了一种专门针对肿瘤聚糖 的药物 。这种药物进入人体后，会靶向破坏肿瘤聚糖 ，从而激活人体免疫保护。

　　目前该药物正在晚期癌症病人身上进行临床试验 。

　　不难发现，虽然「点击化学」和「生物正交化学」的翻译，看起来很晦涩难懂，但其实背后是很朴素 的原理。一个是如同卡扣般的拼接，一个是可以直接在人体内 的运用 。

「　　点击化学」和「生物正交化学」都还是一个很年轻的领域，或许对人类未来还有更加深远的影响 。（宋云江）

　　参考

　　https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2001/press-release/

　　Pfenninger, A. Asymmetric Epoxidation of Allylic Alcohols: The Sharpless Epoxidation[J]. Synthesis, 1986, 1986(02):89-116.

　　Rao A S . Addition Reactions with Formation of Carbon–Oxygen Bonds: (i) General Methods of Epoxidation - ScienceDirect[J]. Comprehensive Organic Synthesis, 1991, 7:357-387.

　　Kolb HC, Finn MG, Sharpless KB. Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions. Angew Chem Int Ed Engl. 2001 Jun 1;40(11):2004-2021.

　　https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/popular-chemistryprize2022.pdf

　　https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/advanced-chemistryprize2022.pdf

　　Demko ZP, Sharpless KB. A click chemistry approach to tetrazoles by Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition: synthesis of 5-acyltetrazoles from azides and acyl cyanides. Angew Chem Int Ed Engl. 2002 Jun 17;41(12):2113-6. PMID: 19746613.

　　（文图 ：赵筱尘 巫邓炎）