諾貝爾化學獎中的科學機遇探研及啟示

科學機遇在人類科學發(fā)現(xiàn)過程中起著非常重要的作用，本文總結和梳理了諾貝爾化學獎項中出現(xiàn)的科學機遇典型實例，對發(fā)現(xiàn)和捕捉科學機遇進行了特征分析。諾貝爾獎中的科學機遇體現(xiàn)了豐富的創(chuàng)新思想，是獲得創(chuàng)新性成果的重要途徑，同時其科研過程引人入勝，也富含豐富的思政元素。在高校開展諾貝爾獎科學機遇的教育教學有助于學生理解科學機遇這一科學現(xiàn)象，提高發(fā)現(xiàn)和捕捉科學機遇的能力，引導學生樹立創(chuàng)新思維和提升科學素養(yǎng)，培養(yǎng)全面發(fā)展的社會主義高素質(zhì)創(chuàng)新人才。

科學機遇是指探索未知世界過程中，由于意外、偶然的事件導致科學上的新發(fā)現(xiàn)新發(fā)明，科學機遇屬于科學發(fā)現(xiàn)過程中的一種非理性因素。恩格斯指出：“如果偶然性不起任何作用的話，那么世界歷史就會帶有非常神秘的性質(zhì)?！笨茖W機遇在人類科學發(fā)現(xiàn)過程中起著非常重要的作用，多個重要的發(fā)明或發(fā)現(xiàn)都是偶然性的機遇獲得的，典型的例子是倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，以及弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素等。諾貝爾獎是當前國際科技前沿領域的最高獎項，代表科技發(fā)展的最高水平，對各學科的發(fā)展有著舉足輕重的引領指導作用，從1901年開始頒發(fā)以來，諾貝爾獎已經(jīng)頒發(fā)近120次。實踐證明，將諾貝爾獎的先進成果引入高校課程中，會顯著提高學生學習的積極性，使學生掌握科技發(fā)展趨勢，提高教_{ec99875443097610470ebbc9f8e33f39}學效果。在諸多諾貝爾獎項中，部分重要的創(chuàng)新成果是通過科學機遇獲得的，這種科學機遇的出現(xiàn)其實存在著一定的規(guī)律性，同時發(fā)現(xiàn)和捕捉這種科學機遇需要正確的認知和方法，掌握這種規(guī)律和方法無疑對有效地發(fā)現(xiàn)和捕獲科學機遇、對提升創(chuàng)新思維和能力有較好的推動意義。但當前很多高校學生對科學機遇的認知仍然不足，重視程度不夠，因此本文總結了諾貝爾化學獎中科學機遇的典型實例，并輔以諾貝爾物理和生理學或醫(yī)學獎的經(jīng)典案例，對發(fā)現(xiàn)和捕捉科學機遇進行了特征分析，相關內(nèi)容有助于學生更好地理解科學機遇這一科學現(xiàn)象，提高發(fā)現(xiàn)和捕捉科學機遇的能力，引導學生樹立創(chuàng)新思維和提升科學素養(yǎng)。

1 諾貝爾化學獎中的科學機遇

科學機遇一般可以分為同向機遇和異向機遇，前者與預測的研究方向根本上一致，由于偶然或意外的原因大大加快了目標實現(xiàn)的進程，這種機遇是在科學發(fā)現(xiàn)的既定方向上起作用的。后者則是研究某種預期的現(xiàn)象，但在實踐過程中卻意外發(fā)現(xiàn)了另一事物或意外發(fā)現(xiàn)完全不同甚至更重要的現(xiàn)象。值得注意的是，同向機遇中包括非邏輯的思想或念頭，或者說一個閃念，給出了問題的答案，這就是直覺或靈感，也會大大加快預期科學研究的實現(xiàn)。

下表列出了十項因為科學機遇獲得成果的典型諾貝爾化學獎項，值得說明的是絕大多數(shù)諾貝爾獎成果的取得都是復雜和長期的科研進程，都會遇到或大或小偶然性的科學機遇，表中總結的是比較典型、影響較為重要的十項。

（1）同向機遇。1904年拉姆塞由于發(fā)現(xiàn)惰性氣體元素獲得諾貝爾化學獎，拉姆塞的成果源于另一位科學家瑞利對氮氣密度的測定。瑞利在1892年發(fā)現(xiàn)，由空氣除氧后得到氮氣的密度是1.2572g/L，由氨氣制備的氮氣密度是1.2508g/L，瑞利無法解釋這一微小差異，便將實驗結果公布征求解答。拉姆塞偶然看到瑞利的公開報道后，敏銳地預測到空氣中含有一種比氮氣更重的元素，其后他和瑞利合作，分離得到了這種稀有氣體——氬，這就是科學史上著名的“第三位小數(shù)”的勝利，因此拉姆塞對這一機遇的把握主要源于他敏銳的判斷力和預測力。

齊格勒和納塔于1963年因為齊格勒-納塔催化劑實現(xiàn)乙烯和丙烯的聚合獲得諾貝爾獎，該催化劑先是齊格勒于1949年開始研制，1953年研制成功，其間便經(jīng)歷了無數(shù)次波折，也有不少意外的驚喜。一次實驗時，齊格勒的助手借助三氫化鋁與乙烯生成三乙基鋁，促成反應的溫度條件應該是60～80攝氏度。實驗開始后，齊格勒的助手并未注意到對反應溫度的控制，當助手看溫度計時，溫度已經(jīng)上升到100攝氏度了。若不斷通入乙烯，反應器內(nèi)的氣體壓強就會增大，可能還會引起爆炸。雖然情況有些危險，齊格勒還是很鎮(zhèn)定，而且仔細觀察之后，齊格勒發(fā)現(xiàn)，雖然乙烯繼續(xù)通入反應器中，但反應器內(nèi)的壓強并未升高，這次意外的實驗反而證實了溫度在100度時，乙烯在催化劑作用下成功聚合了。1953年齊格勒實驗成功后，將催化劑技術轉(zhuǎn)讓給一家意大利公司，恰好納塔是這家公司的顧問，他敏銳地發(fā)現(xiàn)其價值，轉(zhuǎn)而用該催化劑聚合丙烯取得成功，后來又陸續(xù)聚合了丁烯等，實現(xiàn)了定向聚合工藝，大大拓展了催化劑的適用范圍，與齊格勒同獲了1963年諾貝爾化學獎。納塔敏銳地捕捉到這一機遇，與前述拉姆塞發(fā)現(xiàn)氬氣有類似之處。

第三個例子，田中耕一在獲得諾貝爾獎之前只是島津公司的一名普通職員，沒有碩士學位和博士學位，但他淡泊名利，踏踏實實從事質(zhì)譜的科研工作，為了獲得穩(wěn)定的蛋白質(zhì)分子離子峰，十幾年如一日，不厭其煩地嘗試各種電離方式、溶劑等條件，經(jīng)歷無數(shù)次失敗，但鍥而不舍。一次偶然的實驗錯誤，他將納米鈷加到了甘油里，由于納米鈷昂貴，不舍得丟棄，便抱著試試看的心理，進行了后面的離解實驗，出人意料的是發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的分子離子峰，田中耕一這次實驗錯誤可以說是最具戲劇性和最幸運的一次意外了。

最后穆利斯發(fā)明聚合酶鏈式擴增技術（PCR）則源于靈感，在經(jīng)歷了反復的實驗失敗和冥思苦想后，1983年的一天，穆利斯在一次旅行中前往鄉(xiāng)間，在欣賞路邊的自然風光時，他的思緒逐漸又回到實驗室DNA序列試驗上，突然靈光一閃，一個想法冒出來，在一瞬間閃電般解決了DNA化學中最惱人的問題，這就是目前在醫(yī)學和生物學上廣泛應用的、實現(xiàn)了DNA大量復制PCR。

（2）異向機遇。彼德森發(fā)現(xiàn)冠醚是1962年在杜邦公司工作時，在合成雙（鄰羥基苯氧基）-乙基醚時，意外發(fā)現(xiàn)了一種分子結構形似皇冠的大環(huán)聚醚化合物，彼德森系統(tǒng)研究了該化合物的合成方法以及性質(zhì)，他稱之為冠醚，并因此獲得1987年化學獎。其他三個異向機遇的例子也有類似的發(fā)現(xiàn)過程。白川英樹發(fā)現(xiàn)導電聚合物是因為助手不熟悉日語，做實驗添加催化劑時，用量增加了上千倍，結果產(chǎn)物里有片狀副產(chǎn)物，白川英樹沒有棄之不顧，而是耐心研究其性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其有一定的導電性，這就是最初的導電聚合物。阿格雷發(fā)現(xiàn)水通道蛋白，也是從血液細胞中分離Rh蛋白時得到的一種副產(chǎn)物，與目標蛋白毫不相干。謝赫特曼發(fā)現(xiàn)準晶體則是在觀察鋁錳合金原子時，發(fā)現(xiàn)了一種“反常理”的不重復的非周期性對稱有序方式排列的原子，按照當時的理論，具有此種原子排列方式的固態(tài)物質(zhì)是不存在的。

（3）同向和異向機遇并存?？肆_托發(fā)現(xiàn)C60源于其研究恒星大氣層和氣云中發(fā)現(xiàn)了長鏈碳，此后在一次國際會議上偶然結識了美國賴斯大學的斯莫利和柯爾，此后便與二人合作，使用激光超聲速束光儀在實驗室模擬恒星環(huán)境中碳的反應，意外發(fā)現(xiàn)了碳的團簇結構，這是異向機遇的發(fā)現(xiàn)過程。此后對于C60的結構三人發(fā)生了熱烈的討論，斯莫利整日冥思苦想，一天晚上，從廚房冰箱里找出一瓶啤酒，突然想起克羅托和他孩子一起搭建的多面體星穹模型，一直苦苦思索的C60結構，不就是與美國著名建筑設計師富勒為1967年蒙特利爾世博會設計的由多個五邊形和六邊形拼接成的美國展覽館類似嗎，斯莫利連夜用20個正六邊形和12個正五邊形拼成了一個60個頂點的C60分子結構模型，并命名為富勒烯。

下村修發(fā)現(xiàn)綠色熒光蛋白，是從水母中提取水母素時，偶然發(fā)現(xiàn)一種在紫外光下發(fā)出強烈綠色的蛋白，這個毫不起眼的“副產(chǎn)品”卻最終成為生物科學史上的一個重量級角色。在研究熒光蛋白發(fā)光機制時，1961年的一個仲夏之夜，獨自工作到很晚的下村修身心疲憊，覺得中和了酸性的水母抽提液已沒有多大用處，就將其倒入水槽后收工。關燈出門前他下意識地回望了一眼，驚訝地看到剛倒入抽提液不久的水槽中發(fā)出閃亮的藍光，善于思考的下村修開始分析這一現(xiàn)象背后的原因，第二天他注意到旁邊一個養(yǎng)魚缸的海水也流入同一個水槽，于是推斷海水中的某種物質(zhì)把水母抽提液的弱光激發(fā)成了強光。沿著這個思路，下村修用“加減法”逐個排查海水中濃度較高的離子組分，很快發(fā)現(xiàn)鈣離子可以在瞬間激發(fā)水母抽提液中的發(fā)光蛋白。

2 發(fā)現(xiàn)和捕捉科學機遇的特征分析

2.1 敏銳的觀察力和判斷力，對科學研究周密細致地思考

科學機遇的出現(xiàn)往往是偶然的不可預測的，因此在科學研究中必須有充分的準備，對出現(xiàn)的異常要有足夠的警覺。法國微生物學家巴斯德說：機遇只留給那些有準備的人。表中列示的十位諾貝爾獎獲得者都具有很強的觀察力，能夠把握實驗中出現(xiàn)的微小異常，例如拉姆塞敏銳地發(fā)現(xiàn)“第三位小數(shù)”微小的差異可能是空氣中含有更重的未知的氣體元素，瑞利的文章發(fā)表后，必然很多人都看到，但都作為實驗的誤差來對待，只有細心的拉姆塞抓住機遇，給出了不同的判斷，才有最后的成果。

2.2 鍥而不舍的科研精神和執(zhí)著的追求

一方面，機遇出現(xiàn)前都經(jīng)歷了勤奮的科學探索，機遇出現(xiàn)后，對發(fā)現(xiàn)的新事物反復地研究和確證。機遇不是“碰運氣”，是以豐富的科學知識和勤奮努力為基礎。齊格勒1953年研制成功齊格勒-納塔催化劑，但在1949就已經(jīng)開始催化劑的研發(fā)工作了，經(jīng)歷了無數(shù)次的嘗試和探索。田中耕一偶然發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的軟電離技術，但之前已進行了多年研究，有過無數(shù)次的失敗。即使是靠直覺靈感解決難題的穆利斯以及斯莫利，也先是經(jīng)歷了長期科研探索和冥思苦想，當環(huán)境改變時，思想跳出固有思維的束縛和局限，柳暗花明，找到解決問題的方法。另一方面，機遇只是提供了解題線索，發(fā)現(xiàn)機遇后，還需要后面反復的實驗和驗證。例如白川英樹，由于助手操作錯誤得到小片固體物質(zhì)后，沒有扔掉，而是進行各種測試，發(fā)現(xiàn)有很小的導電性，然后進一步進行各種摻雜實驗，最終成功研制了導電聚合物。

2.3 具備深厚的專業(yè)知識，同時具有跨學科的知識結構，重視科研的交流與合作

如C60發(fā)現(xiàn)者斯莫利不僅是化學家，對計算機和數(shù)理幾何也有著極高的造詣，才能從建筑中得到靈感，推導出C60的結構。克羅托先是在英國薩塞克斯大學任教，后來結識斯莫利和柯爾后轉(zhuǎn)到美國賴斯大學工作，從此開啟了三位科學家?guī)资甑暮献?。下村修?960年在日本名古屋大學取得博士學位，后到美國普林斯頓大學做博士后，然后在名古屋大學任教，其后相繼在美國普林斯頓大學、波士頓大學和美國伍茲霍爾海洋研究中心工作，這種交流或任職經(jīng)歷開闊了他們的思想和視野，也積累了豐富的信息和知識儲備，有利于發(fā)現(xiàn)機遇、把握機遇。

2.4 從研究內(nèi)容上考察和分析諾貝爾化學獎中的科學機遇實例

張霄等人將諾貝爾化學獎的成果劃分為理論建構、物質(zhì)結構、反應機理、發(fā)現(xiàn)和合成化合物、創(chuàng)造新方法等五個部分，表中穆利斯以及田中耕一的實例屬于新方法的發(fā)現(xiàn)，其他八項實例均未發(fā)現(xiàn)和制備新化合物，因此表中的十項實例主要集中在發(fā)現(xiàn)和合成化合物以及創(chuàng)造新方法兩個部分，這可能與化學學科的研究對象和特點有關?；瘜W是在分子、原子層次上研究物質(zhì)性質(zhì)、組成、結構與變化規(guī)律，創(chuàng)造新物質(zhì)的一門學科，化學是以科學實驗為基礎的，不同的反應條件和技術工藝等都對實驗結果有重要影響，在實驗過程中，反應條件的微小改變可能會帶來完全不同的實驗結果，其中可能就存在著科學機遇。

3 諾貝爾獎中科學機遇的啟示，如何有效地發(fā)現(xiàn)和捕捉科學機遇

3.1 科學機遇中偶然性與必然性的辯證關系，樹立馬克思主義哲學思想

科學機遇的發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了偶然性和必然性的辯證統(tǒng)一，必然性是事物發(fā)展過程中一定要發(fā)生的不可避免的趨勢，它是由事物內(nèi)在的本質(zhì)的原因即根本矛盾決定的。必然性要通過大量的偶然性來表現(xiàn)出來，并自覺地將偶然現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為必然現(xiàn)象。在科學發(fā)展進程中，當人們的認識水平和技術水平達到一定階段后，相應的科研成果被發(fā)現(xiàn)就是必然的了，這是外在的客觀因素，體現(xiàn)了必然性；但到底由誰發(fā)現(xiàn)和怎樣發(fā)現(xiàn)，又由發(fā)現(xiàn)者的科學素養(yǎng)和具體的環(huán)境條件所決定，具體的發(fā)現(xiàn)過程又是偶然的。比如1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線前，已有多名科學家觀測到X射線衍射現(xiàn)象，如古斯比德在1890年無意中拍了一張X射線照片，但他扔到了廢相片堆中，還有希托夫、勒納德等人均觀測到了該射線的感光現(xiàn)象，但都被自己已有的經(jīng)驗牽強解釋錯過了，這說明當時的技術條件已經(jīng)滿足X射線發(fā)現(xiàn)的客觀條件了，而當倫琴無意中發(fā)現(xiàn)這一射線，馬上意識到是一種新的射線，此后開始了夜以繼日的研究，連續(xù)在實驗室廢寢忘食工作了六個星期，研究了該射線的基本性質(zhì)，并以公開論文發(fā)表，從而獲得了1901年第一屆諾貝爾物理學獎。

3.2 諾貝爾獎中的科學機遇與創(chuàng)新

培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才是當前高等教育的主要任務，黨的十八屇五中全會提出：“堅持創(chuàng)新發(fā)展，必須把創(chuàng)新擺在國家發(fā)展全局的核心位置……讓創(chuàng)新在全社會蔚然成風?！比绾闻囵B(yǎng)創(chuàng)新人才已成為全社會極為關注的課題。諾貝爾獎是當前國際科技前沿領域的最高獎項，代表科技發(fā)展的最高水平，每一名諾貝爾獎獲得者無一不是杰出的創(chuàng)新人才。創(chuàng)新意味著打破舊有觀念和理論的束縛，拓展新思想、新技術和新理論，人類的科學實踐已經(jīng)證明科學機遇在認識和改造自然過程中起著非常重要的作用，是獲得創(chuàng)新性成果的重要途徑，無論是同向機遇還是異向機遇，都是對原有的科學技術的重大變革，因此諾貝爾獎中科學機遇的諸多案例無疑提供了非常好的創(chuàng)新范例。同時這些案例中發(fā)現(xiàn)和捕獲機遇的科研過程引人入勝，更能引起學生的興趣和注意力，在教學中引入這些諾貝爾獎的研究過程和科學機遇的發(fā)現(xiàn)過程，有助于培養(yǎng)學生的科學探索精神，增進創(chuàng)新意識。

當前很多學生對科學機遇的認知仍然不足和片面，重視程度不夠，因此高校有必要加強科學機遇的教育教學工作，如在課堂授課中介紹相關案例、舉辦專題講座或者開設相關選修課程，傳授和講解科學機遇的知識，對學生進行合理引導，使學生正確理解科學機遇這一科學現(xiàn)象，提高科學素養(yǎng)，以及發(fā)現(xiàn)和把握科學機遇的能力，培養(yǎng)全面發(fā)展的社會主義創(chuàng)新型人才。

3.3 培養(yǎng)敏銳的觀察力和洞察力，加強知識積累，提高發(fā)現(xiàn)和把握科學機遇的能力

發(fā)現(xiàn)和把握科學機遇，需要敏銳的觀察力和洞察力，需要縝密和細致入微的科學實驗過程，尤其化學學科是以實驗為基礎的，因此對化學專業(yè)學生，需要不斷提高實驗技能和社會實踐能力，對實現(xiàn)創(chuàng)新型成果有著十分重要的意義。需要強調(diào)的是，科學機遇的把握是以豐富的知識儲備尤其是跨學科跨專業(yè)的知識儲備為基礎的，科學機遇不是減弱而是加強了對科學知識的需求和依賴，因此高校學生在學習過程中不能抱有僥幸心理，希望機遇或運氣憑空降臨在自己頭上，前述的多個案例反復證明，科學機遇的出現(xiàn)和把握都是需要鍥而不舍的科學探索精神和豐富的科學知識為基礎的，因此大學生必須腳踏實地，勤奮努力，提高科學素養(yǎng)，才能提高成功的幾率，同時高等院校也應該創(chuàng)造條件，為學生提供各種機會參與創(chuàng)新實驗等，努力提高學生的科學素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

3.4 正確對待挫折和失敗，樹立正確的人生觀和科研觀，培養(yǎng)執(zhí)著努力的奮斗精神

當前的高校大學生基本都是00后，一般是家里的獨生子，具有鮮明的思想行為特點，他們往往思想解放、個性張揚、自主性和求知欲強，這是優(yōu)點，但也有性格敏感和情緒化、自控力差等缺點。同時當前信息化社會也為當代大學生的高等教育提出了新挑戰(zhàn)，由于數(shù)字化網(wǎng)絡，00后學生的學習方法和社會交往方式都有了很大不同，因此必須結合00后大學生特點積極引導，培養(yǎng)他們執(zhí)著奮斗的科學精神，成為國家棟梁人才。將諾貝爾獎獲得者的科研歷程和奮斗過程介紹給他們，對提高當代大學生的學習興趣和主動性，增強他們的意志力是十分有益的。尤其諾貝爾獎中科學機遇的故事引人入勝，更有吸引力，比如異向機遇，看似錯誤的實驗操作，卻意外獲得了意想不到的收獲，取得重大成果，白川英樹和田中耕一都是典型的例子，這些生動鮮活的案例充分說明：實驗中出現(xiàn)意外，甚至失敗并不可怕，重要的是總結經(jīng)驗教訓，保持清醒的頭腦，力爭改正錯誤，取得更好的成果，如果這種意外或失敗如同本文介紹的諸多案例，最終帶來意想不到的機遇，那就是“無心插柳柳成蔭”，更是值得欣慰的成功了。

4 小結

創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的培養(yǎng)是國家的一項系統(tǒng)工程，涉及中小學和高等學校教育以及全社會方方面面。本文總結和梳理了諾貝爾化學獎中有關科學機遇的典型案例，對發(fā)現(xiàn)和把握科學機遇進行了詳細的特征分析。科學機遇與技術創(chuàng)新有著緊密的關系，因此正確認識和把握科研過程中的科學機遇有著十分重要的社會實踐意義。本文的相關案例介紹有助于培養(yǎng)高校學生正確的人生觀、價值觀和科研觀，也有助于學生更全面地進行科學研究，提高創(chuàng)新思想和能力，對高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)有著一定的借鑒意義。

本文系河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“深度學習視域下《無機化學》翻轉(zhuǎn)課堂教學模式研究”（2022GJJG192）；河北科技大學教學改革項目“地方高校系統(tǒng)性課程思政教學創(chuàng)新與實踐的研究——以《分析化學》為例”（2020-ZD06）研究成果。

（作者單位：河北科技大學理學院）