在這里，沒有高壓反應釜的轟鳴，也沒有易燃易爆氣體的威脅。但當學生輕點鼠標，調(diào)整催化劑的配比，屏幕上的反應曲線便開始跳動——轉(zhuǎn)化率攀升，選擇性偏移，甚至“失敗”的數(shù)據(jù)也在悄然訴說著科學的真相。跟隨山西大學化學國家級實驗教學示范中心常務副主任郝俊生老師，走進“1,4-丁二醇高壓加氫催化劑制備與加氫工藝虛擬仿真實驗”這門國家級一流課程，一同探尋虛擬仿真技術解鎖現(xiàn)代工程教育的創(chuàng)新密碼。

解構與重構——破舊勢，究新理

所謂真理，一自先賢傳承，二得志者恒究。千百年來，多少工匠先知窮盡一生，只為幾近造物之原理，自然之真相。有些真相，非極險不可得；有些理解，剝窮志難能獲。所托科技之奧妙，國家之所重，遙遠的理論得以借助數(shù)字科技，在眼睛與屏幕的交互間重構，以信息和知識的可視化造福學者，這正是“1,4-丁二醇高壓加氫催化劑制備與加氫工藝虛擬仿真實驗”（后文簡稱虛擬仿真實驗）誕生的初衷。

授課團隊將榮獲山西省科技進步獎一等獎的國家“863”計劃項目中的關鍵內(nèi)容轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容。郝俊生老師介紹道：“虛擬仿真實驗是我們國家大力開展和推進的項目，可以實現(xiàn)線上、線下相結合的靈活方式授課，并將實際教學中難以開展而又非常重要的內(nèi)容引入本科實驗教學?！睂⒃靖呦?、高危險的實驗項目，轉(zhuǎn)化為一堂可以讓學生們安全“觸摸”的前沿實驗課程，這在高等教育中，具有重要意義。在這里，昂貴儀器的限制被算法攻克，高壓氫氣的風險被代碼隔絕，學生得以完整經(jīng)歷從催化劑設計、制備，到性能評價的全流程探索，獲取平時常規(guī)實驗難以得到的前沿知識。每一次參數(shù)調(diào)整、每一個結構變化，都在無聲地詮釋著化學領域最核心的“構效關系”——結構決定性能、性能印證結構的精妙法則。

“濯去舊見，以來新意”。對教育而言，新技術即新視野。其中重要的不只是實驗本身，更是其賦予學生能夠安全探索前沿知識的無限可能。2022級化學化工學院應用化學專業(yè)的車蘇凝毅同學表示：“在整個學習過程中，我印象最深刻的是‘高壓加氫反應工藝的實時調(diào)控與安全操作’環(huán)節(jié)。通過高度仿真的操作界面，我在模擬的高溫高壓環(huán)境中實時調(diào)節(jié)溫度、壓力等參數(shù)，同時要兼顧催化劑活性和設備安全。操作失誤或無法達到壓力就無法進行下一步驟，這種沉浸式體驗讓我深刻理解了工藝控制的復雜性，也極大地提升了我的安全意識和應急處理能力?！痹捳Z中蘊含深意，恰是對虛擬仿真實驗獨特性的生動詮釋。在這片由數(shù)據(jù)構建的學習空間中，師生共同探索數(shù)字技術對傳統(tǒng)實驗教學的變革路徑——從破解高危實驗的安全困局，到打破空間限制實現(xiàn)多校共享，這些教學實踐為化工科高等教育打開了一扇全新的視窗，幫助學子突破傳統(tǒng)實驗的時空桎梏，以更安全、更深入、更系統(tǒng)的方式探索科學奧秘，在虛擬環(huán)境中點燃學子對科學真理的求索熱情。

在實驗環(huán)節(jié)中，通過一個個嚴格的安全操作規(guī)范、精準的數(shù)據(jù)記錄要求和真實的科研失敗案例，將科研倫理與工程責任巧妙融入教學全過程。不止步于讓學生掌握實驗技能，更展望引導年輕一代學會以科學的態(tài)度“看”數(shù)據(jù)、“看”過程、“看”結果，讓學生在體驗科研全流程中，提升實踐能力，培養(yǎng)工科自信。

容錯與求真——鑒成敗，筑真諦

科學往往是數(shù)千次失敗后的一次成功，傳統(tǒng)實驗教學因其物理條件與安全規(guī)范的限制，往往將“避免錯誤”置于首位，而仿真實驗的教學革命，其最深刻的突破，正在于它重新擺正對“錯誤”的態(tài)度——不再是刻意規(guī)避失敗，而是將其轉(zhuǎn)化、解讀，甚至使其成為引導新發(fā)現(xiàn)的教學資源。每次看到項目或者看到一個實驗成功的時候，往往只關注這個最后的結果，但其實不知道這個結果是怎么來的。實際上它是由無限無窮多失敗的數(shù)據(jù)作為支撐。理論上的可行需要通過大量的實驗去摸索和優(yōu)化，這些失敗的數(shù)據(jù)反而至關重要。

相較于傳統(tǒng)教學模式，仿真實驗以“項目式教學法”，依據(jù)“基礎、高階、創(chuàng)新”三層教學模式，讓每位學生身體力行地深入研究。在學習過程中，學生有著被允許“失敗”的科研自由。在這里，調(diào)整一組催化劑的配比，不再需要擔憂昂貴前驅(qū)體的浪費；設定一個超常規(guī)的反應溫度，也無須顧慮設備損毀的風險。系統(tǒng)以智能邊界守護著安全的底線，卻慷慨地開放了思維的試驗場。學生選擇不同的浸漬濃度、改變活化條件，甚至嘗試理論上“非最優(yōu)”的工藝組合。屏幕另一端，系統(tǒng)不會亮起刺眼的紅燈，也不會給出簡單的對錯判定，而是如實地生成一組“不完美”的數(shù)據(jù)圖譜：也許是轉(zhuǎn)化率的曲線未能達到預期的高點，也許是產(chǎn)物的選擇性出現(xiàn)了微妙的偏移。這正是教學設計的精妙所在。這些“不完美”的結果，并非教學的終點，而是深度思考的起點。課程引導學生進入分析的環(huán)節(jié)：為什么這個配方活性偏低？是活性位點分散不均，還是孔徑分布不夠理想？結合系統(tǒng)同步提供的虛擬表征數(shù)據(jù)，也許是XRD圖譜中微弱的雜峰，或是化學吸附量略顯不足……學生被鼓勵像真正的科研工作者一樣，在數(shù)據(jù)中尋找線索，在落差間建立假設。

這種“容錯”，實質(zhì)上是一種更高階的“求真”。它剝離了傳統(tǒng)實驗中因害怕失敗而產(chǎn)生的畏縮不前與照本宣科，讓學生得以直面科學研究中最真實也最核心的環(huán)節(jié)：從復雜，甚至矛盾的數(shù)據(jù)中，構建對客觀規(guī)律的認知。一次出乎意料的“失敗”，其教學價值可能遠超按部就班的成功。因為它培養(yǎng)的不只是操作熟練度，更是學生的科學思維——提出問題、基于證據(jù)分析，以及迭代優(yōu)化系統(tǒng)的能力。

當學生在安全的環(huán)境中完成了從“設定參數(shù)”到“觀察結果”再到“分析歸因”的完整循環(huán)，他們所觸摸到的，正是科學發(fā)現(xiàn)最本質(zhì)的脈搏?！板e誤”在此刻不再是陰影，而是照亮認知之路的另一種光芒。教育的意義，不僅在于告訴學生什么是正確的，更在于賦予他們勇氣與智慧，去理解所有曲折的路徑，并從中走出自己的求真之路。

科技與展望——執(zhí)妙器，化天工

教育的真諦，在于讓思想的火花跨越物理的圍墻，讓優(yōu)質(zhì)資源如清泉般流淌至最需要滋養(yǎng)的土地。這門虛擬仿真實驗課程，便以其獨特的“數(shù)字基因”，完成了從校內(nèi)課堂到全國性教學平臺的華麗蛻變，成為推動教育公平與資源共享的活性“催化劑”。

虛擬仿真實驗網(wǎng)頁瀏覽量突破兩萬，以本校為基，輻射帶動上百所高校師生參與，這種輻射效應呼應了新時代高等教育的發(fā)展方向。它打破了優(yōu)質(zhì)教育資源的時空上的壟斷限制 ，用技術的手段促進教育公平；它通過標準化的高質(zhì)量實驗模塊，為不同背景的學生提供了統(tǒng)一的起跑線，也幫助每一位學生成為更優(yōu)秀的自己。2022級化學化工學院應用化學專業(yè)的蘇雨佳同學興奮地表示：“對本科生來說，實驗不僅是學會操作步驟，更是讓我們有機會反復試錯、大膽創(chuàng)新，把課本上的原理變成看得見、摸得著的反應過程。這種‘從做中學’的體驗，不僅幫我們夯實了專業(yè)基礎，更培養(yǎng)了我們的工程思維和創(chuàng)新意識?！?/p>

入駐國家級虛擬仿真實驗教學平臺“實驗空間”，通過互聯(lián)網(wǎng)延伸至全國，在無數(shù)個屏幕上點燃了探索科學之美的星火。當虛擬實驗的窗口在一所所院校中點亮，它照亮的不僅是某個化學反應的過程，更是一個更加開放、互聯(lián)、公平的教育未來的可能路徑。

課程的進化從未止步于現(xiàn)有成就，其真正的前瞻性，在于對“人機協(xié)同”教育范式的深度探索。項目團隊表示，下一步的重點是引入人工智能技術：“AI會給我們提供助力，使學習更加便利、通暢，實驗過程中遇到的問題AI能夠給出相應的解釋，為學習增添更多的支持?！蔽磥恚珹I將化身為每位學生身邊的“智能學伴”，貫穿探索全程。

這預示著教學將從“模擬已知”邁向“探索未知”。AI的引入將使虛擬實驗室成為一個動態(tài)進化的智慧系統(tǒng)，不僅能傳授既定的科學知識，更能激發(fā)學生提出新問題、發(fā)現(xiàn)新規(guī)律。最終，這座數(shù)字實驗室培養(yǎng)的將不僅是掌握實驗技能的學生，更是能夠與智能工具深度協(xié)作、共同解決未來復雜科學問題的新一代創(chuàng)新者。

從高難度實驗到數(shù)字前沿，從安全容錯到科學求真，從單一課堂到無界輻射，當學子們在虛擬實驗室中沉浸探索，在數(shù)據(jù)圖譜間抽絲剝繭，每一次參數(shù)調(diào)整背后的深思熟慮，每一次從“失敗”數(shù)據(jù)中重建假設的思維突破，都是在為科研素養(yǎng)奠定基石。當“高危實驗數(shù)字化”在教學改革中實現(xiàn)突破，無數(shù)工程創(chuàng)新的種子，正在這片數(shù)字沃土上悄然萌芽，為新時代卓越工程師的培養(yǎng)開辟新徑。

（責編 黃晶 通訊員 趙雨涵 聶言芷 霍梓昂 編輯 蘭亞丹）