在這里，沒有高壓反應(yīng)釜的轟鳴，也沒有易燃易爆氣體的威脅。但當(dāng)學(xué)生輕點(diǎn)鼠標(biāo)，調(diào)整催化劑的配比，屏幕上的反應(yīng)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(xué)的真相。跟隨山西大學(xué)化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心常務(wù)副主任郝俊生老師，走進(jìn)“1,4-丁二醇高壓加氫催化劑制備與加氫工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”這門國家級一流課程，一同探尋虛擬仿真技術(shù)解鎖現(xiàn)代工程教育的創(chuàng)新密碼。

解構(gòu)與重構(gòu)——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(yuǎn)的理論得以借助數(shù)字科技，在眼睛與屏幕的交互間重構(gòu)，以信息和知識的可視化造福學(xué)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(shí)驗(yàn)”（后文簡稱虛擬仿真實(shí)驗(yàn)）誕生的初衷。

授課團(tuán)隊(duì)將榮獲山西省科技進(jìn)步獎一等獎的國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目中的關(guān)鍵內(nèi)容轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。郝俊生老師介紹道：“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是我們國家大力開展和推進(jìn)的項(xiàng)目，可以實(shí)現(xiàn)線上、線下相結(jié)合的靈活方式授課，并將實(shí)際教學(xué)中難以開展而又非常重要的內(nèi)容引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)?！睂⒃靖呦摹⒏呶ｋU的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，轉(zhuǎn)化為一堂可以讓學(xué)生們安全“觸摸”的前沿實(shí)驗(yàn)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(fēng)險被代碼隔絕，學(xué)生得以完整經(jīng)歷從催化劑設(shè)計(jì)、制備，到性能評價的全流程探索，獲取平時常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以得到的前沿知識。每一次參數(shù)調(diào)整、每一個結(jié)構(gòu)變化，都在無聲地詮釋著化學(xué)領(lǐng)域最核心的“構(gòu)效關(guān)系”——結(jié)構(gòu)決定性能、性能印證結(jié)構(gòu)的精妙法則。

“濯去舊見，以來新意”。對教育而言，新技術(shù)即新視野。其中重要的不只是實(shí)驗(yàn)本身，更是其賦予學(xué)生能夠安全探索前沿知識的無限可能。2022級化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的車蘇凝毅同學(xué)表示：“在整個學(xué)習(xí)過程中，我印象最深刻的是‘高壓加氫反應(yīng)工藝的實(shí)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(shí)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(shè)備安全。操作失誤或無法達(dá)到壓力就無法進(jìn)行下一步驟，這種沉浸式體驗(yàn)讓我深刻理解了工藝控制的復(fù)雜性，也極大地提升了我的安全意識和應(yīng)急處理能力?！痹捳Z中蘊(yùn)含深意，恰是對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)獨(dú)特性的生動詮釋。在這片由數(shù)據(jù)構(gòu)建的學(xué)習(xí)空間中，師生共同探索數(shù)字技術(shù)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的變革路徑——從破解高危實(shí)驗(yàn)的安全困局，到打破空間限制實(shí)現(xiàn)多校共享，這些教學(xué)實(shí)踐為化工科高等教育打開了一扇全新的視窗，幫助學(xué)子突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時空桎梏，以更安全、更深入、更系統(tǒng)的方式探索科學(xué)奧秘，在虛擬環(huán)境中點(diǎn)燃學(xué)子對科學(xué)真理的求索熱情。

在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，通過一個個嚴(yán)格的安全操作規(guī)范、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)記錄要求和真實(shí)的科研失敗案例，將科研倫理與工程責(zé)任巧妙融入教學(xué)全過程。不止步于讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能，更展望引導(dǎo)年輕一代學(xué)會以科學(xué)的態(tài)度“看”數(shù)據(jù)、“看”過程、“看”結(jié)果，讓學(xué)生在體驗(yàn)科研全流程中，提升實(shí)踐能力，培養(yǎng)工科自信。

容錯與求真——鑒成敗，筑真諦

科學(xué)往往是數(shù)千次失敗后的一次成功，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)因其物理?xiàng)l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(shí)驗(yàn)的教學(xué)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(dǎo)新發(fā)現(xiàn)的教學(xué)資源。每次看到項(xiàng)目或者看到一個實(shí)驗(yàn)成功的時候，往往只關(guān)注這個最后的結(jié)果，但其實(shí)不知道這個結(jié)果是怎么來的。實(shí)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(shí)驗(yàn)去摸索和優(yōu)化，這些失敗的數(shù)據(jù)反而至關(guān)重要。

相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，仿真實(shí)驗(yàn)以“項(xiàng)目式教學(xué)法”，依據(jù)“基礎(chǔ)、高階、創(chuàng)新”三層教學(xué)模式，讓每位學(xué)生身體力行地深入研究。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)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(dān)憂昂貴前驅(qū)體的浪費(fèi)；設(shè)定一個超常規(guī)的反應(yīng)溫度，也無須顧慮設(shè)備損毀的風(fēng)險。系統(tǒng)以智能邊界守護(hù)著安全的底線，卻慷慨地開放了思維的試驗(yàn)場。學(xué)生選擇不同的浸漬濃度、改變活化條件，甚至嘗試?yán)碚撋稀胺亲顑?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(shí)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(dá)到預(yù)期的高點(diǎn)，也許是產(chǎn)物的選擇性出現(xiàn)了微妙的偏移。這正是教學(xué)設(shè)計(jì)的精妙所在。這些“不完美”的結(jié)果，并非教學(xué)的終點(diǎn)，而是深度思考的起點(diǎn)。課程引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入分析的環(huán)節(jié)：為什么這個配方活性偏低？是活性位點(diǎn)分散不均，還是孔徑分布不夠理想？結(jié)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(xué)吸附量略顯不足……學(xué)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(shè)。

這種“容錯”，實(shí)質(zhì)上是一種更高階的“求真”。它剝離了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中因害怕失敗而產(chǎn)生的畏縮不前與照本宣科，讓學(xué)生得以直面科學(xué)研究中最真實(shí)也最核心的環(huán)節(jié)：從復(fù)雜，甚至矛盾的數(shù)據(jù)中，構(gòu)建對客觀規(guī)律的認(rèn)知。一次出乎意料的“失敗”，其教學(xué)價值可能遠(yuǎn)超按部就班的成功。因?yàn)樗囵B(yǎng)的不只是操作熟練度，更是學(xué)生的科學(xué)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(dāng)學(xué)生在安全的環(huán)境中完成了從“設(shè)定參數(shù)”到“觀察結(jié)果”再到“分析歸因”的完整循環(huán)，他們所觸摸到的，正是科學(xué)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(rèn)知之路的另一種光芒。教育的意義，不僅在于告訴學(xué)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(shí)驗(yàn)課程，便以其獨(dú)特的“數(shù)字基因”，完成了從校內(nèi)課堂到全國性教學(xué)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(shí)驗(yàn)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(yīng)呼應(yīng)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(shù)的手段促進(jìn)教育公平；它通過標(biāo)準(zhǔn)化的高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)?zāi)K，為不同背景的學(xué)生提供了統(tǒng)一的起跑線，也幫助每一位學(xué)生成為更優(yōu)秀的自己。2022級化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的蘇雨佳同學(xué)興奮地表示：“對本科生來說，實(shí)驗(yàn)不僅是學(xué)會操作步驟，更是讓我們有機(jī)會反復(fù)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(yīng)過程。這種‘從做中學(xué)’的體驗(yàn)，不僅幫我們夯實(shí)了專業(yè)基礎(chǔ)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺“實(shí)驗(yàn)空間”，通過互聯(lián)網(wǎng)延伸至全國，在無數(shù)個屏幕上點(diǎn)燃了探索科學(xué)之美的星火。當(dāng)虛擬實(shí)驗(yàn)的窗口在一所所院校中點(diǎn)亮，它照亮的不僅是某個化學(xué)反應(yīng)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(jìn)化從未止步于現(xiàn)有成就，其真正的前瞻性，在于對“人機(jī)協(xié)同”教育范式的深度探索。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)表示，下一步的重點(diǎn)是引入人工智能技術(shù)：“AI會給我們提供助力，使學(xué)習(xí)更加便利、通暢，實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題AI能夠給出相應(yīng)的解釋，為學(xué)習(xí)增添更多的支持?！蔽磥?，AI將化身為每位學(xué)生身邊的“智能學(xué)伴”，貫穿探索全程。

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

從高難度實(shí)驗(yàn)到數(shù)字前沿，從安全容錯到科學(xué)求真，從單一課堂到無界輻射，當(dāng)學(xué)子們在虛擬實(shí)驗(yàn)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(shè)的思維突破，都是在為科研素養(yǎng)奠定基石。當(dāng)“高危實(shí)驗(yàn)數(shù)字化”在教學(xué)改革中實(shí)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(zé)編 黃晶 通訊員 趙雨涵 聶言芷 霍梓昂 編輯 蘭亞丹）