山西省
在这里，没有高压反应釜的轰鸣，也没有易燃易爆气体的威胁。但当学生轻点鼠标，调整催化剂的配比，屏幕上的反应曲线便开始跳动——转化率攀升，选择性偏移，甚至“失败”的数据也在悄然诉说着科学的真相。跟随山西大学化学国家级实验教学示范中心常务副主任郝俊生老师，走进“1,4-丁二醇高压加氢催化剂制备与加氢工艺虚拟仿真实验”这门国家级一流课程，一同探寻虚拟仿真技术解锁现代工程教育的创新密码。
解构与重构——破旧势，究新理
所谓真理，一自先贤传承，二得志者恒究。千百年来，多少工匠先知穷尽一生，只为几近造物之原理，自然之真相。有些真相，非极险不可得；有些理解，剥穷志难能获。所托科技之奥妙，国家之所重，遥远的理论得以借助数字科技，在眼睛与屏幕的交互间重构，以信息和知识的可视化造福学者，这正是“1,4-丁二醇高压加氢催化剂制备与加氢工艺虚拟仿真实验”（后文简称虚拟仿真实验）诞生的初衷。
授课团队将荣获山西省科技进步奖一等奖的国家“863”计划项目中的关键内容转化为实验教学内容。郝俊生老师介绍道：“虚拟仿真实验是我们国家大力开展和推进的项目，可以实现线上、线下相结合的灵活方式授课，并将实际教学中难以开展而又非常重要的内容引入本科实验教学。”将原本高消耗、高危险的实验项目，转化为一堂可以让学生们安全“触摸”的前沿实验课程，这在高等教育中，具有重要意义。在这里，昂贵仪器的限制被算法攻克，高压氢气的风险被代码隔绝，学生得以完整经历从催化剂设计、制备，到性能评价的全流程探索，获取平时常规实验难以得到的前沿知识。每一次参数调整、每一个结构变化，都在无声地诠释着化学领域最核心的“构效关系”——结构决定性能、性能印证结构的精妙法则。
“濯去旧见，以来新意”。对教育而言，新技术即新视野。其中重要的不只是实验本身，更是其赋予学生能够安全探索前沿知识的无限可能。2022级化学化工学院应用化学专业的车苏凝毅同学表示：“在整个学习过程中，我印象最深刻的是‘高压加氢反应工艺的实时调控与安全操作’环节。通过高度仿真的操作界面，我在模拟的高温高压环境中实时调节温度、压力等参数，同时要兼顾催化剂活性和设备安全。操作失误或无法达到压力就无法进行下一步骤，这种沉浸式体验让我深刻理解了工艺控制的复杂性，也极大地提升了我的安全意识和应急处理能力。”话语中蕴含深意，恰是对虚拟仿真实验独特性的生动诠释。在这片由数据构建的学习空间中，师生共同探索数字技术对传统实验教学的变革路径——从破解高危实验的安全困局，到打破空间限制实现多校共享，这些教学实践为化工科高等教育打开了一扇全新的视窗，帮助学子突破传统实验的时空桎梏，以更安全、更深入、更系统的方式探索科学奥秘，在虚拟环境中点燃学子对科学真理的求索热情。
在实验环节中，通过一个个严格的安全操作规范、精准的数据记录要求和真实的科研失败案例，将科研伦理与工程责任巧妙融入教学全过程。不止步于让学生掌握实验技能，更展望引导年轻一代学会以科学的态度“看”数据、“看”过程、“看”结果，让学生在体验科研全流程中，提升实践能力，培养工科自信。
容错与求真——鉴成败，筑真谛
科学往往是数千次失败后的一次成功，传统实验教学因其物理条件与安全规范的限制，往往将“避免错误”置于首位，而仿真实验的教学革命，其最深刻的突破，正在于它重新摆正对“错误”的态度——不再是刻意规避失败，而是将其转化、解读，甚至使其成为引导新发现的教学资源。每次看到项目或者看到一个实验成功的时候，往往只关注这个最后的结果，但其实不知道这个结果是怎么来的。实际上它是由无限无穷多失败的数据作为支撑。理论上的可行需要通过大量的实验去摸索和优化，这些失败的数据反而至关重要。
相较于传统教学模式，仿真实验以“项目式教学法”，依据“基础、高阶、创新”三层教学模式，让每位学生身体力行地深入研究。在学习过程中，学生有着被允许“失败”的科研自由。在这里，调整一组催化剂的配比，不再需要担忧昂贵前驱体的浪费；设定一个超常规的反应温度，也无须顾虑设备损毁的风险。系统以智能边界守护着安全的底线，却慷慨地开放了思维的试验场。学生选择不同的浸渍浓度、改变活化条件，甚至尝试理论上“非最优”的工艺组合。屏幕另一端，系统不会亮起刺眼的红灯，也不会给出简单的对错判定，而是如实地生成一组“不完美”的数据图谱：也许是转化率的曲线未能达到预期的高点，也许是产物的选择性出现了微妙的偏移。这正是教学设计的精妙所在。这些“不完美”的结果，并非教学的终点，而是深度思考的起点。课程引导学生进入分析的环节：为什么这个配方活性偏低？是活性位点分散不均，还是孔径分布不够理想？结合系统同步提供的虚拟表征数据，也许是XRD图谱中微弱的杂峰，或是化学吸附量略显不足……学生被鼓励像真正的科研工作者一样，在数据中寻找线索，在落差间建立假设。
这种“容错”，实质上是一种更高阶的“求真”。它剥离了传统实验中因害怕失败而产生的畏缩不前与照本宣科，让学生得以直面科学研究中最真实也最核心的环节：从复杂，甚至矛盾的数据中，构建对客观规律的认知。一次出乎意料的“失败”，其教学价值可能远超按部就班的成功。因为它培养的不只是操作熟练度，更是学生的科学思维——提出问题、基于证据分析，以及迭代优化系统的能力。
当学生在安全的环境中完成了从“设定参数”到“观察结果”再到“分析归因”的完整循环，他们所触摸到的，正是科学发现最本质的脉搏。“错误”在此刻不再是阴影，而是照亮认知之路的另一种光芒。教育的意义，不仅在于告诉学生什么是正确的，更在于赋予他们勇气与智慧，去理解所有曲折的路径，并从中走出自己的求真之路。
科技与展望——执妙器，化天工
教育的真谛，在于让思想的火花跨越物理的围墙，让优质资源如清泉般流淌至最需要滋养的土地。这门虚拟仿真实验课程，便以其独特的“数字基因”，完成了从校内课堂到全国性教学平台的华丽蜕变，成为推动教育公平与资源共享的活性“催化剂”。
虚拟仿真实验网页浏览量突破两万，以本校为基，辐射带动上百所高校师生参与，这种辐射效应呼应了新时代高等教育的发展方向。它打破了优质教育资源的时空上的垄断限制 ，用技术的手段促进教育公平；它通过标准化的高质量实验模块，为不同背景的学生提供了统一的起跑线，也帮助每一位学生成为更优秀的自己。2022级化学化工学院应用化学专业的苏雨佳同学兴奋地表示：“对本科生来说，实验不仅是学会操作步骤，更是让我们有机会反复试错、大胆创新，把课本上的原理变成看得见、摸得着的反应过程。这种‘从做中学’的体验，不仅帮我们夯实了专业基础，更培养了我们的工程思维和创新意识。”
入驻国家级虚拟仿真实验教学平台“实验空间”，通过互联网延伸至全国，在无数个屏幕上点燃了探索科学之美的星火。当虚拟实验的窗口在一所所院校中点亮，它照亮的不仅是某个化学反应的过程，更是一个更加开放、互联、公平的教育未来的可能路径。
课程的进化从未止步于现有成就，其真正的前瞻性，在于对“人机协同”教育范式的深度探索。项目团队表示，下一步的重点是引入人工智能技术：“AI会给我们提供助力，使学习更加便利、通畅，实验过程中遇到的问题AI能够给出相应的解释，为学习增添更多的支持。”未来，AI将化身为每位学生身边的“智能学伴”，贯穿探索全程。
这预示着教学将从“模拟已知”迈向“探索未知”。AI的引入将使虚拟实验室成为一个动态进化的智慧系统，不仅能传授既定的科学知识，更能激发学生提出新问题、发现新规律。最终，这座数字实验室培养的将不仅是掌握实验技能的学生，更是能够与智能工具深度协作、共同解决未来复杂科学问题的新一代创新者。
从高难度实验到数字前沿，从安全容错到科学求真，从单一课堂到无界辐射，当学子们在虚拟实验室中沉浸探索，在数据图谱间抽丝剥茧，每一次参数调整背后的深思熟虑，每一次从“失败”数据中重建假设的思维突破，都是在为科研素养奠定基石。当“高危实验数字化”在教学改革中实现突破，无数工程创新的种子，正在这片数字沃土上悄然萌芽，为新时代卓越工程师的培养开辟新径。
（网易山西 黄晶 通讯员 赵雨涵 聂言芷 霍梓昂 编辑 李晓娜）
本文来源：网易山西
责任编辑：
李晓娜_sx260127c
