让每一次“错误”，都成为通向真理的阶梯：走近山西大学这个一流课程

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。一起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。我们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。（通讯员：赵雨涵 聂言芷 霍梓昂）