從“紙上談兵”到“高階”求真——走進山西大學國家級一流虛擬仿真實驗課堂

“1,4-丁二醇高壓加氫虛擬仿真實驗”教學場景。

“萬年冰洞三維建模及地理成因分析”虛擬仿真實驗教學場景。

“山西傳統(tǒng)壁畫虛擬仿真與實驗教學”課上師生探討壁畫修復細節(jié)。

這不是一間普通的教室。

推開門，沒有高壓反應釜的轟鳴，也沒有易燃易爆氣體的刺鼻氣味。但當你輕點鼠標，屏幕深處，一場關于物質的轉化已然開場——催化劑表面，原子悄然重排。一次“錯誤”的參數設置，沒有引爆任何危險，卻在數字世界里為你揭開了一條通往真理的路徑。

向北兩百公里，寧武萬年冰洞的深處，你并未穿上厚重的防寒服，卻在指尖的滑動中，觸碰到了北緯38°的地質奇跡。依照氣候常理這里不該常年有冰，然而冰柱在虛擬的光影中折射出幽藍的光，訴說著百萬年的氣候密碼。

這不是科幻電影的片場，而是山西大學國家級一流虛擬仿真實驗室里的日常。

高壓禁區(qū)里的“安全失敗”——

這種“容錯”，實質上是科學發(fā)現(xiàn)里一種更高階的“求真”

郝俊生老師在山西大學化學國家級實驗教學示范中心已經工作了三十多年。他清楚地記得，在虛擬仿真課程誕生之前，作為化學反應中的重要內容和關鍵技術，高壓加氫實驗一直都是化學實驗教學的盲區(qū)和禁區(qū)。

“高壓反應釜不是鬧著玩的。”他指著屏幕上那個銀灰色的虛擬設備說，“氫氣易燃易爆，學生稍有操作失誤，后果不堪設想。所以很多時候，我們只能把重點放在理論講解上，讓學生紙上談兵。”這種教學雖然安全，但總像隔著一層磨砂玻璃看風景。

直到這門“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”的出現(xiàn)，一切悄然改變。這門脫胎于國家“863”計劃項目、曾獲山西省科技進步獎一等獎的前沿成果，被精心設計、改造后搬進了學生的電腦屏幕。

“真正的突破是什么？”郝俊生頓了頓，說出了那個讓在場學生都眼睛一亮的詞——“失敗的權力”。在虛擬世界里，2022級應用化學專業(yè)的車蘇凝毅第一次體驗到了這種奇特的自由。他大膽地將反應溫度調到了一個“理論上不該嘗試”的區(qū)間，屏幕上的轉化率曲線先是飆升，隨后陡然下跌，選擇性偏移得一塌糊涂。“如果在真實實驗室，實驗可能就中斷了。”他講道：“但在這里，系統(tǒng)沒有亮紅燈，它只是安靜地給我一組數據，讓我自己去想——為什么會這樣？”

這組“失敗”的數據并非終點，而是一連串追問的起點：活性位點是否分散不均？孔徑分布是否出了問題？學生被鼓勵像真正的科研工作者一樣，在數據中尋找線索，在落差間建立假設。系統(tǒng)甚至貼心地提供了虛擬的XRD圖譜和化學吸附數據，讓推理有了依據。

“科學往往是數千次失敗后的一次成功。”郝俊生說，“如果學生在課堂上永遠只被允許‘成功’，他們永遠不會理解什么是真正的科研。”這種“容錯”，實質上是一種更高階的“求真”。當學生從一次“爆炸”的數據中學會歸因與重建，他們所觸摸到的，正是科學發(fā)現(xiàn)最本質的脈搏。2022級的蘇雨佳對此感觸很深：“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。”

如今，這門課程的網頁瀏覽量已突破兩萬。從本校課堂輻射到上百所高校，那些在數字世界里“安全失敗”過的年輕人們，正在一次次試錯中，建立起屬于自己的科學直覺。

冰洞深處的時間旅行者——

將一道遙遠的地理謎題，轉化為每個學生都能親手觸碰、自主求解的課堂實踐

如果化學實驗是一場與危險共舞的探索，那么對于地理和環(huán)境學科的學子而言，真正的阻礙往往是“遙不可及”。

寧武萬年冰洞，深藏在三晉大地的褶皺之中，是目前已知在中緯度高山地區(qū)規(guī)模最大、冰體最大、保存最好的冰洞。“為何在中緯度地帶能存在永久性冰洞？”“冰洞是怎樣形成的？為什么能保存至今？”地勢險峻、成本高昂、測量復雜，大多數學生只能在書本和網頁上看到幾張冰柱照片。

針對這些問題，山西大學環(huán)境與資源學院張紅教授團隊將“萬年冰洞三維建模及地理成因分析”虛擬仿真實驗搬進課堂。課程團隊融合地質地貌、氣候、測量等多學科知識，綜合運用地理觀察、地圖分析、地理建模、科學推理、歸納總結等教學方法，將“冰洞形成的地質條件”“3D激光測量”“地理信息空間分析”等一系列理論知識和實驗操作設置于虛擬仿真場景中，系統(tǒng)提升學生觀察問題、思考問題、解決問題的能力。

登錄系統(tǒng)的那一刻，環(huán)境與資源學院的繆宇庭感覺自己時空穿梭。下一秒，她已經站在了冰洞入口。四周是幽藍的冰層，頭頂是懸掛了萬年的冰柱。隨著前行的視角旋轉，冰柱的每一道紋理都清晰可見。“太震撼了。”她回憶道，“那種沉浸感，仿佛置身于真實的冰洞之中，讓你覺得自己是一個探險家。”

這門課的魅力遠不止于“云旅游”。其內核是一場嚴謹的科學探險。學生需要在這里完成一系列高難度任務：了解冰洞形成的基本條件；采集冰洞點云數據，構建厘米級精度的三維模型；利用數字高程模型，提取冰洞的坡度、坡向、地形起伏度；從宏觀的地質構造演化，到中尺度的地形地貌，再到微觀的冰洞形態(tài)，層層遞進，綜合分析。“這種教學讓我學會了如何深度學習。”環(huán)境與資源學院研究生陳文磊說，“科學研究的過程不是一蹴而就的，而是不斷試錯、調整和優(yōu)化。這種思維方式的養(yǎng)成，比記住任何結論都重要。”

2023年夏天，地理專業(yè)學生張蕾終于有機會實地走進萬年冰洞。當她真正站在那片冰藍之中時，虛擬實驗的場景一幕幕在腦海中閃現(xiàn)。“那一刻，我覺得自己不是在參觀，而是在進行一場跨越時空的對話。”

虛擬仿真技術，就這樣拆除了險峻地勢筑起的高墻，將一道遙遠的地理謎題，轉化為每個學生都能親手觸碰、自主求解的課堂實踐。它賦予學生的，不僅是知識，更是一種抵達遠方、對話自然的能力。

數字丹青里的文脈傳承——

“我們不是在玩游戲，我們是在用最前沿的技術，守護祖先的遺產。”

如果說萬年冰洞代表了宏大時空尺度的奇跡，那么這里還有一支筆，一面墻，和一個正在褪色的千年夢境。

山西，古代壁畫現(xiàn)存面積居全國首位。從永樂宮到云岡石窟，這些凝固于墻體之上的時光痕跡，承載著中華民族極為深邃的美學記憶。然而，這些壁畫也面臨著不可逆的衰變——色彩退化、墻體剝落、裂隙蔓延。更令人遺憾的是，大多數學生只能隔著展柜玻璃，或者在畫冊上，以間接的方式遠觀其貌。

山西大學美術學院王志俊教授的“山西傳統(tǒng)壁畫虛擬仿真與實驗教學”課程，改變了這一切。登錄平臺，一幅斑駁的畫卷緩緩展開。360度全景漫游，讓你可以走進任何一座虛擬復原的古寺。站在永樂宮壁畫前，你可以將畫面拉近至屏幕的近處，清晰觀察每一根線條的運筆邏輯，每一塊礦物顏料的沉積層次。

但最讓2022級數字媒體藝術專業(yè)的孟語軒難忘的，不是“看”，而是“修”。在壁畫修復模塊，她和小組成員接到了一個任務：用虛擬技術，修復一處殘缺的飛天圖像。她們需要操作高精度三維掃描設備，捕捉每一處裂痕；需要運用智能拼接算法，將碎片重新拼合；需要參考歷史文獻，調整色彩偏差，讓飛天重新“活”過來。“當看到修復成果在虛擬展廳動態(tài)展示的那一刻，我真正理解了什么叫‘科技與藝術的融合’。”孟語軒感慨道：“我們不是在玩游戲，我們是在用最前沿的技術，守護祖先的遺產。”

課程按照“賞析采集—主題創(chuàng)作—衍生設計”三階遞進式結構展開。學生們首先在虛擬場景中漫游、采集素材；然后通過拆解壁畫線條、研究傳統(tǒng)紋樣，認知古典美學范式；最后，將這些古老的元素進行視覺轉譯與數字再造——從文化解碼到視覺重構，有人把永樂宮玉女的云紋提煉為文創(chuàng)圖案，有人從壁畫的色彩體系中提取靈感，創(chuàng)作出全新的數字藝術作品。

“這門課完全打破了我對壁畫的認知。”美術學院2022級的王佳信說，“它不只是藝術鑒賞，更是一場沉浸式的文化解碼之旅。那些千年前的畫師，仿佛在通過數字技術，和我們隔空對話。”2021級的高溶珂則感受到了另一種觸動：“老師對傳統(tǒng)文化的敬畏之心，潛移默化地影響了我們。我們在掌握數字技術的同時，也真正理解了這些壁畫的價值。”從虛擬修復到創(chuàng)意轉化，從課堂學習到文化傳承，這門課程正在用數字科技，為一度“沉默”的千年丹青，注入新的生命。

這種教學實踐，其意義超越了技能傳授本身。教師在課堂上傳授的不僅是數字建模、虛擬仿真、交互設計等專業(yè)內容，更是對傳統(tǒng)文化的敬畏之心與嚴謹的治學態(tài)度。學生在“臨摹—復原—創(chuàng)新”的過程中，不僅掌握了數字時代的表達媒介，更在與千年丹青的對話中，激活了自身的文化基因，成為連接傳統(tǒng)與未來的橋梁。

從被動接受到主動探索，從知識灌輸到能力培養(yǎng)——這些課程共同印證了一個事實：虛擬仿真技術并非要完全替代真實實驗，而是以“虛”補“實”、以“虛”拓“實”，它極大地拓展了學生認知世界的邊界，將曾經的“不可能”變?yōu)槿粘＝虒W的“可能”。

近年來，山西大學將一流課程建設作為深化教學改革的核心引擎，通過頂層設計、系統(tǒng)推進落實，形成了覆蓋線上線下、混合式、虛擬仿真及社會實踐等多類型的一流課程建設矩陣。構建了“校級培育—省級遴選—國家沖刺”的梯度孵化機制，通過多年的努力，已經建成國家級虛擬仿真實驗教學一流課程6門。教務處處長宋鵬介紹：“學校除這6門虛擬仿真課外，還有21門課程認定為國家級一流本科課程，實現(xiàn)了多類型‘金課’全覆蓋。通過課程重塑，有效解決了高難度工程訓練無法開展、優(yōu)質資源跨校共享難等痛點，學生在高階思維、解決復雜問題及動手實踐等方面的能力顯著提升。未來，學校將繼續(xù)強化技術賦能，利用VR/ AR、人工智能算法構建高保真虛擬環(huán)境，并依托開放式共享平臺實現(xiàn)從‘演示性’實驗向更深層次‘交互性’體驗的轉變。”

記者沈佳 本報通訊員張穎

來源：山西日報