“1,4-丁二醇高压加氢虚拟仿真实验”教学场景。
“山西传统壁画虚拟仿真与实验教学”课上师生探讨壁画修复细节。
这不是一间普通的教室。
推开门，没有高压反应釜的轰鸣，也没有易燃易爆气体的刺鼻气味。但当你轻点鼠标，屏幕深处，一场关于物质的转化已然开场——催化剂表面，原子悄然重排。一次“错误”的参数设置，没有引爆任何危险，却在数字世界里为你揭开了一条通往真理的路径。
向北两百公里，宁武万年冰洞的深处，你并未穿上厚重的防寒服，却在指尖的滑动中，触碰到了北纬38°的地质奇迹。依照气候常理这里不该常年有冰，然而冰柱在虚拟的光影中折射出幽蓝的光，诉说着百万年的气候密码。
这不是科幻电影的片场，而是山西大学国家级一流虚拟仿真实验室里的日常。
高压禁区里的“安全失败”——
这种“容错”，实质上是科学发现里一种更高阶的“求真”
郝俊生老师在山西大学化学国家级实验教学示范中心已经工作了三十多年。他清楚地记得，在虚拟仿真课程诞生之前，作为化学反应中的重要内容和关键技术，高压加氢实验一直都是化学实验教学的盲区和禁区。
“高压反应釜不是闹着玩的。”他指着屏幕上那个银灰色的虚拟设备说，“氢气易燃易爆，学生稍有操作失误，后果不堪设想。所以很多时候，我们只能把重点放在理论讲解上，让学生纸上谈兵。”这种教学虽然安全，但总像隔着一层磨砂玻璃看风景。
直到这门“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”的出现，一切悄然改变。这门脱胎于国家“863”计划项目、曾获山西省科技进步奖一等奖的前沿成果，被精心设计、改造后搬进了学生的电脑屏幕。
“真正的突破是什么？”郝俊生顿了顿，说出了那个让在场学生都眼睛一亮的词——“失败的权力”。在虚拟世界里，2022级应用化学专业的车苏凝毅第一次体验到了这种奇特的自由。他大胆地将反应温度调到了一个“理论上不该尝试”的区间，屏幕上的转化率曲线先是飙升，随后陡然下跌，选择性偏移得一塌糊涂。“如果在真实实验室，实验可能就中断了。”他讲道：“但在这里，系统没有亮红灯，它只是安静地给我一组数据，让我自己去想——为什么会这样？”
这组“失败”的数据并非终点，而是一连串追问的起点：活性位点是否分散不均？孔径分布是否出了问题？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。系统甚至贴心地提供了虚拟的XRD图谱和化学吸附数据，让推理有了依据。
“科学往往是数千次失败后的一次成功。”郝俊生说，“如果学生在课堂上永远只被允许‘成功’，他们永远不会理解什么是真正的科研。”这种“容错”，实质上是一种更高阶的“求真”。当学生从一次“爆炸”的数据中学会归因与重建，他们所触摸到的，正是科学发现最本质的脉搏。2022级的苏雨佳对此感触很深：“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。”
如今，这门课程的网页浏览量已突破两万。从本校课堂辐射到上百所高校，那些在数字世界里“安全失败”过的年轻人们，正在一次次试错中，建立起属于自己的科学直觉。
冰洞深处的时间旅行者——
将一道遥远的地理谜题，转化为每个学生都能亲手触碰、自主求解的课堂实践
如果化学实验是一场与危险共舞的探索，那么对于地理和环境学科的学子而言，真正的阻碍往往是“遥不可及”。
宁武万年冰洞，深藏在三晋大地的褶皱之中，是目前已知在中纬度高山地区规模最大、冰体最大、保存最好的冰洞。“为何在中纬度地带能存在永久性冰洞？”“冰洞是怎样形成的？为什么能保存至今？”地势险峻、成本高昂、测量复杂，大多数学生只能在书本和网页上看到几张冰柱照片。
针对这些问题，山西大学环境与资源学院张红教授团队将“万年冰洞三维建模及地理成因分析”虚拟仿真实验搬进课堂。课程团队融合地质地貌、气候、测量等多学科知识，综合运用地理观察、地图分析、地理建模、科学推理、归纳总结等教学方法，将“冰洞形成的地质条件”“3D激光测量”“地理信息空间分析”等一系列理论知识和实验操作设置于虚拟仿真场景中，系统提升学生观察问题、思考问题、解决问题的能力。
登录系统的那一刻，环境与资源学院的缪宇庭感觉自己时空穿梭。下一秒，她已经站在了冰洞入口。四周是幽蓝的冰层，头顶是悬挂了万年的冰柱。随着前行的视角旋转，冰柱的每一道纹理都清晰可见。“太震撼了。”她回忆道，“那种沉浸感，仿佛置身于真实的冰洞之中，让你觉得自己是一个探险家。”
这门课的魅力远不止于“云旅游”。其内核是一场严谨的科学探险。学生需要在这里完成一系列高难度任务：了解冰洞形成的基本条件；采集冰洞点云数据，构建厘米级精度的三维模型；利用数字高程模型，提取冰洞的坡度、坡向、地形起伏度；从宏观的地质构造演化，到中尺度的地形地貌，再到微观的冰洞形态，层层递进，综合分析。“这种教学让我学会了如何深度学习。”环境与资源学院研究生陈文磊说，“科学研究的过程不是一蹴而就的，而是不断试错、调整和优化。这种思维方式的养成，比记住任何结论都重要。”
2023年夏天，地理专业学生张蕾终于有机会实地走进万年冰洞。当她真正站在那片冰蓝之中时，虚拟实验的场景一幕幕在脑海中闪现。“那一刻，我觉得自己不是在参观，而是在进行一场跨越时空的对话。”
虚拟仿真技术，就这样拆除了险峻地势筑起的高墙，将一道遥远的地理谜题，转化为每个学生都能亲手触碰、自主求解的课堂实践。它赋予学生的，不仅是知识，更是一种抵达远方、对话自然的能力。
数字丹青里的文脉传承——
“我们不是在玩游戏，我们是在用最前沿的技术，守护祖先的遗产。”
如果说万年冰洞代表了宏大时空尺度的奇迹，那么这里还有一支笔，一面墙，和一个正在褪色的千年梦境。
山西，古代壁画现存面积居全国首位。从永乐宫到云冈石窟，这些凝固于墙体之上的时光痕迹，承载着中华民族极为深邃的美学记忆。然而，这些壁画也面临着不可逆的衰变——色彩退化、墙体剥落、裂隙蔓延。更令人遗憾的是，大多数学生只能隔着展柜玻璃，或者在画册上，以间接的方式远观其貌。
山西大学美术学院王志俊教授的“山西传统壁画虚拟仿真与实验教学”课程，改变了这一切。登录平台，一幅斑驳的画卷缓缓展开。360度全景漫游，让你可以走进任何一座虚拟复原的古寺。站在永乐宫壁画前，你可以将画面拉近至屏幕的近处，清晰观察每一根线条的运笔逻辑，每一块矿物颜料的沉积层次。
但最让2022级数字媒体艺术专业的孟语轩难忘的，不是“看”，而是“修”。在壁画修复模块，她和小组成员接到了一个任务：用虚拟技术，修复一处残缺的飞天图像。她们需要操作高精度三维扫描设备，捕捉每一处裂痕；需要运用智能拼接算法，将碎片重新拼合；需要参考历史文献，调整色彩偏差，让飞天重新“活”过来。“当看到修复成果在虚拟展厅动态展示的那一刻，我真正理解了什么叫‘科技与艺术的融合’。”孟语轩感慨道：“我们不是在玩游戏，我们是在用最前沿的技术，守护祖先的遗产。”
课程按照“赏析采集—主题创作—衍生设计”三阶递进式结构展开。学生们首先在虚拟场景中漫游、采集素材；然后通过拆解壁画线条、研究传统纹样，认知古典美学范式；最后，将这些古老的元素进行视觉转译与数字再造——从文化解码到视觉重构，有人把永乐宫玉女的云纹提炼为文创图案，有人从壁画的色彩体系中提取灵感，创作出全新的数字艺术作品。
“这门课完全打破了我对壁画的认知。”美术学院2022级的王佳信说，“它不只是艺术鉴赏，更是一场沉浸式的文化解码之旅。那些千年前的画师，仿佛在通过数字技术，和我们隔空对话。”2021级的高溶珂则感受到了另一种触动：“老师对传统文化的敬畏之心，潜移默化地影响了我们。我们在掌握数字技术的同时，也真正理解了这些壁画的价值。”从虚拟修复到创意转化，从课堂学习到文化传承，这门课程正在用数字科技，为一度“沉默”的千年丹青，注入新的生命。
这种教学实践，其意义超越了技能传授本身。教师在课堂上传授的不仅是数字建模、虚拟仿真、交互设计等专业内容，更是对传统文化的敬畏之心与严谨的治学态度。学生在“临摹—复原—创新”的过程中，不仅掌握了数字时代的表达媒介，更在与千年丹青的对话中，激活了自身的文化基因，成为连接传统与未来的桥梁。
从被动接受到主动探索，从知识灌输到能力培养——这些课程共同印证了一个事实：虚拟仿真技术并非要完全替代真实实验，而是以“虚”补“实”、以“虚”拓“实”，它极大地拓展了学生认知世界的边界，将曾经的“不可能”变为日常教学的“可能”。
近年来，山西大学将一流课程建设作为深化教学改革的核心引擎，通过顶层设计、系统推进落实，形成了覆盖线上线下、混合式、虚拟仿真及社会实践等多类型的一流课程建设矩阵。构建了“校级培育—省级遴选—国家冲刺”的梯度孵化机制，通过多年的努力，已经建成国家级虚拟仿真实验教学一流课程6门。教务处处长宋鹏介绍：“学校除这6门虚拟仿真课外，还有21门课程认定为国家级一流本科课程，实现了多类型‘金课’全覆盖。通过课程重塑，有效解决了高难度工程训练无法开展、优质资源跨校共享难等痛点，学生在高阶思维、解决复杂问题及动手实践等方面的能力显著提升。未来，学校将继续强化技术赋能，利用VR/ AR、人工智能算法构建高保真虚拟环境，并依托开放式共享平台实现从‘演示性’实验向更深层次‘交互性’体验的转变。”
记者沈佳 本报通讯员张颖
来源：山西日报
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