從“紙上談兵”到“高階”求真——走進(jìn)山西大學(xué)國(guó)家級(jí)一流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課堂

“1,4-丁二醇高壓加氫虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)場(chǎng)景。

“萬年冰洞三維建模及地理成因分析”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景。

“山西傳統(tǒng)壁畫虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)”課上師生探討壁畫修復(fù)細(xì)節(jié)。

這不是一間普通的教室。

推開門，沒有高壓反應(yīng)釜的轟鳴，也沒有易燃易爆氣體的刺鼻氣味。但當(dāng)你輕點(diǎn)鼠標(biāo)，屏幕深處，一場(chǎng)關(guān)于物質(zhì)的轉(zhuǎn)化已然開場(chǎng)——催化劑表面，原子悄然重排。一次“錯(cuò)誤”的參數(shù)設(shè)置，沒有引爆任何危險(xiǎn)，卻在數(shù)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(dòng)中，觸碰到了北緯38°的地質(zhì)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(lán)的光，訴說著百萬年的氣候密碼。

這不是科幻電影的片場(chǎng)，而是山西大學(xué)國(guó)家級(jí)一流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室里的日常。

高壓禁區(qū)里的“安全失敗”——

這種“容錯(cuò)”，實(shí)質(zhì)上是科學(xué)發(fā)現(xiàn)里一種更高階的“求真”

郝俊生老師在山西大學(xué)化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心已經(jīng)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(xué)反應(yīng)中的重要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，高壓加氫實(shí)驗(yàn)一直都是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的盲區(qū)和禁區(qū)。

“高壓反應(yīng)釜不是鬧著玩的。”他指著屏幕上那個(gè)銀灰色的虛擬設(shè)備說，“氫氣易燃易爆，學(xué)生稍有操作失誤，后果不堪設(shè)想。所以很多時(shí)候，我們只能把重點(diǎn)放在理論講解上，讓學(xué)生紙上談兵。”這種教學(xué)雖然安全，但總像隔著一層磨砂玻璃看風(fēng)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(shí)驗(yàn)”的出現(xiàn)，一切悄然改變。這門脫胎于國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目、曾獲山西省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的前沿成果，被精心設(shè)計(jì)、改造后搬進(jìn)了學(xué)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(gè)讓在場(chǎng)學(xué)生都眼睛一亮的詞——“失敗的權(quán)力”。在虛擬世界里，2022級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的車蘇凝毅第一次體驗(yàn)到了這種奇特的自由。他大膽地將反應(yīng)溫度調(diào)到了一個(gè)“理論上不該嘗試”的區(qū)間，屏幕上的轉(zhuǎn)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(shí)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)，讓我自己去想——為什么會(huì)這樣？”

這組“失敗”的數(shù)據(jù)并非終點(diǎn)，而是一連串追問的起點(diǎn)：活性位點(diǎn)是否分散不均？孔徑分布是否出了問題？學(xué)生被鼓勵(lì)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)。系統(tǒng)甚至貼心地提供了虛擬的XRD圖譜和化學(xué)吸附數(shù)據(jù)，讓推理有了依據(jù)。

“科學(xué)往往是數(shù)千次失敗后的一次成功。”郝俊生說，“如果學(xué)生在課堂上永遠(yuǎn)只被允許‘成功’，他們永遠(yuǎn)不會(huì)理解什么是真正的科研。”這種“容錯(cuò)”，實(shí)質(zhì)上是一種更高階的“求真”。當(dāng)學(xué)生從一次“爆炸”的數(shù)據(jù)中學(xué)會(huì)歸因與重建，他們所觸摸到的，正是科學(xué)發(fā)現(xiàn)最本質(zhì)的脈搏。2022級(jí)的蘇雨佳對(duì)此感觸很深：“對(duì)本科生來說，實(shí)驗(yàn)不僅是學(xué)會(huì)操作步驟，更是讓我們有機(jī)會(huì)反復(fù)試錯(cuò)、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。”

如今，這門課程的網(wǎng)頁(yè)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(shù)字世界里“安全失敗”過的年輕人們，正在一次次試錯(cuò)中，建立起屬于自己的科學(xué)直覺。

冰洞深處的時(shí)間旅行者——

將一道遙遠(yuǎn)的地理謎題，轉(zhuǎn)化為每個(gè)學(xué)生都能親手觸碰、自主求解的課堂實(shí)踐

如果化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一場(chǎng)與危險(xiǎn)共舞的探索，那么對(duì)于地理和環(huán)境學(xué)科的學(xué)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(shì)險(xiǎn)峻、成本高昂、測(cè)量復(fù)雜，大多數(shù)學(xué)生只能在書本和網(wǎng)頁(yè)上看到幾張冰柱照片。

針對(duì)這些問題，山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院張紅教授團(tuán)隊(duì)將“萬年冰洞三維建模及地理成因分析”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)課堂。課程團(tuán)隊(duì)融合地質(zhì)地貌、氣候、測(cè)量等多學(xué)科知識(shí)，綜合運(yùn)用地理觀察、地圖分析、地理建模、科學(xué)推理、歸納總結(jié)等教學(xué)方法，將“冰洞形成的地質(zhì)條件”“3D激光測(cè)量”“地理信息空間分析”等一系列理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作設(shè)置于虛擬仿真場(chǎng)景中，系統(tǒng)提升學(xué)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(xué)院的繆宇庭感覺自己時(shí)空穿梭。下一秒，她已經(jīng)站在了冰洞入口。四周是幽藍(lán)的冰層，頭頂是懸掛了萬年的冰柱。隨著前行的視角旋轉(zhuǎn)，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(shí)的冰洞之中，讓你覺得自己是一個(gè)探險(xiǎn)家。”

這門課的魅力遠(yuǎn)不止于“云旅游”。其內(nèi)核是一場(chǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探險(xiǎn)。學(xué)生需要在這里完成一系列高難度任務(wù)：了解冰洞形成的基本條件；采集冰洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建厘米級(jí)精度的三維模型；利用數(shù)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(zhì)構(gòu)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(jìn)，綜合分析。“這種教學(xué)讓我學(xué)會(huì)了如何深度學(xué)習(xí)。”環(huán)境與資源學(xué)院研究生陳文磊說，“科學(xué)研究的過程不是一蹴而就的，而是不斷試錯(cuò)、調(diào)整和優(yōu)化。這種思維方式的養(yǎng)成，比記住任何結(jié)論都重要。”

2023年夏天，地理專業(yè)學(xué)生張蕾終于有機(jī)會(huì)實(shí)地走進(jìn)萬年冰洞。當(dāng)她真正站在那片冰藍(lán)之中時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)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(jìn)行一場(chǎng)跨越時(shí)空的對(duì)話。”

虛擬仿真技術(shù)，就這樣拆除了險(xiǎn)峻地勢(shì)筑起的高墻，將一道遙遠(yuǎn)的地理謎題，轉(zhuǎn)化為每個(gè)學(xué)生都能親手觸碰、自主求解的課堂實(shí)踐。它賦予學(xué)生的，不僅是知識(shí)，更是一種抵達(dá)遠(yuǎn)方、對(duì)話自然的能力。

數(shù)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(shù)，守護(hù)祖先的遺產(chǎn)。”

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

山西，古代壁畫現(xiàn)存面積居全國(guó)首位。從永樂宮到云岡石窟，這些凝固于墻體之上的時(shí)光痕跡，承載著中華民族極為深邃的美學(xué)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(shù)學(xué)生只能隔著展柜玻璃，或者在畫冊(cè)上，以間接的方式遠(yuǎn)觀其貌。

山西大學(xué)美術(shù)學(xué)院王志俊教授的“山西傳統(tǒng)壁畫虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)”課程，改變了這一切。登錄平臺(tái)，一幅斑駁的畫卷緩緩展開。360度全景漫游，讓你可以走進(jìn)任何一座虛擬復(fù)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(yùn)筆邏輯，每一塊礦物顏料的沉積層次。

但最讓2022級(jí)數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)的孟語軒難忘的，不是“看”，而是“修”。在壁畫修復(fù)模塊，她和小組成員接到了一個(gè)任務(wù)：用虛擬技術(shù)，修復(fù)一處殘缺的飛天圖像。她們需要操作高精度三維掃描設(shè)備，捕捉每一處裂痕；需要運(yùn)用智能拼接算法，將碎片重新拼合；需要參考?xì)v史文獻(xiàn)，調(diào)整色彩偏差，讓飛天重新“活”過來。“當(dāng)看到修復(fù)成果在虛擬展廳動(dòng)態(tài)展示的那一刻，我真正理解了什么叫‘科技與藝術(shù)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(shù)，守護(hù)祖先的遺產(chǎn)。”

課程按照“賞析采集—主題創(chuàng)作—衍生設(shè)計(jì)”三階遞進(jìn)式結(jié)構(gòu)展開。學(xué)生們首先在虛擬場(chǎng)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(rèn)知古典美學(xué)范式；最后，將這些古老的元素進(jìn)行視覺轉(zhuǎn)譯與數(shù)字再造——從文化解碼到視覺重構(gòu)，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(shù)字藝術(shù)作品。

“這門課完全打破了我對(duì)壁畫的認(rèn)知。”美術(shù)學(xué)院2022級(jí)的王佳信說，“它不只是藝術(shù)鑒賞，更是一場(chǎng)沉浸式的文化解碼之旅。那些千年前的畫師，仿佛在通過數(shù)字技術(shù)，和我們隔空對(duì)話。”2021級(jí)的高溶珂則感受到了另一種觸動(dòng)：“老師對(duì)傳統(tǒng)文化的敬畏之心，潛移默化地影響了我們。我們?cè)谡莆諗?shù)字技術(shù)的同時(shí)，也真正理解了這些壁畫的價(jià)值。”從虛擬修復(fù)到創(chuàng)意轉(zhuǎn)化，從課堂學(xué)習(xí)到文化傳承，這門課程正在用數(shù)字科技，為一度“沉默”的千年丹青，注入新的生命。

這種教學(xué)實(shí)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(shù)字建模、虛擬仿真、交互設(shè)計(jì)等專業(yè)內(nèi)容，更是對(duì)傳統(tǒng)文化的敬畏之心與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。學(xué)生在“臨摹—復(fù)原—?jiǎng)?chuàng)新”的過程中，不僅掌握了數(shù)字時(shí)代的表達(dá)媒介，更在與千年丹青的對(duì)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(dòng)接受到主動(dòng)探索，從知識(shí)灌輸?shù)侥芰ε囵B(yǎng)——這些課程共同印證了一個(gè)事實(shí)：虛擬仿真技術(shù)并非要完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，而是以“虛”補(bǔ)“實(shí)”、以“虛”拓“實(shí)”，它極大地拓展了學(xué)生認(rèn)知世界的邊界，將曾經(jīng)的“不可能”變?yōu)槿粘＝虒W(xué)的“可能”。

近年來，山西大學(xué)將一流課程建設(shè)作為深化教學(xué)改革的核心引擎，通過頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)推進(jìn)落實(shí)，形成了覆蓋線上線下、混合式、虛擬仿真及社會(huì)實(shí)踐等多類型的一流課程建設(shè)矩陣。構(gòu)建了“校級(jí)培育—省級(jí)遴選—國(guó)家沖刺”的梯度孵化機(jī)制，通過多年的努力，已經(jīng)建成國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程6門。教務(wù)處處長(zhǎng)宋鵬介紹：“學(xué)校除這6門虛擬仿真課外，還有21門課程認(rèn)定為國(guó)家級(jí)一流本科課程，實(shí)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(xùn)練無法開展、優(yōu)質(zhì)資源跨校共享難等痛點(diǎn)，學(xué)生在高階思維、解決復(fù)雜問題及動(dòng)手實(shí)踐等方面的能力顯著提升。未來，學(xué)校將繼續(xù)強(qiáng)化技術(shù)賦能，利用VR/ AR、人工智能算法構(gòu)建高保真虛擬環(huán)境，并依托開放式共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)從‘演示性’實(shí)驗(yàn)向更深層次‘交互性’體驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。”

記者沈佳 本報(bào)通訊員張穎

來源：山西日?qǐng)?bào)