一间永远为你开放的实验室

我第一次上基础物理实验课，这门课几乎是全校必修，许多同学第一次真正走进实验室，将课堂上学到的理论知识应用于真实情境之中。

但真正让我印象深刻的，不是实验本身，而是——抢课。抢课比做实验还难。

图源网络

与想象中可以自由探索与反复尝试的实验环境不同，实验室的仪器有限、场地有限，热门项目往往一开放就被选满。没抢到，就要再等几周，甚至更久。

而即使抢到了，实验时间也只有一到两个小时。

老师讲解完注意事项，大家便开始“赶进度”：

测量、记录、计算、数据整理、分析……

一旦某个关键步骤出现偏差，往往来不及重做，只能带着遗憾结束，择期再次尝试。

那时我常在想：

如果实验室可以随时进去，该多好。

如果实验室可以随时进入

后来，这个想法，促成了我与仿真技术的结缘。

正是在这样的课堂情境下，我开始参与实验教学的数字化转型工作。

尝试借助仿真技术构建虚拟教学实验平台，突破时间与空间的限制，使学生能够多次尝试、充分参与完整的实验过程。

在仿真设计之初，我们首先对实验流程进行拆解与分析。

传统实验通常以固定流程展开：实验设计、仪器操作、数据记录、报告撰写。

当这一流程被转化为仿真系统时，我们很快意识到，

仿真的挑战不仅在于复现这些步骤本身，更在于如何在保证各环节具备充分操作自由度的同时，实现数据与系统状态的实时联动。

虚拟实验室物品库示意图

在流程框架确定之后，系统首先从“实验设计”入手进行实现。

为了实现仿真环境所需的高灵活性与可配置性，并兼顾操作的便捷性，我们预设了“游标卡尺测量书本”、“电子秤测量砝码”若干实验模板，作为标准的实验场景。

在此基础上，系统允许用户自由组合测量仪器与被测对象，并在虚拟实验台上进行配置与调整，实现实验的自主构建。

在电脑里，还原真实的“手感”

在实现“仪器操作”环节时，我们继续借助Unity引擎构建三维实验场景，希望在数字空间里尽可能还原真实实验的“手感”。

虚拟实验室测量内容选择或自定义页面

当虚拟物体被添加上“刚体”组件后，它们便拥有了质量、重力等基础物理属性；再配合碰撞检测，系统能够实时感知仪器与被测物体之间的接触与互动。

比如，当游标卡尺触碰到书本边缘时，它不会简单地“穿模”或直接贴合，而是会像现实中一样被轻轻顶开，只有持续施加合适的作用力，卡尺才会逐渐夹紧书本并完成测量。

螺旋测微计接触到物体边缘时，会同步发出熟悉的“咔咔”声作为提示。

螺旋测微计示意图

通过对力、热、光、电、声等多种物理现象的仿真，让虚拟环境中的每一步操作都尽可能接近真实体验。

一位随时在线的“虚拟助教”

在“数据记录”环节，根据用户填写的数据表格，自动生成测量数据的变化趋势，帮助判断实验过程中是否出现测量错误。

同时，仿真系统结合仪器预先设定的测量精度、量程范围与读数规则，对记录的数据进行实时校验，并在发现问题时及时给出提示。

系统还提供实验存档与保存功能，用户可以随时回溯自己的操作过程，让每一条数据都有迹可循。

虚拟物理实验结束页面

在“报告撰写”环节，仿真系统会联动实验过程中产生的各类数据与记录，自动生成结构化的实验报告框架，帮助用户从繁琐的整理工作中解放出来，把更多精力投入到分析与思考本身。

当计算结果与标准答案出现偏差时，系统还会基于实验数据模拟多种可能的误差情形，推断问题产生的原因，扮演用户专属的“虚拟助教”，及时给出反馈与改进建议。 

一间随时可以走进的实验室

虚拟实验室启动页面

通过构建现实物理实验的虚拟仿真环境，我们在一定程度上突破了时间、空间与设备资源的限制。

渐渐地，过去需要“抢名额”的热门实验，如今已成为同学们随时可自主开展、反复探索的常态化学习场景。

仿真技术实现了我们希望的那间实验室——

它没有门禁，没有名额限制。

只要想做实验，随时都能走进去。

张峻凡

北京航空航天大学在读博士生