基于Unity 3D的物理實(shí)驗(yàn)儀器虛擬系統(tǒng)

牛海波，李育新，劉會(huì)玲，王小克

(西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西 西安 710018)

基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程覆蓋面廣，不僅包含了豐富的物理知識(shí)和思想、物理實(shí)驗(yàn)方法和手段，也包含了各種類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)儀器[1]. 課程中的很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要經(jīng)常使用基本儀器，如千分尺、游標(biāo)卡尺、顯微鏡等，特別是有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就是圍繞著特定儀器的使用學(xué)習(xí)來(lái)設(shè)置，如分光計(jì)、示波器等. 這些儀器的原理、結(jié)構(gòu)和操作涉及到較為復(fù)雜的空間三維關(guān)系，而剛進(jìn)入大學(xué)的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ζ毡楸∪酰臻g想象力不足，僅憑教材中的儀器平面圖示和文字說(shuō)明，難以在預(yù)習(xí)及課堂階段進(jìn)行有效學(xué)習(xí)，導(dǎo)致教師難以在課堂開(kāi)展有效教學(xué). 此外，現(xiàn)有的一些商業(yè)化的物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)，其中的儀器為二維結(jié)構(gòu)，側(cè)重于實(shí)驗(yàn)整體的學(xué)習(xí)，如實(shí)驗(yàn)的接線、數(shù)據(jù)測(cè)量等，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的三維仿真教學(xué). 因此，這些具有復(fù)雜空間三維關(guān)系的儀器成為基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的難點(diǎn)，造成了“教師難教,學(xué)生難學(xué)”的教學(xué)問(wèn)題.

針對(duì)以上基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題，采用三維虛擬仿真技術(shù)[2-6]，開(kāi)發(fā)了部分儀器的虛擬仿真系統(tǒng). 系統(tǒng)重在儀器結(jié)構(gòu)、原理及調(diào)節(jié)的學(xué)習(xí)，不僅可以虛擬拆解儀器，還具有展示、光路跟隨、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、測(cè)量結(jié)果判斷等功能. 系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互、多平臺(tái)支持、學(xué)生聽(tīng)講與操作互不干擾等特點(diǎn). 這些特點(diǎn)彌補(bǔ)了學(xué)生存在的空間思維能力不足的缺點(diǎn)，提升了基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果，有效解決了上述教學(xué)難題.

1 虛擬仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

1.1 開(kāi)發(fā)思路

仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用以學(xué)生為中心，以問(wèn)題為導(dǎo)向的思路[7-8]. 首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)、學(xué)習(xí)中的普遍難點(diǎn)以及經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，確定仿真系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容. 然后分別從教師、學(xué)生角度提出虛擬系統(tǒng)的功能需求、使用需求等，確定項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案. 再初步開(kāi)發(fā)出實(shí)驗(yàn)儀器的虛擬仿真系統(tǒng)，最后將其在課程教學(xué)中試用，給出反饋意見(jiàn)后進(jìn)一步修改完善，形成最終的成套軟件.

虛擬仿真系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn). 虛擬系統(tǒng)以提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果為目的，實(shí)現(xiàn)“知結(jié)構(gòu)”“懂原理”“會(huì)操作”的主要功能，且3個(gè)功能逐層遞進(jìn). 以分光計(jì)虛擬仿真為例，系統(tǒng)功能如圖1所示. 分光計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含較多的光學(xué)原理. 如JJY-1型分光計(jì)的各種控制螺釘就多達(dá)22個(gè)，對(duì)應(yīng)不同的調(diào)節(jié)功能[9]. 因此分光計(jì)仿真系統(tǒng)的第1個(gè)主要功能要實(shí)現(xiàn)各部件內(nèi)外部結(jié)構(gòu)以及各控制螺釘功能的認(rèn)知. 在“知結(jié)構(gòu)”基礎(chǔ)上，系統(tǒng)第2個(gè)主要功能是實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡及準(zhǔn)直管中所蘊(yùn)含的光學(xué)原理，即“懂原理”，如綠十字像如何產(chǎn)生，與分劃板上十字叉絲之間的關(guān)系等. 最后，在“知結(jié)構(gòu)”和“懂原理”的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)第3個(gè)主要功能是“會(huì)操作”，即實(shí)現(xiàn)學(xué)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到同軸等高，能通過(guò)游標(biāo)進(jìn)行讀數(shù)并與系統(tǒng)給出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比等功能. 通過(guò)以上遞進(jìn)的功能設(shè)計(jì)，將提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及操作效率.

圖1 分光計(jì)虛擬系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)圖

1.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)與開(kāi)發(fā)流程

采用 Unity Technologies公司出品的Unity 3D作為虛擬系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Unity 3D具有創(chuàng)建三維視頻游戲、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等類(lèi)型的互動(dòng)內(nèi)容功能，且交互性強(qiáng)、畫(huà)面質(zhì)量高[10-15]，近年來(lái)逐漸被應(yīng)用于教育領(lǐng)域中虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā). Unity 3D中所有的空間模型均為矢量，局部放大后依然清晰. 系統(tǒng)采用的建模工具為Blender，可高效創(chuàng)建三維模型. 系統(tǒng)的交互操作功能通過(guò)C#編程實(shí)現(xiàn).

系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程如圖2所示. 首先通過(guò)拆解實(shí)驗(yàn)儀器，測(cè)量各部件的結(jié)構(gòu)參量，然后根據(jù)測(cè)得的參量在Blender中對(duì)每個(gè)零部件進(jìn)行相同比例的獨(dú)立建模. 為展示一些復(fù)雜儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)原理，如分光計(jì)的阿貝目鏡、望遠(yuǎn)鏡筒、準(zhǔn)直管這3個(gè)核心部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及光學(xué)調(diào)節(jié)原理，測(cè)量顯微鏡的鏡筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用縱向刨開(kāi)建模，從而可以看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部所有的透鏡、棱鏡及叉絲分劃板. 將Blender中建好的三維模型以FBX文件格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)在Unity中進(jìn)行組裝. 組裝時(shí)根據(jù)教學(xué)需要和支撐作用指定模型之間的主從關(guān)系，并通過(guò)添加恰當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)和貼圖，進(jìn)一步增強(qiáng)模型的真實(shí)感.

圖2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2 虛擬仿真系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 三維建模

在建模過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的整體部分根據(jù)前視圖制做，細(xì)節(jié)部分根據(jù)實(shí)物來(lái)調(diào)節(jié). 以結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分光計(jì)建模為例，對(duì)鏡筒建模時(shí)，先在模板畫(huà)1條樣條線，然后畫(huà)1個(gè)圓環(huán)，最后進(jìn)行放樣操作. Y 型支架通過(guò)圓環(huán)、長(zhǎng)方體、圓柱體等基本標(biāo)準(zhǔn)體通過(guò)布爾運(yùn)算組合形成. 對(duì)于三腳架建模，通過(guò)構(gòu)建1個(gè)圓角長(zhǎng)方體，然后采用 FFD 命令改變其形狀來(lái)完成. 望遠(yuǎn)鏡的目鏡結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，將其拆分成3部分進(jìn)行建模，然后通過(guò)布爾命令進(jìn)行組合. 分光計(jì)的刻度盤(pán)共有 720 個(gè)小格，每個(gè)小格對(duì)應(yīng) 0.5°，共360°. 因此刻度盤(pán)的建模用到了陣列工具，在制作時(shí)先設(shè)計(jì)1個(gè)長(zhǎng)方體，通過(guò)陣列旋轉(zhuǎn) 360°，數(shù)量設(shè)為 720來(lái)完成. 游標(biāo)盤(pán)的制作也用陣列工具實(shí)現(xiàn).

建模時(shí)對(duì)部件的細(xì)節(jié)進(jìn)行精細(xì)還原，通過(guò)布爾命令切割，實(shí)現(xiàn)分光計(jì)載物臺(tái)上的圓形紋路. 綜合利用Blender的功能實(shí)現(xiàn)了千分尺套筒及棘輪上的刻痕，通過(guò)對(duì)光學(xué)儀器中的透鏡進(jìn)行倒角處理，使其邊緣更圓潤(rùn)，增加了與實(shí)物圖的契合度. 再使用 VRay 渲染軟件對(duì)模型添加材質(zhì)和貼圖，并用不同顏色區(qū)分不同部件以便對(duì)比觀察. 因此仿真系統(tǒng)與真實(shí)儀器相似度非常高，使學(xué)生從虛擬仿真系統(tǒng)的模擬練習(xí)過(guò)渡到真實(shí)儀器的操作時(shí)更加自然. 建模后的虛擬仿真系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 開(kāi)發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)

虛擬系統(tǒng)整體模型建立后，下一步驟是交互功能的設(shè)計(jì)，主要圍繞著“知結(jié)構(gòu)”“懂原理”“會(huì)操作”來(lái)實(shí)現(xiàn).

2.2 知結(jié)構(gòu)

本文開(kāi)發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從空間任意角度觀察認(rèn)知儀器的結(jié)構(gòu). 為了提高人機(jī)交互效果，從學(xué)生使用角度出發(fā)，分別對(duì)鼠標(biāo)左中右鍵進(jìn)行功能設(shè)定，可以便捷地對(duì)儀器進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)、平移、放大及縮小操作. 在“知結(jié)構(gòu)”功能下，鼠標(biāo)移到主要部件上，會(huì)顯示該部件的說(shuō)明. 例如在分光計(jì)虛擬系統(tǒng)中，鼠標(biāo)移到每個(gè)螺釘上，會(huì)出現(xiàn)文字介紹該螺釘?shù)墓δ? 此外，通過(guò)設(shè)置滑動(dòng)條上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)儀器的拆分及組裝功能，使學(xué)生進(jìn)一步了解儀器的結(jié)構(gòu)組成，如圖4所示. 通過(guò)拆分，學(xué)生可直觀學(xué)習(xí)分光計(jì)是由各部件圍繞著主軸嵌套而成；千分尺的套筒、螺桿、棘輪嵌套關(guān)系也一目了然.

(a)分光計(jì)

通過(guò)對(duì)真實(shí)儀器部件的拆分測(cè)量，研究其內(nèi)部機(jī)械及光學(xué)結(jié)構(gòu)，再準(zhǔn)確建模，虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模擬. 在知結(jié)構(gòu)功能下，系統(tǒng)以透明方式，展示了重要部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生通過(guò)在部件上點(diǎn)擊左鍵就可觀察儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu). 如圖5所示，分光計(jì)望遠(yuǎn)鏡筒內(nèi)部的分劃板及棱鏡、準(zhǔn)直管中的狹縫裝置、測(cè)量顯微鏡的鏡筒內(nèi)部構(gòu)造特別是五角棱鏡等，都被真實(shí)地顯示出來(lái)，大幅降低了儀器結(jié)構(gòu)方面的學(xué)習(xí)難度.

圖5 儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 懂原理

物理實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含著豐富的物理原理，或者說(shuō)為了實(shí)現(xiàn)物理原理，儀器的結(jié)構(gòu)才設(shè)計(jì)得如此復(fù)雜巧妙. 實(shí)驗(yàn)儀器中的物理原理學(xué)習(xí)一直是教學(xué)中的難點(diǎn)，也是仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的難點(diǎn). 例如：分光計(jì)中學(xué)生不清楚綠十字像是如何形成的，準(zhǔn)直管為什么可以產(chǎn)生平行光. 針對(duì)以上難點(diǎn)，系統(tǒng)引入輔助線表征光線，然后分析光路中的空間解析幾何的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)C#編程準(zhǔn)確模擬了光路原理，并以光路跟隨的形式直觀地展示了上述過(guò)程，方便學(xué)生學(xué)習(xí).

圖6為準(zhǔn)直管中的光路原理，通過(guò)物鏡焦距、狹縫位置等數(shù)據(jù)，并根據(jù)成像原理，設(shè)置滑動(dòng)條，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)狹縫裝置，出射光從發(fā)散→平行→會(huì)聚狀態(tài)的自然順暢模擬，使學(xué)生清晰地學(xué)習(xí)近軸光線傳播原理. 同理，如圖7所示系統(tǒng)也模擬了望遠(yuǎn)鏡中的光路原理，學(xué)生根據(jù)入射光線與反射光線的對(duì)應(yīng)變換關(guān)系，可直觀了解綠十字像如何形成，成像在何位置，掌握儀器中以往較難理解的空間三維關(guān)系，從而降低了儀器原理的教學(xué)難度.

圖6 準(zhǔn)直管光路原理模擬

圖7 望遠(yuǎn)鏡光路原理模擬

分光計(jì)和測(cè)量顯微鏡在真實(shí)測(cè)量中都存在如下操作：隨著持續(xù)調(diào)焦，像會(huì)從模糊→清晰→模糊進(jìn)行變化，此操作目的是為了尋找最清晰的像，很多光學(xué)實(shí)驗(yàn)中都有類(lèi)似的操作，此操作也是鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的重要步驟. 在這步的仿真中，如果采用多幅圖片播放的方式模擬像的變化過(guò)程，會(huì)造成卡頓、不連續(xù)、不真實(shí)的缺點(diǎn). 為實(shí)現(xiàn)模擬過(guò)程的順暢，創(chuàng)新性地借鑒三維游戲的制作功能，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)連續(xù)顯示，達(dá)到預(yù)期目標(biāo). 如圖8所示，在系統(tǒng)中設(shè)置滑動(dòng)條，拖動(dòng)滑動(dòng)條即可使目鏡筒的位置發(fā)生連續(xù)變化，使綠十字像的調(diào)節(jié)過(guò)程順暢真實(shí)地再現(xiàn).

圖8 綠十字像漸變過(guò)程

2.4 會(huì)操作

實(shí)驗(yàn)儀器中不僅蘊(yùn)含豐富的物理原理，也對(duì)應(yīng)著相對(duì)復(fù)雜的操作，因此實(shí)驗(yàn)儀器的操作也成為教學(xué)中的難點(diǎn). 系統(tǒng)以?xún)x器中的物理原理為基礎(chǔ)，通過(guò)分析儀器中空間解析幾何的數(shù)學(xué)關(guān)系，準(zhǔn)確測(cè)量需要的各類(lèi)參量，再利用C#編程準(zhǔn)確模擬儀器的操作. 如圖9所示的千分尺仿真系統(tǒng)中，通過(guò)準(zhǔn)確設(shè)定螺紋螺距及50個(gè)等分刻度，實(shí)現(xiàn)了模擬真實(shí)操作. 例如，學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊套筒并向右滑動(dòng)，可使套筒向后轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)測(cè)微螺桿向右運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)刻度指示練習(xí)讀數(shù).

圖9 千分尺仿真系統(tǒng)

同軸等高調(diào)節(jié)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作，也是難點(diǎn). 例如在分光計(jì)教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生普遍感覺(jué)最難的是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的同軸等高，調(diào)好的標(biāo)志是雙面平面鏡的2個(gè)面分別正對(duì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，綠十字像應(yīng)和最上方的十字叉絲重合. 在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生因?yàn)椴磺宄G十字像的位置如何變化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)儀器時(shí)思路不清，從而不清楚載物臺(tái)下螺釘和望遠(yuǎn)鏡下螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)順序及調(diào)節(jié)方向. 因此在開(kāi)發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)時(shí)，首先分析了光路中的數(shù)學(xué)關(guān)系. 例如載物臺(tái)下方3個(gè)螺釘?shù)捻旤c(diǎn)組成等邊三角形，設(shè)此三角形高為H；螺釘?shù)穆菥酁閟，設(shè)分劃板距載物臺(tái)中心距離為L(zhǎng)，根據(jù)幾何關(guān)系，可得出當(dāng)載物臺(tái)下方的調(diào)節(jié)螺釘旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，綠十字像的位置改變量為

Δx=2Larctan (s/H).

同理可得到調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡筒下的俯仰螺釘，綠十字像位置的改變量，以及轉(zhuǎn)動(dòng)雙面平面鏡，反射光的角度變化等數(shù)學(xué)關(guān)系，然后通過(guò)C#編程控制調(diào)節(jié)附件、輔助線、 光線與光學(xué)元件，通過(guò)分光計(jì)載物臺(tái)之間的層級(jí)、從屬、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，準(zhǔn)確模擬了同軸等高調(diào)節(jié)時(shí)的操作，并以光路跟隨的形式直觀地展示了上述過(guò)程，方便學(xué)生學(xué)習(xí).

圖10(a)為調(diào)節(jié)俯仰螺釘，使望遠(yuǎn)鏡筒向下傾斜時(shí)的光路變化及綠十字像位置變化；圖10(b)為調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的俯仰螺釘，使載物臺(tái)向上傾斜時(shí)的光路變化及綠十字像位置變化；圖10(c)為轉(zhuǎn)動(dòng)雙面平面鏡時(shí)，反射光的光路跟隨變化. 整個(gè)模擬過(guò)程直觀清晰，方便學(xué)生學(xué)習(xí)調(diào)節(jié). 使學(xué)生有效地掌握課堂實(shí)驗(yàn)中具體操作的要領(lǐng).

(a)調(diào)節(jié)俯仰螺釘使望遠(yuǎn)鏡筒向下傾斜

儀器調(diào)節(jié)好后，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，因此系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果的自動(dòng)判讀供學(xué)生練習(xí). 例如，分光計(jì)采用雙游標(biāo)讀數(shù)，根據(jù)游標(biāo)原理制作了高精度的游標(biāo)刻度，并通過(guò)腳本編程，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確真實(shí)的游標(biāo)讀數(shù)仿真及測(cè)量，如圖11所示. 學(xué)生不僅可以自行進(jìn)行游標(biāo)讀數(shù)練習(xí)，還可以將數(shù)據(jù)與系統(tǒng)給出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷讀數(shù)的準(zhǔn)確程度，提高了交互功能. 類(lèi)似功能在其他仿真系統(tǒng)中也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，如圖9所示的千分尺結(jié)果自動(dòng)顯示功能.

圖11 分光計(jì)游標(biāo)盤(pán)、刻度盤(pán)及讀數(shù)測(cè)量的仿真

3 虛擬仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的實(shí)踐

從學(xué)生使用角度出發(fā)，編寫(xiě)了虛擬仿真系統(tǒng)使用說(shuō)明，增添了語(yǔ)音講解與字幕對(duì)白并與儀器實(shí)體展示相呼應(yīng). 目前，開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)儀器仿真系統(tǒng)已投入本校的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具體應(yīng)用在學(xué)生預(yù)習(xí)、教師課堂教學(xué)講解及課后復(fù)習(xí)階段. 特別是在預(yù)習(xí)階段，設(shè)置了針對(duì)儀器結(jié)構(gòu)、原理及操作的預(yù)習(xí)問(wèn)題，要求學(xué)生操作仿真系統(tǒng)后回答，使得仿真系統(tǒng)的學(xué)習(xí)更有針對(duì)性，學(xué)生、教師反映良好.

仿真系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1)易學(xué)性. 學(xué)生利用該系統(tǒng)，不僅可在三維空間中直觀地認(rèn)知儀器各部件的構(gòu)造及其對(duì)應(yīng)的物理原理，也可以模擬操作儀器，練習(xí)各種調(diào)節(jié)功能，有效克服抽象思維能力不足的缺點(diǎn)，為課堂原理學(xué)習(xí)、儀器的真實(shí)操作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；

2)易用性. 教師利用該系統(tǒng)，在課堂教學(xué)中可以更高效地講解儀器的原理及操作，顯著降低了教學(xué)的難度；

3)先進(jìn)性. 虛擬軟件在先進(jìn)的優(yōu)秀軟件平臺(tái)Unity 3D上開(kāi)發(fā)，不僅能體現(xiàn)整個(gè)模型、儀器的不同視角圖，而且能單獨(dú)體現(xiàn)模型、儀器的不同部位的內(nèi)外部的不同視角，在不同平臺(tái)上也具有良好的移植性.

4 結(jié)束語(yǔ)

物理實(shí)驗(yàn)儀器虛擬系統(tǒng)體現(xiàn)了“易學(xué)性、易用性、先進(jìn)性”的特點(diǎn)，創(chuàng)建了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，有效解決了“教師難教，學(xué)生難學(xué)”的教學(xué)難題. 隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新的教學(xué)手段正逐步進(jìn)入教育領(lǐng)域，特別是新冠疫情的出現(xiàn)，使得在線教育成為必然趨勢(shì)，如何保障在線教育的質(zhì)量非常關(guān)鍵. 而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是提高在線教學(xué)效果的有力手段. 對(duì)于量大面廣的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，開(kāi)發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維虛擬物理教學(xué)仿真系統(tǒng)，對(duì)保證、提高線上線下的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化具有重要意義.