構建化學虛擬仿真實驗室大學生創新創業實踐

摘要：虛擬現實技術具有沉浸性、可交互性和多感知性等特點，在教育、工業、娛樂等多個領域得到廣泛使用。它能提供包括視覺、聽覺、觸覺等多維度感知，增強用戶的體驗感和參與度。初中化學實驗是加深學科學習深度的重要途徑，但部分實驗如果操作不當則會產生一定危險性。本文從大學生創新創業角度出發，提出構建一個虛擬仿真的初中化學實驗平臺，為初中生提供一個安全、高效的化學實驗環境，同時激發大學生創新創業意識，引導大學生利用所學專業技術進行創新創業實踐。

關鍵詞：初中化學；仿真實驗室；大學生創新創業

中圖分類號：F24文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2025.10.044

1項目背景

初中化學實驗是學生學習化學、培養科學素養、提高實操能力和激發學習興趣的一個重要途徑。在實驗過程中，學生需通過觀察實驗過程中的實驗現象、實驗數據和實驗結果，對所學的化學知識進行加深和鞏固。在初中化學實驗中，常用的實驗儀器和材料包括酒精燈、試管、強酸強堿、帶腐蝕性的酸堿液體等，這些物品如果使用不正確或不規范，很容易導致實驗失敗、學生受傷，甚至引發火災等危險事故[1]。

虛擬現實技術在近年來取得了顯著的發展，在VR虛擬仿真環境中，讓用戶仿佛置身在一個虛擬世界，通過佩戴虛擬現實設備，可以實現視覺、聽覺、觸覺等多種感知的人與系統之間的交互，為用戶提供一種沉浸式體驗。

2019年11月20日，教育部發布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》（教基〔2019〕16號），《意見》要求各地各校要豐富實驗教學實施形式，促進傳統教學和現代新興科技有機融合，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力。

2產品與服務

2.1產品

虛擬仿真實驗室項目將虛擬現實技術與初中化學實驗教學相融合，將初中20多個典型化學實驗進行虛擬仿真，用戶攜帶VR虛擬仿真設備即可進行虛擬實驗。以優質教學資源為核心，集終端、應用系統、平臺、內容于一體，將抽象概念具象化，為學習者打造高度仿真、可交互、沉浸式、安全的三維互動實驗學習環境[2]。

虛擬仿真實驗室采用虛擬仿真設計方式形式進行，仿真化實驗操作與講解使得學習過程更具趣味性，平臺可根據學生學習情況多次開展實驗，滿足個性化學習需求。實驗過程無須教師準備實驗器材，從而有更多的時間和精力投入到教學中，自動評分系統更能幫助教師了解學生的學習情況。

2.2服務

虛擬仿真實驗室根據目標客戶實訓室的建設情況，按不同的配置、不同的軟硬件需求、不同的建設經費提供了四個層次的產品與服務。

（1）初級產品與服務：提供非沉浸式在線學習方案。無須建設實訓室、不需要購置硬件設備，只需使用團隊設計的平臺軟件即可讓學習者開展在線學習。

（2）升級產品與服務：沉浸式VR升級實驗室建設方案。提供對傳統機房的升級改造方案，需要購置相應的VR設備和平臺軟件。

（3）高級產品與服務：沉浸式VR全新實驗室建設方案。虛擬仿真化學實驗室根據實驗教學需求，利用VR技術，以實驗定制化課件開發為核心，開發集計算機、VR硬件、VR課件、VR系統和VR云平臺于一體的VR實驗教室。

（4）定制服務：沉浸式VR定制實訓室建設方案。將服務對象擴展到更大的范圍，依據服務對象的實驗需求提供定制版的服務。

3產品設計

虛擬仿真化學實驗室主要利用unity引擎和3DMAX建模開發工具，通過場景建模，真實模擬初中化學實驗環境，保證了學生的安全，實驗過程可逆可修正。

3.1技術分析

（1）VR技術：綜合利用計算機圖形系統和各種現實及控制等接口設備，在計算機上生成的、可交互的三維環境中提供沉浸感覺的技術。

（2）三維建模技術：三維建模是指利用三維數據將現實中的三維物體或場景在計算機中進行重建，最終實現在計算機上模擬出真實的三維物體或場景。

（3）平面設計技術：在二維空間設計活動。將平面構成要求，如不同字體的文字、圖片和圖形、線框和色塊等，根據特定主題的需要進行組合排列，并運用造型要素及形式原理，把設計構思以視覺的形式表達出來。

（4）前端開發技術：前端開發是創建Web頁面或App等前端界面并呈現給用戶的過程。前端開發通過HTML，CSS及JavaScript以及衍生出來的各種技術、框架、解決方案，來實現互聯網產品的用戶界面交互。

（5）后端開發技術：運用了數據存儲，云服務技術搭建平臺，對實驗室平臺中的管理信息，用戶信息，實驗信息進行實時監控和管理。

3.2系統設計

（1）PC端設計：PC端是一個引導用戶使用虛擬仿真實驗室的在線平臺。PC端有視頻學習、課程定制、互動交流、VR體驗、軟件下載、個人中心等六個主要板塊。其產品架構圖如圖1所示。

（2）APP端設計：APP端則負責引流，加快分發速度以及變現，進行進一步的用戶沉淀，設計著重于精簡核心功能。虛擬仿真實驗室APP端將PC端中的六大板塊單獨出來，精簡成VR平臺、視頻、資訊、商城、論壇、評分考核等板塊。其產品架構圖如圖2所示。

（3）后臺設計：后臺系統則管理員提供管理前端界面的相對應模塊。其產品架構圖如圖3所示。

4項目優勢

4.1輔助教學資源開發，創新教學模式

學生可以自主進行體驗學習，最大限度地增強學生的學習體驗。學生與VR資源庫的學習內容進行交互，既可以調動學生的學習興趣又能夠讓學生自己發現自己在該模塊學習中不懂的知識。然后由教師介入引導，歸納學生的問題，組織學生再次學習體驗，解決他們的問題[3]。

4.2高仿真設計

現在市面上的虛擬仿真項目的場景，大多都是以傳統手繪模式加上開發引擎內的渲染效果呈現，而項目團隊則采用PBR流程（用于更精確地描述光與物體表面互動的技術），使用多款軟件，制作出AAA級別的虛擬仿真場景，使體驗者有身臨其境的體驗。提高學生學習興趣和積極性。

4.3安全、高效、節約

初中化學實驗具有一定的危險性。學生在實驗室進行實驗時可能會由于操作不慎或其他原因，使得人身安全或者儀器設備安全受到威脅甚至造成損失。在虛擬場景中實驗則可避免這些問題，一些危險系數較高的實驗完全可以在虛擬環境中實現，保障師生實驗安全。而且虛擬仿真實驗室所用的物品、試劑均為虛擬物品，可大大節省實驗材料支出[4]。

4.4自動計分系統

虛擬仿真實驗室內設有計分系統，實驗操作時可儲存操作流程來進行計分，利用計分系統，學生可以用來練習實驗和進行實驗模擬考核的操作并且用來掌握實驗的重點知識。

4.5實驗過程可逆

傳統的實驗，尤其是化學實驗，一旦實驗進行，如果中途出現錯誤就只能重新做過而不能在錯誤的地方再做一次，這樣會造成教學資源的浪費。并且，實驗的過程不可逆轉，難以看到逆轉過來的實驗效果，如果實驗發生錯誤就很有可能會發生危險。

5商業模式

5.1初級服務

初級服務不涉及硬件設備，只需購買相應的實驗室平臺軟件即可實現在線學習。這個服務以實驗模塊進行收費，若每個實驗模塊100元，則捆綁銷售報價如下表1。

5.2升級服務

在傳統實驗室的基礎上進行升級改造，利用現有的實驗室場地，已經配置符合運行環境的電腦和桌椅，則只需根據人數配置VR軟硬件。VR實驗器材兩個學生一組，配置25套，可滿足一次服務50個學生。教師端一套，一共26套VR設備。具體包括有：

硬件設備：VR一體機（教師版）1套，VR一體機（學生版）25套。

軟件設備：虛擬仿真實驗室平臺軟件。軟件按年度收費，下面表2是第一年的報價。

5.3高級服務

根據中學實驗教學需求，利用VR技術，構建全新的集計算機、VR硬件、VR課件、VR系統和VR云平臺于一體的VR實驗教室，為學生提供高度開放、可交互、沉浸式的三維實驗教學。實現了高危、高難度、高損耗實驗的虛擬化，極大降低傳統實驗室的成本和危險度[5]。

具體的建設服務包括以下方面：

硬件設備：實驗室電腦設備若干臺，實驗室桌椅若干套，虛擬現實一體機（教師版）1套，虛擬現實一體機（學生版）若干套。教室端中控設備1套。

軟件設備：虛擬仿真實驗室平臺軟件。

5.4定制服務

將服務對象擴展到職業學校，大學，科研院所。依據服務對象的實訓室需求提供定制版的服務。具體建設內容包括以下方面：

硬件設備：實驗室電腦設備若干臺，實驗室桌椅若干套。根據具體實訓科目、實驗內容需求配置相關VR設備，比如：開發級數據頭盔，體驗級數據頭盔或數據眼鏡，數據傳感器或數據手套，云服務器，移動終端等[6]。

軟件設備：VR定制版實訓室平臺軟件。

6市場與營銷

6.1市場定位

團隊主要提供虛擬仿真初中化學實驗室構建方案，將初中化學實驗虛擬在仿真系統當中。團隊提供高仿真度的課程實驗建設，同時提供定制服務，為學校提供高效、安全的高仿真實驗場景平臺和實驗室。

6.2目標客戶

（1）主要目標客戶：目前客戶群體的定位是中學，前期主要是珠三角中學，后續發展主要推廣到潮汕地區。根據學校需求量身定制虛擬仿真云課堂解決方案建立高效、安全的高仿真實驗場景平臺，為中學的化學課程設計VR實驗，為學習者打造高度仿真、可交互、沉浸式、個性化的三維互動實驗學習環境。

（2）其他目標客戶：實驗輔導機構、實驗研究機構。實驗的輔導機構及研究機構為培養實驗人才，會反復地進行實驗操作，為減少實驗教學所帶來的高額支出和吸引大量的實驗培訓者，虛擬仿真實驗室為其提供一個安全、高效的實驗平臺。

6.3產品營銷

（1）產品策略：在實踐中，團隊尤其側重以下幾方面工作：一是發現傳統教育手段無法實現，但使用AR/VR技術能夠解決的需求，這也是AR/VR最佳需求場景；二是了解用戶的實際應用場景，設計符合用戶需求的版本。

（2）價格策略：VR可以嵌入到許多不同的課程實驗，為每個實驗帶來完全不同的體驗。在價格上團隊采用需求差異定價法，以消費者的需求為中心，為他們定制個性化服務。根據購買者對產品需求的強弱程度不同制定不同的價格。

（3）渠道策略：除了直接渠道，團隊也要選擇適當的分銷渠道。直接渠道主要面向廣州地區，一般由團隊自行銷售。在珠三角的其他地區，如深圳、佛山、東莞等地區，可以尋找合適的中間商幫忙營銷推廣。

（4）促銷策略：在促銷組合策略上團隊采用銷售人員推銷為主，網上推廣為輔的方式。給客戶提供“先試用后購買”的方式，激起購買者對產品的興趣。

7風險及應對策略

7.1項目風險

團隊提供平臺及其相應的VR設備配置的服務，但團隊不具備VR設備的研發與生產能力。雖然核心的虛擬實驗室構建是由團隊完成，但是團隊自主研發的產品面向市場后，也有可能會出現核心技術人員有所流失，或者核心技術在研發使用時出現外泄的情況。

7.2應對策略

（1）減少技術人員方面的流失：團隊將協調技術團隊內部關系、完善技術人員福利體制，營造良好的團隊文化氛圍，以此來減少技術人員的流失，并適當吸納各方面人才不斷完善技術團隊。

（2）提高技術人員的創新積極性：團隊將提供良好的技術研發環境、建立技術創新獎勵機制。此外，團隊將及時掌控動態的行業資訊和客戶信息，加強溝通，了解市場需求，進行有效的技術升級創新。

（3）注重知識產權保護，申請軟件著作權及專利：依靠國內外法律保護團隊的知識產權，堅決抵制一切侵犯本產品專利的商業行為，并且在產品中加入技術保密技術。

參考文獻

［1］岳黎芬.虛擬現實技術及其在高職化工教學中的應用[J].數據，2021，（12）：97-98.

[2]趙銘超，孫澄宇，楊騰皓，等.虛擬仿真實驗教學的探索與實踐[J].課程教學研究，2018，（1）：1.

[3]李麗霞，王巧玲.大學生創新創業訓練計劃項目可行性分析[J].人才資源開發，2021，（03）：55-56.

[4]王顯海，王騰，岳兆新，等.大學生創新創業訓練項目在人才培養方面的思考[J].中國教育技術裝備，2023，（9）：131-133.

[5]舒道偉.基于VR的虛擬實驗室的基本交互式設計[D].昆明：云南大學，2017.

[6]焦雨蒙，高曉曉，魏本宏，等.基于VR的沉浸式虛擬實驗室設計研究[J].電子科學技術，2017，4（5）：130-133.