一、 研究目的与意义

1. 研究目的：

本项目旨在利用Unity 3D引擎强大的实时三维交互技术，构建一个高度沉浸、安全可靠、功能完备的虚拟实验室环境。其核心目的在于：

解决现实实验的局限性： 克服高成本、高危险、高消耗、长周期及受时空限制的实验难题，为学生提供一个“永不关闭”的实验平台。

提升教学效能与学习体验： 通过可视化的交互操作和即时的数据反馈，将抽象的理论知识具象化，激发学生学习兴趣，深化对实验原理和过程的理解。

探索教育信息化新模式： 实践“互联网+教育”和“虚拟仿真实验教学”的先进理念，为实验教学的改革与创新提供可行的技术方案和案例参考。

2. 研究意义：

对教育领域的意义：

教学改革推动： 是信息技术与教育教学深度融合的典范，推动实验教学从“验证式”向“探究式”转变，培养学生的自主学习和创新能力。

教育资源均衡： 使缺乏昂贵实验设备或偏远地区的学生也能接触到高质量的实验资源，促进教育公平。

对社会与经济的意义：

降低成本与风险： 极大减少实验器材损耗以及潜在的安全事故赔偿成本。

二、 研究目标与内容

1. 研究目标：

总体目标： 成功开发一个土木工程专业，具备完整实验流程、逼真视觉效果和科学逻辑内核的虚拟实验室原型系统。

具体目标：

环境构建目标： 创建高保真、符合现实实验室布局与规范的3D场景。

交互功能目标： 实现核心的交互操作，如仪器的抓取、移动、组装、调试，试剂的取用、添加、混合，以及电源的开关等。

仿真逻辑目标： 建立基于真实土木工程实验的系统内核，确保实验现象的正确性与科学性。

系统集成目标： 集成用户界面(UI)、实验步骤引导、数据记录与处理、实验报告生成及成绩评定等辅助功能模块。

2. 研究内容：

虚拟实验室整体架构设计： 设计包括场景管理层、交互控制层。

三维建模与场景搭建： 使用3ds Max、Blender等工具进行精细化三维建模，并在Unity中完成场景的灯光优化。

核心交互机制的实现：实现物体的抓取与放置。开发仪器设备的可操作接口（如按钮、旋钮、开关的响应）。

三、 特色及创新点

1. 项目特色：

高度沉浸感： 采用第一人称视角，配合逼真的3D音效和视觉反馈，营造身临其境的实验氛围。

强交互性： 突破“看”的局限，强调“做”的体验，提供自由、开放的探索式操作环境。

2. 创新点：

跨平台与可扩展架构： 项目基于Unity开发，可一键发布至PC、WebGL、VR/AR设备，并设计模块化架构，便于后续添加新的实验科目和功能。

四、 学生获得的训练

参与本项目的学生将获得跨学科、多维度的综合能力训练，远超传统单一课程设计的范畴：

1. 专业技术能力：

Unity 3D引擎精通： 熟练掌握场景管理、预制体、动画系统、UI系统、物理引擎等核心模块。

C#编程与软件架构： 深入理解面向对象编程思想，具备设计和实现中型软件系统的能力。

3D建模与美术基础： 了解三维建模、贴图流程，具备一定的审美和优化能力。

2. 学科交叉与创新能力：

跨学科知识融合： 将计算机科学技术与土木工程学科知识相结合，培养复合型知识结构。

3. 软技能提升：

团队协作与沟通： 在项目组中明确分工、有效沟通，共同推进项目进展。

文档撰写与汇报能力： 撰写项目设计方案、技术文档和总结报告，并进行清晰的项目展示与答辩。