简介
理化生实验室 是 矩道 科技推出的一款应用于中小学理科教学的虚拟仿真软件，内容涵盖小学科学、初高中的物理、化学、生物。以 “多一个维度看科学”为产品理念，以学科核心素养为指导，以科学性、探究性、开放性为核心。每个器材都经过高精度的 3D 建模，可以全方位、全角度的进行展示。依托于强大的智能算法引擎和 3D 引擎，保障了实验数据的准确性和实验现象的高保真性。高自由度的交互特性、及时明确的操作提示和错误提示，让操作变得简捷高效。作为一款教学辅助工具，不仅可以最大程度地还原真实实验过程，还能够完成传统实验室中不易实现的场景，如微观实验、宏观实验以及具有一定危险性的实验等。在满足 PC 鼠标键盘和触屏操作的同时，还具备 VR/3D 沉浸式的操作模式，支持各种主流 VR 设备，让难以理解的知识点变得更直观、更有趣。既能适应常态化的教学需求，又能满足新技术形态下的创新教育模式。
图 1 产品展示
学科特色
小学科学
小学科学实验室由六个模块组成，分别是：小科同步模块、电学探究模块、光学探究模块、生命世界模块、地理百科模块和器材库模块。
图 2 小学科学同步实验 -用摆做实验
同步实验模块：紧扣课程标准，贴合教学需求。实验内容包含教材上的学生分组实验、教师演示型实验以及重要知识点的展示。每个实验都有实验目的、原理、器材、步骤、结论等详细的实验介绍，满足日常教学需求以及学生的预习和复习。相比于传统实验，虚拟仿真实验能够将实验中抽象、虚拟的现象给直观的表现出来，方便了学生理解，加深了学生的认识。比如物体传热的快慢、发声物体的振动，不可见的电流、磁场、受力等。
图 3 小学科学同步实验 -哪一块面包上的霉菌长得快
电学探究模块：提供有小学实验室常用的电学元器件，包括电源、电阻、开关、仪表、灯泡等数十种。每个电子元器件都可根据需要设置其物理属性，烧毁的器件也可一键修复。用户可以自由选择器件搭建各种电路。为了方便小学生更好地认识和学习电路，电学探究模块还具有实时动态显示电流流通路径的功能，以及当前模型电路的保存和修改等。
图 4 科学 3D探究平台 - 电学
光学探究平台：提供有丰富的光学器件，包含平面镜、凹凸面镜、方形玻璃砖、半圆玻璃砖、三角棱镜、折射反射演示器材等光学器材，点光源、线光源、平行光源、各种色光、白光、蜡烛等光源，各种色球、卡片、字母板、辅助线等辅助器材。用户可以任意组合使用，搭建自己的实验，方便观察和学习。例如平面镜的反射实验，介质的折射实验，凸透镜的汇聚实验，探究不透明物体颜色成因、光的物理属性等等。光学探究模块能够实现 2D/3D 的自由切换， 2D 平面视图更适用于教学， 3D 环境更贴近现实，能够让用户观察到光线在现实世界中真实地传播情况。
图 5 科学 3D探究平台 - 光学
生命世界模块：包括生物世界、人体世界和微眼万千三个子模块。生物世界拥有各种 3D 高精度仿真模型，涉及植物学、动物学、微生物学三大学科，所有的模型都可以拆分再复位，配合相应标注，既方便教师教学也有益于学生观察学习。人体世界包括骨骼、肌肉、消化系统、牙齿、呼吸系统、大脑、心脏、眼球、耳和皮肤共十二个*体器人官**和系统的 3D 虚拟仿真模型。在 PC 端，可以通过旋转、放大来观察立体的器官结构，比如心脏的结构组成和心跳频率。难以想象的食物消化过程也能清晰地进行动态展示。通过 VR 头盔，抛开传统的塑料模型，更能沉浸式地感受人体的奥秘。微眼万千包含数十张常见植物、动物、微生物的高清显微镜图像，支持 10 ×倍下全景图和显微镜视角的自由切换，可以观察到目镜内真实的图像，还可以对图像的分辨率进行调整，放大观察地更清晰。适于教师常规教学演示和学生自主观察。
图 6 生命世界 -花的模型
图 7 人体世界 -肌肉模型
图 8 微眼万千 -神经细胞永久装片
地理百科模块：包含几十种 岩石和矿物 3D高精度虚拟仿真模型，可以直观且清晰地观察到不同岩石的光泽、纹路和组成，及各种矿物的晶体形状、颜色和集合体， 支持立体化、全视角地观察和学习 大型物质岩石、矿物的宏观、微观结构及各物质的用途和质地，帮助更方便地教学和学习。
图 9 紫色石英
器材库模块： 学习和认识实验器材的结构、用途和操作注意事项是实验的前提，也是确保实验成功和安全必不可少的一部分。小学科学对象库涵盖科学实验室常用的科学实验器材。所有器材都经过高精度的 3D 建模，能够全方位无死角的展示各个细节，并对各器材、药品进行名称的标注，配合详细的规格、用途和操作注意事项等文字说明，让学生对实验器材了解更多，以便正确进行实验操作和规避可能的实验风险。
图 10 酒精灯
图 11 木炭
物理学科
物理实验室由五个模块组成，分别是：同步实验模块、力学探究模块、电学探究模块、光学探究模块和对象库模块。
图 12 初中物理同步实验 ——换向器
同步实验模块：紧扣课程标准，贴合教学需求。实验目录包含教材上的学生分组实验、教师演示型实验以及重要知识点的展示。每个实验都有实验目的、原理、器材、步骤、结论等详细的实验介绍，满足日常教学需求以及学生的预习和复习。相比于传统实验，虚拟仿真实验能够将实验中抽象、虚拟的现象给直观的表现出来，方便了学生理解，加深了学生的认识。比如微观层面的分子热运动、电荷分布、核反应原理等，三维的磁感线，不可见的气体流动、电流、受力等。
图 13 初中物理同步实验 ——密度与温度
力学探究模块：提供有小球、木块、平板、斜面、弧面等运动对象，弹簧、细绳、轻质刚性杆、滑轮、地面、圆弧轨道、外力等辅助对象，并集成了重力场、电场、磁场、万有引力、阻尼介质等物理环境。同时提供文本、表格、图象、图片、按钮、滑动条等工具，帮助用户显示数据、采集数据、分析数据以及自由设置所有对象的物理参数。用户可以任意组合使用，搭建自己的实验。从静态受力分析，到运动过程中的受力；从参考系，到能量之间的互相转化；从单摆、牛顿摆，到弹簧振子；从带电粒子在电场中的加速与偏转，带电粒子在磁场中的圆周运动，到粒子加速器，粒子速度选择器模型；从地球人造卫星，到太阳系的运行；从 DIY 实验，到搭建习题、中高考真题，力学探究模块都能够进行仿真。
图 14 利用力学探究平台研究卫星的机械能守恒
图 15 利用力学探究平台研究天然放射现象
图 16 利用力学探究平台探究牛顿第二定律
电学探究模块：提供有中学实验室常用的电学元器件，包括电源、电阻、灯泡、仪表、开关、电容电感、交直流发电机、电动机、电铃等数十种。每个电子元器件都可根据需要设置其物理属性，烧毁的器件也可一键修复。用户可以自由选择器件搭建各种交直流电路。例如连接串联与并联电路、用伏安法测量电阻、练习滑动变阻器的使用、探究电流与电压、电阻的关系、用电磁继电器实现对电路的简单控制、用惠斯通电桥精确测量电阻等。为了方便用户更好地认识和学习电路，电学探究模块还具有实时动态显示电流流通路径及大小的功能以及生成电路图功能，同时能够实现电路图和实物电路的相互转换；此外，还提供文本、表格、图象、图片、按钮、滑动条等工具，帮助用户显示数据、采集数据、分析数据。
图 17 利用电学探究平台探究电流与电压的关系
光学探究平台：提供有丰富的光学器件，包含平面镜、凹凸面镜、理想透镜、真实透镜、方形玻璃砖、半圆玻璃砖、三角棱镜等光学器材，点光源、线光源、平行光源、各种色光、白光、蜡烛等光源，各种色球、暗盒、字母板、辅助线等辅助器材。用户可以任意组合使用，搭建自己的实验。例如平面镜的反射实验，介质的折射实验，凸透镜的会聚实验，凸透镜成像原理，小孔成像原理，探究不透明物体颜色成因、全反射实验等等。光学探究模块能够实现 2D/3D 的自由切换， 2D 平面视图更适用于教学， 3D 环境更贴近现实，能够让用户观察到光线在现实世界中真实地传播情况。
图 18 利用光学探究平台研究光的色散现象
对象库模块：学习和认识实验器材的结构、用途和操作注意事项是实验的前提，也是确保实验成功和安全必不可少的一部分。物理对象库涵盖中学实验室常用的物理实验器材。所有器材都经过高精度的 3D 建模，重点器材能够进行拆解、组合，能够全方位无死角的展示各个细节，并对各部分结构进行名称的标注，配合详细的规格、用途和操作注意事项等文字说明，让实验前期准备达到事半功倍的效果。
图 19 指针式电流表
图 20 螺旋测微器
化学学科
化学实验室由五个模块组成，分别是：同步实验模块、探究实验模块、分子模型库模块、实验室取用规则模块和对象库模块。
图 21 初中化学同步实验 ——分子运动现象
同步实验模块：紧扣课程标准，贴合教学需求。内容包含教材上的学生分组实验、教师演示型实验以及重要知识点的展示。每个实验都有实验目的、原理、器材、步骤、结论等详细的实验介绍，满足日常教学需求以及学生的预习和复习。相比于传统实验，虚拟仿真实验能够将实验中抽象、虚拟的现象给直观的表现出来，方便了学生理解，加深了学生的认识。比如微观层面的分子运动、复分解反应的实质，抽象的电流流动过程等。
图 22 高中化学同步实验 ——铝热反应
探究实验模块：提供有开放的、科学性的化学实验环境、器材和各种化学试剂，用户可以根据自己的需求任意组合，搭建自己的实验，也可以搭建习题、中考真题等，保存为自己的专属资源。在实验过程，依据后台强大的算法，可以实时地显示容器中的温度、压强、试剂变化及正在发生的化学反应等信息，辅助老师进行讲解分析。
图 23 利用化学探究平台探究细铁丝在氧气中的燃烧现象
3D 分子模型库模块：为用户提供微观分子的球棍模型、比例模型等多种分子模型，支持立体化、全视角地观察学习，帮助学生更好的理解微观化学世界。
图 24 船式 C ₆ H ₁₂ 的球棍模型
实验室取用规则模块：展示 3D 视角下规范化、细节化的基本实验操作，配合黑板详细、对应的操作说明，方便用户全方位、多角度的进行观察学习，将操作规范在头脑中具象化，加深对教材内容的理解。
图 25 给液体物质加热的操作规范
对象库模块：化学对象库涵盖中学实验室常用的化学实验器材和药品。所有器材和药品都经过高精度的 3D 建模，可以全方位无死角的展示，重点器材能够进行拆解、组合；器材配合详细的规格、用途和操作注意事项等文字说明，药品配合颜色、性状、危险类别和储存方式等文字说明，让实验前期准备工作达到事半功倍的效果。
图 26 托盘天平
生物学科
生物实验室由五个模块组成，分别是：同步实验模块、微眼万千模块、人体探秘模块、进化树模块和对象库模块。
图 27 初中生物同步实验 ——膝跳反射
同步实验模块：紧扣课程标准，贴合教学需求。初中内容涵盖生物与细胞、生物圈中的人、生物圈中的绿色植物、生物圈中的其他生物、生物圈中的生命的延续和发展、健康地生活六大知识点。高中内容涵盖细胞的分子组成与结构、细胞代谢、细胞的生命历程与遗传的细胞学基础、遗传的分子基础、变异与进化、生命活动的调节、生物与环境、生殖与个体发育八大知识点。实验目录包含教材上的学生分组实验、教师演示型实验以及重要知识点的展示。每个实验都有实验目的、器材、步骤、注意事项、讨论与思考等详细的实验介绍，满足日常教学需求以及学生的预习和复习。相比于传统实验，虚拟仿真实验能够将实验中抽象、虚拟的现象给直观的表现出来，方便了学生理解，加深了学生的认识。比如人体解剖结构 - 膝跳反射中神经冲动传导的过程、人体呼吸运动的原理、 DNA 的双螺旋结构、减数分裂中细胞及染色体的变化、真核细胞亚显微结构等。
图 28 初中生物同步实验 ——模拟膈肌的运动
图 29 高中生物同步实验 ——植物细胞的吸水与失水
图 30 高中生物同步实验 ——建立减数分裂中染色体变化的模型
微眼万千模块：近百张高清显微镜图像，涵盖动物学、植物学、生理学、微生物学四大学科，支持 4 ×、 10 ×、 40 ×不同倍数自由切换，适于教师常规教学演示和学生自主观察。提供不同的观察方式，可以观察到目镜内真实的图像，还可以对图像的分辨率进行调整，放大观察地更清晰。在虚拟仿真实验室中，还可规范地进行光学显微镜的操作，更加贴合真实效果。
图 31 蕨原叶体永久装片
图 32 双子叶植物茎横切永久切片
人体探秘模块：涵盖人体九大系统和最大的器官 ——皮肤，其内部众多的器官结构任意流畅地观察。通过虚拟仿真技术，抛开传统的塑料模型，跳转到身临其境式的三维体验中。在 PC 端，可以通过旋转、放大来观察立体的器官结构，比如肺内支气管形态特点及与肺泡的结构联系。难以想象的食物消化过程也能清晰地进行动态展示由。整体到局部，由表及里，层层递进、层层剥离，细致到每一个组织结构，如肾单位都可以清晰地观察。通过 VR 头盔，更能进行沉浸式地感受，在人体各器官中穿梭遨游，探索其中的奥秘。
图 33 人体探秘模块九大系统展示
图 34 肾单位
图 35 肺泡
进化树模块：地球上生命的长河源源不断地流淌，即使无法亲历生物进化的历史，却可以在进化树中了解生物进化的大致历程。各种 3D 高精度仿真模型，大到 18 米长的抹香鲸，小到 0.5 微米的大肠杆菌，各种各样的生物都可以任意观察。重点生物可以进入内部进行观察，例如在叶片的内部看见水分子和氧气分子是如何运动的。
图 36 蜗牛
图 37 叶片结构
对象库模块：包含器材库、药品库和微观世界。学习和认识实验器材的结构、药品的性质，以及操作注意事项是实验的前提，也是确保实验成功和安全必不可少的一部分。所有器材都经过高精度的 3D 建模，重点器材能够进行拆解、组合，能够全方位无死角的展示各个细节，并对各部分结构进行名称的标注，配合详细的规格、用途和操作注意事项等文字说明，让实验前期准备达到事半功倍的效果。微观世界展示细菌、真菌、病毒、植物组织等肉眼不可见的微生物世界及组织结构， 3 D 高精度模型 + 4K 分辨率的效果带领用户走进微观世界的殿堂。
图 38 光学显微镜
图 39 动物细胞
软件特色
科学性 : 紧扣课程标准，贴合教学需求，以学科核心素养为指导，以探究性、开放性、科学性为核心。
图 40 高中物理同步实验 ——验证环形电流的磁场方向
严谨性：实验能够逼真准确的呈现实验现象，还能提供严谨的科学实验数据。依靠后台强大的算法作为支撑，所产生的实验现象由粒子系统高度仿真真实的实现现象，实验数据真实可靠。
图 41 初中化学同步实验 ——一氧化碳与氧化铁的反应
探究性：软件允许用户利用探究平台提供的各种仪器、器材，自由进行力学探究实验、光学探究实验和电学探究实验的搭建。老师和学生可以自主操作实验，并呈现与实际相符的现象和结果。能够让老师自由设计所需的课件素材；也有利于学生学科知识体系的建构，有利于学生动手能力的培养。
图 42 利用力学探究平台搭建 D IY 实验
图 43 利用化学探究平台探究铜丝在氯气中燃烧等实验
交互性：高自由度的交互特性、及时明确的操作提示和错误提示，让操作变得简捷高效。支持界面的旋转、移动及缩放，支持器材的自由拖动。支持多种操作模式，能够满足普通 PC 端操作，触摸屏多点触控操作，以及 VR/3D 沉浸式的操作模式。
图 44 VR 情境下的操作展示
高保真：所有实验中的模型均为 3D 高精度模型，支持无极放大，实验模型高保真。所提供的科学实验器材都是以次时代标准建模，高精度还原，呈现出极其逼真的效果。
图 45 4K 分辨率的高精度模型