元宇宙空间构想——虚拟STEM实验室

潘骏尧

      当烧杯中的溶液在眼前沸腾却无需担心灼伤，当电路火花四溅却不会引发火灾，这便是元宇宙为科学教育打造的新空间：一个安全、自由且永不打烊的实验室。在中小学教育中，实验是理科教学中非常重要的组成部分，复现经典实验也是无数科学爱好者梦寐以求的时刻。但是，传统实验室因为高昂成本、实验风险、时空限制等原因，无法让大众自由地探索。实验室的建造需要场地、设备等大量的前期投入，同时耗材的储存、管理成本也极高。强酸反应、高压电实验、生物病原体操作等，即使严格防护仍可能引发事故。同时，实体传统实验室因为很难实现共享，建设一个实验室能覆盖的使用人群其实非常小，偏远地区的学生很多直到大学才第一次真正进行实验。
      用代码替代试剂，用算力模拟物理法则，让实验风险归零，让科学探索无界。虚拟实验室拥有四大优势：
?        绝对安全：不论是火山地质采样、病毒细胞解剖，还是模拟核反应过程，都可以在绝对安全的环境下完成这些极高风险、且普通人无法接触的实验项目。
?        无限复用：无需再采购、保存实验器材和耗材，小到虚拟烧杯、DNA测序仪，大到虚拟粒子对撞机，都可以无限重复使用。一套VR设备即可访问世界最顶尖的实验室。
?        打破维度：在虚拟实验室，我们可以跨越宏观到微观，直观感受实时渲染的游离电子运动轨迹、逐帧解析的蛋白质折叠过程。跨越时空，重建古罗马水利工程、模拟火星基地生态圈。
?        沉浸“科学副本”：学生再虚拟实验室中可以组队完成各类实验难题，破解“量子迷宫”、用元素合成策略通关“化学兽”副本，通关带来的成就感驱动主动、深度学习。
      那么，打造这样伟大的虚拟实验室，我们需要些什么呢？我们用NVIDIA PhysX引擎模拟流体动力学、电磁效应，Unreal Engine 5渲染4K级实验场景，让虚拟火焰的摇曳弧度与真实别无二致。内置的智能导师跟踪生成实验指导，随时纠正操作错误。通过5G网络实现全球多终端同步，跨国团队协作没有延迟。
      当伽利略的望远镜进化为VR头显，当门捷列夫的元素表化作可拼装的虚拟模块——科学教育的本质从未改变：好奇心即第一推动力。
      元宇宙中的虚拟STEM实验室并非替代实体实验，而是拆掉实验室的围墙：让山区孩子“触摸”粒子对撞机，让退休工程师“重启”科研梦想，让人类对未知的每一次试探，都不再因成本与风险止步。