VR 示波器與電路模擬實驗教材

一、 概要

這是我為友人研究專案開發的 VR 電路模擬教材，專為物理與電機課程設計，讓學生在虛擬實驗室中操作 3D 示波器 與 函數產生器，進行 RLC 震盪實驗。玩家可以調整波形參數、觀測信號變化、學習傅立葉轉換，還能連接線纜組裝電路板。系統使用高精度模擬演算法，呈現正弦波、方波等動態波形，並支援自動測量與記錄功能。測試顯示，使用 VR 教材的學生學習效率提升 28%，滿意度高達 90 分！

核心亮點：

• 互動式示波器與函數產生器，支援多波形生成與調整。
• RLC 電路全模擬，實時觀測共振現象與參數影響。
• 自動波形測量與傅立葉分析，提升分析能力。
• 虛擬實驗室環境，包含黑板教學提示與高亮操作指南。

這個專案讓我深入 VR 互動設計，也證實了 VR 在教育中的強大潛力！

二、 動機

友人參與大專生計畫，想探討 VR 教材能否取代傳統紙本，提升課前預習效果。我負責軟體開發與 VR 模擬，選擇示波器與函數產生器作為焦點，因為這些儀器操作複雜，傳統教學難以實作。目標是讓學生在家就能「動手」實驗，調整 R、L、C 值觀測波形變化，理解傅立葉轉換與共振概念。同時，這是個挑戰 VR 物理模擬的機會，讓我學習精準的信號生成與互動 UI 設計。

我的想法很直接：

• 讓抽象的電路概念變得可觸摸、可操作。
• 用 VR 取代實體實驗室，降低成本並提升可及性。
• 透過數據證明 VR 學習優勢，幫助友人研究成功。

三、 展示

VR 實驗室體驗

系統打造完整的虛擬實驗室，學生戴上 VR 頭顯，就能看到逼真的儀器檯面。黑板上顯示互動教學提示，引導操作步驟；高亮效果標示按鈕與旋鈕位置，讓新手輕鬆上手。玩家可以用手勢連接線纜到電路板，組裝 RLC 串聯或並聯電路，然後啟動函數產生器生成波形（如正弦波、方波），在示波器上觀測變化。調整頻率、振幅或相位，即時看到波形動態，還能切換到傅立葉視圖分析頻譜。

實驗室黑板互動提示教學

操作與互動

示波器支援多通道輸入，玩家可以旋轉旋鈕調整觸發、時間基底，觀測 RLC 電路的震盪行為。連接線纜時，手勢互動讓操作像真實實驗一樣自然。高亮提示顯示關鍵按鈕位置，避免迷失。系統還內建自動測量功能，一鍵記錄頻率、峰值電壓與周期，支援多變量分析，讓學生探索參數對共振的影響。

模擬系統基於電流的時間序列變化，實時模擬每個工具對電流的產生或影響，因此不是寫死的靜態顯示，而是動態計算波形與訊號式子。這包括純函數產生器的波形生成，或是連接 RLC 電路後的震盪波形變化。

高亮提示操作說明與按鈕旋鈕位置

互動連接線纜與電路板

真實實驗室驗證

為了確保 VR 模擬的準確性，我親自前往真實實驗室進行驗證與操作。以下是使用實際示波器、函數產生器與 RLC 電路進行的測試照片，這些驗證了軟體模擬的波形與訊號式子在純函數產生器模式下，或連接 RLC 電路後的震盪行為。模擬系統透過電流的時間序列變化，實時計算每個組件的影響，與真實波形高度一致。

真實實驗室示波器與函數產生器驗證

真實 RLC 電路連接與波形觀測

震盪波形與訊號式子驗證

學習成果

• 波形模擬：高精度演算法呈現自定義波形變化，學生能深入理解信號參數影響。
• 電路分析：RLC 模擬展示共振現象，提升對震盪頻率與相位的理解。
• 數據提升：14 名物理系學生測試，VR 組波形識別準確度提升 32%，頻譜分析能力顯著優於紙本組。
• 滿意度高：學習效率提升 28%，滿意度 90 分，證明 VR 教材的實作優勢。

個人收穫

開發過程中，我從零建構波形生成器與傅立葉模組，學會 VR 中的物理模擬與手勢互動。看到測試學生興奮地「組裝」電路並分析波形，超有成就感！這也讓我對教育科技更有熱情。