2021年11月中高中虛擬仿真實驗室建設計劃 第1頁/共27頁 目錄1 背景及現狀分析 21.1 建設背景分析 21.1.1 國家新政策支持虛擬技術進入基礎教育 21.1.2 3D技術提升教學效率顯著提高 41.1.3 VR虛擬現實技術促進教學模式改革 51.2 現狀分析 51.3 建設目標及意義 62 建設思路及原則 72.1 方案建設思路 72.2 建設原則 83 方案亮點 94 建設內容 104.1 硬件建設 114.1． 1 桌面VR系統 114.2 軟件建設 134.2.1 VR互動教學系統 134.2.2 虛擬現實互動軟件 154.2.3 虛擬仿真實驗教學系統 164.2.4 資源特色 185 項目服務運維保障機制 195.1 平臺安全保障體系 195.2 項目管理運行機制 205.2.1 進度計劃 255.2.2 進度控制 255.2.3 人員培訓機制 265.2.4 技術支持 26 第2頁/共27頁 1 背景及現狀分析 1.1 建設背景分析 1.1.1 國家新政支持虛擬技術進入基礎教育 《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》教機[2019]16號強調要拓展創新，不斷將前沿科學知識和最新技術成果融入實驗教學，豐富實驗教學內容內容和改進形式； 注重實效，加強中學生的實踐操作、情境體驗、探索求知、親身體驗和創新創造，能有效提高中學生的觀察能力、實踐能力、創造性思維能力和團隊合作能力，培養中學生的觀察能力、實踐能力、創造性思維能力和團隊合作能力。學校培養學生的興趣愛好、創新精神、科學素質和意志品質。
針對現實世界中因時空限制而難以觀察和控制的事物和現象，變化過快或過慢的過程，以及對環境具有危險性、破壞性和危害性的實驗，增強現實、虛擬現實、技術手段的介紹等。 還建議各地對現有班主任相關學科實驗教學能力進行分析研判，制定有針對性的培養方案，納入班主任培養體系，納入“國家培養計劃”和“國家培養計劃”。省級培訓計劃》，確保2022年完成班主任培訓。實驗教學能力全員輪訓。 各地學校要合理審核班主任實驗教學工作量，將班主任實驗教學能力、教學水平和教學業績作為相關學科班主任職稱評定和績效獎勵的重要依據。 2023年前，試點運行納入高中學業水平考試，考試成績納入中學學校招生備案。 按照普通中學學業水平考試，有條件的地區，物理、化學、生物實驗操作可納入市級統一考試。 《加強培育新型消費實施方案》中，28個部門聯合發文，教育部牽頭負責在線教育有序發展。 推動智能技術應用，推動各類綜合性新型教育教學模式發展。 推動教育信息化發展，鼓勵和支持社會力量積極參與。 探索運用更多數據化、信息化、多媒體化的教學工具，改造和完善傳統教育模式，發展開放、泛在、個性化的在線學習，拓展多樣化的新教育場景。 第3頁/共27條 《教育部關于新形勢下進一步做好普通中學生兵器工作的意見》部署將先進教育思想、辦學理念、科學技術融入兵器和教育教學計算機科學、虛擬現實、大數據等新興信息技術在教育中廣泛應用。
《關于2017年教育信息化工作要點的通知》提出重點任務：推進數字校園、智慧校園建設：國家開放學院完成100個云教室建設，實現基層縣域全覆蓋中東部地區電大。 啟動基于VR的實驗實訓平臺建設，完成互聯網+智慧教育示范基地建設。 不斷加強高等教育優質資源建設和應用：選擇一批典型虛擬仿真實驗項目，組織建設虛擬仿真實驗共享平臺。 協調有關部門推動建立部際協同監管機制。 《中央電化教育中心2021年教育信息化工作要點》提出物理虛擬實驗室安卓下載，不斷更新建設全國中小學網絡云平臺功能，加快線上線下教育教學深度融合，用信息技術支撐不斷優化教育改造體系和改造能力，推動教育聯通互聯網應用有序健康發展。 繼續推進中小學虛擬實驗教學資源建設、應用和推廣。 教育部印發《中小學數字化校園建設規范（試行）》提出：1、中學為科學課程提供實驗教學空間，支持舉辦科學探究實驗。 2、學校提供理化生物學實驗教學空間，支持在理化生物學課程教學中舉辦探究性實驗。 3、配備查詢式實驗管理軟件，支持中學生實驗數據的存儲、顯示和分析。 4.提供適量的創新訓練空間，配備訓練工具和設備，支持中學生創造性學習。 關于印發《義務教育初中科學課程標準》的通知凸顯加強教學實踐。
各地要指導班主任落實中學生發展核心素質要求，按照課程標準組織教學。 要重視實驗教學，努力創造適宜的學習環境，鼓勵中學生積極參與、主動探索，引導中學生做好每一次實驗。 班主任要加強對實踐探究過程的指導，注重引導中學生手腦結合，提高中學生的問題意識，培養他們的創新精神和實踐能力。 要加強財政投入，保障實驗室建設、儀器設備、耗材的需要。 要優化課程資源建設，注重發揮家庭、社區、校外中學生活動基地的作用，為保障課程實施創造有利條件。 虛擬實驗對中學生學習效果的影響研究——基于30項實驗和準實驗研究的薈萃分析，提出虛擬實驗具有成本低、交互性強、超時間等優點和空間，以及教育領域的高安全性。 第4頁/共27頁廣泛應用。 本研究借助薈萃分析方法，系統回顧了國際中文期刊上發表的30篇關于虛擬實驗在教育中應用的實驗和準實驗研究，系統回顧了虛擬實驗對中學生學習效能的影響。 研究發現：①樣本的綜合效應值為0.46，表明虛擬實驗對學習有中等程度的正向影響； ②從學校階段來看，虛擬實驗對學生的學習有較大的影響； ③從學科角度看，虛擬實驗對社會科學和醫學等學科影響較大； ④從班級規模來看，虛擬實驗適合大規模教室； 影響更大。
1.1.2 3D技術顯著提高教學效率 根據美國著名3D教育專家安妮的研究報告，2011年，他選取了740名10-13歲的中學生進行了測試，研究3D技術對教學的影響。 3D與傳統2D對教學效率的影響。 結果顯示，超過86%的中學生在課堂上使用3D資源后進步明顯。 對于使用2D資源的朋友來說，只有52%的人有進步。 在3D宿舍中，中學生的成績平均提高了17%，而在2D宿舍中，中學生的成績僅提高了8%。 92%的中學生表示3D課程很精彩，而2D宿舍里只有46%的中學生認真聽講。 33D教學對比測試結果增加了3D虛擬教學組和2D教學組的人數。 在這種環境下的學習經歷讓中學生記憶深刻、受益匪淺，極大地促進了教學效率和質量。 第5/27頁 1.1.3VR虛擬現實技術推動教學模式改革 VR/AR技術可以激發學習動機、創設學習場景、增強學習體驗、感受心理癮、跨越時空界限、動態互動出行、跨界知識整合等諸多優勢。
VR/AR技術可以為教育工作者提供全新的教學工具。 同時可以激發中學生學習新知識的興趣，讓中學生在動手體驗中激發創新的火花。 因此，VR/AR技術在教育行業的應用是教育技術發展史上的新飛躍。 它創造了自主學習的環境，通過新的信息環境和工具，從傳統的“以教促學”的學習方式演變為中學生的自主學習。 它是一種獲取知識和技能的新學習方法，符合新一輪教學改革的教育理念，有利于培養中學生的核心素質。 1.2 現狀分析 1）3D/VR資源在實際教學應用中相對過剩 隨著虛擬現實技術的逐漸成熟，3D/AR/VR顯示設備已經進入很多中學，但由于虛擬現實的發展存在資源少，很多教師很難有效利用，甚至不知道如何在教學中運用。 為此，課程資源匱乏是中小學推廣虛擬現實技術的最大困境。 然而，隨著技術的不斷迭代發展以及專業人員和資金的投入，將虛擬現實應用于教學勢在必行，勢必給課堂教學模式帶來顛覆性的變化。 2）3D/VR教學資源的設計重方法輕內容。 目前，很多虛擬課程資源仍然注重內容呈現。 即使中學生體驗了栩栩如生的虛擬世界，課堂氣氛也十分活躍，中學生互動、交流、討論熱烈。 中學生獲得沉浸式體驗，但實際上只停留在內容的“呈現”上。 這些重方法輕內容、缺乏互動和自主探索的形式只能稱為“偽虛擬現實課堂”。
3）2016年，教育部公布的數據顯示，各級中學硬件達標率達到86%。 然而，大多數教師只是簡單地使用PPT來備課。 許多信息設備和資源平臺閑置。 可以預見，未來幾年，班主任的素質要求和對教材的應用要求將是重點。 第6/27頁 1.3建設目標及意義 1）營造自主學習場景，培養中學生探索能力。 圖像、聲音、場景有機結合，全方位、多視角地呈現在中學生面前。 能夠最大限度地發揮中學生的主動性和積極性，引導中學生思維的流暢性、靈活性和精細化，為中學生發散思維提供訓練。 資源豐富，空間便利。 將中學生的學習、實踐和自我評價結合起來，產生生動、主動、主動的學習方法，這是任何教學方法所無法比擬的。 2）因材施教，提高學習主動性。 3D智慧教室充分利用3D和VR/AR技術營造的沉浸感、臨場感和多維交互感，讓中學生參與多感官、實時的知識交互。 置身其中，中學生不僅是觀察者、學習者，更是參與者。 3D資源和互動講義給了中學生更多的自主學習空間、更成熟的條件、更活躍的思維。
3）創造起點，提高班主任應用新技術的能力。 在信息技術普及的今天，班主任不僅及時更新教學理念、教學方法，還熟練運用信息技術，提高教學效率。 3D智能宿舍設備提供的智能教學、可視化的備課環境、豐富的教學資源，可以有效幫助教師減少備課和教學階段的資料查找和知識講解的工作量，專注于教學過程、教學組織、并注意中學生的反應。 4）建設精品課程，提升中學品牌影響力。 3D/AR/VR的出現無疑給教學活動注入了新的活力，特別是智慧教室的建立和設備、豐富的資源，使班主任有充分的條件優化現有的教學模式，立足教材，創造高水平的教學效果。 ——精品課程，逐步提高中學教學、科研和教學活動的水平和內涵，提高中學品牌影響力。 第7/27頁 2建設思路和原則 3D/VR學科教室的所有硬件、軟件和資源都可以與數字校園系統無縫兼容，無需額外的維護和管理成本。 2.1 方案建設思路 3D/VR智慧宿舍是借助3D建模技術、VR/AR虛擬技術、云測算等新一代信息技術方法，結合主流教學模式、摘要建立的多維教學環境。通過3D教學資源傳授知識，通過VR/AR互動講義制作學習場景。 3D/AR智慧課堂基于完整的教學實施流程，以減輕班主任教學負擔、增強中學生興趣、提高教學效率為目標。
本方案以3D教學一體機、桌面VR互動一體機、3D教學系統、3D播放系統等軟硬件為教學工具，通過提供高品質的教學體驗，為教學的每一個過程提供內容支撐。 ——優質的教學資源。 第8/27頁 該方案適用場景廣泛：可用于普通教室、專題教室、學科實驗室、小型多媒體教室等。 桌面VR：桌面VR互動一體機配合3D教學一體機，可輕松實現AR/MR功能。 班主任可以對內容進行VR演示，指導中學生進行實際操作，并讓中學生在桌面VR中分組互動。 在一體機上進行虛擬探究，提高中學生探究能力、動手實踐能力，加深中學生知識理解，提高中學生知識應用能力。 3D/VR課程資源：多維度的教學視頻場景和可視化激發中學生學習興趣，提高中學生專注力，加深中學生理解； 參與其中，變被動為主動。 2.2 建設原則 主動參與原則：3D/VR學科課堂必須滿足班主任和中學生在教學活動中構建相互平等、尊重、合作的角色，讓中學生積極參與課堂活動真正成為教育的主體。 使教育質量得到真正的提高。 自主體驗原則：3D/VR學科教室配備豐富優質的3D教學資源和VR互動資源，方便班主任備課物理虛擬實驗室安卓下載，方便中學生學習。 在整個教學過程中，教師和學生也可以多感官參與，獲得獨特的教/學體系，從知識到應用，快速完成知識體系的構建。
第9頁/共27頁 導向教學原則：從班主任教學和中學生學習需求出發，根據教學應用流程合理構建，以提高教學應用率為目標。 以中學生為中心選材設計，從滿足中學生需求出發，建立多課程體系； 教學設計以課堂為中心，班主任通過課程來實現，用課程來促進中學生的發展，課程的順利實施； 以班主任為中心進行組件設計，根據課程標準，充分整合教學過程中所需的媒體、教材和教學包，為中學提供完整的課程資源包。 無縫對接原則：硬件建設和軟件設計均基于統一行業標準，具有開放性、可擴展性、集成性，能夠與中學智慧校園系統集成對接，實現數據快速對接而不減少任何轉移負擔。 3 節目亮點緊扣大綱，自主研發的3D/VR教學資源嚴格按照相應國家學科標準和教材，配套教材，對應章節課程，所有內容均由一線資深提出班主任根據課堂教學特點，與專業制作團隊自主研發。 搭配靈活，場景適應性強根據中學的教學環境、功能要求、規劃預算等條件，我公司提供多種選擇。 3D/VR學科教室適用于常規學科教學和創新實驗教學，支持情景教學、翻轉課堂、探究式學習等多種教學模式。 第10頁/共27頁 體驗真實，互動多元 3D/VR智慧教室借助桌面VR互動一體機、超短焦投影+電子白板，為中學生打造情境化、多維度的學習環境學校學生，并動員中學生。 視覺、聽覺等感官的參與，讓他們感受到強烈的真實感。
讓中學生有更加身臨其境的體驗，將視角從旁觀者轉變為參與者，激發中學生的學習興趣。 強兼容性，輕量級升級。 3D教學系統可以部署在用戶原有的PC、一體機等安裝了操作系統的設備上，無需額外設備。 4 建設內容 3D/VR 學科教室是以信息化手段為支撐的新型教學環境，為教學提供硬件、軟件、資源等全方位支持。第11/27 頁 4.1 硬件建設 4.1.1 桌面VR 系統特點：？ 模塊化、集成化設計？ 6自由度智能感知？ 沉浸式體驗？ 環境適應？ 完全開放SDK？ 4.1.1.13 D顯示系統？ 規格>24英寸，化學碼率：1920*1080，可支持3D格式：左右、上下格式； 支持？ 一鍵2D/3D工作模式切換； 支持程控2D/3D工作模式切換； 機器具有防藍光護眼顯示模式，可通過軟件一鍵切換至護眼模式； 總共12/27頁？ 顯示器最多支持2路外部信號源輸入，并支持一鍵控制信號源切換； 機器的傾斜角度可隨意調節，調節范圍：20度（水平角）~90度（垂直角），設備能準確判斷整機的傾斜角度，并反饋給系統，并且系統可以手動調節到最佳 4.1.1.2 光學跟蹤系統？ 系統配備紅外跟蹤攝像頭、光學跟蹤太陽鏡、光學跟蹤控制筆、光學跟蹤軟件； 被動式3D光學跟蹤太陽鏡均配備光學跟蹤定位點，與安裝在主機上的跟蹤器配合使用，系統可以準確確定太陽鏡的位置，從而根據太陽鏡的不同視角進行切換顯示內容不同的視角； 系統配備智能位置跟蹤控制筆：支持物體3自由度坐標軸連接和3自由度空中姿態旋轉； 坐標位置跟蹤精度