2021年11月中高中虛擬仿真實驗室建設(shè)計劃 第1頁/共27頁 目錄1 背景及現(xiàn)狀分析 21.1 建設(shè)背景分析 21.1.1 國家新政策支持虛擬技術(shù)進入基礎(chǔ)教育 21.1.2 3D技術(shù)提升教學效率顯著提高 41.1.3 VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)促進教學模式改革 51.2 現(xiàn)狀分析 51.3 建設(shè)目標及意義 62 建設(shè)思路及原則 72.1 方案建設(shè)思路 72.2 建設(shè)原則 83 方案亮點 94 建設(shè)內(nèi)容 104.1 硬件建設(shè) 114.1． 1 桌面VR系統(tǒng) 114.2 軟件建設(shè) 134.2.1 VR互動教學系統(tǒng) 134.2.2 虛擬現(xiàn)實互動軟件 154.2.3 虛擬仿真實驗教學系統(tǒng) 164.2.4 資源特色 185 項目服務(wù)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(shù)支持 26 第2頁/共27頁 1 背景及現(xiàn)狀分析 1.1 建設(shè)背景分析 1.1.1 國家新政支持虛擬技術(shù)進入基礎(chǔ)教育 《教育部關(guān)于加強和改進中小學實驗教學的意見》教機[2019]16號強調(diào)要拓展創(chuàng)新，不斷將前沿科學知識和最新技術(shù)成果融入實驗教學，豐富實驗教學內(nèi)容內(nèi)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(chuàng)新創(chuàng)造，能有效提高中學生的觀察能力、實踐能力、創(chuàng)造性思維能力和團隊合作能力，培養(yǎng)中學生的觀察能力、實踐能力、創(chuàng)造性思維能力和團隊合作能力。學校培養(yǎng)學生的興趣愛好、創(chuàng)新精神、科學素質(zhì)和意志品質(zhì)。
針對現(xiàn)實世界中因時空限制而難以觀察和控制的事物和現(xiàn)象，變化過快或過慢的過程，以及對環(huán)境具有危險性、破壞性和危害性的實驗，增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、技術(shù)手段的介紹等。 還建議各地對現(xiàn)有班主任相關(guān)學科實驗教學能力進行分析研判，制定有針對性的培養(yǎng)方案，納入班主任培養(yǎng)體系，納入“國家培養(yǎng)計劃”和“國家培養(yǎng)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(yè)績作為相關(guān)學科班主任職稱評定和績效獎勵的重要依據(jù)。 2023年前，試點運行納入高中學業(yè)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(yè)水平考試，有條件的地區(qū)，物理、化學、生物實驗操作可納入市級統(tǒng)一考試。 《加強培育新型消費實施方案》中，28個部門聯(lián)合發(fā)文，教育部牽頭負責在線教育有序發(fā)展。 推動智能技術(shù)應用，推動各類綜合性新型教育教學模式發(fā)展。 推動教育信息化發(fā)展，鼓勵和支持社會力量積極參與。 探索運用更多數(shù)據(jù)化、信息化、多媒體化的教學工具，改造和完善傳統(tǒng)教育模式，發(fā)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(guān)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(shù)融入兵器和教育教學計算機科學、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)在教育中廣泛應用。
《關(guān)于2017年教育信息化工作要點的通知》提出重點任務(wù)：推進數(shù)字校園、智慧校園建設(shè)：國家開放學院完成100個云教室建設(shè)，實現(xiàn)基層縣域全覆蓋中東部地區(qū)電大。 啟動基于VR的實驗實訓平臺建設(shè)，完成互聯(lián)網(wǎng)+智慧教育示范基地建設(shè)。 不斷加強高等教育優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)和應用：選擇一批典型虛擬仿真實驗項目，組織建設(shè)虛擬仿真實驗共享平臺。 協(xié)調(diào)有關(guān)部門推動建立部際協(xié)同監(jiān)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(shè)全國中小學網(wǎng)絡(luò)云平臺功能，加快線上線下教育教學深度融合，用信息技術(shù)支撐不斷優(yōu)化教育改造體系和改造能力，推動教育聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)應用有序健康發(fā)展。 繼續(xù)推進中小學虛擬實驗教學資源建設(shè)、應用和推廣。 教育部印發(fā)《中小學數(shù)字化校園建設(shè)規(guī)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(shù)據(jù)的存儲、顯示和分析。 4.提供適量的創(chuàng)新訓練空間，配備訓練工具和設(shè)備，支持中學生創(chuàng)造性學習。 關(guān)于印發(fā)《義務(wù)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(fā)展核心素質(zhì)要求，按照課程標準組織教學。 要重視實驗教學，努力創(chuàng)造適宜的學習環(huán)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(jié)合，提高中學生的問題意識，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實踐能力。 要加強財政投入，保障實驗室建設(shè)、儀器設(shè)備、耗材的需要。 要優(yōu)化課程資源建設(shè)，注重發(fā)揮家庭、社區(qū)、校外中學生活動基地的作用，為保障課程實施創(chuàng)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(yōu)點和空間，以及教育領(lǐng)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(tǒng)回顧了國際中文期刊上發(fā)表的30篇關(guān)于虛擬實驗在教育中應用的實驗和準實驗研究，系統(tǒng)回顧了虛擬實驗對中學生學習效能的影響。 研究發(fā)現(xiàn)：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(yī)學等學科影響較大； ④從班級規(guī)模來看，虛擬實驗適合大規(guī)模教室； 影響更大。
1.1.2 3D技術(shù)顯著提高教學效率 根據(jù)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(shù)對教學的影響。 3D與傳統(tǒng)2D對教學效率的影響。 結(jié)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(jié)果增加了3D虛擬教學組和2D教學組的人數(shù)。 在這種環(huán)境下的學習經(jīng)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(zhì)量。 第5/27頁 1.1.3VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)推動教學模式改革 VR/AR技術(shù)可以激發(fā)學習動機、創(chuàng)設(shè)學習場景、增強學習體驗、感受心理癮、跨越時空界限、動態(tài)互動出行、跨界知識整合等諸多優(yōu)勢。
VR/AR技術(shù)可以為教育工作者提供全新的教學工具。 同時可以激發(fā)中學生學習新知識的興趣，讓中學生在動手體驗中激發(fā)創(chuàng)新的火花。 因此，VR/AR技術(shù)在教育行業(yè)的應用是教育技術(shù)發(fā)展史上的新飛躍。 它創(chuàng)造了自主學習的環(huán)境，通過新的信息環(huán)境和工具，從傳統(tǒng)的“以教促學”的學習方式演變?yōu)橹袑W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(yǎng)中學生的核心素質(zhì)。 1.2 現(xiàn)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(xiàn)實技術(shù)的逐漸成熟，3D/AR/VR顯示設(shè)備已經(jīng)進入很多中學，但由于虛擬現(xiàn)實的發(fā)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(xiàn)實技術(shù)的最大困境。 然而，隨著技術(shù)的不斷迭代發(fā)展以及專業(yè)人員和資金的投入，將虛擬現(xiàn)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(shè)計重方法輕內(nèi)容。 目前，很多虛擬課程資源仍然注重內(nèi)容呈現(xiàn)。 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(nèi)容的“呈現(xiàn)”上。 這些重方法輕內(nèi)容、缺乏互動和自主探索的形式只能稱為“偽虛擬現(xiàn)實課堂”。
3）2016年，教育部公布的數(shù)據(jù)顯示，各級中學硬件達標率達到86%。 然而，大多數(shù)教師只是簡單地使用PPT來備課。 許多信息設(shè)備和資源平臺閑置。 可以預見，未來幾年，班主任的素質(zhì)要求和對教材的應用要求將是重點。 第6/27頁 1.3建設(shè)目標及意義 1）營造自主學習場景，培養(yǎng)中學生探索能力。 圖像、聲音、場景有機結(jié)合，全方位、多視角地呈現(xiàn)在中學生面前。 能夠最大限度地發(fā)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(fā)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(jié)合起來，產(chǎn)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(shù)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(chuàng)造起點，提高班主任應用新技術(shù)的能力。 在信息技術(shù)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(shù)，提高教學效率。 3D智能宿舍設(shè)備提供的智能教學、可視化的備課環(huán)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(shè)精品課程，提升中學品牌影響力。 3D/AR/VR的出現(xiàn)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(shè)備、豐富的資源，使班主任有充分的條件優(yōu)化現(xiàn)有的教學模式，立足教材，創(chuàng)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(nèi)涵，提高中學品牌影響力。 第7/27頁 2建設(shè)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(shù)字校園系統(tǒng)無縫兼容，無需額外的維護和管理成本。 2.1 方案建設(shè)思路 3D/VR智慧宿舍是借助3D建模技術(shù)、VR/AR虛擬技術(shù)、云測算等新一代信息技術(shù)方法，結(jié)合主流教學模式、摘要建立的多維教學環(huán)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(tǒng)、3D播放系統(tǒng)等軟硬件為教學工具，通過提供高品質(zhì)的教學體驗，為教學的每一個過程提供內(nèi)容支撐。 ——優(yōu)質(zhì)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(xiàn)AR/MR功能。 班主任可以對內(nèi)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(fā)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(shè)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(gòu)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(zhì)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(yōu)質(zhì)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(gòu)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(fā)，根據(jù)教學應用流程合理構(gòu)建，以提高教學應用率為目標。 以中學生為中心選材設(shè)計，從滿足中學生需求出發(fā)，建立多課程體系； 教學設(shè)計以課堂為中心，班主任通過課程來實現(xiàn)，用課程來促進中學生的發(fā)展，課程的順利實施； 以班主任為中心進行組件設(shè)計，根據(jù)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(shè)和軟件設(shè)計均基于統(tǒng)一行業(yè)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(tǒng)集成對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速對接而不減少任何轉(zhuǎn)移負擔。 3 節(jié)目亮點緊扣大綱，自主研發(fā)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(jié)課程，所有內(nèi)容均由一線資深提出班主任根據(jù)課堂教學特點，與專業(yè)制作團隊自主研發(fā)。 搭配靈活，場景適應性強根據(jù)中學的教學環(huán)境、功能要求、規(guī)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(guī)學科教學和創(chuàng)新實驗教學，支持情景教學、翻轉(zhuǎn)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(huán)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(zhuǎn)變?yōu)閰⑴c者，激發(fā)中學生的學習興趣。 強兼容性，輕量級升級。 3D教學系統(tǒng)可以部署在用戶原有的PC、一體機等安裝了操作系統(tǒng)的設(shè)備上，無需額外設(shè)備。 4 建設(shè)內(nèi)容 3D/VR 學科教室是以信息化手段為支撐的新型教學環(huán)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(shè) 4.1.1 桌面VR 系統(tǒng)特點：？ 模塊化、集成化設(shè)計？ 6自由度智能感知？ 沉浸式體驗？ 環(huán)境適應？ 完全開放SDK？ 4.1.1.13 D顯示系統(tǒng)？ 規(guī)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(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍：20度（水平角）~90度（垂直角），設(shè)備能準確判斷整機的傾斜角度，并反饋給系統(tǒng)，并且系統(tǒng)可以手動調(diào)節(jié)到最佳 4.1.1.2 光學跟蹤系統(tǒng)？ 系統(tǒng)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(tǒng)可以準確確定太陽鏡的位置，從而根據(jù)太陽鏡的不同視角進行切換顯示內(nèi)容不同的視角； 系統(tǒng)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(tài)旋轉(zhuǎn)； 坐標位置跟蹤精度