2022年智慧教室中学虚拟仿真实验室建设方案 .pdf

1.项目背景1.1 信息技术大发展信息技术是当今世界创新速度最快、通用性最广、渗透力最强的高技术之一，信息化是对人类生产生活方式影响最为深刻、对世界文明影响最为深远的大趋势之一。新世纪以来，还没有一项技术像信息技术这样，对全人类产生如此广泛而快速的影响。工业革命已经200 多年，但世界上还有相当多地区没有实现工业化，而互联网问世只有20 年，就已经迅速覆盖全球。当前，信息技术继续朝着数字化、集成化、智能化、网络化方向发展，信息技术革命与产业变革同时并发，历史性地聚集到一起，深刻改变着人们工作生活方式和国际政治经济军事格局。信息化带动了制造业革命，智能制造、绿色制造正在改变制造业的模式，引领着全球产业发展的新方向。信息化催生了新的商业模式，使技术、网络、应用、服务深度融合，衍生更多类型的生产生活服务业态，形成更加旺盛的消费和投资需求。信息化缩短了知识创新和技术转化的周期，有效促进学科交叉融合，实现全球研发、全球生产、全球配置，使知识的生产、应用、传播呈现出空前的速度和规模。信息化改变了人类认知和社会交往方式，即时通讯、网上购物、远程医疗、视频点播丰富了人们的生活。信息化加快了全球化进程，使全球化更加广泛、迅速、深入，人类同住地球村变成现实。信息化正在为人类开辟新的发展空间“虚拟空间”，现实空间与虚拟空间的互联互通，极大拓展了人类的生存视野，数字化生存、虚拟世界成为人们生活不可或缺的部分。当前，无论是发达国家还是发展中国家，都在着手布局信息化，力图抢占未来发展的战略制高点。信息化能力已经成为衡量一个国家或地区综合实力的重要标志。谁在信息化潮流中落伍，谁就会被时代所淘汰。教育信息化正是在全球信息化的大背景下产生的，信息技术的全面渗透深刻影响着教育理念、模式和走向，教育发展必须适应信息化时代的特征。在教育大名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 14 页 -国向教育强国迈进的进程中，加快教育信息化既是事关教育全局的战略选择，也是破解教育热点难点问题的紧迫任务。1.2 现代教育技术发展随着计算机技术、多媒体技术、通讯网络技术等信息技术的高速发展，现代教育技术的手段有了本质的飞跃。如果在实验教学中恰当地运用现代教育技术，利用计算机等现代教育技术的仿真、模拟功能，则可以变抽象为具体，使静态内容动态化，逼真地模拟实验时实验过程中宏观变化中的微观过程，变微观为直观，让学生观察、体验、感受事物发展过程中的微观现象，同时，利用现代教育技术手段，还具有可重复性，能够把实验教学中难以描述、难以突破的难点、重点、生动形象地表现出来，激发学生学习的兴趣，调动学生的学习积极性，强化学生对实验学知识的记忆和理解。现代教育技术引入实验教学，能促进实验教学手段和方式的变革，现代教育技术的运用和实验教学的有机结合相互补充，相得益彰，使实验教学得到最大程度的优化，充分体现学生的主体地位，成为知识的建构者，使学生有效地掌握知识和技能，改变学生学习的方法和过程，影响学生的情感态度价值观，从而培养学生的能力、发展学生的智力。1.3 虚拟现实（VR）技术发展和应用虚拟现实技术是在20 世纪末兴起的综合性信息技术，作为一项尖端科技，虚拟现实融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多个信息技术分支，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。虚拟现实生成的视觉环境是立体的、音效是立体的、人机交互式和谐友好的，改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动地通过鼠标、键盘进行交互的现状。虚拟现实技术特点：1）临场感：用户感觉到沉浸在浏览器中所呈现的虚拟环境中。2）多感知性：用户能以视觉、听觉等多种形式感知信息。3)交互性：用户能以接近自然的习惯，用常规的输入输出设备对虚拟环境中的物体或场景进行操作和得到反馈。4)真实性：虚拟环境中的物体运动接近符合物理定律。5)高效率：虚拟环境中三维空间的建立和显示不过分依赖客户机的硬件性能并可实时渲染，所需传输的数据量小且可流式传输。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 14 页 -虚拟现实技术的作用：1）知识学习。在教学中，学生对VR 技术所表达的教学内容进行交互，从而学习相关的知识。采用 VR 技术表达教学内容可以使学生观察到在现实生活中不能或不易观察到的现象或事物，并提供了极为自然的理想观察模式。2）激发创造。通过 VR 技术可将学生在学习过程中产生的假设进行虚拟，呈现相应的结果或效果。这样有力于激发学生的创造性思维，进行主动的探索性学习，培养学生的创造能力。3）虚拟实验。采用 VR 技术可以将合适的实验在虚拟实验室中表达出来，并由学生在这些虚拟实验室中完成实验。这样可以完成不易观察的、有危险的或费用高的实验，提高教学中实验课的效率。4）技能培训。由于 VR 技术可实现在逼真的虚拟环境中以自然的方式进行交互，所以它非常适于进行技能培训，使学习者在接近真实的环境中更易于掌握相应的技能。虽然目前用普通输入输出设备不易实现直接的反馈，但可实现在虚拟环境中进行有关三维空间位置、变形、时间顺序、颜色纹理及音视频等方面的交互，从而可进行与这些内容相关的技能培训。1.4 中学实验教学遇到的一些问题目前中学实验教学主要是指物理、化学、生物学科的实验教学，理、化、生学科是三门以实验为基础的学科，一般说来，我们可以通过现实实验室中的实验教学来帮助学生了解实验的现象，掌握实验的规律及事物发展变化的过程。但在实验教学实践中经常遇到一些问题：1）传统实验的预习与复习较难展开，课外无法复制实验室环境，依靠想象预习、复习效果不理想，效率过低；2）传统理化生教学与实验教学传递渠道单一，互动性不强：传统数教学模式大多是教师先把理化生教学与实验教学中的定理和实验步骤详细地安排好，甚至连结论也预先告知学生，然后由老师讲解动手做），学生看，内容枯燥，形式单一，不能形成互动和调动学生主动参与的积极性；名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 14 页 -3）反应抽象的理论及定理，宏观、微观、危险的种种实验，传统理化生教学与实验教学没有有效的辅助工具和仿真环境，难以讲解和表现，例如理化生的各种抽象的定理、公式及规律、化学学科的危险实验、物理学科中无法有效地表现出声波、电场的性质、万有引力作用、牛顿第一定律等一些抽象的规律、原理，老师讲解起来非常困难，学生也难以理解；4）部分传统实验过程无法控制，一些反映速度比较快的实验往往是学生没有看仔细就结束了，但由于实验条件的限定又不可能重复地进行演示。2.需求分析作为中学教育，需要在德、智、体、美、劳教育教学方面都具备很强的综合实力，把现代教育技术引入到教学和育人的各个环节，是进一步优化教学质量，提升教师教学和学生学习的综合素质，提高学校教学工作的科技含量和水平，势在必行。时当今日，中学教育面临新的发展机遇和挑战，在新的发展时期，面对信息技术快速发展对教育教学改革带来的革命性影响，需要以先进的教育理念为指导，利用新的信息技术，推进教学工作信息化建设，促进学校教育信息化，实现教育现代化，具有重要的现实意义。教育工作部门要把学校信息化建设放在学校快速发展过程中的重要地位，规范完善学校信息化建设实施工程。传统实验教学方法无法将抽象概念理论形象化、直观化，不容易完全达到帮助学生理解抽象概念的目的；部分带有危险的真实实验或操作，学生无法直接参与，无法获得感性认识；另外设备经常拆装，元器件的损坏也很严重；由于学校规模大，教师、学生人数众多，学生实验时间紧张，一些微观、危险、反应变化缓慢的实验可操性仍然不高，等等，这些因素长期以来仍然困扰着学校的实验教学发展和继续改善，从表面上看，主要问题都在客观上，但从深层次上看，是我们现代化的教学技术不能充分利用。数字仿真实验室的建设不乏为当下学校实验教学质量的提高和实验教学方法的创新提供了一个有效的问题解决方案。同时，中学虚拟仿真实验室建设和应用，可以推动实验教学改革和创新，提高教师的教学方法现代化，也使教师和学生名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 14 页 -较早接触计算机新技术新方法，增加知识，开拓视野，丰富创意，培养和锻炼他们的综合素质。中学虚拟实验室建设和使用，也为推动学校信息化建设，丰富校园数字化内容和功能，使我省中学教育走在现代教育技术应用和创新的前列，使中学拥有全国为数不多的数字仿真实验室，给他们带来新的亮点和辉煌。3.系统概述和建设意义3.1 系统概述虚拟实验系统主要依托前沿的虚拟现实技术，采用三维立体的方式全方位、全角度展现实验的全过程，真实再现实验过程，力求让学生更形象、直观地感受实验原理和变化过程。虚拟实验室虚拟实验室中的核心部分即为中学虚拟实验系统。中学虚拟实验系统是通过虚拟现实技术的深入研发应用，逐步将成熟的计算机新技术推广到中学实验教学中，是利用虚拟现实技术，依据人教版中学教学大纲规定的实验内容，制作功能完备、过程仿真的化学、物理、生物虚拟实验系统，达到提高教学质量、培养综合素质人才的目的。虚拟实验系统是国家重点支持的“三维教学”研发项目，系统依据人教版全日制普通中学教科书系列教材制作完成。该系统超越传统实物实验教学模式，将虚拟现实仿真技术应用到中学实验教学当中，所有实验场景、器具等“元素”均使用 3D 技术展示，智能人机互动，使微观实验、危险性实验、高成本实验等也变得平常易做，表现具体、形象逼真、感受直观、印象深刻、安全可靠，并可进行无限制、多样式的重复操作，无污染、无浪费，既可作为老师课堂实验教学的好助手，也可以作为学生日常实验课程学习的好导师，普通课堂、实验室、多媒体教室、家里等均可使用，绿色、环保、方便，实现随时随地能做实验。该系统不但使大家能很好的理解实验的运行机理、功能划分以及复杂结构，还可较早接触文化创意产业领域，养成在以后的工作、生活中成功应用现代技术的习惯，满足德智美体全面发展的综合型人才的需求！3.2 中学虚拟仿真实验室建设意义名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 14 页 -1）节省了实验教学经费的投入。基于虚拟实验室建设和应用，长期来看，大大节省了实验室建设中人力、物力和财力的投入，降低了实验教学成本。实验仪器、实验耗材都是通过虚拟技术实现。实验教学的改革、实验项目的调整、实验方案的优化，再也不受实验设备性能的制约，有效解决了传统实验室中设备功能缺乏、性能老化、更新补充不到位等问题，从而影响整过教学的正常开展。2）提高了实验教学的安全系数。学生在实验室进行实验时可能会由于操作不慎或其他原因，使得人身安全或者仪器设备安全受到威胁甚至造成损失。在各种电子实验中，低压电路实验经常会因为设备原件的老化，造成短路，损坏仪器或芯片；而高压电路则会发生设备漏电，造成触电事故。对于一些化学的高危险类实验，我们不会亲自去体验，但通过虚拟可进行模拟仿真，强化实验现象。3）改善了实验教学的教学环境。首先虚拟实验室比传统实验室更具有开放性，他有效地打破了时间和空间的界限，学生可以灵活安排自己的实验时间，也可以根据学科、兴趣、爱好，进行实验。其次，他使实验方案、实验效果的最优化成为可能，学生不再因受实验设备和耗材等限制，方便、快捷、及时地对某一实验项目进行反复实验，达到熟悉实验操作、掌握实验步骤和要领的目的。4）优化了实验教学资源。虚拟实验室建设可以充分发挥现有实验教学资源的功能和应用，通过虚拟现实技术措施，就当下，在很大程度上缓解了实验用房紧张，保证了整个教学计划有序执行。5）降低了实验教师和实验技术人员的工作量。传统实验室的实验教学，受到教学时间和课时量等多种因素限制，管理、技术人员也不可能及时对现场出现故障的设备进行管理、维护、维修，实验指导教师更不可能将各种可能发生的实验情况一一罗列出来。学生通过虚拟实验，不仅扩大了实验的时间和内容，而且在过程中很多实验现象和问题，自己就迎刃而解了，再进入传统实验室，那叫一个字 顺！同时实验目的也更加明确。3.3 系统优势名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 14 页 -1)有利于培养学生的创新能力创新能力的培养，主要是培养学生的创新思维。2)有利于研究性学习的开展每一种实验方法都是一个极好的研究性课题，学生对这一课题的研究都可以获得多方面的知识和规律。3)对于提高学生的学习成绩可起到低耗时、高效率立竿见影的效果。4)具有趣味性中学虚拟仿真实验室能引起学生的兴趣，增强求知欲，激发学生的学习兴趣，使快乐物理、快乐化学和快乐生物等变成现实。5)具有科学性和指向性中学虚拟仿真实验室符合科学原理和有关规范，能揭示科学规律；启发学生发现问题，使实验与问题有联系，突出研究内容。6)具有真实性、简易性和稳定性中学虚拟仿真实验室符合学生认知水平，贴近学生实际，易操作；从准备到使用时保持性能不变化，确保实验成功。7)具有安全性中学虚拟仿真实验室符合安全性要求，使用必须保证不出危险，确保人身安全。8)产品的后续开发性中学虚拟仿真实验室在开发的过程中加入由大量专家设计的教案，和不断的更新修订。并拥有强大的技术力量和师资力量保证了教案的权威性，先进性。4.中学仿真实验室设计方案虚拟实验系统由主机管理系统包括图形系统）、立体投影系统、中学虚拟教学系统三部分组成：4.1 主机管理系统名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 14 页 -每个虚拟现实的核心都是由功能强大的图形工作站所组成的。该主机系统利用相应的应用软件系统，完成科学计算、图像生成、建模和形成视景等功能，并实时处理用户与虚拟现实环境的交互。本项目针对用户需求，在主机系统设计中，我们为客户选择的是具备SLI、高性能、性价比高图形工作站，下面是对这种主机系统进行说明。4.2 立体投影系统包括工程投影机和屏幕灯，其目的是将主机系统包括工程投影机和屏幕等，其目的是将主机系统生成的视景投影到屏幕上，产生一个具有沉浸感的虚拟现实环境。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 14 页 -工程投影机用于虚拟仿真系统的投影机不同于其它用于教育、娱乐等方面的商用投影机，对其技术指标有更严格的要求。必须为专业工程投影机才可以满足虚拟仿真系统的要求。分辨率为保证图像不失真，用于仿真的投影机只能使用其真实分辨率。为表现图像细节，投影仪的真实分辨率至少应为1024768。亮度在虚拟仿真应用中，一般采用大屏幕。因此要求投影机的亮度必需高，如果亮度不够，会大大降低观众的沉浸感。对比度在虚拟仿真应用中，如果图像对比度太低，会降低仿真场景的真实感。同时，对比度太低的投影机做无缝拼接处理非常困难，效果很差。亮度一致性大多数低档投影机的投影图像的中间和四周往往亮度差别比较大、左边和右边的亮度差别比较大。对于一般的Powerpoint 演示，这种差别无关紧要，观众往往也不会注意到。但对于虚拟仿真应用，亮度一致性是影响无缝拼接效果的重要因素之一。因此，高档投影仪的亮度一般在5000 流明以上。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 14 页 -图像还原度对于一般的 Powerpoint 演示，观众并不会注意图像失真包括色彩失真及几何失真）。但对虚拟仿真应用，如果仿真场景的颜色不匹配多台投影仪之间）、物体稍微有点变形，观众马上能够感觉得到。使“仿真”的意义大打折扣。可调节参数的多少为了在立体投影系统中真实地还原图像，要求投影机具有方便的调节功能，使其与其它投影机配合、匹配。专业工程投影机可以通过移动镜头来调整梯形失真、可能选择合适的投射率的镜头，等等。这样，在多通道拼接处理时一方面调试容易，更重要的是能保证图像效果。立体金属硬幕根据其材质，屏幕分为软幕和硬幕两种。软幕的平直度远远不如硬幕，特别是用在柱幕上时，软幕由于表面张力，中间会向前突出，使幕在垂直方向上呈圆弧形。而硬幕则不会出现这种情况，而且硬幕的寿命、几何强度和可靠性远高于软幕。硬幕幕面采用环氧树脂压注成形，表面光滑，整体无接缝。表面喷涂专业金属屏幕漆，以支持偏振式被动立体投影，保证观众在屏幕前各个角度观看画面不会出现亮度变化的情况，非常适用于虚拟仿真环境。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 14 页 -4.3 中学虚拟实验系统中学虚拟实验系统系统采用前沿的3D 立体交互技术和创新的理念，遵循绿色环保、简单易用、灵活使用的原则，集成普通实验、危险实验及微观实验于一体，改变传统的实验教学模式，打破时空限制，彻底解决了传统实验中危险实验不敢做、微观实验不能做、普通实验不好做等多种困难。系统使用方便、形象逼真、感受直观、印象深刻、趣味性强，是老师的好助手，学生的好老师，不但可以在实验室、多媒体教室进行交互实验，还可以将学生实验从实验室搬入讲堂、搬进家里，实现随时随地做试验，系统注重人机互动，零成本，零风险，无污染，通过多次反复实验，不但能深刻理解实验的运行机理，功能划分以及复杂结构，强化学生动手动脑能力，还可以通过对虚拟仿真技术的应用，较早接触文化创意产业领域，养成在以后的工作、生活中成功应用现代技术的习惯，满足德智体美全面发展的综合性人才的需求。虚拟教学系统主要功能模块：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 14 页 -实验系统模块该模块是系统的核心模块，目前已开发出的实验模式主要有：演示模式、指导模式、检错模式、微观模式等几种模式。用户可以根据个人情况，从虚拟实验系统中自由地选择适合自己的实验模式，进行学习和训练。在虚拟实验系统中，用户可以随意切换不同的视角全局或局部查看实验。另外，针对各实验，系统添加实时语音和文字提示功能，以辅助操作者学习和理解实验。各实验模式功能介绍如下：1）演示模式演示模式下，各实验主要以自动演示的形式来表现实验操作和实验现象，自动演示过程中，系统辅有实验过程提示。演示过程中，用户可以通过系统菜单中的实验控制菜单或与之对应的工具栏中的控制按钮控制实验，可以对实验进行暂停、停止和开始的操作控制，演示实验完成后，用户可以选择再来一遍重复学习该实验，也可选择进行其他实验，或者切换到其他实验模式、并选择相应的实验。2）指导模式指导模式下，用户按照既定的正确的实验步骤进行交互操作，系统以语音和文字形式进行操作步骤提示，并实时跟踪实验过程进行化学实验反应原理和反应现象的解说与讲解，用户在系统提示下按照科学的正确的化学实验操作规范进行一步步操作，直至完成实验。3）检错模式检错模式下，在实验操作过程中，系统为用户提供了一定的自由选择的机会，用户可以按照自己的理解和想法进行实验，每个操作选择会导致正确或错误的名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 14 页 -实验结果，针对用户的不同选择，系统会表现出不同的实验现象，并给与相应的结果解释和现象说明。4）微观模式微观模式下，化学物质和化学反应的过程和原理主要以分子结构的形式表现，以便使用户更好地理解相关化学原理的反应过程，并直观形象地“看”到各物质元素组成及其空间结构。化学反应的过程也以化合价断裂和重新组合的过程予以展现，真正带着用户进入到了物质内部的微观世界。实验用品模块实验用品模块，以逼真的三维立体模型和丰富的图片、文字等形式介绍和展示中学化学实验中常用的仪器和药品，以方便用户进行学习和操作。系统帮助模式系统帮助模块，系统地整合了教学资料，针对每个虚拟实验，提供给用户相关资料和说明，以辅助用户更有效地理解和掌握实验。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 14 页 -5.成功案例北京航空航天大学北京理工大学国防大学北京邮电大学北京科技大学北京服装学院北京印刷学院黄庄职业中学北京市第九中学南京邮电大学哈尔滨工程大学深圳大学华南理工大学名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 14 页 -