基于虚拟现实技术的教育解决方案的研制与开发项目可行性研究报告.doc

基于虚拟现实技术的教育解决方案的研制与开发可 行 性 研 究 报 告 二0一六年二月目 录一、项目提出的目的及意义二、与项目相关的国内外发展概况及市场需求分析三、主要攻关内容及技术路线（技术可行性分析）四、该项目的技术创新点五、现有工作基础和条件六、申请的基础条件（包括主要研究成果）七、进度安排和实施方案（包括运行机制）八、预期成果和考核目标九、推广及应用前景十、经费概算及来源十一、结论附件-虚拟现实沉浸技术实验室条件建设需求 一、 项目提出的目的及意义互联网、虚拟现实和人工智能被喻为改变人类认知世界的三大信息技术。互联网从少被社会广泛认知，到今天对社会生活的全面颠覆与渗透不过二十余年。如今互联网+已为国家战略。当互联网在我们生活中掀起一个又一个骇浪时，虚拟现实正悄然从幕后走向前台。今天虚拟现实正演绎着当年互联网对人类生活，从无足轻重到全面颠覆的革命性过程。科技以虚拟现实给人类生活再创造出一次惊喜己为期不远。虚拟现实技术与教育：“虚拟现实”（Virtual Reality，英文缩写VR）技术，利用计算机硬件+软件资源+传感器的一种集成技术，构成实时三维图形生成的技术、仿真技术、多传感交互技术以及显示技术等，生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境，演练者（操作人员）根据需要通过多种交互设备（如头盔、数据手套和刚性外骨架衣服等）来驾驭该环境，以及用于操纵环境中的对象，如在真实世界中一样地与该环境中的人和事物进行行为和思想等的实时交流，并产生逼真的身临其境感。虚拟现实技术不是相关技术的简单组合，而是一种创新性的综合，并且在思想方式上有质的飞跃。虚拟现实技术对教育产生不可估量的作用，主要理由如下：1.虚拟现实技术创建全新的教育环境 人们普遍认为，虚拟现实技术将使21世纪的教育发生质的变化。虚假现实技术支持下的教育之所以会发生质的变化，是因为虚拟教育环境拥有现实教育培训环境无可比拟的优势。所谓虚拟教育环境，是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟教育的人工环境，它可以是某一现实世界的基础或设施的真实实现，也可以是虚拟构想成的世界。在21世纪，可能兴办起依托虚拟现实技术的各种新型的学校教育，如基础教育、军事教育、各类培训教育，许多学员在虚拟环境中接受各种教育体验与训练。由虚拟现实技术所支撑的教育系统将使得人员可以在虚拟环境中方便地取得感性知识和实际经验。 与现实教育基地或设施相比，在虚拟现实技术支持下的虚拟教育环境大致有如下特征和优势： 1.1仿真性 学生通过虚拟设施训练，与在现实教学基地里同样方便。这是因为虚拟环境无论对于现实的环境或是对于想象的环境，都是虚拟的但又是逼真的。理想的虚拟环境应该达到使受训者难以分辩真假的程度（例如可视场景应随着视点的变化而变化），甚至比真的还“真”（如实现比现实更逼真的照明和音响效果）。 1.2开放性 虚拟教育环境有可能给任何受训者在任何地点任何时间里广泛地提供各种培训的场所。事实上，虚拟教育环境的内涵是广泛的，它不同于传统中的教育环境，它具备可以进行类似于传统教育项目的环境，但它的擅长更是那种使学员置身于项目对象之中的逼真环境。凡是受训者可以通过有关器具操作来学习或掌握某种知识与技能的虚拟环境，都可以归之于虚拟教育环境。 1.3超时空性 虚拟教育环境具有超时空的特点，它能够将过去世界、现在世界、未来世界、微观世界、宏观世界、宇观世界、客观世界、主观世界、幻想世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机组合，并可随时随地提供给受教育者。比如，学生需要身临超越现实时空的环境（如历史事件，探索太空），那么虚拟教育环境就可以提供历史环境及虚拟太空。 1.4可操作性 学生可通过使用设备，用人类的自然技能实现对虚拟环境（无论它模拟的是真实环境还是想象环境）的物体或事件进行操作，就象在现实环境里一样。可操作性是虚拟教育环境实际运用的必备特性，它使学生得以在其中学习中获得需要实际知识与技能课程，也使远程教育真正实现。 1.5对应性 教育内容与虚拟环境密切相对应的。例如，学生要学习化学实验操作，那么虚拟环境就是化学实验室的模拟环境。另外，虚拟现实技术能按每个学生的基础和能力，对应性地开展个别化的教育。 2、虚拟教育培训的广泛性 未来社会是一个学习化的社会，为了求得自身知识结构和能力体系的完善与发展，达到学会生存并进而实现自我价值的目的，接受终身教育是人们的当然选择。而在终身化教育体系中，自然包括了各种各样的教育项目。由于用虚拟环境代替现实环境，学习和实练效果更好；而且利用虚拟环境进行训练，也使一些在真实环境下难以实现的项目成为可能，因而虚拟现实技术会给未来教育带来根本性的改革。由虚拟现实技术支持下的教育方式将发挥强大的优势，大显身手地运用于各方面的教育项目中去。 3、虚拟教育的优越性 作为教育技术和工具的虚拟现实技术的优势，给教育体系带来了与众不同的、全新的教育特点。它不仅仅对于教育场所或设施的设计人员和教育业务的指导人员提供了实践其教育价值的途径和方式，而且从受教育者的角度来说，它在解决学习和实训的困难、提高学员汲取知识和掌握技能的效率、从而改善教育的效果等方面，也呈现了相当有利的特征。这些特征可大致概括为： 3.1临场性 指学生可以感到自己处于虚拟环境的体验，产生一种逼真的存在感，学员觉得自己真的存在于某环境中，是该环境的一部分，而不是它的旁观者。学生可自由地在这环境中与有关的虚拟物体或事件相互作用，如同在现实世界中一样。临场性的意义，在于使学生将远程、虚拟认知或感觉如现场与真实中。此外，由于这种临场性一方面是使学生进入虚拟环境，另一方面是运用交互设备把学员的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，使他暂时与真实环境隔离，因此不会受到虚拟环境外的现实环境的干扰，易于集中学员的注意力，使他全身心投入到训练中去。 3.2自主性 学生能自主地选择或组合虚拟场地或设施。这样，学生能在任何时间、任何地点选择学习内容、学习设施、学习信息资料、以及取得学习结果的评估，并具有完全的自由度。此外，对于学习后没掌握的知识与技能过程或片断，学生可以自己多次重复。这样，学生始终处于教育中的主导地位，真正掌握学习的主动权，大大增强了学习效果，减少了学习时间。 3.3多感受性 学生在虚拟环境中接受教育时具有多种感知能力，如视觉、听觉、力觉、触觉、运动觉、味觉等。理想的虚拟环境应当可以让学生具有在现实世界中的一切感知能力。多感受性使学员得以运用自己所有感知能力，在一个极其生动活泼的环境里进行实时的、全方位的学习。 3.4功能替代性 在虚拟现实技术帮助下，学生在虚拟环境中还可以用一种感知能力代替另一种感知能力来进行操纵环境、汲取信息或交流。这样，残疾人能通过自己的形体动作与他人进行交谈（如残疾人戴上数据手套后，就能将自己的手势翻译成讲话的声音），或通过声音来操作器械，等等。这种感知功能替代性使残疾学生可以接受过去自己无法做的项目。 3.5交互性 学生可以采用多种交互手段如语言、手势、数据手套及触觉等，与虚拟环境交流信息，并得到实时反馈。这种特性使学员与物体、学员与事件、学员与其他人（如指导人员、别的学员）之间的双向实时反馈，在远程状态下成为可能，并犹如近距离或面对面交流一样。 3.6安全性 虚拟环境中学习远比在现实环境里安全。如具危险的化学实验，军事学生可以重演战争，消防队员可以重演扑灭火灾。每个人都可以在这种虚拟环境中试验各种方案，即使闯下“大祸”，也不会引起任何“恶果”。安全性不仅是对于学生而言的，它也包括周围环境中的事物，这一点对于技能性学习特别重要和特别有意义。 （一）项目概要1.虚拟现实的应用层次可分为：1.1 初级应用：桌面虚拟现实系统-非沉浸式体验系统，计算机+软件即可实现1.2 中级应用：桌面虚拟现实系统-沉浸式虚拟现实系统，计算机+软件+数据头盔+数据手套。1.3高级应用：分布式虚拟现实系统，它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真（distributed interaction simulation）的基础上1.4高级应用：+增强现实，于虚拟现实的基础上加入真实的物具（现实中的，非建模的），实现虚拟世界与真实世界的交互。2.基于虚拟现实技术的教育解决方案主要包括以下：2.1初高中实验类课程方案，涉及化学、物理（仿真实验室，物体与规则重建）2.2初高中认知类课程方案，涉及自然（地理、生物）、历史（事件重建）2.3.高中水平类课程方案，涉及外语（事件重建）、语文（意境重建）、数学(几何规则与逻辑重建).2.4职业学校技能培训方案，如装配、修理、维护开发上述产品，一类基于“桌面虚拟现实-非沉浸式体验系统”技术，另一类基于“桌面虚拟现实-沉浸式体验系统”技术。上述产品以通用教材课标为依据，以教育心理学、名师教学方式为逻辑，以时间进度排序，加入知识与技能要点考察和水平评价，贯穿整个教学过程。项目开发的理念、构成、内涵与体系均属国内首创，为行业应用的重大创新。社会公司，包括独立的教师因条件所限，从事的开发均以课件、资源类为主，难以开展如我们这种体系化的构建。此构建的可性行来自我们的业界优势，即是川师大数十年的教育背景与教育资源+技术背景与技术资源，极其宝贵、极其难得的组合，他人难以复制。3. 项目目标3.1总体目标该解决方案融合虚拟现实最新硬件设备以及先进的教学理念，构建完全实时的、高保真的、用户高度介入的学习环境。其特点是具有丰富的环境、丰富的接口、操作与数据双重驱动，从而实现虚拟现实的教学功能，对教与学产生极大的效用。3.2技术目标包括五个方面：3.2.1开创虚拟现实在国内教育领域系统化应用的先河,于教学上实现普通数字教育资源(如多媒体、电子课件、文字、例表、影视动画资料)的替代。解决方案首要的目标是构建快速、协同的VR资源平台，资源的迭代演化保持一定领先性且遥应未来技术发展要求，体现业务创新、技术创新特征，突出与满足教学及教学管理的现代化需求。3.2.2 采用分层设计，强调统一的同时兼顾风险与效率，达到规范性与个性化相结合的目的，增加系统灵活性，满足不同学科、不同层次课程的需求。在实际设计过程中，遵循现有网络课程（如川师4A网课）课程分类规划设计，并与校园其它网络教学平台有效衔接。3.2.3保证高性能、高可用性，提供动态扩容、应急处理、备份等手段实现系统的可靠性、增进用户体验。3.2.4组件化、可配置的指标、参数策略，适应不断增加与调整的系统需求变化。适配不同种类与配置的虚拟现实硬件设备。3.2.5 数据驱动。构建VR场景知识库、参数化模型库以及学习者学习行为轨迹库，形成个性化学习成果反馈技术应用。4. 项目应用主目标，完成虚拟现实教育解决方案系统框架设计5. 项目应用次级目标启动期目标： 5.1完成非沉浸性与沉浸性中学化学实验教学系统，并在学习者中推广，以达到体验和验证。5.2完成沉浸性中学化学实验教学系统5.3完成中学物理、历史、地理、语文、数学、英语需求设计5.4职业学校需求调研（二）立项的必要性及意义虚拟现实技术被普遍认为是继计算机技术、网络技术后，在21世纪最有潜力的技术。虚拟现实技术具有的沉浸、交互、构想三大特征使得虚拟现实技术在教育领域应用有其独特而明显的优势。随着资本对虚拟现实的持续关注、硬件成本降低、设备的普及以及互联网信息技术对教育融合的深入，迫切需要虚拟现实技术改造传统教育模式，甚至是刚刚开始流行的基于互联网的教育模式（如MOOC）。基于互联网的教育模式虽然解决了传统教育的大部分“痛点”(如不能跨时空共享优质教育资源，互动性差等)，但是学习者的体验没有得到实质的提升，缺乏虚拟现实技术（如沉浸式虚拟现实技术）带来的强烈的体验感、逼真的现在感与強大的可交互性。1.把握历史机遇，珍惜最佳进入期长期以来，虚拟现实硬件成本的居高不下成了其实际应用的最大障碍，行业应用处于3/4的休眠状态。近两年因技术突破性进步，成本直线下降，其行业应用处于爆发前夜，越来越清晰地呈现出一个科技应用热点。在市场尚未完全被唤醒时进入，无疑为最佳时期。以游戏头盔式显示器为例，2013年美国当地报价5万美元到17万美元，到2015年降到7000美元到8万美元间，非游戏头盔则降价幅度更大，早几年还需数万人民币的体感头盔目前市场价普遍在1千到3千人民币不等。进入2015年，硬件价格的下降趋势仍在加速，以乐视为例，2015年11月向市场推出有售价仅149元的VR头盔。随硬件成本的快速平民化，虚拟现实技术走向广泛社会应用的闸门已经打开。从资本市场看，2015年6月以来，中国A股历经了三次股灾，资本市场一片哀歌，但虚拟现实概念股却逆势上涨，成为A股独特的亮丽风景。据惠特资本分析，这是一个尚未有巨型企业出现的蓝海市场。2.开启重大行业应用技术创新，树立行业科技开发优势地位 虚拟现实技术在教育行业的运用，除非沉浸式的一些三维交互课件外，尚没有更多运用，基本处于未开垦状态。做好这一块并不太容易，不但要熟知教育，而且要熟知技术。我们两者皆具，这是我们的背景优势。纵观社会，两者皆具的开发者很少，珍惜历史给予的难得机会。背景优势将很好支持我们开展这一项具有行业重大应用创新的研发，进而树立其行业科技开发优势。3.形成行业应用级产品，占领行业科技应用的制高点若衡向与兄弟院校在科技实力上对比，川师大的弱处还在缺少对社会、对行业、对企业不能提出解决方案级别的成果，科研产出缺乏对国民经济起重要推进作用的、应用级别的创新。本项目的推进有利于突破困局。二、 与项目相关的国内外发展概况及市场需求分析2016年被公认为虚拟现实的应用元年。虚拟现实近10年来，随着计算机技术的快速发展，其行业应用愈来愈清晰而备受社会各行业关注。目前在发达国家中, 虚拟现实技术在教育领域的应用，其表现之亮丽，令人震惊。如美国很多学生已经开始使用 zSpace STEM实验室。学生们已经探索了虚拟火山和构建了先进电路板。这个系统为学生提供了真实的学习环境和个性化学习体验，且符合美国新世纪科学标准（ NGSS）、基础课和各州标准。虚拟全像图像可以从屏幕中“取出来”并使用触笔去操控。一些应用则提供多感官反馈。比如，学生在和一个虚拟心脏互动时，可以看到、听到并感觉到它在跳动。我国目前的虚拟现实技术在教育领域的应用主要侧重在科学研究、虚拟试验的开发以及虚拟校园的开发方面，与发达国家相比，我国虚拟现实教育应用的规模差距不少, 但是已经引起政府有关部门和科学家的高度重视。九五计划、国家自然科学基金会、国家高技术发展计划等都把虚拟现实技术列入了研究项目。（一）目标市场的分析与预测1、市场分布整体上看，我国虚拟现实技术处在起步期。它的发展与上世纪80年初的微型计算机、90年代中期的互联网相似。以虚拟现实硬件设备为例，2015年全球虚拟现实设备的销量己达1400万部，2020年的全球销量会提高至8800万部；BI Intelligence的报告预测，虚拟现实硬件市场的规模将在未来几年迅猛增长，未来5年的复合年增长率将高达299%；美国知名的第三方调研机构Manatt 5Digital Media和投资银行Digi-Capital也发布报告称，全球虚拟现实市场规模将在5年内、即2020年达到5200亿美元。可见，针对消费者的虚拟现实商业化时代已经来临，虚拟现实产品对市场的渗透将会是“一场必胜的持久战”。从国内外发展比较看，目前国内外发展方向出现分化，但重大分水岭尚未形成。国内产品、技术与市场需求的深度融合处于摸索期，以出售产品和服务为目标，有近200家公司介入VR领域，从硬件产品到内容制作几乎全部覆盖；国外并非单纯以出售产品为目标，以Oculus和Sony公司为例，除了研发头戴显示器、交互设备、输入设备、动作识别设备，更在着手制定各自的行业标准，意图统治全球市场。 以上不难看出，随着虚拟现实关键设备制造的成本大幅下滑，我们己站在了一个以虚拟现实技术为手段，以行业应用为开发内容的门坎，门内拥有一个不低于数千亿级的市场体量。2、市场需求与发展前景的分析和产品市场空间预测2.1市场份额至2014年末，四川省初中共计3901所，在校生258.3万人；普通高中共计732所，在校生149.0万人；教师共计约30万人; 职业学校500所，在校生20万人。按人均100元/年信息消费，年消费量约4亿元。若项目进入国家教育扶贫工程，有望获得政府基金的支持。2.2市场选择将目标市场锁定在中等基础教育与职业教育，以省内为重点。2.3市场运作以产学研结合为理念，以服务社会、社会应用为目标。自主开发，并在进程中吸引资本加入。导入效率化管理机制。虚拟现实进入现代教育，并发挥重大影响绝对是不争的事实。发达地区，但不限于，都将因此受益。我国教育资源分布不均，边远地区师资队伍落后，名师空缺。近十多年来，国家对这类地区的教育投入逐年增加，但多限于基础条件的改善，如何提高教学质量，让这类地区的学生与内地学生一样享有较高质量的教育水平，显然己摆在面前。这是一个重大的教育问题， “教育公平”涉及全社会的良知，不仅仅引发政府的思考、全社会有识之士也在思考并追求解决方案。虚拟现实在这方面可发挥出重大作用，为公平教育发挥出不可替代的作用。因为基于虚拟现实的教育解决方案可以将名师的教育方法，先进的教学理念，科学的认知体系以及严格的技能训练导入系统，且传播无地域限制，成本低廉。成本低廉，以计算机为列，以2013年配伍的普通计算机已足够承载系统运行，性能价格以今天市价计，不过3000千元左右/台。数据头盔，其普及型以今天市价计，800元左右/件(五年前一个普通的数据头盔不低于10万元/件)，据赛德数据，在未来2-3年可降至数十元左右/件。按这种推算，低成本的虚拟现实装备进入边远中学为期不远。我们所做的就是为此做好准备，做好内容开发，为迎接虚拟现实爆炸性需求的来到做好准备。虚拟现实桌面非沉浸式系统推广阶段包装宣传为本阶段首要任务。本阶段需要营造亮点，营造新闻热点。以社会效益为述求，并发挥到极致。基于此目标，需寻找一个即能切合国家需求，又有社会关注热点与道德制高点的入口，进而演绎为社会的突出事迹。经调研认为， “教育扶贫”无疑是最佳方式。为此，本阶段主打教育扶贫牌，即能满足需求，又可为进入国家教育扶贫工程做准备。具体做法是，选一批学校下线的计算机+制成的虚拟现实桌面系统，找一个边远/贪困地区中学，调动当地政府与之一道建示范点。以三个月为调试与试用期，一切正常后，对示范点全面包装，组织新闻宣传，营造社会形象，大力将宣传效果发挥到极致。利用其稀有性：最前沿的高科技教学手段与最边远/贫困地区教育现状所存在的极大反差，及一个基于这种反差，又预想不到的融合(这本身就是一件反常规的事列)，加入教育公平、社会正义、良知、责任与道德的因素造出新闻热点，将宣传做足。这个设计可容易达到几个目标：突出学校的社会形象，不花巨额广告费的产品宣传，为进入国家教育扶贫工程打下基础。 一旦进入国家教育扶贫工程系列，在政府基金的支持下，可全面推进桌面虚拟现实非沉浸式方案的应用实施，同时加速沉浸式解决方案的深度开发，做好在较发达地区的试用推广。实现产品的由农村向城市，从边远到内地的战略调整。3.产业融资与扩张阶段基于良好的社会声誉与产品的独特性吸引资本注入，融资额度不少于1000万，构建不限于教育类虚拟现实产品的开发。解决的主要难点技术与运用领域如下：·数据驱动模型的机制与方法·动态与时实仿真产业级技术运用·分布式虚拟现实系统的开发与运用基于以上成果，进入虚拟现实的高级运用期，形成教育、数字娱乐、军事、公共安全、医疗、制造业等领域的优秀解决方案，进而全面服务社会并获得很好的经济效益。4.市场竞争力分析虚拟现实的内容开发，或称虚拟现实的行业应用解决方案，从目前的国内开发应用看，基本以“桌面虚拟现实非沉浸式体验”与“环幕非沉浸式体验”的解决方案为主，主要用来效果展示；沉浸式虚拟现实于专业行业有应用，如航空制造业。但从社会的层面讲，其应用仍处于初期的起步阶段；分布式虚拟现实系统与增强现实大多还停留在专门的研发机构。 客观分析如下：4.1具备比较完善的从事虚拟现实教育与研发的学科队伍与条件：早在2007年为配合重点实验室的发展，支撑新的学科与研究方向我们以产学研的理念建议学校开建数字媒体专业，在学校领导的带领下，我们花费了大量精力从论证到实施做了很多事。专业的成立为虚拟现实工作的开展奠定了人才基础、学科基础。4.2具备开发优势：技术与教育背景的深度融合，有一支即懂技术又知教育的开发队伍：虚拟现实教育类的应用，市场呈现的均为“桌面虚拟现实非沉浸式体验”方式开发的教育类产品，且基本以课件为主，几乎没有基于教材的完整解决方案（仅仅“课件”，有极大的应用局限，正如一个汽车制造厂，不能提供整车，只能提供零件，其适用性可想而知）。这个现象与这些公司或群体的行业地位有关，因为这些公司或群体：或者懂技术，却身在教育之外，不懂教育，没有体系，无论从理念还是方法没有教学的支撑，注定了只能以课件的方式存在。如软件公司；或者做教育又缺失技术，只好借用他人开放工具软件，局限于做课件。如教师群体。;两者合二为的团队，即做教育也做技术的少之又少。与我们本质不同。4.3具备多年从事教育仿真软件系统的经验积累：我们的背景优势使我们在架构同类方案时可以跳过课件的束缚，以基于教材的理念，融入教育心理学、名师的教育方法与教学经验，开发集教学、操作、考点、评价为一体的解决方案，并将开发的系统走入学校中期试用、座谈，再改进，使之完全符合教学过程，力求完整、规范，简单易用。我们对开发教育类产品慎之又慎，如中学化学方案，先以平面交互为框架，用于弄清教学仿真内涵。目前已做成完整的方案-面向初、高中化学教学的二维仿真交互软件平台一套，学校试用己达三年，各方反应效果良好。通过这一案件，我们基本弄清了教育仿真软件开发设计的内在精髓。由此我们深知，这是一个内涵远胜于技术的开发，非多资源的教育资源组合背景，不可能开发出适合用户需求的产品。因为现实需求不是一堆课件可实现。通过多年的探索，我们这类产品的开发，其理念、方法及技术均在国内同行的前列。4.4具备从事虚拟现实大型仿真应用系统开发成果的积累：本实验室于2009年建立后，于2010年启动了以 “桌面虚拟现实-非沉浸式体验系统”为主的起步型建设，取得了如大型化学仿真教学平台、大型数字博物馆、公安仿真训练平台、大型园区+地理位置信息的产品级技术成果。遗憾的是， “沉浸式虚拟现实建设方案”至今仍未落地。4.5限制因素科研需要落地，科技创新、服务社会、服务产业，不局限于学术，满足于论文，尤其对计算机技术这类应用性很强的学科，需要真刀真抢，而非脱离应用的些纸上谈兵。4.6 遇稍纵即逝：虚拟现实随着硬件成本的快速平民化，系统平台的不断升级换代，其步入社会应用的步伐愈来愈快，加之近年来受到资本的追逐，一个崭新的时代已为期不远。随着应用与市场的逐渐明朗化，必然吸引大批的加入者，拖得越久，竞争就愈激烈，我们也会再一次丧失历史曾给予过我们发展的重要良机。唯有建设才有发展。即使困难不少，但我们在桌面虚拟现实的研究还是取得了重要进展，项目水平达到了相当的应用水平，为今天所提方案的实施打下了重要基础。三、 主要攻关内容及技术路线（一）体系构架VR教育解决方案通过优质VR内容和最新VR硬件配套，将传统学习方式、网络化学习方式乃至互联网+教育模式推向一个新的层次。为满足总体设计目标、实现系统需要，将从业务架构、应用架构、数据架构以及技术架构四个方面提出总体设汁方案。 系统业务架构（图3-1-1系统业务架构）根据职责及业务规划不同将系统从业务上划分为五部分：最底层为课程资源分类；中间为VR内容建设、学习者（学生）行为及VR学习环境；最上层为评价与追踪。VR学习环境部分全部依赖其余四部分，剰余四部分按图3-1中层次关系从顶向下产生依赖关系，不可反向为之。各部分职责及业务描化如下:1.资源分类：提供整个系统的资源分类信息，首先需要构架一颗完整全面的学科分类树，可以和现有的网络课程资源（川师4A网课）对接。资源分类业务为VR内容建设及学习者行为提供基础数据设计范式、也是学习者行为设计、VR学习环境构建的重要依据。例如对于职业教育中的操作技能训练，则需要构建高保真的现场工作环境，并采用数据手套交互模式塑造学习者行为，从而达到良好的训练效果；而对于化学仿真实验，只需采用非沉浸式的桌面环境外加参数变量，学生通过相关配置和调整达成教学目标。在分类业务的功能设计上须有可自动扩展的程序设计及实现；重点功能需满足节点管理、节点关键字管理功能需要。系统需支持简单的权限控制、用户管理功能便于安排操作人员分节点维护。资源分类如图3-1-2所示：（图3-1-2）2.内容建设：此部分为VR学习环境提供所需推荐电子资源的预处理功能。在当前VR硬件发展迅猛而配套教育资源不足的情况下，该系统采用UGC（User Generated Content指用户原创内容）设计理念，每个教育工作者都可以参与建设并完善VR课程资源库。内容建设以抽象化的 3D 场景表示为核心，采用面向协同的可视操纵架构，集成了模型、场景、人员、配置的管理和协作模块，形成了完整并具有通用性的解决方案。需要支持3D模型、材质、纹理、shader程序、骨骼动画及文档资料、语音、视频等非关系型数据，对非关系型数据需要做摘要处理转化为类关系型数据，尤其对语音及视频需要从中摘出关键信息形成连接关系并依据分类树进行学科、课程分类，按统一规划打造VR教学内容生态圈。3.使用者（学生）行为:该业务部分采用先进的人机交互手段达成教学目标。学生通过与信息环境的自主交互行为获取知识、技能。为了匹配不同的交互硬件，系统根据不同的课程类型与教学目标对学生的交互行为进行分类和封装，形成抽象交互层及其接口。4.VR学习环境:此部分为系统的核必功能体现，结合调用其他四部分数据营造最终自主学习环境。该业务部分包含一个高性能的图形引擎，能够快速响应外围交互硬件的追踪数据（如高速头部追踪、眼动仪数据等）5.追踪与评价: 传统的教学评价大都是由老师批改学生的作业和考卷，或凭主观印象给出成绩，这种评价方式存在着一定的弊端。随着教学信息化改革的推进和计算机的普及，在虚拟环境下进行教学评价已成为可能。教师可以对每一位学生进行学习记录的全程跟踪，包括查看学生的学习报告，访问课程的次数、学生参与某个教学模块的情况。在评价内容上从课程内容学习、参与互动交流、考试与作品和课外资源学习四个方面进行了细分和聚类，构建了基于虚拟现实环境的个性化学习评价模型。在评价结果上，依据柯氏四级评估模式和布鲁姆教学目标分类理论设计了基于教育大数据的个性化评价层次塔，该层次塔包括学习成效、概念转变、学习迁移和学习力四个层级。最后，结合教育大数据、教育云服务、个性化评价模型和评价层次塔，设计了个性化学习评价系统模型，包括信息采集模块、数据分析与处理模块、个性化评价模块和可视化反馈模块，并通过云管理层实现对教育云服务平台、云存储池和云集群计算平台的调控和管理，以期为后面开展个性化评价系统的设计与开发提供有益的指导。通过追踪与评价获取课程教学大数据并持续改进VR教学系统，VR教育大数据将成为推动教育变革的创新战略资产。(二) 应用架构在充分分析VR教育解决方案功能需求与业务逻辑的基础上，遵循逻辑结构中定义各子系统功能及实现方式，按照分层设计原则，明确系统功能设计及应用总体架构如图3-2-1所示。（图3-2）（图3-2-1总体应用架构）其中基础服务层为上层应用提供数据库服务、会话管理、协同支持、异常处理等服务。教学资源管理层是一个面向协同的、采用多人众包模式的资源共享平台，主要面向教师或者课程开发人员，实现各学科知识点向虚拟现实情境迁移，从而为优质VR教学内容的创作、分发、迭代更新提供技术保障。面向协同的VR建模平台，包括VR场景的生成、课程知识场景映射、场景协同交互、用户权限控制、语义支持等多个功能模块和可配置模块。VR教学应用层主要面向学习者，为学习者的学习活动提供虚拟现实环境支撑，该部分集成自然的人机交互技术和高性能图形渲染引擎，是整个系统的核心部分。在学习活动进行的同时，每个学习者的学习行为轨迹将被全面追踪记录形成结构化数据。(三) 数据架构VR教育解决方案是一个基于数据驱动、多用户数据共享、实时数据生成的全新环境。在满足总体设计目标和应用架构设计的前提下,设计总体数据架构如图3-3所示:（图3-3）数据架构1. VR场景数据库。在完成知识点向VR场景的映射后，需要一个专门的场景数据库。场景数据库包含场景信息、语义信息 概念结构信息与版本信息。其中，场景信息需要详细记录场景ID、场景名称、场景描述、场景类型和场景创建者信息。2. 学科分类树内容库。对于主要供学科分类树应用使用，属于外来资源的重要存储库，同时也是学科分类树自动增长操作的重要数据落地点，它提供VR教育内容生态系统的土壤。3. 用户信息库。存储用户和用户专属的、个性化课程信息。用户信息与虚拟现实环境的中的虚拟人物角色（化身）对应，同时也为VR教育资源管理应用提供用户、权限及各种关系数据。主要利用MongoDB的水平扩展能力满足分类树存储量大的需求。4.记录追踪库,通过MongoDB存储学习者的整个学习流程，为学习效果评价、教学内容更新乃至教育决策支持提供依据。5.配置信息库。记录日志、软硬件配置信息，确保系统平稳运行。在系统发生错误时可以实时回滚策略；在硬件配置发生改变时可以自动调整，通过优雅降级或者渐进增强的方式给用户带来最佳体验。(四) 技术架构VR教育解决方案选用Unity3D虚拟现实图形引擎并结合源生web3D以及HTML5技术，根据本身的业务情况做适当的创新，其总体技术架构如图3-4-1所示:（图3-4-1技术结构）总体上采用分层架构的思想,将系统划分为三个层次:数据层、业务逻辑层和表现层；每个层之间采取上层能依赖下层而下层不能反向调用上层的策略。数据层采用mongoDB数据库，mongoDB文档结构的存储方式非常适合存储不同类型的VR教学资源，并帮助用户更便捷的获取数据。mongoDB可以直接和上层的node服务器通信，或者通过JDBC Driver与Unity3D通信。在业务逻辑层分别采取桌面程序和web应用的部署方式，采用开放的自然人机交互驱动模块（OpenNI）适配种类繁多且日益发展的外围硬件设备。针对桌面程序选用unity3D作为图形引擎。VR教育内容开发中，Unity3D具有以下优势： 1. Unity3D开发平台主要是MonoDevelop，这个平台可以嵌套多种编程语言，其中js和c#是最常用的两种，而js语言容易入门，这使得教师更容易学习、参与到VR教育内容开发中来。 2. Unity3D几乎支持所有的跨平台设计，是目前唯一一款可以提供所有平台植入能力的三维仿真开发软件，实现了手机平台开发3D游戏和虚拟现实系统，支持flash输入格式，对于移动学习的移动平台建立具有重要的启示和意义。 3. Unity3D能够创造高质量的3D仿真系统和真实视觉效果，对DirectX和OpenGL具有高度优化的图形渲染管道，低端硬件也可以流畅运行茂盛的作物、植被景观和实时三维图形混合音频流和视频流，使得教育资源得到更好的呈现、知识内容具有更好的交互性和吸引力。 4. Unity3D能够支持更大的场景、更多的展示物件以及更炫的展示效果，仅占用很小的空间，这些特性教学内容得到更好的应用和普及。在web端可以WebGL+Threejs三维引擎实现虚拟现实场景渲染。作为一种替代方案可以直接通过unity3D的web发布功能，但是此种做法需要用户浏览器安装插件，不符合互联网的以及web发展方向故不建议采用。四、 该项目的技术创新点(一)技术创新点1. 面向协同的虚拟现实教学内容生产方式。对于一般性的数字化教学资源，其中大部分都是由一线教育工作者生产的，与之对应的是虚拟现实资源大部分是由专业软件开发团队生产的，这与虚拟现实内容制作难度较高有关，这种情况带来的结果是：生产人员不足造成的内容匮乏；生产人员缺乏教育背景以致内容水平较低、实用性较差，现有VR教学资源基本停留在情境体验式学习阶段，对于复杂的认知与逻辑重建类型的学习罕有涉及。本系统提出一种具有普遍通用性的协同 3D 建模框架，通过统一的课程知识树和通用的虚拟现实场景模型库降低VR内容制作难度，将普通教育工作者纳入到虚拟现实教学内容生产环境。系统以 B/S 架构为基础，以协同 3D 概念化场景为核心，辅以协同环境中的模型与场景管理与智能提示，使通用性的 3D 协同平台的搭建成为可能。整体框架自上而下包含基于网页的 3D 展示与操作平台，3D 场景概念化与批处理中心，后台支持服务器，系统储存层等。2. 数据驱动。现有的互动教学资源大部分成碎片状态，缺乏统一调度和管理，更缺乏以数据作为驱动的设计思想和实践。VR教育解决方案创新性提出构建一个基于数据驱动、多用户数据共享、实时数据生成的全新环境，数据贯穿整个学习活动之中。3. 抽象的用户交互层。针对虚拟现实硬件尤其是交互设备种类多、配置差异大、更新换代快的情况，该解决方案设计一个抽象的用户交互层，提供统一的接口适配不同的硬件设备，在硬件配置达不到系统要求时可自适应降级处理，在牺牲部分用户体验的情况下不缺失基本的教学功能。(二) 该项目的主要技术难点：虚拟场景合成与冲突处理在协同虚拟环境建模过程中，实际三维场景与概念场景之间将相互转换，多个用户创造的多个概念场景会完成合成。转换和合成的过程需要有设计合理的逻辑算法和实现。而这其中最为重要的就是场景组合技术。因为概念化场景合成算法主要是指在本协同架构服务器端，当获取了多个用户的操作批处理和版本信息之后，如何通过逻辑算法形成合理而无冲突的合成场景，并推送给用户。因此，我们将此算法描述如下1. 比较所有用户的版本 V1、,V2 Vn是否与 Vc相同，若不同，相应用户 k 的操作批处理 Sk和版本 Vk进入冲突列表 L 等待进一步的处理。 2. 以模型 ID 为分类标志，对所用用户的操作批处理 S 进行划分。 3. For each （模型 ID），若对应的操作集合可以合并，则合并成新的操作批处理S1, S2 Sn，否则加入冲突列表 L 等待进一步的处理。 4. 对新加入模型或删除模型操作进行单独处理。 5. 对当前概念化 Vc应用操作 S1, S2Sn，形成新概念化场景 Vnew。