第一章 概述

1.1 配建3D/AR智能教學(xué)系統(tǒng)的必要性

近幾年，面對科技的迅猛發(fā)展和社會、政治、經(jīng)濟(jì)生活的深刻變化，面對新時(shí)代社會主要矛盾的轉(zhuǎn)化，面對新時(shí)代對人才培養(yǎng)的新要求，面對深化教育教學(xué)改革，對新時(shí)代教育質(zhì)量有了新的要求。

為適應(yīng)新時(shí)代教育教學(xué)的需要，國家、教育部為此也發(fā)布了相關(guān)規(guī)劃、指導(dǎo)意見和標(biāo)準(zhǔn)，如：《中國教育現(xiàn)代化2035》、《中共中央國務(wù)院關(guān)于深化教育教學(xué)改革全面提高義務(wù)教育質(zhì)量的意見》、《教育信息化2.0行動計(jì)劃》、《教育部關(guān)于實(shí)施全國中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0的意見》、《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》，以及中小學(xué)各學(xué)科的《教學(xué)裝備配置標(biāo)準(zhǔn)》等。

通過3D虛擬及AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可使得整個(gè)虛擬仿真教學(xué)過程的體驗(yàn)和交互更具自然和真實(shí)性，3D及AR的可視化、互動性可以自然的設(shè)計(jì)出非常吸引人的教學(xué)內(nèi)容，寓教于樂，從而大幅度提升學(xué)生們的學(xué)習(xí)意愿、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。

1.2 需求分析

多媒體教室一直以來都是學(xué)校信息化建設(shè)的重點(diǎn)，通過將文字、圖形、圖像、聲音集合在一起，采用生動活潑的聲像顯示，不僅豐富了教學(xué)手段，擴(kuò)充了教學(xué)資源，而且更提高了課堂教學(xué)效果。充實(shí)、形象、生動的授課內(nèi)容，聲像并茂的教學(xué)形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)調(diào)了“以學(xué)生為主”的教學(xué)新思路，極大得提高了教學(xué)質(zhì)量。

當(dāng)前，中小學(xué)隨著多媒體教室的不斷引入，多媒體教室建設(shè)需求不斷發(fā)展，出現(xiàn)許多新的特性，必須如何才能更加生動的教學(xué)，與學(xué)生產(chǎn)生互動性，在不斷減輕老師壓力的同時(shí)，能更快速的提高教學(xué)質(zhì)量，這是對現(xiàn)代多媒體教學(xué)更高的要求，也是本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求：

1.   利用3D/AR智能教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行基于3D/AR互動教學(xué)軟件的體驗(yàn)式教學(xué)；

2.   基于互動教學(xué)的思路，采用3D/AR互動教學(xué)；

3.   利用多媒體影視顯示設(shè)備來顯示3D/AR視頻圖像及媒體信息，以豐富老師的教學(xué)內(nèi)容；

4.   利用3D/AR智能教學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新課堂的互動教學(xué)；

整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)在設(shè)備選型上，我們采用了針對教育行業(yè)的知名企業(yè)所生產(chǎn)的一系列產(chǎn)品，并針對教育，聯(lián)合教育部一起研發(fā)了一系列配套3D/AR教學(xué)資源；在3D/AR教育行業(yè)受到了老師的一致好評。

1.3 建設(shè)原則

1)  3D/AR智能教學(xué)系統(tǒng)的簡單易用和個(gè)性化需求

由于每個(gè)老師對計(jì)算機(jī)的掌握程度不同，老師需要3D智能教學(xué)系統(tǒng)簡單易用，一看就會，輕松連接，而無須太多復(fù)雜的操作便能夠很快的進(jìn)行信息化教學(xué)。

2)  3D/AR智能教學(xué)系統(tǒng)使用豐富的教學(xué)功能

信息化教學(xué)是教學(xué)的一種手段，其目的是為了提高教學(xué)效果。這種信息化手段是否符合教學(xué)習(xí)慣，是否有豐富實(shí)用的教學(xué)功能，真正幫助老師進(jìn)行教學(xué)，提高教學(xué)效果就成為老師最為關(guān)心的問題。

3)  產(chǎn)品性能優(yōu)越性

在教學(xué)過程中，3D智能教學(xué)系統(tǒng)使用頻率是相當(dāng)高的，除了一般3D教學(xué)外，學(xué)校也可以在2D模式下用來會議研討及各種多媒體活動。因此，在產(chǎn)品性能選型上，必須選用性價(jià)比高的設(shè)備，以免在使用過程中出現(xiàn)問題，影響教學(xué)等活動。

4)  良好的售后服務(wù)保障

在整個(gè)3D/AR智能教學(xué)系統(tǒng)中使用的設(shè)備必須具備良好的售后服務(wù)保障，以免真正出現(xiàn)問題，而不知道找哪一方負(fù)責(zé)維護(hù)和維修。

1.4 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

1）虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

GB∕T38258-2019信息技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件基本要求和測試方法國家標(biāo)準(zhǔn)

2）通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層TCP/IP協(xié)議并兼容IPX協(xié)議，支持PPP和SLIP協(xié)議。

3）布線和電氣安裝標(biāo)

Ø  ANSI EIA/TIA607民用建筑通訊接地標(biāo)準(zhǔn)

Ø  EIA/TIA TSB-67商務(wù)建筑布線系統(tǒng)測試標(biāo)準(zhǔn)

Ø  GB50254-50259-96《電氣裝置安裝工程施工及驗(yàn)收設(shè)計(jì)規(guī)范》

Ø  GA/T75-94《中華人民共和國公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》

Ø  GB6510-86《30MHz-1GHz音頻和視頻信號電纜分配系統(tǒng)》

Ø  GY106-92《民用建筑電纜電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》

Ø  《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

4）專用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

Ø  設(shè)計(jì)中采用的專用產(chǎn)品，其生產(chǎn)檢驗(yàn)過程符合我公司制定的企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

Ø  標(biāo)準(zhǔn)號：MAGICLOUD——YH-001A、MG-001

第二章 3D智能教學(xué)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 3D教學(xué)方案設(shè)計(jì)原理

在此次方案設(shè)計(jì)中，我們以一個(gè)最先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完全實(shí)現(xiàn)3D互動教學(xué)、現(xiàn)場演示、3D課件教學(xué)、研討、大屏幕顯示功能，并且便捷上網(wǎng)、使各種圖像、音視頻完美展現(xiàn)等用戶所需要的功能。

2.2 3D智能教學(xué)使用效益

3D互動教學(xué)具有可視化和可參與性，能更加形象、更容易引發(fā)學(xué)生關(guān)注和興趣等優(yōu)勢，讓學(xué)生以全新的方式學(xué)習(xí)，特別對于生物、物理、化學(xué)等各學(xué)科特殊知識內(nèi)容，有了3D教學(xué)的輔助，可以使教學(xué)更生動易懂，大大提高學(xué)生的成績以及學(xué)生對知識的記憶時(shí)間。

3D教學(xué)模式可以加深孩子們對所學(xué)能力模塊知識的主觀認(rèn)識；通過師生互動、生生互動和生境互動，充分調(diào)動學(xué)生的自主性，促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立性和創(chuàng)新能力的發(fā)展。靈活的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式能使學(xué)生的行為和思想有很大的自由度，促使他們獨(dú)立思考和解決問題，增強(qiáng)其自主意識、創(chuàng)新能力。

3D互動智能教學(xué)能在變動狀態(tài)下保持不變的幾何關(guān)系，使靜態(tài)的物體變動態(tài)，抽象的概念變形象，枯燥的內(nèi)容變有趣。

2.3 多功能廳3D智能教學(xué)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

隨著科技的進(jìn)步和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，一個(gè)多功能報(bào)告廳系統(tǒng)除了要滿足傳統(tǒng)簡單的會議要求外，還應(yīng)具有視頻會議、教學(xué)培訓(xùn)、節(jié)目表演等功能�，F(xiàn)代信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，多功能報(bào)告廳現(xiàn)代化的建議要求也越來越高，因此，報(bào)告廳已從一個(gè)單純的以聽、聞、為主的交流場所，逐漸演變成為一個(gè)具有多種功能的綜合性的信息資源交流場所，顯示系統(tǒng)、會議系統(tǒng)、多媒體教學(xué)系統(tǒng)、直錄播系統(tǒng)、擴(kuò)聲器材等各類電子設(shè)備大量進(jìn)入報(bào)告廳場所，使報(bào)告廳的配置越來越專業(yè)，功能也越來越強(qiáng)大。

現(xiàn)代型多功能廳其最基本的用途需求主要如下：

l  滿足會議、討論等方面的需要；

l  滿足教學(xué)、講座、培訓(xùn)、學(xué)術(shù)交流等方面的需要。

l  根據(jù)具體使用要求的不同，滿足其他一些諸如遠(yuǎn)程電視會議、影院播放、音樂演唱,節(jié)目演出等方面的需要。

在教學(xué)應(yīng)用方面，隨著中國教育事業(yè)的全面推進(jìn)和不斷深入，學(xué)校的教學(xué)手段變得越來越豐富和高效，多媒體教學(xué)使老師大大縮短了課堂教學(xué)時(shí)間。但是傳統(tǒng)的平面課件和顯示終端傳遞信息的各種局限性，教師講解一些抽象、微觀以及現(xiàn)場無法模擬和觀察到的事物過程，難以和學(xué)生進(jìn)行信息的充分互動和共享，造成了人力、物力、財(cái)力和信息資源的巨大浪費(fèi)，阻礙和制約了教師授課水平提升和信息有效傳播，也為學(xué)生在學(xué)習(xí)興趣和知識理解程度上帶來困擾。本次多功能報(bào)告廳建設(shè)方案設(shè)計(jì)的3D教學(xué)功能總體如下：

ü  利用3DLED立體大屏進(jìn)行基于3D優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的輔助教學(xué)；

ü  利用3D虛擬教學(xué)資源中的三大功能課件，進(jìn)行基于科學(xué)類相關(guān)知識點(diǎn)的視頻展示、互動教學(xué)；

ü  利用高保真無線擴(kuò)音系統(tǒng)配套功放音箱，教師可以進(jìn)行無線移動教學(xué)或簡單會議，保護(hù)教師嗓子；

ü  通過3D視頻類課件，方便教師針對于復(fù)雜、抽象、難懂的學(xué)科知識點(diǎn)的解釋、展示、場景的模擬、過程的再現(xiàn)等；

ü  通過3D互動類課件，教師在進(jìn)行一些實(shí)踐操作或者教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在LED大屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)互動操作、模擬演示，方便老師對知識點(diǎn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)的剖析和分解；

ü  通過3D練習(xí)類課件，方便學(xué)生的實(shí)時(shí)答題、隨堂演練，教師可對學(xué)生的理解程度和掌握情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、評估，下一步做到有的放矢；

ü  通過3D信號處理器與3D眼鏡的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)3D立體效果的觀看，從而為師生創(chuàng)造更佳的學(xué)習(xí)環(huán)境和體驗(yàn)；

利用2D/3D智能切換功能來實(shí)現(xiàn)2D、3D教學(xué)模式隨意切換；3D課件格式和3D信號自動識別、一步完成。

2.3.1 3D智能教學(xué)系統(tǒng)組成

學(xué)術(shù)（多功能）報(bào)告廳的3D教學(xué)環(huán)境的搭建非常便利。多功能報(bào)告廳的3D智能教學(xué)系統(tǒng)由3D教育資源庫、3D教學(xué)硬件、3D教學(xué)應(yīng)用三方面構(gòu)成。通過利用3D虛擬仿真技術(shù)，將復(fù)雜、抽象、難懂的概念，轉(zhuǎn)化成3D課件、模型等講解資源，學(xué)生在觀看與知識互動的過程中加深學(xué)習(xí)印象、促進(jìn)理解和空間想象力（如太陽系里的行星運(yùn)動模式、化學(xué)反應(yīng)過程、醫(yī)療解剖分解、立體幾何展示等），營造全新的沉浸式、互動式的輔助教學(xué)環(huán)境。

通過3D智能教學(xué)系統(tǒng)的融入，將使多功能廳的整個(gè)互動教學(xué)更具有可視化和可參與性；更加具體形象；還可以減輕老師的備課時(shí)間，規(guī)避實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)；更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)主動性等優(yōu)勢。3D教學(xué)這種創(chuàng)新教學(xué)模式，可以令教師講解更為生動易懂，極大促進(jìn)學(xué)生的理解能力和提高記憶效果，特別對于數(shù)學(xué)、生物、物理、化學(xué)、科學(xué)等學(xué)科知識內(nèi)容講授效果顯著。

（一）3D智能教學(xué)平臺

3D智能教學(xué)平臺（硬件）：圖形工作站、3DLED立體大屏、3D同步信號處理器、無線擴(kuò)聲設(shè)備、會議音頻設(shè)備等。

（二）3D學(xué)科優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源（軟件）：

3D優(yōu)質(zhì)教學(xué)軟件（軟件及資源）涵蓋小學(xué)課程內(nèi)容；與國內(nèi)教學(xué)大綱、教材知識點(diǎn)匹配、銜接；科學(xué)知識主要以自然科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)及拓展類科普為主。

（三）3D專題教育資源

3D專題教育主要圍繞校園安全教育與傳統(tǒng)文化教育為主；通過立體，形象、生動有趣的3D卡通形象，動畫情節(jié)，貼近校園安全及傳統(tǒng)美德文化，高度仿真的教育場景。

（四）3D教學(xué)活動（培訓(xùn)）

資源內(nèi)容同時(shí)具有3D播放課件、3D互動課件、3D練習(xí)課件三種功能課件。緊密圍繞教學(xué)+互動+訓(xùn)練+評估的教學(xué)思路，貫穿和服務(wù)教師整個(gè)授課過程。

多功能報(bào)告廳3D智能教學(xué)功能綜合應(yīng)用了現(xiàn)代多媒體技術(shù)，結(jié)合3D虛擬仿真技術(shù)，營造出一個(gè)高精度大屏幕演示、高保真音質(zhì)、3D效果呼之欲出的現(xiàn)代化體驗(yàn)式輔助教學(xué)環(huán)境。它使3D優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源得到了充分地發(fā)揮和利用，豐富了教學(xué)手段，擴(kuò)充了教學(xué)資源，減輕了教師講課的勞動強(qiáng)度；直觀沉浸式的教學(xué)形式，使學(xué)生更易于領(lǐng)會接受授課內(nèi)容，加深了學(xué)生印象，促進(jìn)學(xué)生理解能力和記憶力，提高了教學(xué)質(zhì)量。

2.3.2 3DLED顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)是學(xué)術(shù)報(bào)告廳的教學(xué)應(yīng)用的眼睛；構(gòu)架一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、現(xiàn)代化的，因?yàn)樗��?fù)責(zé)收集我們所有感知的60%以上的信息。大屏幕顯示系統(tǒng)便是擔(dān)此重任的子系統(tǒng)，無論其最終效果、還是占總成本的比例，都有是衡量一個(gè)多媒體環(huán)境的關(guān)鍵且直觀的指標(biāo)。

大屏幕顯示系統(tǒng)根據(jù)需求和空間大小, 一般有：單機(jī)正\背投影、多機(jī)正\背投影拼接、多機(jī)正\背投影融合、DLP\LCD拼接墻、LED大屏、液晶電視等多種種形式，此次方案設(shè)計(jì)中我們選用LED拼接墻。支持3D顯示功能，在滿足常規(guī)平面教學(xué)和展示的同時(shí)，同樣兼顧3D仿真教學(xué)和立體展示，豐富教學(xué)模式和手段，增強(qiáng)觀看和學(xué)習(xí)體驗(yàn)

Ø  大型階梯教室、多功能會議廳、報(bào)告廳

Ø  學(xué)科類教學(xué)中對多個(gè)班級學(xué)生同時(shí)授課

Ø  校園安全教育中對全校所有學(xué)生同時(shí)宣傳

Ø  兼顧學(xué)校會議、文藝匯演、學(xué)術(shù)報(bào)告、教育教學(xué)多種功能、用途，提高設(shè)備利用率和使用價(jià)值

Ø  一次性滿足學(xué)校會議、文藝匯演、學(xué)術(shù)報(bào)告、教育教學(xué)，（即一屏多用）避免二次設(shè)備反復(fù)投入

Ø  對比度比較高，立體效果更為出色

Ø  支持多種樣式、大小LED尺寸，亮度好，抗干擾光（環(huán)境光）能力較強(qiáng)，非常適合于空間較大、面積較廣的多功能教室

相對于其它大屏系統(tǒng)例如投影機(jī)、液晶拼接等，LED大屏使用壽命長，性價(jià)比高

多功能報(bào)告廳3D智能教學(xué)系統(tǒng)硬件組成

3D多功能報(bào)告廳應(yīng)用效果圖

3D多功能報(bào)告廳立體教學(xué)系統(tǒng)平面布局圖

2.3.3 3D教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源（小學(xué)）

3D教學(xué)軟件（資源）涵蓋小學(xué)課程知識內(nèi)容；學(xué)科主要有：《地理科學(xué)》、《地球科學(xué)》、《生命科學(xué)》、《自然科學(xué)》科普知識。

3D教學(xué)資源

2.3.4 3D教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源（初中）

3D教學(xué)軟件（資源）涵蓋初中課程知識內(nèi)容；學(xué)科主要有：數(shù)學(xué)（幾何）、物理、化學(xué)、生物、地理科學(xué)知識。資源近六百部。

數(shù)學(xué)（幾何）：將抽象復(fù)雜的概念，通過生動的立體展示進(jìn)行分解演示；

物理：將運(yùn)動、摩擦、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等轉(zhuǎn)換原理通過立體展示展示轉(zhuǎn)換過程；

化學(xué)：利用3D教學(xué)視頻互動操控，將每個(gè)獨(dú)立的元素，化學(xué)分子反應(yīng)及運(yùn)動，演示不同元素如何發(fā)生反應(yīng)的過程原理；

生物：創(chuàng)設(shè)3D生態(tài)情景，將已知生活中的生命活動和生命跡象、細(xì)胞合成及分裂現(xiàn)象從靜態(tài)到動態(tài)、由抽象到形象；

地理：將地球分區(qū)、河流分布、行政區(qū)域劃分等以3D效果呈現(xiàn)可更生動形象的體現(xiàn)地球全貌。

    

 

3D互動教學(xué)平臺：

1.平臺與3D互動教學(xué)課件一體化設(shè)計(jì)，并提供課件互動教學(xué)的入口和支撐；

2.實(shí)現(xiàn)所有3D互動課件的分解剖析、實(shí)驗(yàn)探究、隨堂演練、打分評估等；

3.構(gòu)建沉浸式的3D互動場景環(huán)境，包含情景背景音樂、知識點(diǎn)向?qū)Ъ爸仉y點(diǎn)標(biāo)注；

4.構(gòu)建開放式的3D互動操作環(huán)境，可根據(jù)教學(xué)需要，實(shí)現(xiàn)基于體系（非單一模型）地放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、透視、拆分、重組、編輯、標(biāo)注等互動操作，步驟可逆；

5.具有隨堂演練、打分評估互動環(huán)節(jié)，支持對知識點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)課程即時(shí)評測、練習(xí)，支持基于計(jì)分制的統(tǒng)計(jì)分析策略；

6.平臺模塊化設(shè)計(jì)，支持與3D視頻教學(xué)系統(tǒng)的無縫對接和統(tǒng)一界面管理，便于后期平滑升級。

 

3D仿真實(shí)驗(yàn)平臺：

1.平臺與3D仿真實(shí)驗(yàn)課件一體化設(shè)計(jì)，并提供課件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的入口和支撐；

2.平臺基于Unity3D引擎，實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用MVC框架，保證UI與實(shí)驗(yàn)的合理區(qū)分，低耦合，易于擴(kuò)展。

3.實(shí)驗(yàn)平臺基于Maya技術(shù)，3DMax特效處理，Unity粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；動畫基于DoTween技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多儀器交互穩(wěn)定平滑的移動動畫；

4.實(shí)驗(yàn)方式采用行為式框架，可實(shí)現(xiàn)操作流程化、操作錯(cuò)誤警告、實(shí)驗(yàn)步驟向?qū)У龋?span>

5.實(shí)驗(yàn)前儀器、藥品等工具準(zhǔn)備及使用方法認(rèn)知；實(shí)驗(yàn)中具有實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)、注意事項(xiàng)、操作要點(diǎn)友情提示；實(shí)驗(yàn)后具有本節(jié)知識點(diǎn)的歸納總結(jié)及視野拓展功能；

6.平臺采用模塊化設(shè)計(jì)，包含探究實(shí)驗(yàn)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)視頻、實(shí)驗(yàn)儀器四大分類。

 

2.3.5 3D專題教育資源

3D專題教育主要圍繞校園安全教育與傳統(tǒng)文化教育為主；通過立體，形象、生動有趣的3D卡通形象，動畫情節(jié)，貼近校園安全及傳統(tǒng)美德文化，高度仿真教育場景。

3D校園安全教育包括：擠壓事故、體育活動事故、消防事故、學(xué)生事故、乘坐電梯事故、自然災(zāi)害事故等；

3D傳統(tǒng)文化教育包括：謙讓、儒學(xué)、美德、禮儀、民族精神、榜樣、誠信、和諧觀、負(fù)面道德經(jīng)驗(yàn)等。

3D專題教育資源

第三章 AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)平臺介紹

3.1 總體設(shè)計(jì)

3.1.1 技術(shù)原理

AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)平臺以AR技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的體感交互設(shè)備，將真實(shí)世界信息與虛擬世界信息進(jìn)行“無縫”對接，借助顯示設(shè)備將現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息通過科學(xué)技術(shù)模擬仿真后在疊加，使虛擬對象與真實(shí)環(huán)境融為一體，并呈現(xiàn)給使用者一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境，具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊特點(diǎn)。該平臺虛擬再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，真實(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)操作，從而達(dá)到虛擬教學(xué)的目的。

 AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)工作原理

AR仿真實(shí)驗(yàn)平臺具有三個(gè)突出的特點(diǎn)：

Ø  真實(shí)世界和虛擬世界的信息集成；

Ø  具有實(shí)時(shí)交互性；

Ø  是在三維尺度空間中增添定位虛擬儀器。

AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)平臺的虛擬對象（實(shí)驗(yàn)）采用組件式框架設(shè)計(jì)，確保實(shí)驗(yàn)器材靈活化，簡單化。整體項(xiàng)目采用MVC框架，保證UI與實(shí)驗(yàn)的合理區(qū)分，低耦合，易于擴(kuò)展。各個(gè)實(shí)驗(yàn)器材使用的方法，完全模擬真實(shí)的物質(zhì)特性。甚至一些在真實(shí)物體特性沒辦法看到的情況下，比如光、磁、電、分子運(yùn)動、化學(xué)反應(yīng)等，根據(jù)其相關(guān)的物體特性原理，完全真實(shí)模擬出來，符合實(shí)際。

AR仿真實(shí)驗(yàn)平臺工作原理

3.1.2 系統(tǒng)組成

AR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺依托增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，以AR理化生地現(xiàn)場課實(shí)驗(yàn)資源為基礎(chǔ)，搭建AR現(xiàn)場課教學(xué)平臺，加持動態(tài)捕捉攝像機(jī)的定位追蹤和多媒體顯示終端的虛擬場景，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生在高度仿真的虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)目的。整套平臺系統(tǒng)給使用者營造出一種全新的感官效果，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互的教學(xué)作用。

以上整套AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)正常工作至少需要三種硬件組件，即顯示系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)、計(jì)算處理系統(tǒng)。隨著當(dāng)前教育信息化水平的飛速發(fā)展和多媒體教學(xué)裝備的普及，各大學(xué)校的現(xiàn)有教學(xué)環(huán)境均具備基本的人機(jī)交互顯示設(shè)備和教學(xué)計(jì)算機(jī)，完全符合AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)平臺的環(huán)境搭建需要，即AR實(shí)驗(yàn)平臺是在當(dāng)前多媒體教室基礎(chǔ)上功能升級和改造，并且最大程度地進(jìn)行了設(shè)備復(fù)用。這樣不但實(shí)現(xiàn)了AR實(shí)驗(yàn)教學(xué)和演示的迫切需求，更避免了教室資源的閑置和浪費(fèi)。

因此，AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)平臺的搭建非常便利，需要做的只是選擇一間常規(guī)多媒體教室或功能教室（教學(xué)場地），現(xiàn)有教學(xué)設(shè)施（或新建）包括一臺亮度適中的投影機(jī)、幕布或電子白板、教師計(jì)算機(jī)、電子講桌、音響等（多媒體設(shè)備），也可以是一臺集成度更好、性價(jià)比更高的多媒體教學(xué)觸控一體機(jī)、推拉組合黑板等，然后增加一臺體感追蹤攝像機(jī)、伸縮式支架、AR仿真實(shí)驗(yàn)資源及軟件，從而實(shí)現(xiàn)多媒體教室的平滑升級。

AR仿真實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)組成

3.2 部署環(huán)境

3.2.1 基于教學(xué)投影機(jī)

目前投影機(jī)、幕布、計(jì)算機(jī)等設(shè)備已成為普通教室教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)配置，AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需的基礎(chǔ)硬件設(shè)備基本齊全，只需額外添置一臺動態(tài)捕捉攝像機(jī)。AR現(xiàn)場課實(shí)驗(yàn)資源搭載AR現(xiàn)場課教學(xué)平臺利用投影等硬件設(shè)備營造出虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)場景，學(xué)生可通過動態(tài)捕捉攝像機(jī)的定位追蹤對虛擬空間的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)交互操作。

利用已有設(shè)備進(jìn)行完善，避免二次投入，節(jié)省教育資金。投影具有顯示屏幕大、清晰等特點(diǎn)，利用投影技術(shù)配合大尺寸幕布，可有效避免學(xué)生（尤其教室后排學(xué)生）對實(shí)驗(yàn)操作過程不清楚及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看不清的弊端，積極調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

基于教學(xué)投影機(jī)的AR仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

Ø  更優(yōu)顯示效果，雙重教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量

推薦激光投影機(jī)，具有壽命長、避免頻繁更換燈泡、智能調(diào)節(jié)顯示亮度、極速散熱等優(yōu)勢，優(yōu)化了顯示效果、兼顧了AR輔助教學(xué)模式，清晰的畫面和逼真的色彩還原能力。同時(shí)，虛擬和現(xiàn)實(shí)兩種教學(xué)模式相結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容更加直觀、生動，提高了教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

Ø  方便切換操作，提升課堂效率

教師可利用智能中控系統(tǒng)所有多媒體教室設(shè)備一鍵聯(lián)動控制，所控即所得，使用方便，比如聲音大小調(diào)節(jié)、信號切換、AR顯示通道切換、設(shè)備聯(lián)動開關(guān)、黑屏鎖屏等。

Ø  立體環(huán)繞音效，打造超強(qiáng)體驗(yàn)

利用高保真數(shù)字音響系統(tǒng)，打造聲音立體飽滿的教學(xué)環(huán)境，營造幾近真實(shí)的學(xué)習(xí)場景，讓師生在輕松、愉悅的臨場感中感受知識帶來的快感。

Ø  兼容性和可擴(kuò)展性，方便平滑升級

AR硬件建設(shè)遵循《數(shù)字化校園多媒體教室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，具備良好的可擴(kuò)展性、兼容性、通透性。支持與現(xiàn)有所有常規(guī)多媒體教室設(shè)備整合、集成，設(shè)備復(fù)用，有效避免后期擴(kuò)展升級所帶來的重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)。

3.2.2 基于教學(xué)一體機(jī)

多媒體教學(xué)觸控一體機(jī)是集成大屏高清顯示、交互式電子白板、電腦、電視、音箱和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷囗?xiàng)功能于一身的多媒體教學(xué)演示與操作平臺。通過搭配的互動教學(xué)軟件與人性化的觸控操作，可便捷調(diào)用多媒體素材資源，為課堂教學(xué)提供優(yōu)秀的大屏幕顯示互動授課體驗(yàn)。動態(tài)捕捉攝像機(jī)和多媒體觸控一體機(jī)的結(jié)合是實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要硬件條件。AR仿真實(shí)驗(yàn)平臺通過AR理化生地實(shí)驗(yàn)資源和動態(tài)捕捉攝像機(jī)的定位追蹤，在觸控一體機(jī)上實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的完美結(jié)合，學(xué)生可盡情享受虛實(shí)結(jié)合所帶來的科技感，教師亦可放心大膽的、無所顧慮的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

多媒體教學(xué)觸控一體機(jī)的AR教學(xué)平臺

推薦使用86英寸液晶觸控一體機(jī)，其具有以下特性：

（1）超薄超窄外觀，前置按鍵，前置USB 端口，模塊化安全設(shè)計(jì)

（2）觸控技術(shù)

Ø  抗光干擾（陽光直射照常使用）

Ø  防遮蔽功能（八點(diǎn)遮蔽，照常使用）

Ø  觸摸算法優(yōu)化程度高，響應(yīng)速度快，書寫和演示流暢度高

（3）高清顯示

Ø  超震撼虛實(shí)交互體驗(yàn)

Ø  滿足1920*1080分辨率

（4）通過EMC 測試（輻射遠(yuǎn)低于歐盟標(biāo)準(zhǔn)，確保產(chǎn)品綠色健康）

（5）顯示、觸控、智能核心、PC 一體融合

Ø  高清圖像處理引擎

Ø  智能電視芯片，智能Android 操作系統(tǒng)

Ø  觸摸切換菜單（在任意通道狀態(tài)下都可以使用觸控操控一體機(jī)）

Ø  不需要PC 可實(shí)現(xiàn)書寫批注，課件播放，視頻播放功能

（6）雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Ø  插拔式PC 設(shè)計(jì)（降低運(yùn)行噪音，易于維修）

Ø  內(nèi)置智能核心和操作系統(tǒng)，與PC 系統(tǒng)互為備用

（7）一鍵黑屏（節(jié)能、環(huán)保，提升使用壽命）

（8）環(huán)境適應(yīng)（通過0℃～40℃環(huán)境模擬嚴(yán)格測試）

（9）屏幕防劃防撞擊

3.3 AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)課程

3.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

倡導(dǎo)探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為引導(dǎo)，理論知識為目的。多樣化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，摒棄“難、繁、偏、舊”的教學(xué)模式。以學(xué)生為主體，增加學(xué)習(xí)自主性，教師作為學(xué)生獲取知識源泉的引路者。

課程設(shè)計(jì)遵循以新課標(biāo)教育大綱為根本、書本理論知識為基礎(chǔ)并融合最前沿的AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)，解決目前理化生地實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中儀器設(shè)備缺失、損壞及要求理想性實(shí)驗(yàn)環(huán)境。師生可大膽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不必?fù)?dān)心因?qū)嶒?yàn)失誤而釀成嚴(yán)重后果。釋放教師教學(xué)壓力，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)習(xí)慣。

基礎(chǔ)性：讓學(xué)生參與科學(xué)探究，了解實(shí)驗(yàn)過程所需的設(shè)備儀器、環(huán)境及注意事項(xiàng)等。培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與精神。

實(shí)踐性：學(xué)生通過動手動腦、全程參與、假設(shè)與驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)過程，樹立實(shí)事求是的科學(xué)觀和探究創(chuàng)新的科學(xué)精神。教師通過實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入式教學(xué)，以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證真理，以理論升華實(shí)驗(yàn)。

綜合性：AR虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)全新的輔助教學(xué)模式，著力提升學(xué)生實(shí)踐動手操作能力、創(chuàng)新思維全面發(fā)展，利用理化生地知識解決生活問題。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)

學(xué)生知識體系、科學(xué)素養(yǎng)提升；教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)壓力釋放，建立實(shí)驗(yàn)與理論的橋梁為總體目標(biāo)。著重解決教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)過程現(xiàn)象描述困難等問題，學(xué)生對理化生地產(chǎn)生枯燥乏味的感覺，長期以往極易形成厭學(xué)心里，此課程注重以學(xué)生為主題，教師為知識引導(dǎo)者，增加學(xué)生實(shí)踐動作操作、探究與討論等。全面提高學(xué)生的科學(xué)態(tài)度及科學(xué)精神。

3.3.3 AR實(shí)驗(yàn)課程資源（小學(xué)）

AR科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺配套的課程資源涵蓋小學(xué)階段地球與宇宙科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、技術(shù)與工程、生命科學(xué)四大領(lǐng)域涉及的教學(xué)課程，完全匹配1-6年級小學(xué)科學(xué)教材。AR實(shí)驗(yàn)課程資源（初中）

AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)平臺配套的課程資源涵蓋整個(gè)初中階段理化生地學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)課程，嚴(yán)格按照教學(xué)大綱要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對重難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)解析，涉及力、熱、光、電、磁、氧氣含量、分子運(yùn)動等實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生以實(shí)驗(yàn)原理為基礎(chǔ)，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程設(shè)計(jì)、合理的參數(shù)控制、嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析，可靠地測量未知參數(shù)、探究理化生地規(guī)律。學(xué)生在教師及時(shí)、有效的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)下，分析和解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題、發(fā)現(xiàn)和探究值得深入的可拓展內(nèi)容，體會如何通過實(shí)驗(yàn)獨(dú)立構(gòu)建知識。具體實(shí)驗(yàn)課程如下：

3.4 AR實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

3.4.1 常規(guī)性多媒體教室

作為教學(xué)的主戰(zhàn)場，教師授課及學(xué)生學(xué)習(xí)的主要場所，教師講授理論知識的主陣地。教師在講授理化生地知識過程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)占據(jù)課堂大部分時(shí)間，經(jīng)過大量理論論證得出正確公式、結(jié)論，教師充分發(fā)揮了展教互動，但學(xué)生對理化生地理論知識理解過程仍較其他學(xué)科困難，學(xué)習(xí)積極性低迷，被動式學(xué)習(xí)。

隨著信息技術(shù)發(fā)展，觸控一體機(jī)及投影等顯示設(shè)備作為主要的輔助教學(xué)，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在學(xué)校教學(xué)裝備上錦上添花，將動態(tài)捕捉攝像機(jī)布置在計(jì)算機(jī)顯示器支架上，鏈接觸控一體機(jī)、投影等硬件顯示設(shè)備，即可完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需環(huán)境，在系統(tǒng)中選取授課內(nèi)容完成教學(xué)，教師在講授理論知識的同時(shí)運(yùn)用該產(chǎn)品給學(xué)生清晰明確的實(shí)驗(yàn)過程，通過重復(fù)性實(shí)驗(yàn)大量數(shù)據(jù)積累得出正確結(jié)論，吸引學(xué)生注意力，學(xué)生也可自己操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記憶深刻。從根本上釋放教師教學(xué)壓力，積極調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。

3.4.2 獨(dú)立性學(xué)科實(shí)驗(yàn)室

理化生地學(xué)科以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)、知識理論為根本開展教學(xué)，但大部分理化生地實(shí)驗(yàn)需要理想型實(shí)驗(yàn)，如牛頓定律需要在無摩擦力狀態(tài)下才能得出正確的結(jié)論、光的折射方向、粉塵爆炸危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)等一些不可見現(xiàn)象。種種原因限制了教師對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)揮，阻礙了學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。

目前學(xué)科實(shí)驗(yàn)室配備了相對完善的教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)箱等，但問題的根本原因未得到解決，學(xué)生仍然對實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣不足，參與性不夠。

獨(dú)立性學(xué)科實(shí)驗(yàn)室是以實(shí)驗(yàn)教學(xué)及培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為主，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)顯示設(shè)備完善，無需二次投入，安裝動態(tài)捕捉攝像機(jī)定位追蹤，AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作實(shí)驗(yàn)平臺及實(shí)驗(yàn)課程資源。布置實(shí)驗(yàn)室前方，學(xué)生可進(jìn)行重復(fù)操作，學(xué)生在團(tuán)隊(duì)討論，參與性強(qiáng)，學(xué)習(xí)積極性高。

3.4.3 探究性多功能教室

運(yùn)用現(xiàn)代教育的理論與方法，依托信息技術(shù)開展中學(xué)學(xué)科教學(xué)與學(xué)習(xí)活動，打破教育的時(shí)空界限，提供共享的教育、教學(xué)資源，又是實(shí)際而有效的學(xué)習(xí)工具和手段，使整個(gè)教育系統(tǒng)具備整合性，又保持開放性。多功能教室整合了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化和智能化為特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)設(shè)備。
   視頻顯示終端能夠?yàn)閷W(xué)生提供直觀的視覺感覺，并能使教師的演示操作放大到屏幕上，使每一個(gè)學(xué)生都能全面、清楚地觀摩整個(gè)演示的全過程，每個(gè)學(xué)生便對教師的操作一目了然。

探究多功能實(shí)驗(yàn)室開放式教學(xué)，空間開闊，教學(xué)設(shè)備先進(jìn)，布置動態(tài)捕捉攝像機(jī)及安裝AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)操作過程中確保攝像機(jī)前無遮擋物保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。AR理化生地仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是開拓學(xué)生知識視野的明亮窗口，是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能的開放陣地，更是激發(fā)學(xué)生思維火花的溫暖搖籃。