-3-科技项目可行性报告-基于虚拟现实技术的教育解决方案的研制与开发27

1、PAGE PAGE 37科技项目可行性报告项目编号: KK201160001课题名称: 基于于虚拟现现实技术术的教育解解决方案案的研制制与开发发申请单位: 可视视化计算算与虚拟拟现实四四川省重重点实验验室二0一六年年二月目 录一、项目提提出的目目的及意意义二、与项目目相关的的国内外外发展概概况及市市场需求求分析三、主要攻攻关内容容及技术术路线（技技术可行行性分析析）四、该项目目的技术术创新点点五、现有工工作基础础和条件件六、申请的的基础条条件（包包括主要要研究成成果）七、进度安安排和实实施方案案（包括括运行机机制）八、预期成成果和考考核目标标九、推广及及应用前前景十、经费概概算及来来源十一、结

2、论论附件虚拟现现实沉浸浸技术实实验室条条件建设设需求 一、 项目提提出的目目的及意意义互联网、虚虚拟现实实和人工工智能被被喻为改改变人类类认知世世界的三三大信息息技术。互联网从少少被社会会广泛认知知，到今今天对社社会生活活的全面面颠覆与与渗透不不过二十余年年。如今今互联网网+已为为国家战战略。当当互联网网在我们们生活中中掀起一一个又一一个骇浪浪时，虚虚拟现实实正悄然然从幕后后走向前前台。今今天虚拟拟现实正正演绎着着当年互互联网对对人类生生活，从从无足轻轻重到全面颠覆覆的革命命性过程程。科技技以虚拟拟现实给给人类生生活再创创造出一一次惊喜喜己为期期不远。虚拟现实技技术与教教育：“虚拟现实实”（V

3、Virttuall Reealiity，英英文缩写写VR）技技术，利利用计算算机硬件件+软件件资源+传感器器的一种种集成技技术，构构成实时时三维图图形生成成的技术术、仿真真技术、多多传感交交互技术术以及显显示技术术等，生成实实时的、具具有三维维信息的的人工虚虚拟环境境，演练练者（操操作人员员）根据据需要通通过多种种交互设设备（如如头盔、数数据手套套和刚性性外骨架架衣服等等）来驾驾驭该环环境，以以及用于于操纵环环境中的的对象，如如在真实实世界中中一样地地与该环环境中的的人和事事物进行行行为和和思想等等的实时时交流，并并产生逼逼真的身身临其境境感。虚虚拟现实实技术不不是相关关技术的的简单组组合，而

4、而是一种种创新性性的综合合，并且且在思想想方式上上有质的的飞跃。虚拟现实技技术对教教育产生生不可估估量的作作用，主主要理由由如下：1.虚拟现现实技术术创建全全新的教教育环境境 人们普遍认认为，虚虚拟现实实技术将将使211世纪的的教育发发生质的的变化。虚虚假现实实技术支支持下的的教育之之所以会会发生质质的变化化，是因因为虚拟拟教育环环境拥有有现实教教育培训训环境无无可比拟拟的优势势。所谓谓虚拟教教育环境境，是指指由虚拟拟现实技技术生成成的一类类适于进进行虚拟拟现实技技术生成成的一类类适于进进行虚拟拟教育的的人工环环境，它它可以是是某一现现实世界界的基础或或设施的的真实实实现，也也可以是是虚拟构构

5、想成的的世界。在在21世世纪，可可能兴办办起依托托虚拟现现实技术术的各种种新型的的学校教教育，如如基础教教育、军事教教育、各各类培训训教育，许许多学员员在虚拟拟环境中中接受各各种教育育体验与与训练。由由虚拟现现实技术术所支撑撑的教育育系统将将使得人人员可以以在虚拟拟环境中中方便地地取得感感性知识识和实际际经验。 与现实实教育基基地或设设施相比比，在虚虚拟现实实技术支支持下的的虚拟教教育环境境大致有有如下特特征和优优势： 1.1仿真真性 学生通过虚虚拟设施施训练，与与在现实实教学基地地里同样样方便。这这是因为为虚拟环环境无论论对于现现实的环环境或是是对于想想象的环环境，都都是虚拟拟的但又又是逼真

6、真的。理理想的虚虚拟环境境应该达达到使受受训者难难以分辩辩真假的的程度（例例如可视视场景应应随着视视点的变变化而变变化），甚甚至比真真的还“真真”（如如实现比比现实更更逼真的的照明和和音响效效果）。 1.2开放放性 虚拟教育环环境有可可能给任任何受训训者在任任何地点点任何时时间里广广泛地提提供各种种培训的的场所。事事实上，虚虚拟教育育环境的的内涵是是广泛的的，它不不同于传传统中的的教育环环境，它它具备可可以进行行类似于于传统教教育项目目的环境境，但它它的擅长长更是那那种使学学员置身身于项目目对象之之中的逼逼真环境境。凡是是受训者者可以通通过有关关器具操操作来学学习或掌掌握某种种知识与与技能的的

7、虚拟环环境，都都可以归归之于虚虚拟教育育环境。 1.3超时时空性 虚拟教育环环境具有有超时空空的特点点，它能能够将过过去世界界、现在在世界、未未来世界界、微观观世界、宏宏观世界界、宇观观世界、客客观世界界、主观观世界、幻幻想世界界等拥有有的物体体和发生生的事件件单独呈呈现或进进行有机机组合，并并可随时时随地提提供给受受教育者者。比如如，学生生需要身身临超越越现实时时空的环环境（如如历史事事件，探探索太空空），那那么虚拟拟教育环境境就可以以提供历历史环境境及虚拟拟太空。 1.4可操操作性 学生可通过过使用设设备，用用人类的的自然技技能实现现对虚拟拟环境（无无论它模模拟的是是真实环环境还是是想象环

8、环境）的的物体或或事件进进行操作作，就象象在现实实环境里里一样。可可操作性性是虚拟拟教育环境境实际运运用的必必备特性性，它使使学生得以在在其中学学习中获获得需要要实际知知识与技技能课程程，也使使远程教教育真正正实现。 1.5对应应性 教育内容与与虚拟环环境密切切相对应应的。例例如，学学生要学习习化学实实验操作作，那么么虚拟环环境就是是化学实实验室的的模拟环环境。另另外，虚虚拟现实实技术能能按每个个学生的基础础和能力力，对应应性地开开展个别别化的教教育。 2、虚拟教教育培训训的广泛泛性 未来社会是是一个学学习化的的社会，为为了求得得自身知知识结构构和能力力体系的的完善与与发展，达达到学会会生存并

9、并进而实实现自我我价值的的目的，接接受终身身教育是是人们的的当然选选择。而而在终身身化教育育体系中中，自然然包括了了各种各各样的教教育项目目。由于于用虚拟拟环境代代替现实实环境，学学习和实实练效果果更好；而且利利用虚拟拟环境进进行训练练，也使使一些在在真实环环境下难难以实现现的项目目成为可可能，因因而虚拟拟现实技技术会给给未来教教育带来来根本性性的改革革。由虚虚拟现实实技术支支持下的的教育方方式将发发挥强大大的优势势，大显显身手地地运用于于各方面面的教育育项目中中去。 3、虚拟教教育的优优越性 作为教育技技术和工工具的虚虚拟现实实技术的的优势，给给教育体体系带来来了与众众不同的的、全新新的教育

10、育特点。它它不仅仅仅对于教教育场所所或设施施的设计计人员和和教育业业务的指指导人员员提供了了实践其其教育价价值的途途径和方方式，而而且从受受教育者的的角度来来说，它它在解决决学习和和实训的困困难、提提高学员员汲取知知识和掌掌握技能能的效率率、从而而改善教教育的效效果等方方面，也也呈现了了相当有有利的特特征。这这些特征征可大致致概括为为： 3.1临场场性 指学生可以以感到自自己处于于虚拟环环境的体体验，产产生一种种逼真的的存在感感，学员员觉得自自己真的的存在于于某环境境中，是是该环境境的一部部分，而而不是它它的旁观观者。学学生可自由由地在这这环境中中与有关关的虚拟拟物体或或事件相相互作用用，如同

11、同在现实实世界中中一样。临临场性的的意义，在在于使学学生将远程程、虚拟拟认知或感觉觉如现场与真实中。此外外，由于于这种临临场性一一方面是是使学生生进入虚虚拟环境境，另一一方面是是运用交交互设备备把学员员的视觉觉、听觉觉和其他他感觉封封闭起来来，使他他暂时与与真实环环境隔离离，因此此不会受受到虚拟拟环境外外的现实实环境的的干扰，易易于集中中学员的的注意力力，使他他全身心心投入到到训练中中去。 3.2自主主性 学生能自主主地选择择或组合合虚拟场场地或设设施。这这样，学学生能在任任何时间间、任何何地点选选择学习习内容、学学习设施施、学习习信息资资料、以以及取得得学习结果果的评估估，并具具有完全全的自

12、由由度。此此外，对对于学习习后没掌掌握的知知识与技技能过程程或片断断，学生生可以自自己多次次重复。这这样，学学生始终处处于教育育中的主导导地位，真真正掌握握学习的的主动权权，大大大增强了了学习效效果，减减少了学学习时间间。 3.3多感感受性 学生在虚拟拟环境中中接受教教育时具具有多种种感知能能力，如如视觉、听听觉、力力觉、触触觉、运运动觉、味味觉等。理理想的虚虚拟环境境应当可可以让学学生具有在在现实世世界中的的一切感感知能力力。多感感受性使使学员得得以运用用自己所所有感知知能力，在在一个极极其生动动活泼的的环境里里进行实实时的、全全方位的的学习。 3.4功能能替代性性 在虚拟现实实技术帮帮助下

13、，学学生在虚拟拟环境中中还可以以用一种种感知能能力代替替另一种种感知能能力来进进行操纵纵环境、汲汲取信息息或交流流。这样样，残疾疾人能通通过自己己的形体体动作与与他人进进行交谈谈（如残残疾人戴戴上数据据手套后后，就能能将自己己的手势势翻译成成讲话的的声音），或或通过声声音来操操作器械械，等等等。这种种感知功功能替代代性使残残疾学生生可以接接受过去去自己无无法做的的项目。 3.5交互互性 学生可以采采用多种种交互手手段如语语言、手手势、数数据手套套及触觉觉等，与与虚拟环环境交流流信息，并并得到实实时反馈馈。这种种特性使使学员与与物体、学学员与事事件、学学员与其其他人（如如指导人人员、别别的学员员

14、）之间间的双向向实时反反馈，在在远程状状态下成成为可能能，并犹犹如近距距离或面面对面交交流一样样。 3.6安全全性 虚拟环境中中学习远比比在现实实环境里里安全。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）项目目概要1.虚拟现现实的应应用层次次可分为为：1.1 初初级应用用：桌面面虚拟现现实系统统非沉浸浸式体验验系统，计计算机+软件即即可实现现1.2 中中级应用用：桌面面虚拟现现实系统统

15、沉浸式式虚拟现现实系统统，计算算机+软软件+数数据头盔盔+数据据手套。1.3高级级应用：分布式式虚拟现现实系统统，它建建立在沉沉浸虚拟拟现实系系统和分分布式交交互仿真真（diistrribuutedd innterracttionn siimullatiion）的的基础上上1.4高级级应用：+增强现现实，于于虚拟现现实的基基础上加加入真实实的物具具（现实实中的，非非建模的的），实实现虚拟拟世界与与真实世世界的交交互。22.基于于虚拟现现实技术术的教育育解决方方案主要要包括以以下：2.1初高高中实验验类课程程方案，涉涉及化学学、物理理（仿真真实验室室，物体体与规则则重建）2.2初高高中认知知类课

16、程程方案，涉涉及自然然（地理理、生物物）、历历史（事事件重建建）2.3.高高中水平平类课程程方案，涉涉及外语语（事件件重建）、语语文（意意境重建建）、数数学(几几何规则则与逻辑辑重建).2.4职业业学校技技能培训训方案，如如装配、修修理、维维护开发上述产产品，一一类基于于“桌面虚虚拟现实实非沉浸浸式体验验系统”技术，另另一类基基于“桌面虚虚拟现实实沉浸式式体验系系统”技术。上述产品以以通用教教材课标标为依据据，以教教育心理理学、名名师教学学方式为为逻辑，以以时间进进度排序序，加入入知识与与技能要要点考察察和水平平评价，贯贯穿整个个教学过过程。项项目开发发的理念念、构成成、内涵涵与体系系均属国国

17、内首创创，为行行业应用用的重大大创新。社社会公司司，包括括独立的的教师因因条件所所限，从从事的开开发均以以课件、资资源类为为主，难难以开展展如我们们这种体体系化的的构建。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. 项目目目标3.1总体体目标该解决方案案融合虚虚拟现实实最新硬硬件设备备以及先先进的教教学理念念，构建建完全实实时的、高高保真的的、用户户高度介介入的学学习环境境。其特特点是具具有丰富富的环境境、丰富富的接口口、操作作与数据据双重驱驱动，从从而实现现虚拟现现实的教教学功能能，对教教与学产产生极

18、大大的效用用。3.2技术术目标包包括五个个方面：3.2.11开创虚虚拟现实实在国内内教育领领域系统统化应用用的先河河,于教教学上实实现普通通数字教教育资源源(如多多媒体、电电子课件件、文字字、例表表、影视视动画资资料)的的替代。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。3.2.22 采用用分层设设计，强强调统一一的同时时兼顾风风险与效效率，达达到规范范性与个个性化相相结合的的目的，增增加系统统灵活性性，满足足不同学学科、不不同层次次课程的的需求。在在实际设设计过程程中，

19、遵遵循现有有网络课课程（如如川师44A网课课）课程程分类规规划设计计，并与与校园其其它网络络教学平平台有效效衔接。3.2.33保证高高性能、高高可用性性，提供供动态扩扩容、应应急处理理、备份份等手段段实现系系统的可可靠性、增增进用户户体验。3.2.44组件化化、可配配置的指指标、参参数策略略，适应应不断增增加与调调整的系系统需求求变化。适适配不同同种类与与配置的的虚拟现现实硬件件设备。3.2.55 数据据驱动。构构建VRR场景知知识库、参参数化模模型库以以及学习习者学习习行为轨轨迹库，形形成个性性化学习习成果反反馈技术术应用。4. 项目目应用主主目标，完成虚拟现现实教育育解决方方案系统统框架设

20、设计5. 项目目应用次次级目标标启动期期目标： 5.1完成成非沉浸浸性与沉沉浸性中中学化学学实验教教学系统统，并在在学习者者中推广广，以达达到体验验和验证证。5.2完成成沉浸性性中学化化学实验验教学系系统5.3完成成中学物物理、历历史、地地理、语语文、数数学、英英语需求求设计5.4职业业学校需需求调研研（二）立项项的必要要性及意意义虚拟现实技技术被普普遍认为为是继计计算机技技术、网网络技术术后，在在21世纪纪最有潜潜力的技技术。虚虚拟现实实技术具具有的沉沉浸、交交互、构构想三大大特征使使得虚拟拟现实技技术在教教育领域域应用有有其独特特而明显显的优势势。随着资本对对虚拟现现实的持持续关注注、硬件

21、件成本降降低、设设备的普普及以及及互联网网信息技技术对教教育融合合的深入入，迫切切需要虚虚拟现实实技术改改造传统统教育模模式，甚甚至是刚刚刚开始始流行的的基于互互联网的的教育模模式（如如MOOOC）。基基于互联联网的教教育模式式虽然解解决了传传统教育育的大部部分“痛点”(如不能能跨时空空共享优优质教育育资源，互互动性差差等)，但是是学习者者的体验验没有得得到实质质的提升升，缺乏乏虚拟现现实技术术（如沉沉浸式虚虚拟现实实技术）带带来的强强烈的体体验感、逼逼真的现现在感与与強大的的可交互互性。1.把握历历史机遇遇，珍惜惜最佳进进入期长期以来，虚虚拟现实实硬件成成本的居居高不下下成了其其实际应应用的

22、最最大障碍碍，行业业应用处处于3/4的休休眠状态态。近两两年因技技术突破破性进步步，成本本直线下下降，其其行业应应用处于于爆发前前夜，越越来越清清晰地呈呈现出一一个科技技应用热热点。在在市场尚尚未完全全被唤醒醒时进入入，无疑疑为最佳佳时期。以游戏头盔盔式显示示器为例例，20013年年美国当当地报价价5万美美元到117万美美元，到到20115年降降到70000美美元到88万美元元间，非非游戏头头盔则降降价幅度度更大，早早几年还还需数万万人民币币的体感感头盔目目前市场场价普遍遍在1千千到3千千人民币币不等。进进入20015年年，硬件件价格的的下降趋趋势仍在在加速，以以乐视为为例，220155年11

23、1月向市市场推出出有售价价仅1449元的的VR头头盔。随随硬件成成本的快快速平民民化，虚虚拟现实实技术走走向广泛泛社会应应用的闸闸门已经经打开。从从资本市市场看，220155年6月月以来，中中国A股股历经了了三次股股灾，资资本市场场一片哀哀歌，但但虚拟现现实概念念股却逆逆势上涨涨，成为为A股独独特的亮亮丽风景景。据惠惠特资本本分析，这这是一个个尚未有有巨型企企业出现现的蓝海海市场。2.开启重重大行业业应用技技术创新新，树立立行业科技技开发优优势地位位 虚虚拟现实实技术在在教育行行业的运运用，除除非沉浸浸式的一一些三维维交互课课件外，尚尚没有更更多运用用，基本本处于未未开垦状状态。做做好这一一块

24、并不不太容易易，不但但要熟知知教育，而而且要熟熟知技术术。我们们两者皆皆具，这这是我们们的背景景优势。纵纵观社会会，两者皆皆具的开开发者很很少，珍珍惜历史史给予的的难得机会会。背景景优势将将很好支支持我们们开展这这一项具具有行业业重大应应用创新新的研发发，进而而树立其其行业科科技开发发优势。3.形成行行业应用用级产品品，占领领行业科科技应用用的制高点点若衡向与兄兄弟院校校在科技技实力上上对比，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、 与项项目相关关的国内内外发展展概况及及市场需

25、需求分析析2016年年被公认认为虚拟拟现实的的应用元元年。虚拟现实近近10年来来，随着计计算机技技术的快快速发展展，其行业业应用愈来来愈清晰晰而备受受社会各各行业关关注。目目前在发发达国家家中, 虚拟现现实技术术在教育育领域的的应用，其表现现之亮丽丽，令人人震惊。如美国很很多学生生已经开开始使用用 zSSpacce SSTEMM实验室室。学生生们已经经探索了了虚拟火火山和构构建了先先进电路路板。这这个系统统为学生生提供了了真实的的学习环环境和个个性化学学习体验验，且符符合美国国新世纪纪科学标标准（ NGSSS）、基基础课和和各州标标准。虚虚拟全像像图像可可以从屏屏幕中“取出来来”并使用用触笔去

26、去操控。一一些应用用则提供供多感官官反馈。比比如，学学生在和和一个虚虚拟心脏脏互动时时，可以以看到、听听到并感感觉到它它在跳动动。我国目前的的虚拟现现实技术术在教育育领域的的应用主主要侧重重在科学学研究、虚虚拟试验验的开发发以及虚虚拟校园园的开发发方面，与与发达国国家相比比，我国国虚拟现现实教育育应用的的规模差差距不少少, 但是是已经引引起政府府有关部部门和科科学家的的高度重重视。九九五计划划、国家家自然科科学基金金会、国国家高技技术发展展计划等等都把虚虚拟现实实技术列列入了研研究项目目。（一）目标标市场的的分析与与预测1、市场分分布整体上看，我我国虚拟拟现实技技术处在在起步期期。它的的发展与

27、与上世纪纪80年年初的微微型计算算机、990年代代中期的的互联网网相似。以虚拟现实实硬件设设备为例例，20015年年全球虚虚拟现实实设备的的销量己己达14400万万部，220200年的全全球销量量会提高高至88800万万部；BBI IInteelliigennce的的报告预预测，虚虚拟现实实硬件市市场的规规模将在在未来几几年迅猛猛增长，未未来5年年的复合合年增长长率将高高达2999%；美国知知名的第第三方调调研机构构Mannattt 5DDigiitall Meediaa和投资资银行DDigii-Caapittal也也发布报报告称，全全球虚拟拟现实市市场规模模将在55年内、即即20220年达达

28、到52200亿亿美元。可可见，针针对消费费者的虚虚拟现实实商业化化时代已已经来临临，虚拟拟现实产产品对市市场的渗渗透将会会是“一场必必胜的持持久战”。从国国内外发发展比较较看，目目前国内内外发展展方向出出现分化化，但重重大分水水岭尚未未形成。国内产品、技技术与市市场需求求的深度度融合处处于摸索索期，以以出售产产品和服服务为目目标，有有近2000家公公司介入入VR领领域，从从硬件产产品到内内容制作作几乎全全部覆盖盖；国外外并非单单纯以出出售产品品为目标标，以OOcullus和和Sonny公司司为例，除除了研发发头戴显显示器、交交互设备备、输入入设备、动动作识别别设备，更更在着手手制定各各自的行行

29、业标准准，意图图统治全全球市场场。 以以上不难难看出，随随着虚拟现现实关键键设备制制造的成成本大幅幅下滑，我我们己站站在了一一个以虚虚拟现实实技术为为手段，以以行业应应用为开开发内容容的门坎坎，门内内拥有一一个不低低于数千千亿级的的市场体体量。2、市场需需求与发发展前景景的分析析和产品品市场空空间预测测2.1市场场份额至20144年末，四四川省初初中共计计39001所，在校生生2588.3万万人；普普通高中中共计7332所，在在校生1149.0万人人；教师师共计约约30万万人; 职业学学校5000所，在在校生220万人人。按人人均1000元/年信息息消费，年年消费量量约4亿亿元。若若项目进进入

30、国家家教育扶扶贫工程程，有望望获得政政府基金金的支持持。2.2市场场选择将目标市场场锁定在在中等基基础教育育与职业业教育，以以省内为为重点。2.3市场场运作以产学研结结合为理理念，以以服务社社会、社社会应用用为目标标。自主主开发，并并在进程程中吸引引资本加加入。导导入效率率化管理理机制。虚拟现实进进入现代代教育，并并发挥重重大影响响绝对是是不争的的事实。发发达地区区，但不不限于，都都将因此此受益。我我国教育育资源分分布不均均，边远远地区师师资队伍伍落后，名名师空缺缺。近十十多年来来，国家家对这类类地区的的教育投投入逐年年增加，但但多限于于基础条条件的改改善，如如何提高高教学质质量，让让这类地地

31、区的学学生与内内地学生生一样享享有较高高质量的的教育水水平，显显然己摆摆在面前前。这是是一个重重大的教教育问题题， “教育育公平”涉及全全社会的的良知，不不仅仅引引发政府府的思考考、全社社会有识识之士也也在思考考并追求求解决方方案。虚虚拟现实实在这方方面可发发挥出重重大作用用，为公公平教育育发挥出出不可替替代的作作用。因因为基于于虚拟现现实的教教育解决决方案可可以将名名师的教教育方法法，先进进的教学学理念，科科学的认认知体系系以及严严格的技技能训练练导入系系统，且且传播无无地域限限制，成成本低廉廉。成本本低廉，以以计算机机为列，以以20113年配配伍的普普通计算算机已足足够承载载系统运运行，性

32、性能价格格以今天天市价计计，不过330000千元左左右/台台。数据据头盔，其其普及型型以今天天市价计计，8000元左左右/件件(五年年前一个个普通的的数据头头盔不低低于100万元/件)，据据赛德数数据，在在未来22-3年年可降至至数十元元左右/件。按按这种推推算，低低成本的的虚拟现现实装备备进入边边远中学学为期不不远。我我们所做做的就是是为此做做好准备备，做好好内容开开发，为为迎接虚虚拟现实实爆炸性性需求的的来到做做好准备备。虚拟现实桌桌面非沉浸浸式系统统推广阶阶段包装宣传为为本阶段段首要任任务。本本阶段需需要营造造亮点，营营造新闻闻热点。以以社会效效益为述述求，并并发挥到到极致。基基于此目目

33、标，需需寻找一一个即能能切合国国家需求求，又有有社会关关注热点点与道德德制高点点的入口口，进而而演绎为为社会的的突出事事迹。经经调研认认为， “教育扶扶贫”无疑是是最佳方方式。为为此，本本阶段主主打教育育扶贫牌牌，即能能满足需需求，又又可为进进入国家家教育扶扶贫工程程做准备备。具体体做法是是，选一一批学校校下线的的计算机机+制成成的虚拟拟现实桌桌面系统统，找一一个边远远/贪困困地区中中学，调调动当地地政府与与之一道道建示范范点。以以三个月月为调试试与试用用期，一一切正常常后，对对示范点点全面包包装，组组织新闻闻宣传，营营造社会会形象，大大力将宣宣传效果果发挥到到极致。利利用其稀稀有性：最前沿沿

34、的高科科技教学学手段与与最边远远/贫困困地区教教育现状状所存在在的极大大反差，及及一个基基于这种种反差，又又预想不不到的融融合(这这本身就就是一件件反常规规的事列列)，加加入教育育公平、社社会正义义、良知知、责任任与道德德的因素素造出新新闻热点点，将宣宣传做足足。这个个设计可可容易达达到几个个目标：突出学学校的社社会形象象，不花花巨额广广告费的的产品宣宣传，为为进入国国家教育育扶贫工工程打下下基础。 一旦进入国国家教育育扶贫工工程系列列，在政政府基金金的支持持下，可可全面推推进桌面面虚拟现现实非沉沉浸式方方案的应应用实施施，同时时加速沉沉浸式解解决方案案的深度度开发，做做好在较较发达地地区的试

35、试用推广广。实现现产品的的由农村村向城市市，从边边远到内内地的战战略调整整。3.产业融融资与扩扩张阶段段基于良好的的社会声声誉与产产品的独独特性吸吸引资本本注入，融融资额度度不少于于10000万，构构建不限限于教育育类虚拟拟现实产产品的开开发。解解决的主主要难点点技术与与运用领领域如下下：数据驱动动模型的的机制与与方法动态与时时实仿真真产业级级技术运运用分布式虚虚拟现实实系统的的开发与与运用基于以上成成果，进进入虚拟拟现实的的高级运运用期，形形成教育育、数字字娱乐、军军事、公公共安全全、医疗疗、制造造业等领领域的优优秀解决决方案，进进而全面面服务社社会并获获得很好好的经济济效益。4.市场竞竞争

36、力分分析虚拟现实的的内容开开发，或或称虚拟拟现实的的行业应应用解决决方案，从从目前的的国内开开发应用用看，基基本以“桌面虚虚拟现实实非沉浸浸式体验验”与“环幕非沉浸浸式体验验”的解决决方案为为主，主主要用来来效果展展示；沉沉浸式虚虚拟现实实于专业业行业有有应用，如如航空制制造业。但但从社会会的层面面讲，其其应用仍仍处于初初期的起起步阶段段；分布布式虚拟拟现实系系统与增增强现实实大多还还停留在在专门的的研发机机构。 客观分析如如下：4.1具备备比较完完善的从从事虚拟拟现实教教育与研研发的学学科队伍伍与条件件：早在20007年为为配合重重点实验验室的发发展，支支撑新的的学科与与研究方方向我们们以产

37、学学研的理理念建议议学校开开建数字字媒体专专业，在在学校领领导的带带领下，我我们花费费了大量量精力从从论证到到实施做做了很多多事。专专业的成成立为虚虚拟现实实工作的的开展奠奠定了人人才基础础、学科科基础。4.2具备备开发优优势：技术与教育育背景的的深度融融合，有有一支即即懂技术术又知教教育的开开发队伍伍：虚拟现实教教育类的的应用，市市场呈现现的均为为“桌面虚虚拟现实实非沉浸浸式体验验”方式开开发的教教育类产产品，且且基本以以课件为为主，几几乎没有有基于教教材的完完整解决决方案（仅仅仅“课件”，有极极大的应应用局限限，正如如一个汽汽车制造造厂，不不能提供供整车，只只能提供供零件，其其适用性性可想

38、而而知）。这这个现象象与这些些公司或或群体的的行业地地位有关关，因为为这些公公司或群群体：或或者懂技技术，却却身在教教育之外外，不懂懂教育，没没有体系系，无论论从理念念还是方方法没有有教学的的支撑，注注定了只只能以课课件的方方式存在在。如软软件公司司；或者者做教育育又缺失失技术，只只好借用用他人开开放工具具软件，局局限于做做课件。如如教师群群体。;两者合合二为的团队队，即做做教育也也做技术术的少之之又少。与与我们本本质不同同。4.3具备备多年从从事教育育仿真软软件系统统的经验验积累：我们的背景景优势使使我们在在架构同同类方案案时可以以跳过课课件的束束缚，以以基于教教材的理理念，融融入教育育心理

39、学学、名师师的教育育方法与与教学经经验，开开发集教教学、操操作、考考点、评评价为一一体的解解决方案案，并将将开发的的系统走走入学校校中期试试用、座座谈，再再改进，使使之完全全符合教教学过程程，力求求完整、规规范，简简单易用用。我们对开发发教育类类产品慎慎之又慎慎，如中中学化学学方案，先先以平面面交互为为框架，用用于弄清清教学仿仿真内涵涵。目前前已做成成完整的的方案面面向初、高高中化学学教学的的二维仿仿真交互互软件平平台一套套，学校校试用己己达三年年，各方方反应效效果良好好。通过过这一案案件，我我们基本本弄清了了教育仿仿真软件件开发设设计的内内在精髓髓。由此此我们深深知，这这是一个个内涵远远胜于

40、技技术的开开发，非非多资源源的教育育资源组组合背景景，不可可能开发发出适合合用户需需求的产产品。因因为现实实需求不不是一堆堆课件可可实现。通过多年的的探索，我我们这类类产品的的开发，其其理念、方方法及技技术均在在国内同同行的前前列。4.4具备备从事虚虚拟现实实大型仿仿真应用用系统开开发成果果的积累累：本实验室于于20009年建建立后，于于20110年启启动了以以 “桌面虚虚拟现实实非沉浸浸式体验验系统”为主的的起步型型建设，取取得了如如大型化化学仿真真教学平平台、大大型数字字博物馆馆、公安安仿真训训练平台台、大型型园区+地理位位置信息息的产品品级技术术成果。遗遗憾的是是， “沉浸式式虚拟现现实

41、建设设方案”至今仍仍未落地地。4.5限制制因素科研需要落落地，科科技创新新、服务务社会、服服务产业业，不局局限于学学术，满满足于论论文，尤尤其对计计算机技技术这类类应用性性很强的的学科，需需要真刀刀真抢，而而非脱离离应用的的些纸上上谈兵。4.6 遇遇稍纵即即逝：虚拟现实随随着硬件件成本的的快速平平民化，系系统平台台的不断断升级换换代，其其步入社社会应用用的步伐伐愈来愈愈快，加加之近年年来受到到资本的的追逐，一一个崭新新的时代代已为期期不远。随随着应用用与市场场的逐渐渐明朗化化，必然然吸引大大批的加加入者，拖拖得越久久，竞争争就愈激激烈，我我们也会会再一次次丧失历历史曾给给予过我我们发展展的重要

42、要良机。唯唯有建设设才有发发展。即即使困难难不少，但但我们在在桌面虚虚拟现实实的研究究还是取取得了重重要进展展，项目目水平达达到了相相当的应应用水平平，为今今天所提提方案的的实施打打下了重重要基础础。三、 主要要攻关内内容及技技术路线线（一）体系系构架VR教育解解决方案案通过优优质VRR内容和和最新VVR硬件件配套，将将传统学学习方式式、网络络化学习习方式乃乃至互联联网+教教育模式式推向一一个新的的层次。为为满足总总体设计计目标、实实现系统统需要，将将从业务务架构、应应用架构构、数据据架构以以及技术术架构四四个方面面提出总总体设汁汁方案。 系统业务务架构（图3-11-1系统统业务架架构）根据职

43、责及及业务规规划不同同将系统统从业务务上划分分为五部部分：最最底层为为课程资资源分类类；中间间为VRR内容建建设、学学习者（学学生）行行为及VVR学习习环境；最上层层为评价价与追踪踪。VRR学习环环境部分分全部依依赖其余余四部分分，剰余余四部分分按图33-1中中层次关关系从顶顶向下产产生依赖赖关系，不不可反向向为之。各各部分职职责及业业务描化化如下:1.资源分分类：提提供整个个系统的的资源分分类信息息，首先先需要构构架一颗颗完整全全面的学学科分类类树，可可以和现现有的网网络课程程资源（川川师4AA网课）对对接。资资源分类类业务为为VR内内容建设设及学习习者行为为提供基基础数据据设计范范式、也也

44、是学习习者行为为设计、VVR学习习环境构构建的重重要依据据。例如如对于职职业教育育中的操操作技能能训练，则则需要构构建高保保真的现现场工作作环境，并并采用数数据手套套交互模模式塑造造学习者者行为，从从而达到到良好的的训练效效果；而而对于化化学仿真真实验，只只需采用用非沉浸浸式的桌桌面环境境外加参参数变量量，学生生通过相相关配置置和调整整达成教教学目标标。在分分类业务务的功能能设计上上须有可可自动扩扩展的程程序设计计及实现现；重点点功能需需满足节节点管理理、节点点关键字字管理功功能需要要。系统统需支持持简单的的权限控控制、用用户管理理功能便便于安排排操作人人员分节节点维护护。资源分类如如图3-1

45、-22所示：（图3-11-2）2.内容建建设：此此部分为为VR学学习环境境提供所所需推荐荐电子资资源的预预处理功功能。在在当前VVR硬件件发展迅迅猛而配配套教育育资源不不足的情情况下，该该系统采采用UGGC（UUserr Geenerrateed CConttentt指用户户原创内内容）设设计理念念，每个个教育工工作者都都可以参参与建设设并完善善VR课课程资源源库。内内容建设设以抽象象化的 3D 场景表表示为核核心，采采用面向向协同的的可视操操纵架构构，集成成了模型型、场景景、人员员、配置置的管理理和协作作模块，形形成了完完整并具具有通用用性的解解决方案案。需要要支持33D模型型、材质质、纹理

46、理、shhadeer程序序、骨骼骼动画及及文档资资料、语语音、视视频等非非关系型型数据，对对非关系系型数据据需要做做摘要处处理转化化为类关关系型数数据，尤尤其对语语音及视视频需要要从中摘摘出关键键信息形形成连接接关系并并依据分分类树进进行学科科、课程程分类，按按统一规规划打造造VR教教学内容容生态圈圈。3.使用者者（学生生）行为为:该业业务部分分采用先先进的人人机交互互手段达达成教学学目标。学学生通过过与信息息环境的的自主交交互行为为获取知知识、技技能。为为了匹配配不同的的交互硬硬件，系系统根据据不同的的课程类类型与教教学目标标对学生生的交互互行为进进行分类类和封装装，形成成抽象交交互层及及其

47、接口口。4.VR学学习环境境:此部部分为系系统的核核必功能能体现，结结合调用用其他四四部分数数据营造造最终自自主学习习环境。该该业务部部分包含含一个高高性能的的图形引引擎，能能够快速速响应外外围交互互硬件的的追踪数数据（如如高速头头部追踪踪、眼动动仪数据据等）5.追踪与与评价: 传统统的教学学评价大大都是由由老师批批改学生生的作业业和考卷卷，或凭凭主观印印象给出出成绩，这这种评价价方式存存在着一一定的弊弊端。随随着教学学信息化化改革的的推进和和计算机机的普及及，在虚虚拟环境境下进行行教学评评价已成成为可能能。教师师可以对对每一位位学生进进行学习习记录的的全程跟跟踪，包包括查看看学生的的学习报报

48、告，访访问课程程的次数数、学生生参与某某个教学学模块的的情况。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，包括信息采采集模块块、数据据分析与与处理模模块、个个性化评评价模块块和可视视化反馈馈模块，并并通过云云管理层层实现对对教育云云服务平平台、云云存储池池和云

49、集集群计算算平台的的调控和和管理，以以期为后后面开展展个性化化评价系系统的设设计与开开发提供供有益的的指导。通过追踪与与评价获获取课程程教学大大数据并并持续改改进VRR教学系系统，VVR教育育大数据据将成为为推动教教育变革革的创新新战略资资产。(二) 应应用架构构在充分分析析VR教教育解决决方案功功能需求求与业务务逻辑的的基础上上，遵循循逻辑结结构中定定义各子子系统功功能及实实现方式式，按照照分层设设计原则则，明确确系统功功能设计计及应用用总体架架构如图图3-2-1所示。（图3-22）（图3-22-1总体应用用架构）其中基础服服务层为为上层应应用提供供数据库库服务、会会话管理理、协同同支持、异

50、异常处理理等服务务。教学学资源管管理层是是一个面面向协同同的、采采用多人人众包模模式的资资源共享享平台，主主要面向向教师或或者课程程开发人人员，实实现各学学科知识识点向虚虚拟现实实情境迁迁移，从从而为优优质VRR教学内内容的创创作、分分发、迭迭代更新新提供技技术保障障。面向向协同的的VR建建模平台台，包括括VR场场景的生生成、课课程知识识场景景映射、场场景协同同交互、用用户权限限控制、语语义支持持等多个个功能模模块和可可配置模模块。VVR教学学应用层层主要面面向学习习者，为为学习者者的学习习活动提提供虚拟拟现实环环境支撑撑，该部部分集成成自然的的人机交交互技术术和高性性能图形形渲染引引擎，是是

51、整个系系统的核核心部分分。在学学习活动动进行的的同时，每每个学习习者的学学习行为为轨迹将将被全面面追踪记记录形成成结构化化数据。(三) 数数据架构构VR教育解解决方案案是一个个基于数数据驱动动、多用用户数据据共享、实实时数据据生成的的全新环环境。在在满足总总体设计计目标和和应用架架构设计计的前提提下,设设计总体体数据架架构如图图3-33所示:（图3-33）数据据架构1. VRR场景数数据库。在在完成知知识点向向VR场场景的映映射后，需需要一个个专门的的场景数数据库。场场景数据据库包含含场景信信息、语语义信息息 概念念结构信信息与版版本信息息。其中中，场景景信息需需要详细细记录场场景IDD、场景

52、景名称、场场景描述述、场景景类型和和场景创创建者信信息。2. 学科科分类树树内容库库。对于于主要供供学科分分类树应应用使用用，属于于外来资资源的重重要存储储库，同同时也是是学科分分类树自自动增长长操作的的重要数数据落地地点，它它提供VVR教育育内容生生态系统统的土壤壤。3. 用户户信息库库。存储储用户和和用户专专属的、个个性化课课程信息息。用户户信息与与虚拟现现实环境境的中的的虚拟人人物角色色（化身身）对应应，同时时也为VVR教育育资源管管理应用用提供用用户、权权限及各各种关系系数据。主主要利用用MonngoDDB的水水平扩展展能力满满足分类类树存储储量大的的需求。4.记录追追踪库,通过MMo

53、nggoDBB存储学学习者的的整个学学习流程程，为学学习效果果评价、教教学内容容更新乃乃至教育育决策支支持提供供依据。5.配置信信息库。记记录日志志、软硬硬件配置置信息，确确保系统统平稳运运行。在在系统发发生错误误时可以以实时回回滚策略略；在硬硬件配置置发生改改变时可可以自动动调整，通通过优雅雅降级或或者渐进进增强的的方式给给用户带带来最佳佳体验。(四) 技技术架构构VR教育解解决方案案选用UUnitty3DD虚拟现现实图形形引擎并并结合源源生weeb3DD以及HHTMLL5技术术，根据据本身的的业务情情况做适适当的创创新，其其总体技技术架构构如图33-4-1所示示:（图3-44-1技技术结构

54、构）总体上采用用分层架架构的思思想,将将系统划划分为三三个层次次:数据据层、业业务逻辑辑层和表表现层；每个层层之间采采取上层层能依赖赖下层而而下层不不能反向向调用上上层的策策略。数据层采用用monngoDDB数据据库，mmonggoDBB文档结结构的存存储方式式非常适适合存储储不同类类型的VVR教学学资源，并并帮助用用户更便便捷的获获取数据据。moongooDB可可以直接接和上层层的noode服服务器通通信，或或者通过过JDBBC DDrivver与与Uniity33D通信信。在业务逻辑辑层分别别采取桌桌面程序序和weeb应用用的部署署方式，采采用开放放的自然然人机交交互驱动动模块（OOpen

55、nNI）适适配种类类繁多且且日益发发展的外外围硬件件设备。针针对桌面面程序选选用unnityy3D作作为图形形引擎。VR教育内内容开发发中，UUnitty3DD具有以以下优势势：11. Uniity33D开发发平台主主要是MMonooDevveloop，这这个平台台可以嵌嵌套多种种编程语语言，其其中jss和c#是最常常用的两两种，而而js语语言容易易入门，这这使得教教师更容容易学习习、参与与到VRR教育内内容开发发中来。2. Uniity33D几乎乎支持所所有的跨跨平台设设计，是是目前唯唯一一款款可以提提供所有有平台植植入能力力的三维维仿真开开发软件件，实现现了手机机平台开开发3DD游戏和和

56、HYPERLINK /cpro/ui/uijs.php?adclass=0&app_id=0&c=news&cf=1001&ch=0&di=128&fv=18&is_app=0&jk=40aed2b6eed85178&k=%D0%E9%C4%E2%CF%D6%CA%B5&k0=%D0%E9%C4%E2%CF%D6%CA%B5&kdi0=0&luki=6&mcpm=0&n=10&p=baidu&q=52066088_cpr&rb=0&rs=1&seller_id=1&sid=7851d8eeb6d2ae40&ssp2=1&stid=9&t=tpclicked3_hc&td=1847666&tu=

57、u1847666&u=http%3A%2F%2Fwww%2Exzbu%2Ecom%2F1%2Fview%2D5285019%2Ehtm&urlid=0 虚拟现现实系统统，支持持flaash输输入格式式，对于于移动学学习的移移动平台台建立具具有重要要的启示示和意义义。33. Uniity33D能够够创造高高质量的的3D仿仿真系统统和真实实视觉效效果，对对DirrecttX和OOpennGL具具有高度度优化的的图形渲渲染管道道，低端端硬件也也可以流流畅运行行茂盛的的作物、植植被景观观和实时时三维图图形混合合音频流流和视频频流，使得教教育资源源得到更更好的呈呈现、知知识内容容具有更更好的交交互性和和

58、吸引力力。44. Uniity33D能够够支持更更大的场场景、更更多的展展示物件件以及更更炫的展展示效果果，仅占占用很小小的空间间，这些些特性教教学内容容得到更更好的应应用和普普及。在web端端可以WWebGGL+TThreeejss三维引引擎实现现虚拟现现实场景景渲染。作作为一种种替代方方案可以以直接通通过unnityy3D的的webb发布功功能，但但是此种种做法需需要用户户浏览器器安装插插件，不不符合互互联网的的以及wweb发发展方向向故不建建议采用用。四、 该项项目的技技术创新新点(一)技术术创新点点1. 面向向协同的的虚拟现现实教学学内容生生产方式式。对于于一般性性的数字字化教学学资源

59、，其其中大部部分都是是由一线线教育工工作者生生产的，与与之对应应的是虚虚拟现实实资源大大部分是是由专业业软件开开发团队队生产的的，这与与虚拟现现实内容容制作难难度较高高有关，这这种情况况带来的的结果是是：生产产人员不不足造成成的内容容匮乏；生产人人员缺乏乏教育背背景以致致内容水水平较低低、实用用性较差差，现有有VR教教学资源源基本停停留在情情境体验验式学习习阶段，对对于复杂杂的认知知与逻辑辑重建类类型的学学习罕有有涉及。本本系统提提出一种种具有普普遍通用用性的协协同 33D 建建模框架架，通过过统一的的课程知知识树和和通用的的虚拟现现实场景景模型库库降低VVR内容容制作难难度，将将普通教教育工

60、作作者纳入入到虚拟拟现实教教学内容容生产环环境。系系统以 B/SS 架构构为基础础，以协协同 33D 概概念化场场景为核核心，辅辅以协同同环境中中的模型型与场景景管理与与智能提提示，使使通用性性的 33D 协协同平台台的搭建建成为可可能。整整体框架架自上而而下包含含基于网网页的 3D 展示与与操作平平台，33D 场场景概念念化与批批处理中中心，后后台支持持服务器器，系统统储存层层等。2. 数据据驱动。现现有的互互动教学学资源大大部分成成碎片状状态，缺缺乏统一一调度和和管理，更更缺乏以以数据作作为驱动动的设计计思想和和实践。VVR教育育解决方方案创新新性提出出构建一一个基于于数据驱驱动、多多用户