智慧教室中学虚拟仿真实验室建设方案

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大趋势之一。新世纪以来，还没有一项技术像信息技术这么，对全人类产生如此广泛而快速影响。工业革命已经200多年，但世界上还有相当多地域没有实现工业化，而互联网问世只有，就已经快速覆盖全球。

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模式，引领着全球产业发展新方向。信息化催生了新商业模式，使技术、网络、应用、服务深度融合，衍生更多类型生产生活服务业态，形成愈加旺盛消费和投资需求。信息化缩短了知识创新和技术转化周期，有效促进学科交叉融合，实现全球研发、全球生产、全球配置，使知识生产、应用、传输展现出空前速度和规模。

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生活。信息化加紧了全球化进程，使全球化愈加广泛、快速、深入，人类同住地球村变成现实。信息化正在为人类开辟新发展空间——“虚拟空间”，现实空间与虚拟空间互联互通，极大拓展了人类生存视野，数字化生存、虚拟世界成为人们生活不可或缺部分。

当前，不论是发达国家还是发展中国家，都在着手布局信息化，力图抢占未来发展战略制高点。信息化能力已经成为衡量一个国家或地域综合实力主要标志。谁在信息化时尚中落伍，谁就会被时代所淘汰。

教育信息化正是在全球信息化大背景下产生，信息技术全方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特征。在教育大国向教育强国前进进程中，加紧教育信息化既是事关教育全局战略选择，也是破解教育热点难点问题紧迫任务。

1.2当代教育技术发展伴随计算机技术、多媒体技术、通讯网络技术等信息技术高速发展，当代教育技术伎俩有了本质飞跃。假如在试验教学中恰当地利用当代教育技术，利用计算机等当代教育技术仿真、模拟功效，则能够变抽象为详细，使静态内容动态化，逼真地模拟试验时试验过程中宏观改变中微观过程，变微观为直观，让学生观察、体验、感受事物发展过程中微观现象，同时，利用当代教育技术伎俩，还具备可重复性，能够把试验教学中难以描述、难以突破难点、重点、生动形象地表现出来，激发学生学习兴趣，调动学生学习主动性，强化学生对试验学知识记忆和了解。

当代教育技术引入试验教学，能促进试验教学伎俩和方式变革，当代教育技术利用和试验教学有机结合相互补充，相得益彰，使试验教学得到最大程度优化，充分表现学生主体地位，成为知识建构者，使学生有效地掌握知识和技能，改变学生学习方法和过程，影响学生情感态度价值观，从而培养学生能力、发展学生智力。

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，是一个由计算机生成高技术模拟系统。虚拟现实生成视觉环境是立体、音效是立体、人机交互式友挚友好，改变了人与计算机之间枯燥、生硬和被动地经过鼠标、键盘进行交互现实状况。

虚拟现实技术特点：1）临场感：用户感觉到沉醉在浏览器中所展现虚拟环境中。2）多感知性：用户能以视觉、听觉等多个形式感知信息。3)交互性：用户能以靠近自然习惯，用常规输入输出设备对虚拟环境中物体或场景进行操作和得到反馈。4)真实性：虚拟环境中物体运动靠近符合物理定律。5)高效率：虚拟环境中三维空间建立和显示不过分依赖客户机硬件性能并可实时渲染，所需传输数据量小且可流式传输。

虚拟现实技术作用：1）知识学习。在教学中，学生对VR技术所表示教学内容进行交互，从而学习相关知识。采取VR技术表示教学内容能够使学生观察到在现实生活中不能或不易观察到现象或事物，并提供了极为自然理想观察模式。

2）激发创造。经过VR技术可将学生在学习过程中产生假设进行虚拟，展现对应结果或效果。这么有力于激发学生创造性思维，进行主动探索性学习，培养学生创造能力。

3）虚拟试验。采取VR技术能够将适宜试验在虚拟试验室中表示出来，并由学生在这些虚拟试验室中完成试验。这么能够完成不易观察、有危险或费用高试验，提升教学中试验课效率。4）技能培训。因为VR技术可实现在逼真虚拟环境中以自然方式进行交互，所以它非常适于进行技能培训，使学习者在靠近真实环境中更易于掌握对应技能。即使现在用普通输入输出设备不易实现直接反馈，但可实现在虚拟环境中进行关于三维空间位置、变形、时间次序、颜色纹理及音视频等方面交互，从而可进行与这些内容相关技能培训。

1.4中学试验教学碰到一些问题现在中学试验教学主要是指物理、化学、生物学科试验教学，理、化、生学科是三门以试验为基础学科，通常说来，我们能够经过现实试验室中试验教学来帮助学生了解试验现象，掌握试验规律及事物发展改变过程。

但在试验教学实践中经常碰到一些问题：1）传统试验预习与复习较难展开，课外无法复制试验室环境，依靠想象预习、复习效果不理想，效率过低；2）传统理化生教学与试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试验教学中定理和试验步骤详细地安排好，甚至连结论也预先通知学生，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加主动性；

3）反应抽象理论及定理，宏观、微观、危险种种试验，传统理化生教学与试验教学没有有效辅助工具和仿真环境，难以讲解和表现，比如理化生各种抽象定理、公式及规律、化学学科危险试验、物理学科中无法有效地表现出声波、电场性质、万有引力作用、牛顿第一定律等一些抽象规律、原理，老师讲解起来非常困难，学生也难以了解；4）部分传统试验过程无法控制，一些反应速度比较快试验往往是学生没有看仔细就结束了，但因为试验条件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综合实力，把当代教育技术引入到教学和育人各个步骤，是深入优化教学质量，提升教师教学和学生学习综合素质，提升学校教学工作科技含量和水平，势在必行。

时当今日，中学教育面临新发展机遇和挑战，在新发展时期，面对信息技术快速发展对教育教学改革带来革命性影响，需要以先进教育理念为指导，利用新信息技术，推进教学工作信息化建设，促进学校教育信息化，实现教育当代化，具备主要现实意义。

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主要地位，规范完善学校信息化建设实施工程。

传统试验教学方法无法将抽象概念理论形象化、直观化，不轻易完全达成帮助学生了解抽象概念目标；部分带有危险真实试验或操作，学生无法直接参加，无法取得感性认识；另外设备经常拆装，元器件损坏也很严重；因为学校规模大，教师、学生人数众多，学生试验时间担心，一些微观、危险、反应改变迟缓试验可操性依然不高，等等，这些原因长久以来依然困扰着学校试验教学发展和继续改进，从表面上看，主要问题都在客观上，但从深层次上看，是我们当代化教学技术不能充分利用。

数字仿真试验室建设不乏为当下学校试验教学质量提升和试验教学方法创新提供了一个有效问题处理方案。同时，中学虚拟仿真试验室建设和应用，能够推进试验教学改革和创新，提升教师教学方法当代化，也使教师和学生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，培养和锻炼他们综合素质。

中学虚拟试验室建设和使用，也为推进学校信息化建设，丰富校园数字化内容和功效，使本省中学教育走在当代教育技术应用和创新前列，使中学拥有全国为数不多数字仿真试验室，给他们带来新亮点和辉煌。

3.系统概述和建设意义3.1系统概述虚拟试验系统主要依靠前沿虚拟现实技术，采取三维立体方式全方位、全角度展现试验全过程，真实再现试验过程，力争让学生更形象、直观地感受试验原理和改变过程。

虚拟试验室虚拟试验室中关键部分即为中学虚拟试验系统。中学虚拟试验系统是经过虚拟现实技术深入研发应用，逐步将成熟计算机新技术推广到中学试验教学中，是利用虚拟现实技术，依据人教版中学教学纲领要求试验内容，制作功效完备、过程仿真化学、物理、生物虚拟试验系统，达成提升教学质量、培养综合素质人才目标。

虚拟试验系统是国家重点支持“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试验教学模式，将虚拟现实仿真技术应用到中学试验教学当中，全部试验场景、器具等“元素”均使用3D技术展示，智能人机互动，使微观试验、危险性试验、高成本试验等也变得日常易做，表现详细、形象逼真、感受直观、印象深刻、安全可靠，并可进行无限制、多样式重复操作，无污染、无浪费，既可作为老师课堂试验教学好助手，也能够作为学生日常试验课程学习好导师，普通课堂、试验室、多媒体教室、家里等均可使用，绿色、环境保护、方便，实现随时随地能做试验。该系统不但使大家能很好了解试验运行机理、功效划分以及复杂结构，还可较早接触文化创意产业领域，养成在以后工作、生活中成功应用当代技术习惯，满足德智美体全方面发展综合型人才需求！

3.2中学虚拟仿真试验室建设意义1）节约了试验教学经费投入。基于虚拟试验室建设和应用，长久来看，大大节约了试验室建设中人力、物力和财力投入，降低了试验教学成本。试验仪器、试验耗材都是经过虚拟技术实现。试验教学改革、试验项目标调整、试验方案优化，再也不受试验设备性能制约，有效处理了传统试验室中设备功效缺乏、性能老化、更新补充不到位等问题，从而影响整过教学正常开展。

2）提升了试验教学安全系数。学生在试验室进行试验时可能会因为操作不慎或其余原因，使得人身安全或者仪器设备安全受到威胁甚至造成损失。在各种电子试验中，低压电路试验经常会因为设备原件老化，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。对于一些化学高危险类试验，我们不会亲自去体验，但经过虚拟可进行模拟仿真，强化试验现象。

3）改进了试验教学教学环境。首先虚拟试验室比传统试验室更具备开放性，他有效地打破了时间和空间界限，学生能够灵活安排自己试验时间，也能够依照学科、兴趣、兴趣，进行试验。其次，他使试验方案、试验效果最优化成为可能，学生不再因受试验设备和耗材等限制，方便、快捷、及时地对某一试验项目进行重复试验，达成熟悉试验操作、掌握试验步骤和要领目标。

4）优化了试验教学资源。虚拟试验室建设能够充分发挥现有试验教学资源功效和应用，经过虚拟现实技术方法，就当下，在很大程度上缓解了试验用房担心，确保了整个教学计划有序执行。

5）降低了试验教师和试验技术人员工作量。传统试验室试验教学，受到教课时间和课时量等多个原因限制，管理、技术人员也不可能及时对现场出现故障设备进行管理、维护、维修，试验指导教师更不可能将各种可能发生试验情况一一罗列出来。

学生经过虚拟试验，不但扩大了试验时间和内容，而且在过程中很多试验现象和问题，自己就迎刃而解了，再进入传统试验室，那叫一个字──顺！同时试验目标也愈加明确。

3.3系统优势1)有利于培养学生创新能力创新能力培养，主要是培养学生创新思维。2)有利于研究性学习开展每一个试验方法都是一个极好研究性课题，学生对这一课题研究都能够取得多方面知识和规律。

3)对于提升学生学习成绩可起到低耗时、高效率立竿见影效果。4)具备趣味性中学虚拟仿真试验室能引发学生兴趣，增强求知欲，激发学生学习兴趣，使愉快物理、愉快化学和愉快生物等变成现实。

5)具备科学性和指向性中学虚拟仿真试验室符合科学原理和关于规范，能揭示科学规律；启发学生发觉问题，使试验与问题有联络，突出研究内容。6)具备真实性、简易性和稳定性中学虚拟仿真试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改变，确保试验成功。

7)具备安全性中学虚拟仿真试验室符合安全性要求，使用必须确保不出危险，确保人身安全。8)产品后续开发性中学虚拟仿真试验室在开发过程中加入由大量教授设计教案，和不停更新修订。并拥有强大技术力量和师资力量确保了教案权威性，先进性。

4.中学仿真试验室设计方案虚拟试验系统由主机管理系统包含图形系统）、立体投影系统、中学虚拟教学系统三部分组成：

4.1主机管理系统每个虚拟现实关键都是由功效强大图形工作站所组成。该主机系统利用对应应用软件系统，完成科学计算、图像生成、建模和形成视景等功效，并实时处理用户与虚拟现实环境交互。

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立体投影系统包含工程投影机和屏幕灯，其目标是将主机系统包含工程投影机和屏幕等，其目标是将主机系统生成视景投影到屏幕上，产生一个具备沉醉感虚拟现实环境。工程投影机用于虚拟仿真系统投影机不一样于其它用于教育、娱乐等方面商用投影机，对其技术指标有更严格要求。必须为专业工程投影机才能够满足虚拟仿真系统要求。

分辨率为确保图像不失真，用于仿真投影机只能使用其真实分辨率。为表现图像细节，投影仪真实分辨率最少应为1024×768。

亮度在虚拟仿真应用中，通常采取大屏幕。所以要求投影机亮度必需高，假如亮度不够，会大大降低观众沉醉感。

对比度在虚拟仿真应用中，假如图像对比度太低，会降低仿真场景真实感。同时，对比度太低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级投影机投影图像中间和四面往往亮度差异比较大、左边和右边亮度差异比较大。对于通常Powerpoint演示，这种差异无关紧要，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主要原因之一。所以，高档投影仪亮度通常在5000流明以上。

图像还原度对于通常Powerpoint演示，观众并不会注意图像失真包含色彩失真及几何失真）。但对虚拟仿真应用，假如仿真场景颜色不匹配多台投影仪之间）、物体稍微有点变形，观众马上能够感以为到。使“仿真”意义大打折扣。

可调整参数多少为了在立体投影系统中真实地还原图像，要求投影机具备方便调整功效，使其与其它投影机配合、匹配。专业工程投影机能够经过移动镜头来调整梯形失真、可能选择适宜投射率镜头，等等。这么，在多通道拼接处理时首先调试轻易，更主要是能确保图像效果。立体金属硬幕依照其材质，屏幕分为软幕和硬幕两种。软幕平直度远远不如硬幕，尤其是用在柱幕上时，软幕因为表面张力，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，而且硬幕寿命、几何强度和可靠性远高于软幕。硬幕幕面采取环氧树脂压注成形，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，确保观众在屏幕前各个角度观看画面不会出现亮度改变情况，非常适适用于虚拟仿真环境。4.3中学虚拟试验系统中学虚拟试验系统系统采取前沿3D立体交互技术和创新理念，遵照绿色环境保护、简单易用、灵活使用标准，集成普通试验、危险试验及微观试验于一体，改变传统试验教学模式，打破时空限制，彻底处理了传统试验中危险试验不敢做、微观试验不能做、普通试验不好做等多个困难。系统使用方便、形象逼真、感受直观、印象深刻、趣味性强，是老师好助手，学生好老师，不但能够在试验室、多媒体教室进行交互试验，还能够将学生试验从试验室搬入讲堂、搬进家里，实现随时随地做试验，系统重视人机互动，零成本，零风险，无污染，经过数次重复试验，不但能深刻了解试验运行机理，功效划分以及复杂结构，强化学生动手动脑能力，还能够经过对虚拟仿真技术应用，较早接触文化创意产业领域，养成在以后工作、生活中成功应用当代技术习惯，满足德智体美全方面发展综合性人才需求。虚拟教学系统主要功效模块：试验系统模块该模块是系统关键模块，现在已开发出试验模式主要有：演示模式、指导模式、检错模式、微观模式等几个模式。用户能够依照个人情况，从虚拟试验系统中自由地选择适合自己试验模式，进行学习和训练。在虚拟试验系统中，用户能够随意切换不一样视角全局或局部查看试验。另外，针对各试验，系统添加实时语音和文字提醒功效，以辅助操作者学习和了解试验。各试验模式功效介绍以下：1）演示模式演示模式下，各试验主要以自动演示形式来表现试验操作和试验现象，自动演示过程中，系统辅有试验过程提醒。演示过程中，用