基于虚拟现实技术的教育项目解决方案的研制与开发

科技工程可行性报告工程编号: K2023001课题名称:基于虚拟现实技术的教育解决方案的研制与开发申请单位可视化计算与虚拟现实省重点试验室0..目录一、工程提出的目的及意义…………二、与工程相关的国外进展概况及市场需求分析………………三、主要攻关容及技术路线〔技术可行性分析〕………………四、该工程的技术创点……………五、现有工作根底和条件……………六、申请的根底条件〔包括主要争论成果〕………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……………一、工程提出的目的及意义互联网、虚拟现实和人工智能被喻为转变人类认知世界的三大信息技术。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，虚拟现实全面颠覆的革命性过程。科技以虚拟现实给人类生活再制造出一次惊喜己为期不远。虚拟现实技术与教育：“虚拟现实”〔VirtualReality，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〔操作人员〕依据〔如头盔、数据手套和刚性外骨架衣服等〕来驾驭该环境，以而是一种创性的综合，并且在思想方式上有质的飞跃。1.虚拟现实技术创立全的教育环境2121便利地取得感性学问和实际阅历。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：仿真性〕，甚至比真的还“真”〔照实现比现实更逼真的照明和音响效果。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供给各种培训的都可以归之于虚拟教育环境。超时空性现实时空的环境〔如历史大事，探究太空虚拟太空。可操作性〔无论它模拟的是真实环〕的物体或大事进展操作，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学问与技能课程，也使远程教育真正实现。对应性地开展个别化的教育。2、虚拟教育培训的广泛性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工程中去。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、全提高学员吸取学问和把握技能的效率、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：临场性留意力，使他全身心投入到训练中去。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、任何地点选此外，对于学习后没把握的学问与技能过程或片断，学生可以自己屡次重复。这样，学生始终处于教育中的主导地位，真正把握学习的主动权，大大增加了学习效果，削减了学习时间。多感受性全方位的学习。功能替代性力气来进展操纵环境、吸取信息或沟通。这样，残疾人能通过自己的形体动作与他人进展交谈〔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〕，或通过声交互性〔如指导人〕之间的双向实时反响，在远程状态下成为可能，并如同近距离或面对面沟通一样。安全性四周环境中的事物，这一点对于技能性学习特别重要和特别有意义。〔一〕工程概要虚拟现实的应用层次可分为：初级应用：桌面虚拟现实系统---非沉醉式体验系统，计算机+软件即可实现据手套。高级应用：分布式虚拟现实系统，它建立在沉醉虚拟现实系统和分布式交互仿真〔distributedinteractionsimulation〕的根底上〔实现虚拟世界与真实世界的交互。基于虚拟现实技术的教育解决方案主要包括以下：初高中试验类课程方案，涉及化学、物理〔仿真试验室，物体与规章重建〕初高中认知类课程方案，涉及自然〔地理、生物、历史〔大事重建〕2.3.高中水平类课程方案，涉及外语〔大事重建、语文〔意境重建、数学(几何规章与规律重建).2.4面虚拟现实---沉醉式体验系统”技术。上述产品以通用教材课标为依据，以教育心理学、名师教学方式为规律，以时间进度排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，极其贵重、极其难得的组合，他人难以复制。..工程目标总体目标据双重驱动，从而实现虚拟现实的教学功能，对教与学产生极大的效用。技术目标包括五个方面：开创虚拟现实在国教育领域系统化应用的先河,于教学上实现一般数字教育资源VR求，表达业务创、技术创特征，突出与满足教学及教学治理的现代化需求。现有网络课程〔4A〕课程分类规划设计，并与校园其它网络教学平台有效连接。性、增进用户体验。不同种类与配置的虚拟现实硬件设备。VR成共性化学习成果反响技术应用。工程应用主目标，完成虚拟现实教育解决方案系统框架设计..工程应用次级目标—启动期目标：验证。完成沉醉性中学化学试验教学系统完成中学物理、历史、地理、语文、数学、英语需求设计职业学校需求调研〔二〕立项的必要性及意义21有其独特而明显的优势。基于互联网的教育模式〔MOOC。基于互联网的教育模式虽然解决了传统教育的大局部〔如沉醉式虚拟现实技术〕带来的猛烈的体验感、逼真的现在感与強大的可交互性。把握历史机遇，珍惜最正确进入期时期。以玩耍头盔式显示器为例，20235172023年降到7000美元到8万美元间，非玩耍头盔则降价幅度更大，早几年还需数万人民币1320232023年6A逆势上涨，成为A的蓝海市场。开启重大行业应用技术创，树立行业科技开发优势地位史赐予的难得时机。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的研发，进而树立其行业科技开发优势。形成行业应用级产品，占据行业科技应用的制高点级别的创。本工程的推动有利于突破困局。二、与工程相关的国外进展概况及市场需求分析202310zSpaceSTEM且符合美国世纪科学标准〔NGSS、根底课和各州标准。虚拟全像图像可以从屏幕中心脏互动时，可以看到、听到并感觉到它在跳动。以及虚拟校园的开发方面，与兴盛国家相比，我国虚拟现实教育应用的规模差距不少,家高技术进展打算等都把虚拟现实技术列入了争论工程。〔一〕目标市场的分析与推想1、市场分布80机、90以虚拟现实硬件设备为例，20231400，2023调研机构Manatt5DigitalMedia和投资银行Digi-Capital也公布报告称，全球虚拟5200进展比较看，目前国外进展方向消灭分化，但重大分水岭尚未形成。200VR目标，以OculusSony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。体量。2、市场需求与进展前景的分析和产品市场空间推想市场份额20233901258.3732所，在149.030万人;职业学校50020100元/4金的支持。市场选择将目标市场锁定在中等根底教育与职业教育，以省为重点。市场运作资本参与。导入效率化治理机制。都将因此受益。我国教育资源分布不均，遥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，但多限于根底条件的改善，如何提高教学质量，让这类地区的学生与地学生一样享有较高质量的教育水平，明显己摆在面前。这是一个重大的教育问题，“教育公正”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，为公正教育发挥出不行替代的作用。由于基于虚拟现实的教育解决方案可以将名师的教育方2023统运行，性能价格以今日市价计，不过3000/台。数据头盔，其普及型以今日10/件)，据赛德数据，2-3/件。按这种推算，低本钱的虚拟现实装备进入遥远中学为期不远。我们所做的就是为此做好预备，做好容开发，为迎接虚拟现实爆炸性需求的来到做好预备。虚拟现实桌面—非沉醉式系统推广阶段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”无疑工程做预备。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，找一个遥远/贪困地区中学，调动当地政府与之一道建示点。以三个月为调试与试用期，一致。利用其稀有性：最前沿的高科技教学手段与最遥远/贫困地区教育现状所存在的极家教育扶贫工程打下根底。一旦进入国家教育扶贫工程系列，在政府基金的支持下，可全面推动桌面虚拟现实非沉醉式方案的应用实施，同时加速沉醉式解决方案的深度开发，做好在较兴盛地区的3.产业融资与扩阶段1000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4.市场竞争力分析根本以“桌面虚拟现实—非沉醉式体验”与“环幕—非沉醉式体验”的解决方案为主，的研发机构。客观分析如下：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2023年为协作重点试验室的进展，支撑的学科与争论方向我们以产学研的实施做了很多事。专业的成立为虚拟现实工作的开展奠定了人才根底、学科根底。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：〔仅仅“课件”，想而知。这个现象与这些公司或群体的行业地位有关，由于这些公司或群体：或者懂放工具软件，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。具备多年从事教育仿真软件系统的阅历积存：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，以基于教材的理学过程，力求完整、规，简洁易用。清教学仿真涵。目前已做成完整的方案---面对初、高中化学教学的二维仿真交互软件件可实现。通过多年的探究，我们这类产品的开发，其理念、方法及技术均在国同行的前列。具备从事虚拟现实大型仿真应用系统开发成果的积存：20232023实建设方案”至今仍未落地。限制因素遇稍纵即逝：所提方案的实施打下了重要根底。三、主要攻关容及技术路线〔一〕体系构架VR方式乃至互联网+教育模式推向一个的层次。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..〔3-1-1〕依据职责及业务规划不同将系统从业务上划分为五局部：最底层为课程资源分类；中间为VR容建设、学习者〔学生〕行为及VRVR学习3-1不行反向为之。各局部职责及业务描化如下:可以和现有的网络课程资源〔4A〕对接。资源分类业务为VRVR维护。资源分类如图3-1-2所示：〔3-1-2〕容建设：此局部为VRVRUGC〔UserGeneratedContent指〕VR3D3Dshader程序、骨骼动画及文档资料、语音、视频等非关系型数据，对VR态圈。使用者〔学生〕行为:该业务局部承受先进的人机交互手段达成教学目标。学生通过4.VR学习环境:此局部为系统的核必功能表达，结合调用其他四局部数据营造最终自主数据〔如高速头部追踪、眼动仪数据等〕5.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状况。在评价容上从课程容学习、参与互动沟通、考试与作品和课外资源学习四个方面进展了细分和聚类，构建了基于虚拟现实环境的共性化学习评价模型。在评价结果上，依据柯氏四教育云效劳、共性化评价模型和评价层次塔，设计了共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、共性化评价模块和可视化反响模块，并通过面开展共性化评价系统的设计与开发供给有益的指导。VR，VR为推动教育变革的创战略资产。.VR3-2-1...〔3-2〕〔3-2-1〕其中根底效劳层为上层应用供给数据库效劳、会话治理、协同支持、特别处理等效劳。教学资源治理层是一个面对协同的、承受多人众包模式的资源共享平台，主要面对VR容的创作、分发、迭代更供给技术保障。面对协同的VRVR成、课程学问——场景映射、场景协同交互、用户权限把握、语义支持等多个功能模块VR在学习活动进展的同时，每个学习者的学习行为轨迹将被全面追踪记录形成构造化数据。3-3〔3-3〕数据架构VRVR景数据库包含场景信息、语义信息概念构造信息与版本信息。其中，场景信息需要具体ID、场景名称、场景描述、场景类型和场景创立者信息。学科分类树容库。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，VR壤。用户信息库。存储用户和用户专属的、共性化课程信息。用户信息与虚拟现实环境的中的虚拟人物角色〔化身〕VRMongoDBMongoDB乃至教育决策支持供给依据。方式给用户带来最正确体验。web3DHTML53-4-1〔3-4-1〕每个层之间实行上层能依靠下层而下层不能反向调用上层的策略。..mongoDBnodeJDBCDriverUnity3Dwebunity3D作为图形引擎。Unity3DUnity3DMonoDevelop，jsVR开发中来。3Dflash式，对于移动学习的移动平台建立具有重要的启发和意义。Unity3D3DDirectXOpenGL吸引力。空间，这些特性教学容得到更好的应用和普及。在web端可以WebGL+Threejsweb四、该工程的技术创点(一)技术创点面对协同的虚拟现实教学容生产方式。对于一般性的数字化教学资源，其局部都是产的，这与虚拟现实容制作难度较高有关，这种状况带来的结果是：生产人员缺乏造成VR停留在情境体验式学习阶段，对于简洁的认知与规律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3DVR境。系统以B/S架构为根底，以协同3D概念化场景为核心，辅以协同环境中的模型3D协同平台的搭建成为可能。整体框架自上而下3D3D系统储存层等。数据驱动。现有的互动教学资源大局部成碎片状态，缺乏统一调度和治理，更缺乏以数据作为驱动的设计思想和实践。VR动、多用户数据共享、实时数据生成的全环境，数据贯穿整个学习活动之中。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、更下不缺失根本的教学功能。虚拟场景合成与冲突处理制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规律算法和实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比较全部用户的版本V,V…Vn是否与Vc一样，假设不同，相应用户k的操作1 2SVL等待进一步的处理。k kID为分类标志，对所用用户的操作批处理S进展划分。Foreach〔模型IDS’1S’…S’L等待进一步的处理。2 n对参与模型或删除模型操作进展单独处理。VcS’S’…S’V。1 2 n new对V进展语义冲突及几何冲突检查，假设有冲突则参与冲突列表L等待进一步处new理。V推送给用户，进展用户端的组装操作。new进一步的处理。这些冲突可简要分为指版本冲突、不行合并冲突以及语义及几何冲突。他们以递进的方式表示了为了维护协同环境中数据全都性所需要解决的问题。过基于用户优先级的选择、治理员仲裁与提示回滚技术〔Rollback〕解决虚拟场景合成与冲突问题。五、现有工作根底和条件姓 名奇姓 名奇云安迹浪性文化专业工作单位职称组具别男程度硕士计算机技术川师大高工体分工系统设计男硕士计算机技术川师大讲师系统开发男硕士三维设计川师大讲师建模〔二〕技术支持交互关联的二次开发，假设需要。〔三〕设备设施配置配套建设：“可视化计算与虚拟现实省重点试验室虚拟现实沉醉技术试验室”。详见附件--虚拟现实沉醉技术试验室建设〔四〕20六、申请根底条件〔包括主要争论成果〕1.开发条件：试验室初步具备“桌面虚拟现实---非沉醉式体验系统”开发的硬件条件：中型三维环幕一套，未报废效劳器、开发机，包括入门级渲染6台，一般未报废计算机570工程关联技术积存：·基于课标的初中化学二维仿真交互教学试验平台·基于课标的高中化学二维仿真交互教学试验平台·三维虚拟交互多人在线仿真公安培训系统·三维交互式数字展览馆系统·三维交互式园区地理系统·体验式旅游信息系统·批量交互式课件设计以上初、高中化学二维仿真教学试验平台系统经多所中学试用+改进不少于3年，具备有用性，被国400多所中学用于教学;公安多人在线仿真培训系统通过由公安部组织、市公安局主持的验收;三维交互式数字展览馆系统、三维交互式园区地理系统均以产品方式上线;体验式旅游信息系统获市科技局主持的验收;批量交互式课件设计多个课件获全国一等奖。工程开发团队：·三维设计团队，不少于5〔专业人员20·软件开发团队，不少于5〔专业人员10·教育专家，涉及教育心理、教育方法及一线特级教师不少5人(其中局部川师附中学特级教师)式系统的开发。〔二〕增条件实施省重点试验室的“虚拟现实沉醉技术试验室”建设。详见附件七、进度安排和实施方案启动期阶段做好以下工作：尽快使“虚拟现实沉醉技术试验室”落地，启动虚拟现实沉醉技术产品的争论开发。将基于二维的初高中化学仿真教学系统改制为基于虚拟现实桌面—非沉醉式系统的应用。开展中学物理试验教学、地理、历史、地理、语文、数学、英语类基于虚拟现实桌面4具体见下表：序序阶段阶段阶段目标号启动2023.4-2023.91.完成非沉醉性与沉醉性中学化学试验教学系统期2.完成沉醉性中学化学试验教学系统13.完成中学物理、历史、地理、语文、数学、英语需求设计4.职业学校需求调研中期2023.9-2023.91.完成非沉醉性中学物理试验教学系统与地理教学系统22.完成沉醉性中学物理试验教学系