方案背景

國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）指出：把改革創新作為教育發展的強大動力。教育要發展，根本靠改革。以體制機制改革為重點，鼓勵地方和學校大膽探索和試驗，加快重要領域和關鍵環節改革步伐。創新改革教學內容、方法、手段，建設現代學校制度。加快解決教育與資源相對短缺的矛盾、增強教育活力與體制機制約束的矛盾，為教育事業持續健康發展提供強大動力。結合實際，加緊特色創新教育資源的開發與整合，開展多種模式資源運用；加快教育信息化建設，引進優質教育資源研發技術，吸引企業合作設立教育教學、實訓、研究機構或項目。鼓勵開展多種形式的交流與合作。探索多種方式利用先進優質教育資源，促進優質教育資源普及共享；

《“十二五”國家科技計劃信息技術領域2013年度備選項目征集指南》第三部分明確指出“虛擬現實與數字媒體”，虛擬現實技術研發及應用作為一項重點扶持技術，通過國家政策引導和政府扶持等辦法促進虛擬現實技術在教育領域的發展。

2014年12月由教育部教育裝備研究與發展中心在北京成立“中國系統仿真學會3D教育與裝備專業委員會”（簡稱3D教育專委會）,來自全國和地方有關教育部門的負責人和學者、專家等參加了會議。業內專家、學者結合3D教育資源與現有課程體系整合的時代性、必要性和緊迫性做了充分論述，對3D教育的發展寄予厚望。

成立該專委會的目的是著力系統解決我國3D教育領域目前存在的一些問題，營造3D教育良好的學術氛圍，打造3D教育良好的生態圈，制定我國3D教育裝備的行業標準，引領我國3D教育健康有序的發展。

國家主席習近平給2015年5月在青島舉行的國際教育信息化大會的賀信中強調，因應信息技術的發展，推動教育變革和創新，構建網絡化、數字化、個性化、終身化的教育體系，建設“人人皆學、處處能學、時時可學”的學習型社會，培養大批創新人才。

需求分析

多媒體教室一直以來都是學校信息化建設的重點，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，不僅豐富了教學手段，擴充了教學資源，而且更提高了課堂教學效果。充實、形象、生動的授課內容，聲像并茂的教學形式，激發學生的學習興趣，強調了“以學生為主”的教學新思路，極大得提高了教學質量。

當前，各大院校隨著多媒體教室的不斷引入，多媒體教室建設需求不斷發展，出現許多新的特性，必須如何才能更加生動的教學，與學生產生互動性，在不斷減輕老師壓力的同時，能更快速的提高教學質量，這是對現代多媒體教學更高的要求，也是本次項目設計的要求：

利用3D互動智能教室進行基于3D互動教學軟件的體驗式教學；

基于互動教學的思路，采用3D互動教學；

利用多媒體影視顯示設備來顯示3D視頻圖像及媒體信息，以豐富老師的教學內容；

利用3D互動教學設備來實現創新課堂的互動教學；

整個項目設計在設備選型上，我們采用了針對教育行業的知名企業所生產的一系列產品，并針對教育，聯合教育部一起研發了一系列配套3D教學資源；在3D教育行業受到了老師的一致好評。

建設原則

1)3D互動智能教室的簡單易用和個性化需求。

由于每個老師對計算機的掌握程度不同，老師需要3D互動智能教室簡單易用，一看就會，輕松連接，而無須太多復雜的操作便能夠很快的進行信息化教學。

2)3D互動智能教室使用豐富的教學功能。

信息化教學是教學的一種手段，其目的是為了提高教學效果。這種信息化手段是否符合教學習慣，是否有豐富實用的教學功能，真正幫助老師進行教學，提高教學效果就成為老師最為關心的問題。

3)產品性能優越性。

在教學過程中，3D互動智能教室使用頻率是相當高的，除了一般3D教學外，學校也可以在2D模式下用來會議研討及各種多媒體活動。因此，在產品性能選型上，必須選用性價比高的設備，以免在使用過程中出現問題，影響教學等活動。

4)良好的售后服務保障。

在整個3D互動智能教室中使用的設備必須具備良好的售后服務保障，以免真正出現問題，而不知道找哪一方負責維護和維修。

功能介紹

3D互動教學系統就是利用虛擬技術模擬難以講解的教學場景，對于在現實生活中無法觀察到的自然現象或事物的變化過程，以及一些不可能出現的場景（如金字塔是如何建成的，晶體內部結構，天體形成等），在3D教室呈現，為學生創設一個情景化的學習環境，多維度呈現學習內容，調動學生視覺、聽覺、動覺等多感官參與，讓學生們感受到極強的逼真感，使抽象的概念和理論更加直觀化、形象。并且在3D教室中學生可以放心的進行各種實驗（物理、化學）練習（如爆炸、化學反應、青蛙解剖等），不必擔心由于操作的失誤所帶來的各種危險。

3D互動教學可以使學生以全新的方式學習，如用二維方式進行教學，一些復雜的概念將很難被學生理解。而且，無論是老師的教授過程還是對學生的吸引程度，二維方式都很難與3D媲美。3D教學不僅使學生們喜歡上課，而且還能加深學生在課上學到的知識。用3D圖像解釋復雜概念時候，會變得更容易理解，利于學生更好將課程內容形象化，發揮學生想象力。經歷過3D教學的孩子，能夠通過肢體語言、模型展示等方法，增強了視覺化的記憶能力，從而幫助學生縮短了學習概念的時間，提高了學生在課堂中的注意力并使他們更深入地思考問題；縮短學生對信息的記憶時間。

3D互動教學是一個嶄新的教育方式，是視聽教育的未來發展方向，將開創一個全新教學模式。開展和推廣3D教學，將成為我國教育國際化的重要推動力。3D互動智能系統主要功能有以下幾個方面：

1)3D互動智能系統組成

3D教學環境的搭建非常便利。需要做的只是布置一間3D教室、一臺支持3D輸出DLP投影機、3D幕布、一套3D服務器及3D信號處理系統、3D眼鏡和3D互動教學軟件（軟件資源庫）。即3D互動教學軟件、3D互動智能平臺（3D服務器，3D投影機與幕布，3D同步信號處理系統，音響系統與中控系統）、3D眼鏡、3D消毒推車。

圖1：3D互動智能教學系統組成

圖2：3D互動智能教室效果圖

圖3：3D互動智能平臺系統集成效果圖

2）3D互動教學資源

3D互動教學軟件（資源）涵蓋小學、初中和高中課程知識內容；學科主要有：數學（幾何）、物理、化學、生物；科學知識主要以科普知識為主。資源近七百部。

數學（幾何）：將抽象復雜的概念，通過生動的立體展示進行分解演示；

物理：將運動、摩擦、力學、聲學、光學等轉換原理通過立體展示展示轉換過程；

化學：利用3D教學視頻互動操控，將每個獨立的元素，化學分子反應及運動，演示不同元素如何發生反應的過程原理；

生物：創設3D生態情景，將已知生活中的生命活動和生命跡象、細胞合成及分裂現象從靜態到動態、由抽象到形象；

科普知識：虛擬再現，地球板塊變遷，感知滄海桑田的歷史痕跡，太空宇宙等奧秘。

圖5：3D互動教學軟件（資源）

科普知識分為《地球科學》、《生命科學》、《自然科學》:

地球科學：虛擬再現地球科學的含義，地球的宇宙環境、地球的外部與內部圈層特征、地質年代的基本知識，地球上各種地質作用的基本原理和過程，地球的資源與環境問題、地球形成、演化的基本概念和認識；地球板塊變遷，感知滄海桑田的歷史痕跡，太空宇宙等奧秘。

生命科學：虛擬再現生物物質的化學本質，這些化學物質在體內是如何相到轉化并表現出生命特征的，生物大分子的組成和結構、細胞如何工作；形形色色的細胞怎樣完成多種多樣的功能；基因作為遺傳物質的作用的、什么機制促使細胞復制；一個受精卵細胞怎樣在發育成由許多極其不同類型的細胞構成的高度分化的多細胞生物的奇異過程中使用其遺傳信息；多種類型細胞是怎樣結合起來形成器官和組織；物種是怎樣形成的；什么因素引起進化；人類現在仍在進化嗎；在一特定的生態小生境中物種之間的關系怎樣；何種因素支配著此一生境中每一物種的數量；動物行為的生理學基礎是什么；記憶是怎樣形成的；記憶存貯在什么地方；哪些因素能夠影響學習和記憶；智力由何而來；除了在地球上，宇宙空間還有其它有智慧的生物嗎；生命是怎樣起源的；等等。

自然科學：虛擬再現大自然中有機或無機的事物和現象的科學。自然科學包括物理學、化學、地質學、生物學等等。 自然科學的根本目的在于尋找自然現象的來因。自然科學認為超自然的、隨意的和自相矛盾的實驗是不存在的。自然科學的最重要的兩個支柱是觀察和邏輯推理。由對自然的觀察和邏輯推理自然科學可以引導出大自然中的規律。假如觀察的現象與規律的預言不同，那么要么是因為觀察中有錯誤，要么是因為至此為止被認為是正確的規律是錯誤的。一個超自然因素是不存在的。

本次方案設計，針對于主授課區，通過3D激光投影機和3D立體眼鏡，進行基于3D的體驗式、沉浸式的立體教學，實現課堂教學2D和3D優質教學資源的在空間和內容上充分整合和應用，實現雙面教學，而且還能滿足?？平淌遥ㄎ锢?、生物、化學等）虛擬輔助教學需求。針對于教師，提高了教學實用性和互動性；豐富了教學手段和運用過程；提高課堂效率。針對于學生，實現沉浸式、探索性學習；提高學習興趣和未知欲；從而提升學生成績。 

（1）面向數學的資源整合

為了充分體現數學學科的具體特點，滿足數學學科的2D教學和學習需求，在動態幾何、符號計算和自動推理技術的基礎上，實現代數運算、函數作圖、幾何作圖、圖形變換、動畫、測量、跟蹤等多個功能，涵蓋代數、平面幾何、立體幾何和解析幾何等知識點?；谟嬎銠C虛擬仿真技術，通過3D教學課件更加直觀、形象、生動的展示難以想象和理解的立體幾何知識，幫助學生更加深刻地理解數學問題的本質，讓學生學習數學的過程更容易、更有趣，同時也能減輕教師教學的負擔。

（2）面向物理的資源整合

在滿足物理學科的2D教學和學習需求基礎上，通過虛擬仿真、虛擬現實技術，利用儀器元件庫的設計思想，在對中學物理實驗進行合理抽象的基礎上，設計虛擬儀器等實驗平臺；結合計算機軟件操作的特點，對實驗操作步驟進行深入分析，設計出智能感知與選擇策略，解決虛擬物理儀器選擇與實驗組合操作問題。

（3）面向化學的資源整合

在滿足化學學科的2D教學和學習需求基礎上，通過虛擬仿真技術、虛擬現實技術，將每個獨立的元素，化學分子反應及運動，演示不同元素如何發生反應的過程原理營造為一種沉浸式的化學教學環境，使學生具有身臨其境的沉浸感，能夠實現互動式化學實驗教學和理論教學。大大降低教師的勞動負擔，提高教學質量，并極大地激發學生的學習興趣。

另具有化學虛擬交互實驗項目，目錄如下：

（4）面向生物的資源整合

在滿足生物學科的2D教學和學習需求基礎上，通過虛擬仿真技術、虛擬現實技術，將已知生活中的生命活動和生命跡象、細胞合成及分裂現象從靜態到動態、由抽象到形象；營造為一種沉浸式的生物教學環境，使學生具有身臨其境的沉浸感，讓學生能輕而易舉地理解和感知微觀世界里的意識形態。激發學生求知欲望和提高記憶能力，提高學生學習興趣。

3）3D智能教學軟件

3D資源管理平臺：

1.是整個3D教學系統平臺的基礎，是所有子系統的入口點和支撐；

2.將多個子系統實現統一管理、資源共享；

3.管理平臺包含教學優質資源分類、集中管理、存儲備份、視頻資源點播、媒資教學、師生互動、隨堂演練、教學評估等功能模塊；

4.各類教學資源統一界面管理；資源可按年級、課程、主題等分類管理；

5.知識點排列遵循由淺入深，同步教學課程；

6.平臺對資源數據采用多重加密機制和安全策略，確保數據安全、完整、準確；

7.平臺模塊化設計，支持對教學資源、模塊子系統進行接口預留和擴展升級

3D互動教學軟件：

1.配合3D互動類課件，軟件包含知識點剖析、實驗探究等互動環節；

2.配合3D互動類課件，可根據教師講解需要對3D模型進行組織拆分、重點抽??；對3D實驗進行過程分解、逆向分析；滿足教師對整個教學知識點面的剖析授課；

3.配合3D互動類課件，利用互動教學軟件教師可隨意利用空鼠對某個重點3D對象進行交互式講解；

4.配合3D互動類課件，互動教學軟件為課堂模擬創造一個幾近真實的師生互動場景，配有情景化音樂且教師在剖析每個知識的同時，具有文字性向導提示和重點標識；全程輔助互動教學。

3D教學評估軟件：

1.配合3D練習類課件，軟件包含知識點隨堂演練、打分評估環節；

2.配合3D練習類課件，教師和學生可以對知識點和實驗項進行課堂實操、練習，每個知識點和步驟進行計分制，教師可現場考查學生對知識的掌握程度，提升學生動手操作能力和學習積極性；

3.配合3D練習類課件，教師可最終統計出學生的總得分，有的放矢；

4.配合3D練習類課件，整個練習環節支持過程、步驟可逆；

3D專題教育資源（校園公共安全+傳統文化）

3D專題教育主要圍繞校園安全教育與傳統文化教育為主；通過立體，形象、生動有趣的3D卡通形象，動畫情節，貼近校園安全及傳統美德文化，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、學生事故、乘坐電梯事故、自然災害事故等；

3D傳統文化教育包括：謙讓、儒學、美德、禮儀、民族精神、榜樣、誠信、和諧觀、負面道德經驗等。

圖6：3D專題教育資源

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