方案背景
國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）指出：把改革創(chuàng)新作為教育發(fā)展的強(qiáng)大動力。教育要發(fā)展，根本靠改革。以體制機(jī)制改革為重點，鼓勵地方和學(xué)校大膽探索和試驗，加快重要領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)改革步伐。創(chuàng)新改革教學(xué)內(nèi)容、方法、手段，建設(shè)現(xiàn)代學(xué)校制度。加快解決教育與資源相對短缺的矛盾、增強(qiáng)教育活力與體制機(jī)制約束的矛盾，為教育事業(yè)持續(xù)健康發(fā)展提供強(qiáng)大動力。結(jié)合實際，加緊特色創(chuàng)新教育資源的開發(fā)與整合，開展多種模式資源運(yùn)用；加快教育信息化建設(shè)，引進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源研發(fā)技術(shù)，吸引企業(yè)合作設(shè)立教育教學(xué)、實訓(xùn)、研究機(jī)構(gòu)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(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源普及共享；
《“十二五”國家科技計劃信息技術(shù)領(lǐng)域2013年度備選項目征集指南》第三部分明確指出“虛擬現(xiàn)實與數(shù)字媒體”，虛擬現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用作為一項重點扶持技術(shù)，通過國家政策引導(dǎo)和政府扶持等辦法促進(jìn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展。
2014年12月由教育部教育裝備研究與發(fā)展中心在北京成立“中國系統(tǒng)仿真學(xué)會3D教育與裝備專業(yè)委員會”（簡稱3D教育專委會）,來自全國和地方有關(guān)教育部門的負(fù)責(zé)人和學(xué)者、專家等參加了會議。業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者結(jié)合3D教育資源與現(xiàn)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(fā)展寄予厚望。
成立該專委會的目的是著力系統(tǒng)解決我國3D教育領(lǐng)域目前存在的一些問題，營造3D教育良好的學(xué)術(shù)氛圍，打造3D教育良好的生態(tài)圈，制定我國3D教育裝備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，引領(lǐng)我國3D教育健康有序的發(fā)展。
國家主席習(xí)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(qiáng)調(diào)，因應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展，推動教育變革和創(chuàng)新，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個性化、終身化的教育體系，建設(shè)“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)”的學(xué)習(xí)型社會，培養(yǎng)大批創(chuàng)新人才。
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，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、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，各大院校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，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，也是本次項目設(shè)計的要求：
利用3D互動智能教室進(jìn)行基于3D互動教學(xué)軟件的體驗式教學(xué)；
基于互動教學(xué)的思路，采用3D互動教學(xué)；
利用多媒體影視顯示設(shè)備來顯示3D視頻圖像及媒體信息，以豐富老師的教學(xué)內(nèi)容；
利用3D互動教學(xué)設(shè)備來實現(xiàn)創(chuàng)新課堂的互動教學(xué)；
整個項目設(shè)計在設(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教學(xué)資源；在3D教育行業(yè)受到了老師的一致好評。
建設(shè)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(jī)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(fù)雜的操作便能夠很快的進(jìn)行信息化教學(xué)。
2)3D互動智能教室使用豐富的教學(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互動智能教室使用頻率是相當(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3D互動智能教室中使用的設(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。
功能介紹
3D互動教學(xué)系統(tǒng)就是利用虛擬技術(shù)模擬難以講解的教學(xué)場景，對于在現(xiàn)實生活中無法觀察到的自然現(xiàn)象或事物的變化過程，以及一些不可能出現(xiàn)的場景（如金字塔是如何建成的，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，天體形成等），在3D教室呈現(xiàn)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個情景化的學(xué)習(xí)環(huán)境，多維度呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，調(diào)動學(xué)生視覺、聽覺、動覺等多感官參與，讓學(xué)生們感受到極強(qiáng)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(xué)生可以放心的進(jìn)行各種實驗（物理、化學(xué)）練習(xí)（如爆炸、化學(xué)反應(yīng)、青蛙解剖等），不必?fù)?dān)心由于操作的失誤所帶來的各種危險。
3D互動教學(xué)可以使學(xué)生以全新的方式學(xué)習(xí)，如用二維方式進(jìn)行教學(xué)，一些復(fù)雜的概念將很難被學(xué)生理解。而且，無論是老師的教授過程還是對學(xué)生的吸引程度，二維方式都很難與3D媲美。3D教學(xué)不僅使學(xué)生們喜歡上課，而且還能加深學(xué)生在課上學(xué)到的知識。用3D圖像解釋復(fù)雜概念時候，會變得更容易理解，利于學(xué)生更好將課程內(nèi)容形象化，發(fā)揮學(xué)生想象力。經(jīng)歷過3D教學(xué)的孩子，能夠通過肢體語言、模型展示等方法，增強(qiáng)了視覺化的記憶能力，從而幫助學(xué)生縮短了學(xué)習(xí)概念的時間，提高了學(xué)生在課堂中的注意力并使他們更深入地思考問題；縮短學(xué)生對信息的記憶時間。
3D互動教學(xué)是一個嶄新的教育方式，是視聽教育的未來發(fā)展方向，將開創(chuàng)一個全新教學(xué)模式。開展和推廣3D教學(xué)，將成為我國教育國際化的重要推動力。3D互動智能系統(tǒng)主要功能有以下幾個方面：
1)3D互動智能系統(tǒng)組成
3D教學(xué)環(huán)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(jī)、3D幕布、一套3D服務(wù)器及3D信號處理系統(tǒng)、3D眼鏡和3D互動教學(xué)軟件（軟件資源庫）。即3D互動教學(xué)軟件、3D互動智能平臺（3D服務(wù)器，3D投影機(jī)與幕布，3D同步信號處理系統(tǒng)，音響系統(tǒng)與中控系統(tǒng)）、3D眼鏡、3D消毒推車。
圖1：3D互動智能教學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)集成效果圖
2）3D互動教學(xué)資源
3D互動教學(xué)軟件（資源）涵蓋小學(xué)、初中和高中課程知識內(nèi)容；學(xué)科主要有：數(shù)學(xué)（幾何）、物理、化學(xué)、生物；科學(xué)知識主要以科普知識為主。資源近七百部。
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，將每個獨立的元素，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；
科普知識：虛擬再現(xiàn)，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(xué)軟件（資源）
科普知識分為《地球科學(xué)》、《生命科學(xué)》、《自然科學(xué)》:
地球科學(xué)：虛擬再現(xiàn)地球科學(xué)的含義，地球的宇宙環(huán)境、地球的外部與內(nèi)部圈層特征、地質(zhì)年代的基本知識，地球上各種地質(zhì)作用的基本原理和過程，地球的資源與環(huán)境問題、地球形成、演化的基本概念和認(rèn)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(xué)：虛擬再現(xiàn)生物物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)在體內(nèi)是如何相到轉(zhuǎn)化并表現(xiàn)出生命特征的，生物大分子的組成和結(jié)構(gòu)、細(xì)胞如何工作；形形色色的細(xì)胞怎樣完成多種多樣的功能；基因作為遺傳物質(zhì)的作用的、什么機(jī)制促使細(xì)胞復(fù)制；一個受精卵細(xì)胞怎樣在發(fā)育成由許多極其不同類型的細(xì)胞構(gòu)成的高度分化的多細(xì)胞生物的奇異過程中使用其遺傳信息；多種類型細(xì)胞是怎樣結(jié)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(jìn)化；人類現(xiàn)在仍在進(jìn)化嗎；在一特定的生態(tài)小生境中物種之間的關(guān)系怎樣；何種因素支配著此一生境中每一物種的數(shù)量；動物行為的生理學(xué)基礎(chǔ)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(xué)習(xí)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(xué)：虛擬再現(xiàn)大自然中有機(jī)或無機(jī)的事物和現(xiàn)象的科學(xué)。自然科學(xué)包括物理學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)等等。 自然科學(xué)的根本目的在于尋找自然現(xiàn)象的來因。自然科學(xué)認(rèn)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(xué)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(xué)可以引導(dǎo)出大自然中的規(guī)律。假如觀察的現(xiàn)象與規(guī)律的預(yù)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(rèn)為是正確的規(guī)律是錯誤的。一個超自然因素是不存在的。
本次方案設(shè)計，針對于主授課區(qū)，通過3D激光投影機(jī)和3D立體眼鏡，進(jìn)行基于3D的體驗式、沉浸式的立體教學(xué)，實現(xiàn)課堂教學(xué)2D和3D優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的在空間和內(nèi)容上充分整合和應(yīng)用，實現(xiàn)雙面教學(xué)，而且還能滿足專科教室（物理、生物、化學(xué)等）虛擬輔助教學(xué)需求。針對于教師，提高了教學(xué)實用性和互動性；豐富了教學(xué)手段和運(yùn)用過程；提高課堂效率。針對于學(xué)生，實現(xiàn)沉浸式、探索性學(xué)習(xí)；提高學(xué)習(xí)興趣和未知欲；從而提升學(xué)生成績。
（1）面向數(shù)學(xué)的資源整合
為了充分體現(xiàn)數(shù)學(xué)學(xué)科的具體特點，滿足數(shù)學(xué)學(xué)科的2D教學(xué)和學(xué)習(xí)需求，在動態(tài)幾何、符號計算和自動推理技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)代數(shù)運(yùn)算、函數(shù)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(shù)、平面幾何、立體幾何和解析幾何等知識點?；谟嬎銠C(jī)虛擬仿真技術(shù)，通過3D教學(xué)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(xué)生更加深刻地理解數(shù)學(xué)問題的本質(zhì)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的過程更容易、更有趣，同時也能減輕教師教學(xué)的負(fù)擔(dān)。
（2）面向物理的資源整合
在滿足物理學(xué)科的2D教學(xué)和學(xué)習(xí)需求基礎(chǔ)上，通過虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用儀器元件庫的設(shè)計思想，在對中學(xué)物理實驗進(jìn)行合理抽象的基礎(chǔ)上，設(shè)計虛擬儀器等實驗平臺；結(jié)合計算機(jī)軟件操作的特點，對實驗操作步驟進(jìn)行深入分析，設(shè)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(xué)的資源整合
在滿足化學(xué)學(xué)科的2D教學(xué)和學(xué)習(xí)需求基礎(chǔ)上，通過虛擬仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將每個獨立的元素，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)的過程原理營造為一種沉浸式的化學(xué)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生具有身臨其境的沉浸感，能夠?qū)崿F(xiàn)互動式化學(xué)實驗教學(xué)和理論教學(xué)。大大降低教師的勞動負(fù)擔(dān)，提高教學(xué)質(zhì)量，并極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
另具有化學(xué)虛擬交互實驗項目，目錄如下：
序號 | 目錄 | 最新名稱（確定目錄） | 備注 |
1 | 第一單元課題2 | 對蠟燭及其燃燒的探究 |
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2 | 第一單元課題3 | 固體藥品的取用 |
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3 | 液體藥品的取用 |
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4 | 酒精燈的使用方法 |
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5 | 給物質(zhì)加熱 |
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6 | 連接儀器裝置 |
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7 | 第二單元課題1 | 測定空氣里氧氣的含量 |
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8 | 第二單元課題2 | 硫分別在空氣和氧氣里燃燒 |
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9 | 木炭分別在空氣和氧氣中燃燒 |
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10 | 鐵絲在氧氣中劇烈燃燒 |
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... | ... | ...... |
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（4）面向生物的資源整合
在滿足生物學(xué)科的2D教學(xué)和學(xué)習(xí)需求基礎(chǔ)上，通過虛擬仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，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；營造為一種沉浸式的生物教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生具有身臨其境的沉浸感，讓學(xué)生能輕而易舉地理解和感知微觀世界里的意識形態(tài)。激發(fā)學(xué)生求知欲望和提高記憶能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。
3）3D智能教學(xué)軟件
3D資源管理平臺：
1.是整個3D教學(xué)系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)，是所有子系統(tǒng)的入口點和支撐；
2.將多個子系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一管理、資源共享；
3.管理平臺包含教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源分類、集中管理、存儲備份、視頻資源點播、媒資教學(xué)、師生互動、隨堂演練、教學(xué)評估等功能模塊；
4.各類教學(xué)資源統(tǒng)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(xué)課程；
6.平臺對資源數(shù)據(jù)采用多重加密機(jī)制和安全策略，確保數(shù)據(jù)安全、完整、準(zhǔn)確；
7.平臺模塊化設(shè)計，支持對教學(xué)資源、模塊子系統(tǒng)進(jìn)行接口預(yù)留和擴(kuò)展升級
3D互動教學(xué)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(huán)節(jié)；
2.配合3D互動類課件，可根據(jù)教師講解需要對3D模型進(jìn)行組織拆分、重點抽?。粚?D實驗進(jìn)行過程分解、逆向分析；滿足教師對整個教學(xué)知識點面的剖析授課；
3.配合3D互動類課件，利用互動教學(xué)軟件教師可隨意利用空鼠對某個重點3D對象進(jìn)行交互式講解；
4.配合3D互動類課件，互動教學(xué)軟件為課堂模擬創(chuàng)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?qū)崾竞椭攸c標(biāo)識；全程輔助互動教學(xué)。
3D教學(xué)評估軟件：
1.配合3D練習(xí)類課件，軟件包含知識點隨堂演練、打分評估環(huán)節(jié)；
2.配合3D練習(xí)類課件，教師和學(xué)生可以對知識點和實驗項進(jìn)行課堂實操、練習(xí)，每個知識點和步驟進(jìn)行計分制，教師可現(xiàn)場考查學(xué)生對知識的掌握程度，提升學(xué)生動手操作能力和學(xué)習(xí)積極性；
3.配合3D練習(xí)類課件，教師可最終統(tǒng)計出學(xué)生的總得分，有的放矢；
4.配合3D練習(xí)類課件，整個練習(xí)環(huán)節(jié)支持過程、步驟可逆；
3D專題教育資源（校園公共安全+傳統(tǒng)文化）
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)驗等。
圖6：3D專題教育資源
課件名稱 | 課件簡介 | 類別 | 專題 |
《遠(yuǎn)離吃人的汽車》 | 如果不幸被困在車中，知道如何逃生自救 | 意外傷害 | 校車安全 |
《對五毛食品說“不”》 | 了解什么是五毛食品并認(rèn)識其危害 | 公共衛(wèi)生 | 飲食安全 |
《熱身運(yùn)動的必要性》 | 了解并認(rèn)識熱身運(yùn)動的重要性 | 意外傷害 | 運(yùn)動安全 |
《回家的路線》 | 掌握行路安全的注意事項 | 意外傷害 | 交通安全 |
《霧霾天氣應(yīng)注意的安全事項》 | 了解并認(rèn)識什么是霧霾，霧霾帶來的危害 | 自然災(zāi)害 | 氣象災(zāi)害 |
... | ... | ... | ... |
案例圖片
