方案背景

国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）指出：把改革创新作为教育发展的强大动力。教育要发展，根本靠改革。以体制机制改革为重点，鼓励地方和学校大胆探索和试验，加快重要领域和关键环节改革步伐。创新改革教学内容、方法、手段，建设现代学校制度。加快解决教育与资源相对短缺的矛盾、增强教育活力与体制机制约束的矛盾，为教育事业持续健康发展提供强大动力。结合实际，加紧特色创新教育资源的开发与整合，开展多种模式资源运用；加快教育信息化建设，引进优质教育资源研发技术，吸引企业合作设立教育教学、实训、研究机构或项目。鼓励开展多种形式的交流与合作。探索多种方式利用先进优质教育资源，促进优质教育资源普及共享；

《“十二五”国家科技计划信息技术领域2013年度备选项目征集指南》第三部分明确指出“虚拟现实与数字媒体”，虚拟现实技术研发及应用作为一项重点扶持技术，通过国家政策引导和政府扶持等办法促进虚拟现实技术在教育领域的发展。

2014年12月由教育部教育装备研究与发展中心在北京成立“中国系统仿真学会3D教育与装备专业委员会”（简称3D教育专委会）,来自全国和地方有关教育部门的负责人和学者、专家等参加了会议。业内专家、学者结合3D教育资源与现有课程体系整合的时代性、必要性和紧迫性做了充分论述，对3D教育的发展寄予厚望。

成立该专委会的目的是着力系统解决我国3D教育领域目前存在的一些问题，营造3D教育良好的学术氛围，打造3D教育良好的生态圈，制定我国3D教育装备的行业标准，引领我国3D教育健康有序的发展。

国家主席习近平给2015年5月在青岛举行的国际教育信息化大会的贺信中强调，因应信息技术的发展，推动教育变革和创新，构建网络化、数字化、个性化、终身化的教育体系，建设“人人皆学、处处能学、时时可学”的学习型社会，培养大批创新人才。

需求分析

多媒体教室一直以来都是学校信息化建设的重点，通过将文字、图形、图像、声音集合在一起，采用生动活泼的声像显示，不仅丰富了教学手段，扩充了教学资源，而且更提高了课堂教学效果。充实、形象、生动的授课内容，声像并茂的教学形式，激发学生的学习兴趣，强调了“以学生为主”的教学新思路，极大得提高了教学质量。

当前，各大院校随着多媒体教室的不断引入，多媒体教室建设需求不断发展，出现许多新的特性，必须如何才能更加生动的教学，与学生产生互动性，在不断减轻老师压力的同时，能更快速的提高教学质量，这是对现代多媒体教学更高的要求，也是本次项目设计的要求：

利用3D互动智能教室进行基于3D互动教学软件的体验式教学；

基于互动教学的思路，采用3D互动教学；

利用多媒体影视显示设备来显示3D视频图像及媒体信息，以丰富老师的教学内容；

利用3D互动教学设备来实现创新课堂的互动教学；

整个项目设计在设备选型上，我们采用了针对教育行业的知名企业所生产的一系列产品，并针对教育，联合教育部一起研发了一系列配套3D教学资源；在3D教育行业受到了老师的一致好评。

建设原则

1)3D互动智能教室的简单易用和个性化需求。

由于每个老师对计算机的掌握程度不同，老师需要3D互动智能教室简单易用，一看就会，轻松连接，而无须太多复杂的操作便能够很快的进行信息化教学。

2)3D互动智能教室使用丰富的教学功能。

信息化教学是教学的一种手段，其目的是为了提高教学效果。这种信息化手段是否符合教学习惯，是否有丰富实用的教学功能，真正帮助老师进行教学，提高教学效果就成为老师最为关心的问题。

3)产品性能优越性。

在教学过程中，3D互动智能教室使用频率是相当高的，除了一般3D教学外，学校也可以在2D模式下用来会议研讨及各种多媒体活动。因此，在产品性能选型上，必须选用性价比高的设备，以免在使用过程中出现问题，影响教学等活动。

4)良好的售后服务保障。

在整个3D互动智能教室中使用的设备必须具备良好的售后服务保障，以免真正出现问题，而不知道找哪一方负责维护和维修。

功能介绍

3D互动教学系统就是利用虚拟技术模拟难以讲解的教学场景，对于在现实生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，以及一些不可能出现的场景（如金字塔是如何建成的，晶体内部结构，天体形成等），在3D教室呈现，为学生创设一个情景化的学习环境，多维度呈现学习内容，调动学生视觉、听觉、动觉等多感官参与，让学生们感受到极强的逼真感，使抽象的概念和理论更加直观化、形象。并且在3D教室中学生可以放心的进行各种实验（物理、化学）练习（如爆炸、化学反应、青蛙解剖等），不必担心由于操作的失误所带来的各种危险。

3D互动教学可以使学生以全新的方式学习，如用二维方式进行教学，一些复杂的概念将很难被学生理解。而且，无论是老师的教授过程还是对学生的吸引程度，二维方式都很难与3D媲美。3D教学不仅使学生们喜欢上课，而且还能加深学生在课上学到的知识。用3D图像解释复杂概念时候，会变得更容易理解，利于学生更好将课程内容形象化，发挥学生想象力。经历过3D教学的孩子，能够通过肢体语言、模型展示等方法，增强了视觉化的记忆能力，从而帮助学生缩短了学习概念的时间，提高了学生在课堂中的注意力并使他们更深入地思考问题；缩短学生对信息的记忆时间。

3D互动教学是一个崭新的教育方式，是视听教育的未来发展方向，将开创一个全新教学模式。开展和推广3D教学，将成为我国教育国际化的重要推动力。3D互动智能系统主要功能有以下几个方面：

1)3D互动智能系统组成

3D教学环境的搭建非常便利。需要做的只是布置一间3D教室、一台支持3D输出DLP投影机、3D幕布、一套3D服务器及3D信号处理系统、3D眼镜和3D互动教学软件（软件资源库）。即3D互动教学软件、3D互动智能平台（3D服务器，3D投影机与幕布，3D同步信号处理系统，音响系统与中控系统）、3D眼镜、3D消毒推车。

图1：3D互动智能教学系统组成

图2：3D互动智能教室效果图

图3：3D互动智能平台系统集成效果图

2）3D互动教学资源

3D互动教学软件（资源）涵盖小学、初中和高中课程知识内容；学科主要有：数学（几何）、物理、化学、生物；科学知识主要以科普知识为主。资源近七百部。

数学（几何）：将抽象复杂的概念，通过生动的立体展示进行分解演示；

物理：将运动、摩擦、力学、声学、光学等转换原理通过立体展示展示转换过程；

化学：利用3D教学视频互动操控，将每个独立的元素，化学分子反应及运动，演示不同元素如何发生反应的过程原理；

生物：创设3D生态情景，将已知生活中的生命活动和生命迹象、细胞合成及分裂现象从静态到动态、由抽象到形象；

科普知识：虚拟再现，地球板块变迁，感知沧海桑田的历史痕迹，太空宇宙等奥秘。

图5：3D互动教学软件（资源）

科普知识分为《地球科学》、《生命科学》、《自然科学》:

地球科学：虚拟再现地球科学的含义，地球的宇宙环境、地球的外部与内部圈层特征、地质年代的基本知识，地球上各种地质作用的基本原理和过程，地球的资源与环境问题、地球形成、演化的基本概念和认识；地球板块变迁，感知沧海桑田的历史痕迹，太空宇宙等奥秘。

生命科学：虚拟再现生物物质的化学本质，这些化学物质在体内是如何相到转化并表现出生命特征的，生物大分子的组成和结构、细胞如何工作；形形色色的细胞怎样完成多种多样的功能；基因作为遗传物质的作用的、什么机制促使细胞复制；一个受精卵细胞怎样在发育成由许多极其不同类型的细胞构成的高度分化的多细胞生物的奇异过程中使用其遗传信息；多种类型细胞是怎样结合起来形成器官和组织；物种是怎样形成的；什么因素引起进化；人类现在仍在进化吗；在一特定的生态小生境中物种之间的关系怎样；何种因素支配着此一生境中每一物种的数量；动物行为的生理学基础是什么；记忆是怎样形成的；记忆存贮在什么地方；哪些因素能够影响学习和记忆；智力由何而来；除了在地球上，宇宙空间还有其它有智慧的生物吗；生命是怎样起源的；等等。

自然科学：虚拟再现大自然中有机或无机的事物和现象的科学。自然科学包括物理学、化学、地质学、生物学等等。 自然科学的根本目的在于寻找自然现象的来因。自然科学认为超自然的、随意的和自相矛盾的实验是不存在的。自然科学的最重要的两个支柱是观察和逻辑推理。由对自然的观察和逻辑推理自然科学可以引导出大自然中的规律。假如观察的现象与规律的预言不同，那么要么是因为观察中有错误，要么是因为至此为止被认为是正确的规律是错误的。一个超自然因素是不存在的。

本次方案设计，针对于主授课区，通过3D激光投影机和3D立体眼镜，进行基于3D的体验式、沉浸式的立体教学，实现课堂教学2D和3D优质教学资源的在空间和内容上充分整合和应用，实现双面教学，而且还能满足专科教室（物理、生物、化学等）虚拟辅助教学需求。针对于教师，提高了教学实用性和互动性；丰富了教学手段和运用过程；提高课堂效率。针对于学生，实现沉浸式、探索性学习；提高学习兴趣和未知欲；从而提升学生成绩。 

（1）面向数学的资源整合

为了充分体现数学学科的具体特点，满足数学学科的2D教学和学习需求，在动态几何、符号计算和自动推理技术的基础上，实现代数运算、函数作图、几何作图、图形变换、动画、测量、跟踪等多个功能，涵盖代数、平面几何、立体几何和解析几何等知识点。基于计算机虚拟仿真技术，通过3D教学课件更加直观、形象、生动的展示难以想象和理解的立体几何知识，帮助学生更加深刻地理解数学问题的本质，让学生学习数学的过程更容易、更有趣，同时也能减轻教师教学的负担。

（2）面向物理的资源整合

在满足物理学科的2D教学和学习需求基础上，通过虚拟仿真、虚拟现实技术，利用仪器元件库的设计思想，在对中学物理实验进行合理抽象的基础上，设计虚拟仪器等实验平台；结合计算机软件操作的特点，对实验操作步骤进行深入分析，设计出智能感知与选择策略，解决虚拟物理仪器选择与实验组合操作问题。

（3）面向化学的资源整合

在满足化学学科的2D教学和学习需求基础上，通过虚拟仿真技术、虚拟现实技术，将每个独立的元素，化学分子反应及运动，演示不同元素如何发生反应的过程原理营造为一种沉浸式的化学教学环境，使学生具有身临其境的沉浸感，能够实现互动式化学实验教学和理论教学。大大降低教师的劳动负担，提高教学质量，并极大地激发学生的学习兴趣。

另具有化学虚拟交互实验项目，目录如下：

（4）面向生物的资源整合

在满足生物学科的2D教学和学习需求基础上，通过虚拟仿真技术、虚拟现实技术，将已知生活中的生命活动和生命迹象、细胞合成及分裂现象从静态到动态、由抽象到形象；营造为一种沉浸式的生物教学环境，使学生具有身临其境的沉浸感，让学生能轻而易举地理解和感知微观世界里的意识形态。激发学生求知欲望和提高记忆能力，提高学生学习兴趣。

3）3D智能教学软件

3D资源管理平台：

1.是整个3D教学系统平台的基础，是所有子系统的入口点和支撑；

2.将多个子系统实现统一管理、资源共享；

3.管理平台包含教学优质资源分类、集中管理、存储备份、视频资源点播、媒资教学、师生互动、随堂演练、教学评估等功能模块；

4.各类教学资源统一界面管理；资源可按年级、课程、主题等分类管理；

5.知识点排列遵循由浅入深，同步教学课程；

6.平台对资源数据采用多重加密机制和安全策略，确保数据安全、完整、准确；

7.平台模块化设计，支持对教学资源、模块子系统进行接口预留和扩展升级

3D互动教学软件：

1.配合3D互动类课件，软件包含知识点剖析、实验探究等互动环节；

2.配合3D互动类课件，可根据教师讲解需要对3D模型进行组织拆分、重点抽取；对3D实验进行过程分解、逆向分析；满足教师对整个教学知识点面的剖析授课；

3.配合3D互动类课件，利用互动教学软件教师可随意利用空鼠对某个重点3D对象进行交互式讲解；

4.配合3D互动类课件，互动教学软件为课堂模拟创造一个几近真实的师生互动场景，配有情景化音乐且教师在剖析每个知识的同时，具有文字性向导提示和重点标识；全程辅助互动教学。

3D教学评估软件：

1.配合3D练习类课件，软件包含知识点随堂演练、打分评估环节；

2.配合3D练习类课件，教师和学生可以对知识点和实验项进行课堂实操、练习，每个知识点和步骤进行计分制，教师可现场考查学生对知识的掌握程度，提升学生动手操作能力和学习积极性；

3.配合3D练习类课件，教师可最终统计出学生的总得分，有的放矢；

4.配合3D练习类课件，整个练习环节支持过程、步骤可逆；

3D专题教育资源（校园公共安全+传统文化）

3D专题教育主要围绕校园安全教育与传统文化教育为主；通过立体，形象、生动有趣的3D卡通形象，动画情节，贴近校园安全及传统美德文化，高度仿真教育场景。

3D校园安全教育包括：挤压事故、体育活动事故、消防事故、学生事故、乘坐电梯事故、自然灾害事故等；

3D传统文化教育包括：谦让、儒学、美德、礼仪、民族精神、榜样、诚信、和谐观、负面道德经验等。

图6：3D专题教育资源

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