虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案計(jì)劃

1、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決方案上海華一風(fēng)景觀藝術(shù)工程有限公司2017年8月第一章 需求分析一、 項(xiàng)目背景國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（20102020年）明確指出：把教育信息化納入國(guó)家信息化發(fā)展整體戰(zhàn)略，超前部署教育信息網(wǎng)絡(luò)。到2020年，基本建成覆蓋城鄉(xiāng)各級(jí)各類學(xué)校的教育信息化體系，促進(jìn)教育內(nèi)容、教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化。加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，建立數(shù)字圖書(shū)館和虛擬實(shí)驗(yàn)室。鼓勵(lì)企業(yè)和社會(huì)機(jī)構(gòu)根據(jù)教育教學(xué)改革方向和師生教學(xué)需求，開(kāi)發(fā)一批專業(yè)化教學(xué)應(yīng)用工具軟件，并通過(guò)教育資源平臺(tái)提供資源服務(wù)，推廣普及應(yīng)用。在“十三五規(guī)劃”方針政策指引下，各地陸續(xù)出臺(tái)政策，強(qiáng)調(diào)數(shù)理化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性。2016年，北京公

2、布了中高考的新方案，強(qiáng)調(diào)義務(wù)教育階段所有科目都設(shè)為100分，表示它們?cè)诹x務(wù)教育與學(xué)生成長(zhǎng)中同等重要，不再人為去區(qū)分主次，使學(xué)校、老師、家長(zhǎng)、社會(huì)對(duì)每一門學(xué)科都很重重視，其中物生化實(shí)驗(yàn)部分占分比例為30%，高考不再文理分科。繼北京重磅發(fā)布此消息后，河南教育廳發(fā)布關(guān)于2016年普通高中招生工作的意見(jiàn)，其中明確要求理化生實(shí)驗(yàn)操作考試滿分為30分；安徽省初中畢業(yè)升學(xué)理化實(shí)驗(yàn)操作考試分?jǐn)?shù)為15分，考試成績(jī)計(jì)入考生中考錄取總分；山西省理化實(shí)驗(yàn)操作10分。教育部發(fā)布了教育部關(guān)于印發(fā)的通知要求，2017年秋季起，小學(xué)科學(xué)課程起始年級(jí)調(diào)整為一年級(jí)。要按照小學(xué)一、二年級(jí)每周不少于1課時(shí)安排課程，三至六年級(jí)的課時(shí)數(shù)

3、保持不變。而如今有些地區(qū)小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)卻不被人們所重視,且存在著科學(xué)儀器和設(shè)備欠缺以及實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)少甚至不開(kāi)設(shè)的現(xiàn)象,而師資力量薄弱也是一大問(wèn)題。二、 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀 學(xué)校經(jīng)費(fèi)緊張、實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊或不足 課程學(xué)時(shí)短，講授內(nèi)容多，課堂效率低下 學(xué)生參與度不高，學(xué)習(xí)興趣不夠，缺乏主動(dòng)性 沒(méi)有理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境，高危實(shí)驗(yàn)很難呈現(xiàn)和操作 師生不能隨時(shí)攜帶實(shí)驗(yàn)設(shè)備，做實(shí)驗(yàn)只能去實(shí)驗(yàn)室 某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察，實(shí)驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng) 實(shí)驗(yàn)誤差不好體現(xiàn)，滿足不了實(shí)際實(shí)驗(yàn)講解需要 非正規(guī)操作由于破壞性大，成本較高，很難展示實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種故障現(xiàn)象 流程化的實(shí)驗(yàn)操作模式，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維 小學(xué)科學(xué)師資力量薄弱，實(shí)驗(yàn)器材缺乏三

4、、 用戶需求(一) 解決學(xué)生隨時(shí)多次的實(shí)驗(yàn)練習(xí)需求實(shí)驗(yàn)是理化生和小學(xué)科學(xué)（簡(jiǎn)稱小科）學(xué)科的重要組成部分，也是課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，由于學(xué)生群體的數(shù)量龐大和教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)的不足，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)不能滿足學(xué)生多次、隨時(shí)的學(xué)習(xí)一門實(shí)驗(yàn)的要求。(二) 實(shí)驗(yàn)的安全性與便捷性保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)的安全性是校方考慮的第一要素，如何在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生參與更多的實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)提高學(xué)習(xí)興趣提高實(shí)驗(yàn)效率。(三) 實(shí)驗(yàn)校本資源的建設(shè)，如何服務(wù)于全校所有師生實(shí)驗(yàn)課件資源匱乏，而且資源相對(duì)分散，學(xué)科教師需要花費(fèi)大量的精力尋找合適的資源；資源的匹配性較差，尤其是希望動(dòng)態(tài)展示的器材元器件，大多數(shù)是靜態(tài)的圖片形式或是只能按照固定步

5、驟操作的flash形式，很難滿足常規(guī)的教學(xué)需求；能實(shí)現(xiàn)配合實(shí)際習(xí)題講解的實(shí)驗(yàn)資源幾乎沒(méi)有；有些需要理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境才能完成的實(shí)驗(yàn)，很難展示或?qū)嶋H演示。(四) 需要長(zhǎng)周期才能完成的實(shí)驗(yàn)，課堂效率和效果如何保障實(shí)驗(yàn)課時(shí)較短，需要長(zhǎng)周期才能完成的實(shí)驗(yàn)，課堂效果不理想，所以，目前課堂的實(shí)際情況是，只能靠老師“說(shuō)”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很難理解。(五) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式固定，教學(xué)模式需要?jiǎng)?chuàng)新固定的教學(xué)模式，缺乏自主創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)主要分為：講實(shí)驗(yàn)、做實(shí)驗(yàn)和畫實(shí)驗(yàn)三大部分。其中，“講實(shí)驗(yàn)”大多數(shù)是靠老師講，學(xué)生聽(tīng)，很難給學(xué)生直觀、立體的視覺(jué)沖擊，效果大打折扣；“做實(shí)驗(yàn)”是我們一直提倡學(xué)生需要?jiǎng)邮秩ンw驗(yàn)、去操作的，但現(xiàn)實(shí)情況往往是沒(méi)

6、有辦法滿足學(xué)生隨時(shí)多次的實(shí)驗(yàn)練習(xí)需求；“畫實(shí)驗(yàn)”一般是老師在黑板上畫實(shí)驗(yàn)的相關(guān)結(jié)構(gòu)圖、原理圖等，比如物理的電路圖等，這種畫圖是必要的，但存在的問(wèn)題是，很難全方位動(dòng)態(tài)展示效果以及內(nèi)部的邏輯關(guān)系，比如電路圖，無(wú)法展示電路中各元器件之間的動(dòng)態(tài)邏輯關(guān)系，但是如果有專業(yè)的輔助軟件，不僅高效，而且能形象地展示出電路中的各種動(dòng)態(tài)關(guān)系，形象、直觀、高效。第二章 建設(shè)原則針對(duì)用戶這些迫切需求，學(xué)校需要建立一套完整的實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)資源，滿足全校師生隨時(shí)多次使用。實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)提供實(shí)驗(yàn)中實(shí)用、好用、難找的實(shí)驗(yàn)資源和實(shí)驗(yàn)工具。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)教學(xué)，需要鼓勵(lì)和提倡學(xué)生進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作，這是任何的資源和軟件都是不能替代的功能，所以，

7、實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)的定位是輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。一、 建設(shè)目標(biāo)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)緊貼教學(xué)大綱，滿足學(xué)校仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)質(zhì)資源的需要，并在此基礎(chǔ)上，引領(lǐng)學(xué)校教師開(kāi)展基于常態(tài)化的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。在豐富校本資源建設(shè)的同時(shí)，協(xié)助教師備課、上課；降低實(shí)驗(yàn)操作成本與難度，增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與安全性。圖1：實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)問(wèn)題解決示意圖二、 建設(shè)原則 實(shí)用性原則虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)緊扣教學(xué)大綱要求，深挖一線教師課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)各個(gè)痛點(diǎn)，提供具有最優(yōu)實(shí)驗(yàn)器材和資源以及性價(jià)比的產(chǎn)品。 經(jīng)濟(jì)性原則在滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能及體驗(yàn)度的前提下，盡量降低升級(jí)和維護(hù)成本。 針對(duì)性原則虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與利用是為了課程目標(biāo)的有效達(dá)成，針對(duì)不

8、同的學(xué)科目標(biāo)提供與之相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)制作工具和資源。 安全性原則虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)采取必要的安全保護(hù)措施，具有高度的安全性。 可維護(hù)性原則產(chǎn)品簡(jiǎn)單、實(shí)用、易操作、易維護(hù)、支持本地部署與私有云部署。第三章 系統(tǒng)總體解決方案一、 總體架構(gòu)提供虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)官方授權(quán)的許可用戶可在線訪問(wèn)虛擬實(shí)驗(yàn)，全校師生通用。若學(xué)校已有校園云平臺(tái)，支持將虛擬實(shí)驗(yàn)直接對(duì)接到指定的校園云平臺(tái)上（非第三方平臺(tái)），師生通過(guò)單點(diǎn)登錄即可訪問(wèn)使用。同時(shí)，為了方便教師上課離線使用，單獨(dú)給學(xué)科老師配備客戶端賬號(hào)，支持線上線下使用，完全不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，保障正常的課堂教學(xué)。使用終端上，支持跨平臺(tái)訪問(wèn)，windows、IOS、Andro

9、id全平臺(tái)適應(yīng)，滿足實(shí)際教學(xué)需求。向?qū)W校提供訪問(wèn)地址和許可使用賬號(hào)，師生可根據(jù)實(shí)際情況選擇使用終端，方便高效。圖2：虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)架構(gòu)圖二、 學(xué)科簡(jiǎn)介2.1虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)-小學(xué)科學(xué)小學(xué)科學(xué)涵蓋了小學(xué)1-6年級(jí)的主流教材版本生命世界、物質(zhì)世界、地球與宇宙等領(lǐng)域的234個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是目前市面上最完整的小學(xué)科學(xué)教學(xué)資源，可以培養(yǎng)小學(xué)生初步的科學(xué)探究能力。圖2-1：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小學(xué)科學(xué)界面示意圖寓教于樂(lè)，培養(yǎng)小學(xué)生初步的科學(xué)探究能力圖2-2：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)步驟示意圖多維度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過(guò)程，強(qiáng)化、鞏固學(xué)科知識(shí)。解決因客觀因素（天氣、光線等）影響給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)不便的問(wèn)題。圖2-3：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小學(xué)科學(xué)實(shí)

10、驗(yàn)示意圖解決因觀察時(shí)間較長(zhǎng)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)不便的問(wèn)題（如鐵釘生銹實(shí)驗(yàn)）。圖2-4：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小學(xué)科學(xué)生銹實(shí)驗(yàn)示意圖多維立體展示，效果逼真。圖2-5：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小學(xué)科學(xué)立體展示示意圖零入門，實(shí)驗(yàn)操作設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。圖2-6：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小學(xué)科學(xué)易操作實(shí)驗(yàn)示意圖2.2其他學(xué)科展示圖2-7虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)物理家庭電路示意圖圖2-8虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)物理電磁學(xué)示意圖圖2-9虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)物理力學(xué)示意圖圖2-10虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)生物示意圖圖2-11：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)生物3D鳥(niǎo)類模型示意圖圖2-12虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)生物觀察實(shí)驗(yàn)示意圖第四章 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)通過(guò)多媒體手段，依托學(xué)科特色，建立富有科技感的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，滿足師生多次、隨時(shí)地進(jìn)行

11、實(shí)驗(yàn)探究和學(xué)習(xí)需求。在直觀、立體、高效、多樣化的人機(jī)互動(dòng)過(guò)程中，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也滿足了學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。同時(shí)，不受物理空間、時(shí)間的限制。集探究性、趣味性、科學(xué)性于一體。實(shí)驗(yàn)主要系列產(chǎn)品有：物理（初高中）、化學(xué)（初高中）、生物（初高中）、小科（1-6年級(jí)）。其中，生物提供豐富的3D模型，呈現(xiàn)多姿多彩的生物世界；物理和化學(xué)內(nèi)置獨(dú)特的引擎，讓每個(gè)器材都“活”起來(lái)，自由擺放、任意組裝、參數(shù)任意調(diào)節(jié)、相互影響、疊加運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象真實(shí)逼真、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)無(wú)誤，是目前市面上唯一一款真正具備探索性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助工具。1. 高效率性生動(dòng)、形象、立體，提高教學(xué)效率，節(jié)約備課上課時(shí)間成本。2. 實(shí)踐操作和3D交互模型與傳統(tǒng)只能做單向知識(shí)傳遞的“視頻教學(xué)”模式完全不同，在仿真環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際操作，實(shí)現(xiàn)理論和操作雙向良性互動(dòng)。3. 內(nèi)置獨(dú)特引擎，高自由度獨(dú)特的引擎支持，真正意義上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)DIY；用戶可獨(dú)立學(xué)習(xí)，不受教室、講師等條件約束，可根據(jù)自身實(shí)際安排學(xué)習(xí)時(shí)間，具有極大的靈活性。4. 危險(xiǎn)度為零傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中往往會(huì)有許多實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)源，仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行П苊庖虿僮鞑灰?guī)范所帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。完全探究傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法完成的高危險(xiǎn)性、易燃易爆性、有毒性、輻射性以及爆炸性等實(shí)驗(yàn)。5. 理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境解決因客觀因素（時(shí)間、空間等）影響給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)不便的問(wèn)題。如能有效解決因?qū)?/p>