2016-3-科技項目可行性報告材料

1、實用文檔科技項目可行性報告項目編號 : K2016001課題名稱 :基于虛擬現(xiàn)實技術的教育解決方案的研制與開發(fā)申請單位 :可視化計算與虛擬現(xiàn)實四川省重點實驗室二 0 一六年二月-1一、 項目提出的目的及意義互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實和人工智能被喻為改變人類認知世界的三大信息技術?；ヂ?lián)網(wǎng)從少被社會廣泛認知，到今天對社會生活的全面顛覆與滲透不過二十余年。如今互聯(lián)網(wǎng) +已為國家戰(zhàn)略。當互聯(lián)網(wǎng)在我們生活中掀起一個又一個駭浪時，虛擬現(xiàn)實正悄然從幕后走向前臺。今天虛擬現(xiàn)實正演繹著當年互聯(lián)網(wǎng)對人類生活，從無足輕重到全面顛覆的革命性過程?？萍家蕴摂M現(xiàn)實給人類生活再創(chuàng)造出一次驚喜己為期不遠。虛擬現(xiàn)實技術與教育：“虛擬現(xiàn)實

2、”（Virtual Reality ，英文縮寫 VR）技術，利用計算機硬件 +軟件資源 + 傳感器的一種集成技術，構成實時三維圖形生成的技術、仿真技術、多傳感交互技術以及顯示技術等，生成實時的、具有三維信息的人工虛擬環(huán)境，演練者（操作人員）根據(jù)需要通過多種交互設備（如頭盔、數(shù)據(jù)手套和剛性外骨架衣服等）來駕馭該環(huán)境，以及用于操縱環(huán)境中的對象， 如在真實世界中一樣地與該環(huán)境中的人和事物進行行為和思想等的實時交流，并產(chǎn)生逼真的身臨其境感。虛擬現(xiàn)實技術不是相關技術的簡單組合，而是一種創(chuàng)新性的綜合，并且在思想方式上有質的飛躍。虛擬現(xiàn)實技術對教育產(chǎn)生不可估量的作用，主要理由如下：1. 虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建全新

3、的教育環(huán)境人們普遍認為，虛擬現(xiàn)實技術將使 21 世紀的教育發(fā)生質的變化。虛假現(xiàn)實技術支持下的教育之所以會發(fā)生質的變化， 是因為虛擬教育環(huán)境擁有現(xiàn)實教育培訓環(huán)境無可比擬的優(yōu)勢。所謂虛擬教育環(huán)境，是指由虛擬現(xiàn)實技術生成的一類適于進行虛擬現(xiàn)實技術生成的一類適于進行虛擬教育的人工環(huán)境， 它可以是某一現(xiàn)實世界的基礎或設施的真實實現(xiàn)，也可以是虛擬構想成的世界。在 21 世紀，可能興辦起依托虛擬現(xiàn)實技術的各種新型的學校教育，如基礎教育、軍事教育、各類培訓教育，許多學員在虛擬環(huán)境中接受各種教育體驗與訓練。 由虛擬現(xiàn)實技術所支撐的教育系統(tǒng)將使得人員可以在虛擬環(huán)境中方便地取得感性知識和實際經(jīng)驗。 與現(xiàn)實教育基地或

4、設施相比，在虛擬現(xiàn)實技術支持下的虛擬教育環(huán)境大致有如下特征和優(yōu)勢：1.1 仿真性學生通過虛擬設施訓練，與在現(xiàn)實教學基地里同樣方便。這是因為虛擬環(huán)境無論對于現(xiàn)實的環(huán)境或是對于想象的環(huán)境，都是虛擬的但又是逼真的。理想的虛擬環(huán)境應該達2到使受訓者難以分辯真假的程度（例如可視場景應隨著視點的變化而變化） ，甚至比真的還“真”（如實現(xiàn)比現(xiàn)實更逼真的照明和音響效果） 。1.2 開放性虛擬教育環(huán)境有可能給任何受訓者在任何地點任何時間里廣泛地提供各種培訓的場所。事實上，虛擬教育環(huán)境的內涵是廣泛的，它不同于傳統(tǒng)中的教育環(huán)境，它具備可以進行類似于傳統(tǒng)教育項目的環(huán)境， 但它的擅長更是那種使學員置身于項目對象之中的逼

5、真環(huán)境。凡是受訓者可以通過有關器具操作來學習或掌握某種知識與技能的虛擬環(huán)境，都可以歸之于虛擬教育環(huán)境。1.3 超時空性虛擬教育環(huán)境具有超時空的特點，它能夠將過去世界、現(xiàn)在世界、未來世界、微觀世界、宏觀世界、宇觀世界、客觀世界、主觀世界、幻想世界等擁有的物體和發(fā)生的事件單獨呈現(xiàn)或進行有機組合，并可隨時隨地提供給受教育者。比如，學生需要身臨超越現(xiàn)實時空的環(huán)境（如歷史事件，探索太空） ，那么虛擬教育環(huán)境就可以提供歷史環(huán)境及虛擬太空。1.4 可操作性學生可通過使用設備，用人類的自然技能實現(xiàn)對虛擬環(huán)境（無論它模擬的是真實環(huán)境還是想象環(huán)境）的物體或事件進行操作，就象在現(xiàn)實環(huán)境里一樣?？刹僮餍允翘摂M教育環(huán)境

6、實際運用的必備特性，它使學生得以在其中學習中獲得需要實際知識與技能課程，也使遠程教育真正實現(xiàn)。1.5 對應性教育內容與虛擬環(huán)境密切相對應的。例如，學生要學習化學實驗操作，那么虛擬環(huán)境就是化學實驗室的模擬環(huán)境。另外，虛擬現(xiàn)實技術能按每個學生的基礎和能力，對應性地開展個別化的教育。2、虛擬教育培訓的廣泛性未來社會是一個學習化的社會，為了求得自身知識結構和能力體系的完善與發(fā)展，達到學會生存并進而實現(xiàn)自我價值的目的，接受終身教育是人們的當然選擇。而在終身化教育體系中，自然包括了各種各樣的教育項目。由于用虛擬環(huán)境代替現(xiàn)實環(huán)境，學習和實練效果更好；而且利用虛擬環(huán)境進行訓練，也使一些在真實環(huán)境下難以實現(xiàn)的項

7、目成為可能，因而虛擬現(xiàn)實技術會給未來教育帶來根本性的改革。由虛擬現(xiàn)實技術支持下3的教育方式將發(fā)揮強大的優(yōu)勢，大顯身手地運用于各方面的教育項目中去。3、虛擬教育的優(yōu)越性作為教育技術和工具的虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢，給教育體系帶來了與眾不同的、全新的教育特點。它不僅僅對于教育場所或設施的設計人員和教育業(yè)務的指導人員提供了實踐其教育價值的途徑和方式， 而且從受教育者的角度來說， 它在解決學習和實訓的困難、提高學員汲取知識和掌握技能的效率、從而改善教育的效果等方面，也呈現(xiàn)了相當有利的特征。這些特征可大致概括為：3.1 臨場性指學生可以感到自己處于虛擬環(huán)境的體驗，產(chǎn)生一種逼真的存在感，學員覺得自己真的存在于某

8、環(huán)境中，是該環(huán)境的一部分，而不是它的旁觀者。學生可自由地在這環(huán)境中與有關的虛擬物體或事件相互作用，如同在現(xiàn)實世界中一樣。臨場性的意義，在于使學生將遠程、虛擬認知或感覺如現(xiàn)場與真實中。此外，由于這種臨場性一方面是使學生進入虛擬環(huán)境，另一方面是運用交互設備把學員的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，使他暫時與真實環(huán)境隔離，因此不會受到虛擬環(huán)境外的現(xiàn)實環(huán)境的干擾，易于集中學員的注意力，使他全身心投入到訓練中去。3.2 自主性學生能自主地選擇或組合虛擬場地或設施。這樣，學生能在任何時間、任何地點選擇學習內容、學習設施、學習信息資料、以及取得學習結果的評估，并具有完全的自由度。此外，對于學習后沒掌握的知識與技

9、能過程或片斷， 學生可以自己多次重復。 這樣，學生始終處于教育中的主導地位，真正掌握學習的主動權，大大增強了學習效果，減少了學習時間。3.3 多感受性學生在虛擬環(huán)境中接受教育時具有多種感知能力，如視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動覺、味覺等。理想的虛擬環(huán)境應當可以讓學生具有在現(xiàn)實世界中的一切感知能力。多感受性使學員得以運用自己所有感知能力，在一個極其生動活潑的環(huán)境里進行實時的、全方位的學習。3.4 功能替代性在虛擬現(xiàn)實技術幫助下， 學生在虛擬環(huán)境中還可以用一種感知能力代替另一種感知能力來進行操縱環(huán)境、汲取信息或交流。這樣，殘疾人能通過自己的形體動作與他人進4行交談（如殘疾人戴上數(shù)據(jù)手套后，就能將自己

10、的手勢翻譯成講話的聲音） ，或通過聲音來操作器械，等等。這種感知功能替代性使殘疾學生可以接受過去自己無法做的項目。3.5 交互性學生可以采用多種交互手段如語言、手勢、數(shù)據(jù)手套及觸覺等，與虛擬環(huán)境交流信息，并得到實時反饋。這種特性使學員與物體、學員與事件、學員與其他人（如指導人員、別的學員）之間的雙向實時反饋，在遠程狀態(tài)下成為可能，并猶如近距離或面對面交流一樣。3.6 安全性虛擬環(huán)境中學習遠比在現(xiàn)實環(huán)境里安全。如具危險的化學實驗，軍事學生可以重演戰(zhàn)爭，消防隊員可以重演撲滅火災。每個人都可以在這種虛擬環(huán)境中試驗各種方案，即使闖下“大禍”，也不會引起任何“惡果” 。安全性不僅是對于學生而言的，它也包

11、括周圍環(huán)境中的事物，這一點對于技能性學習特別重要和特別有意義。（一）項目概要1. 虛擬現(xiàn)實的應用層次可分為：1.1初級應用：桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)- 非沉浸式體驗系統(tǒng)，計算機+軟件即可實現(xiàn)1.2中級應用：桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)- 沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，計算機+軟件 +數(shù)據(jù)頭盔 +數(shù)據(jù)手套。1.3高級應用：分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它建立在沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和分布式交互仿真（ distributed interaction simulation）的基礎上1.4 高級應用：+增強現(xiàn)實，于虛擬現(xiàn)實的基礎上加入真實的物具（現(xiàn)實中的，非建模的），實現(xiàn)虛擬世界與真實世界的交互。2. 基于虛擬現(xiàn)實技術的教育解決方案主要包括以下：

12、2.1 初高中實驗類課程方案，涉及化學、物理（仿真實驗室，物體與規(guī)則重建）2.2 初高中認知類課程方案，涉及自然（地理、生物）、歷史（事件重建）2.3. 高中水平類課程方案，涉及外語（事件重建）、語文（意境重建）、數(shù)學 ( 幾何規(guī)則與邏輯重建 ).2.4 職業(yè)學校技能培訓方案，如裝配、修理、維護開發(fā)上述產(chǎn)品， 一類基于 “桌面虛擬現(xiàn)實 - 非沉浸式體驗系統(tǒng)” 技術，另一類基于 “桌面虛擬現(xiàn)實 - 沉浸式體驗系統(tǒng)”技術。5上述產(chǎn)品以通用教材課標為依據(jù)，以教育心理學、名師教學方式為邏輯，以時間進度排序，加入知識與技能要點考察和水平評價， 貫穿整個教學過程。 項目開發(fā)的理念、 構成、內涵與體系均屬國

13、內首創(chuàng)，為行業(yè)應用的重大創(chuàng)新。社會公司，包括獨立的教師因條件所限，從事的開發(fā)均以課件、資源類為主，難以開展如我們這種體系化的構建。此構建的可性行來自我們的業(yè)界優(yōu)勢，即是川師大數(shù)十年的教育背景與教育資源 +技術背景與技術資源，極其寶貴、極其難得的組合，他人難以復制。3. 項目目標3.1 總體目標該解決方案融合虛擬現(xiàn)實最新硬件設備以及先進的教學理念，構建完全實時的、高保真的、用戶高度介入的學習環(huán)境。其特點是具有豐富的環(huán)境、豐富的接口、操作與數(shù)3.2 技術目標包括五個方面：開創(chuàng)虛擬現(xiàn)實在國內教育領域系統(tǒng)化應用的先河, 于教學上實現(xiàn)普通數(shù)字教育資源 ( 如多媒體、電子課件、文字、例表、影視動畫資料 )

14、 的替代。解決方案首要的目標是構建快速、協(xié)同的 VR 資源平臺，資源的迭代演化保持一定領先性且遙應未來技術發(fā)展要求，體現(xiàn)業(yè)務創(chuàng)新、技術創(chuàng)新特征，突出與滿足教學及教學管理的現(xiàn)代化需求。采用分層設計，強調統(tǒng)一的同時兼顧風險與效率，達到規(guī)范性與個性化相結合的目的，增加系統(tǒng)靈活性，滿足不同學科、不同層次課程的需求。在實際設計過程中，遵循現(xiàn)有網(wǎng)絡課程（如川師 4A 網(wǎng)課）課程分類規(guī)劃設計，并與校園其它網(wǎng)絡教學平臺有效銜接。保證高性能、高可用性，提供動態(tài)擴容、應急處理、備份等手段實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠組件化、可配置的指標、參數(shù)策略，適應不斷增加與調整的系統(tǒng)需求變化。適配不同種類與配置的虛擬現(xiàn)實硬件設備。數(shù)據(jù)驅動。

15、構建VR 場景知識庫、參數(shù)化模型庫以及學習者學習行為軌跡庫，形成個性化學習成果反饋技術應用。4. 項目應用主目標，完成虛擬現(xiàn)實教育解決方案系統(tǒng)框架設計5. 項目應用次級目標啟動期目標：65.1 完成非沉浸性與沉浸性中學化學實驗教學系統(tǒng)，并在學習者中推廣，以達到體驗和驗證。5.2 完成沉浸性中學化學實驗教學系統(tǒng)5.3 完成中學物理、歷史、地理、語文、數(shù)學、英語需求設計5.4 職業(yè)學校需求調研（二）立項的必要性及意義虛擬現(xiàn)實技術被普遍認為是繼計算機技術、網(wǎng)絡技術后，在21 世紀最有潛力的技術。虛擬現(xiàn)實技術具有的沉浸、交互、構想三大特征使得虛擬現(xiàn)實技術在教育領域應用有其獨特而明顯的優(yōu)勢。隨著資本對虛

16、擬現(xiàn)實的持續(xù)關注、硬件成本降低、設備的普及以及互聯(lián)網(wǎng)信息技術對教育融合的深入，迫切需要虛擬現(xiàn)實技術改造傳統(tǒng)教育模式，甚至是剛剛開始流行的基于互聯(lián)網(wǎng)的教育模式（如 MOOC）?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的教育模式雖然解決了傳統(tǒng)教育的大部分“痛點” ( 如不能跨時空共享優(yōu)質教育資源，互動性差等 ) ，但是學習者的體驗沒有得到實質的提升，缺乏虛擬現(xiàn)實技術（如沉浸式虛擬現(xiàn)實技術）帶來的強烈的體驗感、逼真的現(xiàn)在感與強大的可交互性。1. 把握歷史機遇，珍惜最佳進入期長期以來，虛擬現(xiàn)實硬件成本的居高不下成了其實際應用的最大障礙，行業(yè)應用處于 3/4 的休眠狀態(tài)。近兩年因技術突破性進步，成本直線下降，其行業(yè)應用處于爆發(fā)前夜，

17、越來越清晰地呈現(xiàn)出一個科技應用熱點。在市場尚未完全被喚醒時進入，無疑為最佳時期。以游戲頭盔式顯示器為例， 2013 年美國當?shù)貓髢r 5 萬美元到 17 萬美元，到 2015年降到 7000 美元到 8 萬美元間，非游戲頭盔則降價幅度更大，早幾年還需數(shù)萬人民幣的體感頭盔目前市場價普遍在 1 千到 3 千人民幣不等。進入 2015 年，硬件價格的下降趨勢仍在加速， 以樂視為例， 2015 年 11 月向市場推出有售價僅 149 元的 VR頭盔。隨硬件成本的快速平民化， 虛擬現(xiàn)實技術走向廣泛社會應用的閘門已經(jīng)打開。 從資本市場看， 2015 年 6 月以來，中國 A 股歷經(jīng)了三次股災， 資本市場一片

18、哀歌， 但虛擬現(xiàn)實概念股卻逆勢上漲，成為 A 股獨特的亮麗風景。據(jù)惠特資本分析，這是一個尚未有巨型企業(yè)出現(xiàn)的藍海市場。2. 開啟重大行業(yè)應用技術創(chuàng)新，樹立行業(yè)科技開發(fā)優(yōu)勢地位7虛擬現(xiàn)實技術在教育行業(yè)的運用，除非沉浸式的一些三維交互課件外，尚沒有更多運用，基本處于未開墾狀態(tài)。做好這一塊并不太容易，不但要熟知教育，而且要熟知技術。我們兩者皆具，這是我們的背景優(yōu)勢。縱觀社會，兩者皆具的開發(fā)者很少，珍惜歷史給予的難得機會。背景優(yōu)勢將很好支持我們開展這一項具有行業(yè)重大應用創(chuàng)新的研發(fā)，進而樹立其行業(yè)科技開發(fā)優(yōu)勢。3. 形成行業(yè)應用級產(chǎn)品，占領行業(yè)科技應用的制高點若衡向與兄弟院校在科技實力上對比，川師大的弱

19、處還在缺少對社會、對行業(yè)、對企業(yè)不能提出解決方案級別的成果，科研產(chǎn)出缺乏對國民經(jīng)濟起重要推進作用的、應用級別的創(chuàng)新。本項目的推進有利于突破困局。二、 與項目相關的國內外發(fā)展概況及市場需求分析2016 年被公認為虛擬現(xiàn)實的應用元年。虛擬現(xiàn)實近10 年來，隨著計算機技術的快速發(fā)展，其行業(yè)應用愈來愈清晰而備受社會各行業(yè)關注。目前在發(fā)達國家中 ,虛擬現(xiàn)實技術在教育領域的應用， 其表現(xiàn)之亮麗，令人震驚。如美國很多學生已經(jīng)開始使用zSpace STEM實驗室。學生們已經(jīng)探索了虛擬火山和構建了先進電路板。這個系統(tǒng)為學生提供了真實的學習環(huán)境和個性化學習體驗，且符合美國新世紀科學標準（NGSS）、基礎課和各州標

20、準。虛擬全像圖像可以從屏幕中“取出來”并使用觸筆去操控。一些應用則提供多感官反饋。比如，學生在和一個虛擬心臟互動時，可以看到、聽到并感覺到它在跳動。我國目前的虛擬現(xiàn)實技術在教育領域的應用主要側重在科學研究、虛擬試驗的開發(fā)以及虛擬校園的開發(fā)方面，與發(fā)達國家相比，我國虛擬現(xiàn)實教育應用的規(guī)模差距不少,但是已經(jīng)引起政府有關部門和科學家的高度重視。九五計劃、國家自然科學基金會、國家高技術發(fā)展計劃等都把虛擬現(xiàn)實技術列入了研究項目。（一）目標市場的分析與預測1、市場分布整體上看，我國虛擬現(xiàn)實技術處在起步期。它的發(fā)展與上世紀80 年初的微型計算機、 90 年代中期的互聯(lián)網(wǎng)相似。以虛擬現(xiàn)實硬件設備為例，2015

21、 年全球虛擬現(xiàn)實設備的銷量己達1400 萬部， 2020年的全球銷量會提高至8800 萬部；BI Intelligence的報告預測，虛擬現(xiàn)實硬件市場的8規(guī)模將在未來幾年迅猛增長， 未來 5 年的復合年增長率將高達299%；美國知名的第三方調研機構 Manatt 5Digital Media和投資銀行 Digi-Capital也發(fā)布報告稱，全球虛擬現(xiàn)實市場規(guī)模將在5 年內、即 2020 年達到 5200 億美元?？梢姡槍οM者的虛擬現(xiàn)實商業(yè)化時代已經(jīng)來臨，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品對市場的滲透將會是“一場必勝的持久戰(zhàn)” 。從國內外發(fā)展比較看，目前國內外發(fā)展方向出現(xiàn)分化，但重大分水嶺尚未形成。國內產(chǎn)品、技術

22、與市場需求的深度融合處于摸索期， 以出售產(chǎn)品和服務為目標， 有近 200 家公司介入 VR 領域，從硬件產(chǎn)品到內容制作幾乎全部覆蓋；國外并非單純以出售產(chǎn)品為目標，以 Oculus 和 Sony 公司為例，除了研發(fā)頭戴顯示器、交互設備、輸入設備、動作識別設備，更在著手制定各自的行業(yè)標準，意圖統(tǒng)治全球市場。以上不難看出，隨著虛擬現(xiàn)實關鍵設備制造的成本大幅下滑，我們己站在了一個以虛擬現(xiàn)實技術為手段，以行業(yè)應用為開發(fā)內容的門坎，門內擁有一個不低于數(shù)千億級的市場體量。2、市場需求與發(fā)展前景的分析和產(chǎn)品市場空間預測2.1 市場份額至 2014 年末，四川省初中共計 3901 所，在校生 258.3 萬人；

23、普通高中共計 732 所，在校生 149.0 萬人；教師共計約 30 萬人 ; 職業(yè)學校 500 所，在校生 20 萬人。按人均 100 元 / 年信息消費，年消費量約 4 億元。若項目進入國家教育扶貧工程，有望獲得政府基金的支持。2.2 市場選擇將目標市場鎖定在中等基礎教育與職業(yè)教育，以省內為重點。2.3 市場運作以產(chǎn)學研結合為理念，以服務社會、社會應用為目標。自主開發(fā)，并在進程中吸引資本加入。導入效率化管理機制。虛擬現(xiàn)實進入現(xiàn)代教育， 并發(fā)揮重大影響絕對是不爭的事實。 發(fā)達地區(qū)，但不限于，都將因此受益。我國教育資源分布不均，邊遠地區(qū)師資隊伍落后，名師空缺。近十多年來，國家對這類地區(qū)的教育投

24、入逐年增加，但多限于基礎條件的改善，如何提高教學質量，讓這類地區(qū)的學生與內地學生一樣享有較高質量的教育水平，顯然己擺在面前。這是一個重大的教育問題， “教育公平”涉及全社會的良知，不僅僅引發(fā)政府的思考、全社會有識之士也在思考并追求解決方案。虛擬現(xiàn)實在這方面可發(fā)揮出重大作用，為公9平教育發(fā)揮出不可替代的作用。 因為基于虛擬現(xiàn)實的教育解決方案可以將名師的教育方法，先進的教學理念，科學的認知體系以及嚴格的技能訓練導入系統(tǒng)，且傳播無地域限制，成本低廉。成本低廉，以計算機為列，以 2013 年配伍的普通計算機已足夠承載系統(tǒng)運行，性能價格以今天市價計，不過 3000 千元左右 / 臺。數(shù)據(jù)頭盔，其普及型以

25、今天市價計， 800 元左右 / 件 ( 五年前一個普通的數(shù)據(jù)頭盔不低于 10 萬元 / 件) ，據(jù)賽德數(shù)據(jù)，在未來 2-3 年可降至數(shù)十元左右 / 件。按這種推算，低成本的虛擬現(xiàn)實裝備進入邊遠中學為期不遠。我們所做的就是為此做好準備，做好內容開發(fā)，為迎接虛擬現(xiàn)實爆炸性需求的來到做好準備。虛擬現(xiàn)實桌面非沉浸式系統(tǒng)推廣階段包裝宣傳為本階段首要任務。本階段需要營造亮點，營造新聞熱點。以社會效益為述求，并發(fā)揮到極致。基于此目標，需尋找一個即能切合國家需求，又有社會關注熱點與道德制高點的入口，進而演繹為社會的突出事跡。經(jīng)調研認為， “教育扶貧”無疑是最佳方式。為此，本階段主打教育扶貧牌，即能滿足需求，

26、又可為進入國家教育扶貧工程做準備。具體做法是，選一批學校下線的計算機 +制成的虛擬現(xiàn)實桌面系統(tǒng)，找一個邊遠 / 貪困地區(qū)中學，調動當?shù)卣c之一道建示范點。以三個月為調試與試用期，一切正常后，對示范點全面包裝，組織新聞宣傳，營造社會形象，大力將宣傳效果發(fā)揮到極致。利用其稀有性：最前沿的高科技教學手段與最邊遠 / 貧困地區(qū)教育現(xiàn)狀所存在的極大反差，及一個基于這種反差， 又預想不到的融合 ( 這本身就是一件反常規(guī)的事列 ) ，加入教育公平、社會正義、良知、責任與道德的因素造出新聞熱點，將宣傳做足。這個設計可容易達到幾個目標：突出學校的社會形象，不花巨額廣告費的產(chǎn)品宣傳，為進入國家教育扶貧工程打下基

27、礎。一旦進入國家教育扶貧工程系列，在政府基金的支持下，可全面推進桌面虛擬現(xiàn)實非沉浸式方案的應用實施，同時加速沉浸式解決方案的深度開發(fā)，做好在較發(fā)達地區(qū)的試用推廣。實現(xiàn)產(chǎn)品的由農(nóng)村向城市，從邊遠到內地的戰(zhàn)略調整。3. 產(chǎn)業(yè)融資與擴張階段基于良好的社會聲譽與產(chǎn)品的獨特性吸引資本注入，融資額度不少于1000 萬，構建不限于教育類虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品的開發(fā)。解決的主要難點技術與運用領域如下：數(shù)據(jù)驅動模型的機制與方法動態(tài)與時實仿真產(chǎn)業(yè)級技術運用10分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)與運用基于以上成果，進入虛擬現(xiàn)實的高級運用期，形成教育、數(shù)字娛樂、軍事、公共安全、醫(yī)療、制造業(yè)等領域的優(yōu)秀解決方案，進而全面服務社會并獲得很好

28、的經(jīng)濟效益。4. 市場競爭力分析虛擬現(xiàn)實的內容開發(fā)，或稱虛擬現(xiàn)實的行業(yè)應用解決方案，從目前的國內開發(fā)應用看，基本以“桌面虛擬現(xiàn)實非沉浸式體驗”與“環(huán)幕非沉浸式體驗”的解決方案為主，主要用來效果展示；沉浸式虛擬現(xiàn)實于專業(yè)行業(yè)有應用，如航空制造業(yè)。但從社會的層面講，其應用仍處于初期的起步階段；分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與增強現(xiàn)實大多還停留在專門的研發(fā)機構?？陀^分析如下：4.1 具備比較完善的從事虛擬現(xiàn)實教育與研發(fā)的學科隊伍與條件：早在 2007 年為配合重點實驗室的發(fā)展，支撐新的學科與研究方向我們以產(chǎn)學研的理念建議學校開建數(shù)字媒體專業(yè)，在學校領導的帶領下，我們花費了大量精力從論證到實施做了很多事。專業(yè)的成

29、立為虛擬現(xiàn)實工作的開展奠定了人才基礎、學科基礎。4.2 具備開發(fā)優(yōu)勢：技術與教育背景的深度融合，有一支即懂技術又知教育的開發(fā)隊伍：虛擬現(xiàn)實教育類的應用，市場呈現(xiàn)的均為“桌面虛擬現(xiàn)實非沉浸式體驗”方式開發(fā)的教育類產(chǎn)品，且基本以課件為主，幾乎沒有基于教材的完整解決方案（僅僅“課件” ，有極大的應用局限，正如一個汽車制造廠，不能提供整車，只能提供零件，其適用性可想而知）。這個現(xiàn)象與這些公司或群體的行業(yè)地位有關，因為這些公司或群體：或者懂技術，卻身在教育之外，不懂教育，沒有體系，無論從理念還是方法沒有教學的支撐，注定了只能以課件的方式存在。如軟件公司；或者做教育又缺失技術，只好借用他人開放工具軟件，局

30、限于做課件。如教師群體。 ; 兩者合二為的團隊，即做教育也做技術的少之又少。與我們本質不同。4.3 具備多年從事教育仿真軟件系統(tǒng)的經(jīng)驗積累：我們的背景優(yōu)勢使我們在架構同類方案時可以跳過課件的束縛，以基于教材的理念，融入教育心理學、名師的教育方法與教學經(jīng)驗，開發(fā)集教學、操作、考點、評價為一體的解決方案，并將開發(fā)的系統(tǒng)走入學校中期試用、座談，再改進，使之完全符合教學過程，力求完整、規(guī)范，簡單易用。11我們對開發(fā)教育類產(chǎn)品慎之又慎，如中學化學方案，先以平面交互為框架，用于弄清教學仿真內涵。目前已做成完整的方案 - 面向初、高中化學教學的二維仿真交互軟件平臺一套，學校試用己達三年，各方反應效果良好。通

31、過這一案件，我們基本弄清了教育仿真軟件開發(fā)設計的內在精髓。由此我們深知，這是一個內涵遠勝于技術的開發(fā)，非多資源的教育資源組合背景，不可能開發(fā)出適合用戶需求的產(chǎn)品。因為現(xiàn)實需求不是一堆課件可實現(xiàn)。通過多年的探索， 我們這類產(chǎn)品的開發(fā)， 其理念、方法及技術均在國內同行的前列。4.4 具備從事虛擬現(xiàn)實大型仿真應用系統(tǒng)開發(fā)成果的積累：本實驗室于 2009 年建立后，于 2010 年啟動了以 “桌面虛擬現(xiàn)實 - 非沉浸式體驗系統(tǒng)”為主的起步型建設，取得了如大型化學仿真教學平臺、大型數(shù)字博物館、公安仿真訓練平臺、大型園區(qū) +地理位置信息的產(chǎn)品級技術成果。遺憾的是， “沉浸式虛擬現(xiàn)實建設方案”至今仍未落地。

32、4.5 限制因素科研需要落地，科技創(chuàng)新、服務社會、服務產(chǎn)業(yè)，不局限于學術，滿足于論文，尤其對計算機技術這類應用性很強的學科，需要真刀真搶，而非脫離應用的些紙上談兵。4.6遇稍縱即逝：虛擬現(xiàn)實隨著硬件成本的快速平民化，系統(tǒng)平臺的不斷升級換代，其步入社會應用的步伐愈來愈快，加之近年來受到資本的追逐，一個嶄新的時代已為期不遠。隨著應用與市場的逐漸明朗化，必然吸引大批的加入者，拖得越久，競爭就愈激烈，我們也會再一次喪失歷史曾給予過我們發(fā)展的重要良機。唯有建設才有發(fā)展。即使困難不少，但我們在桌面虛擬現(xiàn)實的研究還是取得了重要進展，項目水平達到了相當?shù)膽盟?，為今天所提方案的實施打下了重要基礎。三、 主要

33、攻關內容及技術路線（一）體系構架VR教育解決方案通過優(yōu)質 VR內容和最新 VR硬件配套，將傳統(tǒng)學習方式、 網(wǎng)絡化學習方式乃至互聯(lián)網(wǎng) +教育模式推向一個新的層次。為滿足總體設計目標、實現(xiàn)系統(tǒng)需要，將從業(yè)務架構、應用架構、數(shù)據(jù)架構以及技術架構四個方面提出總體設汁方案。系統(tǒng)業(yè)務架構12（圖 3-1-1 系統(tǒng)業(yè)務架構）根據(jù)職責及業(yè)務規(guī)劃不同將系統(tǒng)從業(yè)務上劃分為五部分：最底層為課程資源分類；中間為 VR 內容建設、學習者（學生）行為及VR 學習環(huán)境；最上層為評價與追蹤。VR學習環(huán)境部分全部依賴其余四部分，剰余四部分按圖3-1 中層次關系從頂向下產(chǎn)生依賴關系，不可反向為之。各部分職責及業(yè)務描化如下:1.

34、資源分類：提供整個系統(tǒng)的資源分類信息， 首先需要構架一顆完整全面的學科分類樹，可以和現(xiàn)有的網(wǎng)絡課程資源（川師 4A 網(wǎng)課）對接。資源分類業(yè)務為 VR內容建設及學習者行為提供基礎數(shù)據(jù)設計范式、 也是學習者行為設計、 VR學習環(huán)境構建的重要依據(jù)。 例如對于職業(yè)教育中的操作技能訓練，則需要構建高保真的現(xiàn)場工作環(huán)境，并采用數(shù)據(jù)手套交互模式塑造學習者行為，從而達到良好的訓練效果；而對于化學仿真實驗，只需采用非沉浸式的桌面環(huán)境外加參數(shù)變量，學生通過相關配置和調整達成教學目標。在分類業(yè)務的功能設計上須有可自動擴展的程序設計及實現(xiàn)；重點功能需滿足節(jié)點管理、節(jié)點關鍵字管理功能需要。系統(tǒng)需支持簡單的權限控制、用戶

35、管理功能便于安排操作人員分13節(jié)點維護。資源分類如圖3-1-2（圖 3-1-2 ）2. 內容建設：此部分為 VR學習環(huán)境提供所需推薦電子資源的預處理功能。在當前VR硬件發(fā)展迅猛而配套教育資源不足的情況下，該系統(tǒng)采用UGC（User Generated Content指用戶原創(chuàng)內容）設計理念，每個教育工作者都可以參與建設并完善VR 課程資源庫。14內容建設以抽象化的3D 場景表示為核心，采用面向協(xié)同的可視操縱架構， 集成了模型、場景、人員、配置的管理和協(xié)作模塊，形成了完整并具有通用性的解決方案。需要支持3D 模型、材質、紋理、 shader 程序、骨骼動畫及文檔資料、語音、視頻等非關系型數(shù)據(jù)，對

36、非關系型數(shù)據(jù)需要做摘要處理轉化為類關系型數(shù)據(jù)，尤其對語音及視頻需要從中摘出關鍵信息形成連接關系并依據(jù)分類樹進行學科、課程分類，按統(tǒng)一規(guī)劃打造VR教3. 使用者（學生）行為 : 該業(yè)務部分采用先進的人機交互手段達成教學目標。學生通過與信息環(huán)境的自主交互行為獲取知識、技能。為了匹配不同的交互硬件，系統(tǒng)根據(jù)不同的課程類型與教學目標對學生的交互行為進行分類和封裝，形成抽象交互層及其接口。4.VR 學習環(huán)境 : 此部分為系統(tǒng)的核必功能體現(xiàn)，結合調用其他四部分數(shù)據(jù)營造最終自主學習環(huán)境。該業(yè)務部分包含一個高性能的圖形引擎，能夠快速響應外圍交互硬件的追蹤數(shù)據(jù)（如高速頭部追蹤、眼動儀數(shù)據(jù)等）5. 追蹤與評價 :

37、 傳統(tǒng)的教學評價大都是由老師批改學生的作業(yè)和考卷， 或憑主觀印象給出成績，這種評價方式存在著一定的弊端。 隨著教學信息化改革的推進和計算機的普及，在虛擬環(huán)境下進行教學評價已成為可能。 教師可以對每一位學生進行學習記錄的全程跟蹤，包括查看學生的學習報告，訪問課程的次數(shù)、學生參與某個教學模塊的情況。在評價內容上從課程內容學習、參與互動交流、考試與作品和課外資源學習四個方面進行了細分和聚類，構建了基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的個性化學習評價模型。在評價結果上，依據(jù)柯氏四級評估模式和布魯姆教學目標分類理論設計了基于教育大數(shù)據(jù)的個性化評價層次塔，該層次塔包括學習成效、概念轉變、學習遷移和學習力四個層級。最后，結合教

38、育大數(shù)據(jù)、教育云服務、個性化評價模型和評價層次塔， 設計了個性化學習評價系統(tǒng)模型，包括信息采集模塊、數(shù)據(jù)分析與處理模塊、個性化評價模塊和可視化反饋模塊，并通過云管理層實現(xiàn)對教育云服務平臺、云存儲池和云集群計算平臺的調控和管理，以期為后面開展個性化評價系統(tǒng)的設計與開發(fā)提供有益的指導。通過追蹤與評價獲取課程教學大數(shù)據(jù)并持續(xù)改進VR教學系統(tǒng)， VR教育大數(shù)據(jù)將成為推動教育變革的創(chuàng)新戰(zhàn)略資產(chǎn)。( 二)在充分分析VR 教育解決方案功能需求與業(yè)務邏輯的基礎上，遵循邏輯結構中定義15各子系統(tǒng)功能及實現(xiàn)方式，按照分層設計原則，明確系統(tǒng)功能設計及應用總體架構如圖3-2-1 所示。（圖 3-2-1 總體應用架構）

39、其中基礎服務層為上層應用提供數(shù)據(jù)庫服務、會話管理、協(xié)同支持、異常處理等服務。教學資源管理層是一個面向協(xié)同的、采用多人眾包模式的資源共享平臺，主要面向教師或者課程開發(fā)人員，實現(xiàn)各學科知識點向虛擬現(xiàn)實情境遷移，從而為優(yōu)質VR 教學內容的創(chuàng)作、分發(fā)、迭代更新提供技術保障。面向協(xié)同的VR建模平臺，包括 VR場景的生成、課程知識場景映射、場景協(xié)同交互、用戶權限控制、語義支持等多個功能模塊和可配置模塊。 VR教學應用層主要面向學習者， 為學習者的學習活動提供虛擬現(xiàn)實環(huán)16境支撐，該部分集成自然的人機交互技術和高性能圖形渲染引擎，是整個系統(tǒng)的核心部分。在學習活動進行的同時，每個學習者的學習行為軌跡將被全面追

40、蹤記錄形成結構化數(shù)據(jù)。( 三)VR教育解決方案是一個基于數(shù)據(jù)驅動、 多用戶數(shù)據(jù)共享、實時數(shù)據(jù)生成的全新環(huán)境。在滿足總體設計目標和應用架構設計的前提下, 設計總體數(shù)據(jù)架構如圖3-3 所示 :（圖 3-3 ）數(shù)據(jù)架構1. VR場景數(shù)據(jù)庫。在完成知識點向 VR場景的映射后，需要一個專門的場景數(shù)據(jù)庫。場景數(shù)據(jù)庫包含場景信息、語義信息 概念結構信息與版本信息。其中，場景信息需要詳細記錄場景 ID、場景名稱、場景描述、場景類型和場景創(chuàng)建者信息。2. 學科分類樹內容庫。對于主要供學科分類樹應用使用，屬于外來資源的重要存儲庫，同時也是學科分類樹自動增長操作的重要數(shù)據(jù)落地點，它提供VR 教育內容生態(tài)系統(tǒng)的3.

41、用戶信息庫。存儲用戶和用戶專屬的、個性化課程信息。用戶信息與虛擬現(xiàn)實環(huán)境的中的虛擬人物角色（化身）對應，同時也為 VR 教育資源管理應用提供用戶、權限及17各種關系數(shù)據(jù)。主要利用MongoDB的水平擴展能力滿足分類樹存儲量大的需求。4. 記錄追蹤庫 , 通過 MongoDB存儲學習者的整個學習流程，為學習效果評價、教學內容更新乃至教育決策支持提供依據(jù)。5. 配置信息庫。記錄日志、軟硬件配置信息，確保系統(tǒng)平穩(wěn)運行。在系統(tǒng)發(fā)生錯誤時可以實時回滾策略；在硬件配置發(fā)生改變時可以自動調整，通過優(yōu)雅降級或者漸進增強的( 四) 技術架構VR教育解決方案選用Unity3D 虛擬現(xiàn)實圖形引擎并結合源生web3D

42、以及 HTML5技術，根據(jù)本身的業(yè)務情況做適當?shù)膭?chuàng)新，其總體技術架構如圖3-4-1 所示 :（圖 3-4-1 技術結構）總體上采用分層架構的思想, 將系統(tǒng)劃分為三個層次 : 數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層和表現(xiàn)層；每個層之間采取上層能依賴下層而下層不能反向調用上層的策略。數(shù)據(jù)層采用 mongoDB數(shù)據(jù)庫，mongoDB文檔結構的存儲方式非常適合存儲不同類型的VR教學資源，并幫助用戶更便捷的獲取數(shù)據(jù)。 mongoDB可以直接和上層的node 服務器通信，18或者通過 JDBC Driver 與 Unity3D 通信。在業(yè)務邏輯層分別采取桌面程序和web應用的部署方式， 采用開放的自然人機交互驅動模塊（ Op

43、enNI）適配種類繁多且日益發(fā)展的外圍硬件設備。針對桌面程序選用unity3D作為圖形引擎。VR教育內容開發(fā)中， Unity3D 具有以下優(yōu)勢：1. Unity3D 開發(fā)平臺主要是 MonoDevelop，這個平臺可以嵌套多種編程語言，其中js和 c#是最常用的兩種， 而 js 語言容易入門， 這使得教師更容易學習、 參與到 VR教育內容開發(fā)中來。2. Unity3D 幾乎支持所有的跨平臺設計， 是目前唯一一款可以提供所有平臺植入能力的三維仿真開發(fā)軟件，實現(xiàn)了手機平臺開發(fā) 3D 游戲和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，支持 flash 輸入格式，對于移動學習的移動平臺建立具有重要的啟示和意義。3. Unity3D

44、 能夠創(chuàng)造高質量的 3D仿真系統(tǒng)和真實視覺效果， 對 DirectX 和 OpenGL具有高度優(yōu)化的圖形渲染管道，低端硬件也可以流暢運行茂盛的作物、植被景觀和實時三維圖形混合音頻流和視頻流，使得教育資源得到更好的呈現(xiàn)、知識內容具有更好的交互性和吸引力。4. Unity3D 能夠支持更大的場景、更多的展示物件以及更炫的展示效果，僅占用很小的空間，這些特性教學內容得到更好的應用和普及。在 web端可以 WebGL+Threejs三維引擎實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實場景渲染。 作為一種替代方案可以直接通過 unity3D 的 web 發(fā)布功能，但是此種做法需要用戶瀏覽器安裝插件，不符合互聯(lián)網(wǎng)的以及 web發(fā)展方向故

45、不建議采用。四、 該項目的技術創(chuàng)新點( 一) 技術創(chuàng)新點1. 面向協(xié)同的虛擬現(xiàn)實教學內容生產(chǎn)方式。對于一般性的數(shù)字化教學資源，其中大部分都是由一線教育工作者生產(chǎn)的， 與之對應的是虛擬現(xiàn)實資源大部分是由專業(yè)軟件開發(fā)團隊生產(chǎn)的，這與虛擬現(xiàn)實內容制作難度較高有關，這種情況帶來的結果是：生產(chǎn)人員不足造成的內容匱乏； 生產(chǎn)人員缺乏教育背景以致內容水平較低、 實用性較差，現(xiàn)有 VR教學資源基本停留在情境體驗式學習階段，對于復雜的認知與邏輯重建類型的學習罕有涉及。本系統(tǒng)提出一種具有普遍通用性的協(xié)同3D 建?？蚣?，通過統(tǒng)一的課程知識樹和19通用的虛擬現(xiàn)實場景模型庫降低VR 內容制作難度，將普通教育工作者納入到

46、虛擬現(xiàn)實教學內容生產(chǎn)環(huán)境。系統(tǒng)以B/S架構為基礎，以協(xié)同3D 概念化場景為核心，輔以協(xié)同環(huán)境中的模型與場景管理與智能提示，使通用性的3D 協(xié)同平臺的搭建成為可能。整體框架自上而下包含基于網(wǎng)頁的3D 展示與操作平臺， 3D 場景概念化與批處理中心，后臺支持服務器，系統(tǒng)儲存層等。2. 數(shù)據(jù)驅動。現(xiàn)有的互動教學資源大部分成碎片狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一調度和管理，更缺乏以數(shù)據(jù)作為驅動的設計思想和實踐。 VR 教育解決方案創(chuàng)新性提出構建一個基于數(shù)據(jù)驅動、多用戶數(shù)據(jù)共享、實時數(shù)據(jù)生成的全新環(huán)境，數(shù)據(jù)貫穿整個學習活動之中。3. 抽象的用戶交互層。針對虛擬現(xiàn)實硬件尤其是交互設備種類多、配置差異大、更新?lián)Q代快的情況，該解

47、決方案設計一個抽象的用戶交互層，提供統(tǒng)一的接口適配不同的硬件設備，在硬件配置達不到系統(tǒng)要求時可自適應降級處理，在犧牲部分用戶體驗的情況下不缺失基本的教學功能。( 二) 該項目的主要技術難點：虛擬場景合成與沖突處理在協(xié)同虛擬環(huán)境建模過程中，實際三維場景與概念場景之間將相互轉換，多個用戶創(chuàng)造的多個概念場景會完成合成。轉換和合成的過程需要有設計合理的邏輯算法和實現(xiàn)。而這其中最為重要的就是場景組合技術。因為概念化場景合成算法主要是指在本協(xié)同架構服務器端，當獲取了多個用戶的操作批處理和版本信息之后，如何通過邏輯算法形成合理而無沖突的合成場景，并推送給用戶。因此，我們將此算法描述如下1. 比較所有用戶的版

48、本 V 1、,V 2 Vn 是否與 Vc 相同，若不同，相應用戶 k 的操作批處理 S k 和版本 V k 進入沖突列表 L 等待進一步的處理。2. 以模型 ID 為分類標志，對所用用戶的操作批處理 S 進行劃分。3. For each（模型 ID ），若對應的操作集合可以合并，則合并成新的操作批處理S1, S 2S n，否則加入沖突列表L等待進一步的處理。4. 對新加入模型或刪除模型操作進行單獨處理。5. 對當前概念化 Vc 應用操作 S 1 , S 2 Sn ，形成新概念化場景 V new。6.對 V new 進行語義沖突及幾何沖突檢查，若有沖突則加入沖突列表L等待進一步處理。207. 將

49、無異議 V new推送給用戶，進行用戶端的組裝操作。從上面的場景合成算法分析中可以看出， 目前系統(tǒng)在合成過程中， 會進行多個階段，而每個階段都有可能會產(chǎn)生沖突， 這些沖突將被加入沖突列表中等待沖突處理步驟進行進一步的處理。這些沖突可簡要分為指版本沖突、不可合并沖突以及語義及幾何沖突。他們以遞進的方式表示了為了維護協(xié)同環(huán)境中數(shù)據(jù)一致性所需要解決的問題。版本沖突是最低層的沖突類型。 因為如果場景的版本不同就會使用戶的操作對象完全相異，這使得一切用戶的操作都不再有意義，因此必須保證用戶操作的場景版本是一致的，版本沖突必須最先被處理。再高一層的沖突是不可合并沖突，一般是指在同一場景中，不同用戶對于同一模型的操作，這兩種操作相互排斥，因此必須有某種方式來選擇合成的結果。最高一層的沖突是語義及幾何沖突，代表