四维全景AR虚拟仿真实验平台

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。

建设目标

本方案我们通过目前先进成熟的计算机技术、网络技术、多媒体技术、动态传感技术，并采用世界最前沿的AR增强现实技术，以教育理念创新为先导，以交互类虚拟教学资源和教学硬件设备为基础，真正实现虚拟世界和现实世界的无缝融合，解决学校常规理化生学科课堂教学和实验教学模式单一；教师实验讲解和演示相关优质资源缺乏；师生部分理化生实验过程、现象难以模拟和观察等问题。AR理化生虚拟实验平台将几近真实地虚拟实验环境呈现并嫁接到现实课堂中，提供教师与虚拟对象可实时交互这一全新辅助教学模式，结合“AR现场课”在探究课程、学科实验的应用，有效减轻教师实验教学劳动强度，增强学生的理解记忆力和观察力，激发学生学习兴趣和求知欲，培养学习的创新意识和探究能力，为全校师生提供更佳的实验学习环境和体验。

AR理化生仿真实验平台介绍

AR理化生仿真实验平台以AR技术为基础，结合先进的体感交互设备，将真实世界信息与虚拟世界信息进行“无缝”对接，借助显示设备将现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息通过科学技术模拟仿真后在叠加，使虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给使用者一个感官效果真实的新环境，具有虚实结合、实时交互、三维注册特点。该平台虚拟再现真实的实验，真实再现实验过程、实验结果、实验数据、实验操作，从而达到虚拟教学的目的。

图1 AR增强现实技术工作原理

AR仿真实验平台具有三个突出的特点：

Ø 真实世界和虚拟世界的信息集成；

Ø 具有实时交互性；

Ø 是在三维尺度空间中增添定位虚拟仪器。

AR理化生仿真实验平台的虚拟对象（实验）采用组件式框架设计，确保实验器材灵活化，简单化。整体项目采用MVC框架，保证UI与实验的合理区分，低耦合，易于扩展。各个实验器材使用的方法，完全模拟真实的物质特性。甚至一些在真实物体特性没办法看到的情况下，比如光、磁、电、分子运动、化学反应等，根据其相关的物体特性原理，完全真实模拟出来，符合实际。

图2 AR仿真实验平台工作原理

系统组成

AR虚拟仿真实验教学平台依托增强现实、多媒体、人机交互、数据库和网络等技术，以AR理化生现场课实验资源为基础，搭建AR现场课教学平台，加持动态捕捉摄像机的定位追踪和多媒体显示终端的虚拟场景，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在高度仿真的虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学目的。整套平台系统给使用者营造出一种全新的感官效果，实现虚实结合、实时交互的教学作用。

以上整套AR增强现实系统正常工作至少需要三种硬件组件，即显示系统、跟踪系统、计算处理系统。随着当前教育信息化水平的飞速发展和多媒体教学装备的普及，各大学校的现有教学环境均具备基本的人机交互显示设备和教学计算机，完全符合AR理化生仿真实验平台的环境搭建需要，即AR实验平台是在当前多媒体教室基础上功能升级和改造，并且最大程度地进行了设备复用。这样不但实现了AR实验教学和演示的迫切需求，更避免了教室资源的闲置和浪费。

基于教学投影机

目前投影机、幕布、计算机等设备已成为普通教室教学的标准配置，AR理化生仿真实验教学所需的基础硬件设备基本齐全，只需额外添置一台动态捕捉摄像机。AR现场课实验资源搭载AR现场课教学平台利用投影等硬件设备营造出虚实结合的教学场景，学生可通过动态捕捉摄像机的定位追踪对虚拟空间的物体进行实时交互操作。

基于教学一体机

多媒体教学触控一体机是集成大屏高清显示、交互式电子白板、电脑、电视、音箱和网络传输等多项功能于一身的多媒体教学演示与操作平台。通过搭配的互动教学软件与人性化的触控操作，可便捷调用多媒体素材资源，为课堂教学提供优秀的大屏幕显示互动授课体验。动态捕捉摄像机和多媒体触控一体机的结合是实现虚拟实验教学的必要硬件条件。AR仿真实验平台通过AR理化生实验资源和动态捕捉摄像机的定位追踪，在触控一体机上实现虚拟世界与现实世界的完美结合，学生可尽情享受虚实结合所带来的科技感，教师亦可放心大胆的、无所顾虑的进行实验操作。

AR理化生仿真实验课程

倡导探究式实验教学，以实验教学为引导，理论知识为目的。多样化实验教学，摒弃“难、繁、偏、旧”的教学模式。以学生为主体，增加学习自主性，教师作为学生获取知识源泉的引路者。

课程设计遵循以新课标教育大纲为根本、书本理论知识为基础并融合最前沿的AR增强现实技术研发，解决目前理化生实验教学过程中仪器设备缺失、损坏及要求理想性实验环境。师生可大胆进行实验，不必担心因实验失误而酿成严重后果。释放教师教学压力，注重培养学生创新思维、学习兴趣及学习习惯。

为教学的主战场，教师授课及学生学习的主要场所，教师讲授理论知识的主阵地。教师在讲授理化生知识过程中实验教学占据课堂大部分时间，经过大量理论论证得出正确公式、结论，教师充分发挥了展教互动，但学生对理化生理论知识理解过程仍较其他学科困难，学习积极性低迷，被动式学习。

随着信息技术发展，触控一体机及投影等显示设备作为主要的辅助教学，大大提高了教学质量。AR理化生仿真实验系统在学校教学装备上锦上添花，将动态捕捉摄像机布置在计算机显示器支架上，链接触控一体机、投影等硬件显示设备，即可完成实验教学所需环境，在系统中选取授课内容完成教学，教师在讲授理论知识的同时运用该产品给学生清晰明确的实验过程，通过重复性实验大量数据积累得出正确结论，吸引学生注意力，学生也可自己操作进行实验，记忆深刻。从根本上释放教师教学压力，积极调动学生学习主动性。