第一章 概述

1.1 建設(shè)背景及現(xiàn)狀

教育部發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》中提出學(xué)校要開足開齊實(shí)驗(yàn)課程，把學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作情況和能力表現(xiàn)納入綜合素質(zhì)評價(jià)；2023年前要將實(shí)驗(yàn)操作納入初中學(xué)業(yè)水平考試（中考）。

對于目前而言，全國已經(jīng)有多個(gè)省市將初中的物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)納入初中學(xué)業(yè)水平考試，對提高初中化學(xué)教學(xué)水平方面起到了重要的促進(jìn)作用，但是也存在著一些不可忽視的問題。

實(shí)踐性和可觀察性是實(shí)驗(yàn)操作的重要特征，學(xué)生若受限實(shí)驗(yàn)室的條件（實(shí)驗(yàn)室大小、器材是否齊全、教學(xué)時(shí)間安排等）所致，沒有得到充分的實(shí)踐操作時(shí)間，勢必會影響學(xué)生對考試實(shí)驗(yàn)的理解和操作熟練度。

如何打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中的多種條件限制，已迫在眉睫�？上驳氖�，隨著科技不斷發(fā)展，可以通過3D、AR虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代科技技術(shù)，來解決目前的問題，在有些實(shí)驗(yàn)部分甚至還優(yōu)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，譬如：在沒有老師的參與實(shí)驗(yàn)時(shí)，也能做到對實(shí)驗(yàn)操作步驟的評分總結(jié)，直觀的讓學(xué)生知道錯(cuò)誤與正確的操作步驟是哪些，這樣更有針對性的加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)考試?yán)斫�，減少操作失誤。

1.2 建設(shè)目標(biāo)

物理、化學(xué)是以大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證支撐的學(xué)科，學(xué)生通過操作虛擬實(shí)驗(yàn)過程驗(yàn)證相應(yīng)的結(jié)論可對事實(shí)獲得具體的、明確的認(rèn)識，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的觀察、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰�及�?shí)事求是的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)探究態(tài)度。

通過多媒體手段，依托學(xué)科特色，打造富有科技感的物理、化學(xué)學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源和應(yīng)用，做到考試、教學(xué)模式多樣化，教學(xué)資源共享化，教育信息數(shù)字化。

系統(tǒng)利用目前先進(jìn)成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)，并采用世界最前沿的3D/AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，針對初中物理、化學(xué)中考（初中學(xué)業(yè)水平考試）實(shí)驗(yàn)操作考試而打造的一款快速掌握考點(diǎn)內(nèi)容的系統(tǒng)工具。它打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的條件限制（時(shí)間安排、人員安排、器材數(shù)量、空間大小、實(shí)驗(yàn)安全等條件），利用普通常用終端（電腦、手機(jī)、平板）便可隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考試練習(xí)，其學(xué)習(xí)時(shí)間安排靈活，切實(shí)解決了考生對實(shí)驗(yàn)練習(xí)操作時(shí)間、地點(diǎn)受限的問題。由于系統(tǒng)不僅貼合真實(shí)實(shí)驗(yàn)考試內(nèi)容和要求（具有高相似性和客觀實(shí)驗(yàn)規(guī)律真實(shí)性），還可模擬展現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無法展現(xiàn)的微粒子、抽象物質(zhì)和不可見現(xiàn)象等理論知識、概念及現(xiàn)象，因此考生在系統(tǒng)上進(jìn)行練習(xí)操作后，便能夠快速、深層次的理解掌握實(shí)驗(yàn)考點(diǎn)內(nèi)容及考試流程。

1.3 建設(shè)需求分析

物理、化學(xué)都是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、幫助學(xué)生獲得知識和實(shí)驗(yàn)技能等方面有著重要的意義。

目前，全國大多數(shù)初中物理或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間安排都不規(guī)范，實(shí)驗(yàn)室場地受限、實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間少，導(dǎo)致學(xué)生在中考實(shí)驗(yàn)考試的時(shí)候?qū)�儀器的連接、使用不熟練，進(jìn)而形成考試容易失誤、失分的情況，影響中考成績。

為此，通過AR虛擬仿真技術(shù)，及無感手勢識別等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)考試模擬操作，這樣就可以解決實(shí)驗(yàn)場地限制、學(xué)生平時(shí)操作時(shí)間少的問題，讓學(xué)生利用手機(jī)、電腦在任何時(shí)間或地點(diǎn)，都可以進(jìn)行針對考試實(shí)驗(yàn)的操作練習(xí)，夯實(shí)實(shí)驗(yàn)操作基礎(chǔ)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑥亩�促進(jìn)對初中實(shí)驗(yàn)考試的自我構(gòu)建

第二章 AR實(shí)驗(yàn)智能評測系統(tǒng)介紹

2.1 總體設(shè)計(jì)

2.1.1 技術(shù)原理

AR實(shí)驗(yàn)智能評測系統(tǒng)以AR技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的體感交互設(shè)備，將真實(shí)世界信息與虛擬世界信息進(jìn)行“無縫”對接，借助顯示設(shè)備將現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息通過科學(xué)技術(shù)模擬仿真后在疊加，使虛擬對象與真實(shí)環(huán)境融為一體，并呈現(xiàn)給使用者一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境，具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊特點(diǎn)。該平臺虛擬再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，真實(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)操作，從而達(dá)到虛擬教學(xué)、練習(xí)的目的。

 AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)工作原理

AR仿真實(shí)驗(yàn)平臺具有三個(gè)突出的特點(diǎn)：

Ø 真實(shí)世界和虛擬世界的信息集成；

Ø 具有實(shí)時(shí)交互性；

Ø 是在三維尺度空間中增添定位虛擬儀器。

Ø 打破空間、時(shí)間限制

系統(tǒng)的虛擬對象（實(shí)驗(yàn)）采用組件式框架設(shè)計(jì)，確保實(shí)驗(yàn)器材靈活化，簡單化。整體項(xiàng)目采用MVC框架，保證UI與實(shí)驗(yàn)的合理區(qū)分，低耦合，易于擴(kuò)展。各個(gè)實(shí)驗(yàn)器材使用的方法，完全模擬真實(shí)的物質(zhì)特性。甚至一些在真實(shí)物體特性沒辦法看到的情況下，比如光、磁、電、分子運(yùn)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)等，根據(jù)其相關(guān)的物體特性原理，完全真實(shí)模擬出來，符合實(shí)際。

系統(tǒng)工作原理

2.1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)依托增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，以AR物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)資源為基礎(chǔ)，搭建AR中考實(shí)驗(yàn)考試練習(xí)平臺，加持動(dòng)態(tài)捕捉攝像機(jī)的定位追蹤和多媒體顯示終端的虛擬場景，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生在高度仿真的虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)考試練習(xí)，達(dá)到考試所要求的考試目的。整套系統(tǒng)給使用者營造出一種全新的感官效果，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互的教學(xué)作用。

以上整套AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)正常工作至少需要三種硬件組件，即顯示系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)、計(jì)算處理系統(tǒng)。隨著當(dāng)前教育信息化水平的飛速發(fā)展和多媒體教學(xué)裝備的普及，一般學(xué)校的現(xiàn)有教學(xué)環(huán)境均具備基本的人機(jī)交互顯示設(shè)備和教學(xué)計(jì)算機(jī)，完全符合實(shí)驗(yàn)平臺的環(huán)境搭建需要，即AR實(shí)驗(yàn)平臺是在當(dāng)前多媒體教室基礎(chǔ)上功能升級和改造，并且最大程度地進(jìn)行了設(shè)備復(fù)用。這樣不但實(shí)現(xiàn)了AR實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考試練習(xí)的迫切需求，更避免了教室資源的閑置和浪費(fèi)。

因此，實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)的搭建非常便利，需要做的只是選擇一間常規(guī)多媒體教室或功能教室（教學(xué)場地），現(xiàn)有教學(xué)設(shè)施（或新建）包括一臺亮度適中的投影機(jī)、幕布或電子白板、教師計(jì)算機(jī)、電子講桌、音響等（多媒體設(shè)備），也可以是一臺集成度更好、性價(jià)比更高的多媒體教學(xué)觸控一體機(jī)、推拉組合黑板等，然后增加一臺體感追蹤攝像機(jī)、伸縮式支架、AR仿真實(shí)驗(yàn)考試資源及軟件，從而實(shí)現(xiàn)多媒體教室的平滑升級。

AR仿真實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)組成

2.2 部署環(huán)境

2.2.1 基于教學(xué)投影機(jī)

目前投影機(jī)、幕布、計(jì)算機(jī)等設(shè)備已成為普通教室教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)配置，評測系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)硬件設(shè)備基本齊全，只需額外添置一臺動(dòng)態(tài)捕捉攝像機(jī)。系統(tǒng)平臺利用投影等硬件設(shè)備營造出虛實(shí)結(jié)合的練習(xí)場景，學(xué)生可通過動(dòng)態(tài)捕捉攝像機(jī)的定位追蹤對虛擬空間的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)交互操作。

系統(tǒng)整體可利用已有設(shè)備進(jìn)行完善，避免二次投入，節(jié)省教育資金。

基于教學(xué)投影機(jī)的AR仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

Ø 更優(yōu)顯示效果，雙重教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量

推薦激光投影機(jī)，具有壽命長、避免頻繁更換燈泡、智能調(diào)節(jié)顯示亮度、極速散熱等優(yōu)勢，優(yōu)化了顯示效果、兼顧了AR輔助教學(xué)模式，清晰的畫面和逼真的色彩還原能力。同時(shí)，虛擬和現(xiàn)實(shí)兩種顯示模式相結(jié)合，考試練習(xí)內(nèi)容更加直觀、生動(dòng)，提高了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)考試內(nèi)容更深層次的理解和記憶。

Ø 方便切換操作，提升課堂效率

可利用智能中控系統(tǒng)所有多媒體教室設(shè)備一鍵聯(lián)動(dòng)控制，所控即所得，使用方便，比如聲音大小調(diào)節(jié)、信號切換、AR顯示通道切換、設(shè)備聯(lián)動(dòng)開關(guān)、黑屏鎖屏等。

Ø 立體環(huán)繞音效，打造超強(qiáng)體驗(yàn)

利用高保真數(shù)字音響系統(tǒng)，打造聲音立體飽滿的教學(xué)環(huán)境，營造幾近真實(shí)的學(xué)習(xí)場景，讓學(xué)生在輕松、愉悅的臨場感中感受收獲帶來的快感。

Ø 兼容性和可擴(kuò)展性，方便平滑升級

AR硬件建設(shè)遵循《數(shù)字化校園多媒體教室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，具備良好的可擴(kuò)展性、兼容性、通透性。支持與現(xiàn)有所有常規(guī)多媒體教室設(shè)備整合、集成，設(shè)備復(fù)用，有效避免后期擴(kuò)展升級所帶來的重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)。

一.2.2 基于教學(xué)一體機(jī)

多媒體教學(xué)觸控一體機(jī)是集成大屏高清顯示、交互式電子白板、電腦、電視、音箱和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷囗?xiàng)功能于一身的多媒體教學(xué)演示與操作平臺。通過搭配的互動(dòng)教學(xué)軟件與人性化的觸控操作，可便捷調(diào)用多媒體素材資源，為課堂教學(xué)提供優(yōu)秀的大屏幕顯示互動(dòng)授課體驗(yàn)。動(dòng)態(tài)捕捉攝像機(jī)和多媒體觸控一體機(jī)的結(jié)合是實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要硬件條件。系統(tǒng)平臺通過實(shí)驗(yàn)資源和動(dòng)態(tài)捕捉攝像機(jī)的定位追蹤，在觸控一體機(jī)上實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的完美結(jié)合，學(xué)生可盡情享受虛實(shí)結(jié)合所帶來的科技感，教師亦可放心大膽的、無所顧慮的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)。

多媒體教學(xué)觸控一體機(jī)的AR教學(xué)平臺

推薦使用86英寸液晶觸控一體機(jī)，其具有以下特性：

（1）超薄超窄外觀，前置按鍵，前置USB 端口，模塊化安全設(shè)計(jì)

（2）觸控技術(shù)

Ø 抗光干擾（陽光直射照常使用）

Ø 防遮蔽功能（八點(diǎn)遮蔽，照常使用）

Ø 觸摸算法優(yōu)化程度高，響應(yīng)速度快，書寫和演示流暢度高

（3）高清顯示

Ø 超震撼虛實(shí)交互體驗(yàn)

Ø 滿足1920*1080分辨率

（4）通過EMC 測試（輻射遠(yuǎn)低于歐盟標(biāo)準(zhǔn)，確保產(chǎn)品綠色健康）

（5）顯示、觸控、智能核心、PC 一體融合

Ø 高清圖像處理引擎

Ø 智能電視芯片，智能Android 操作系統(tǒng)

Ø 觸摸切換菜單（在任意通道狀態(tài)下都可以使用觸控操控一體機(jī)）

Ø 不需要PC 可實(shí)現(xiàn)書寫批注，課件播放，視頻播放功能

（6）雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Ø 插拔式PC 設(shè)計(jì)（降低運(yùn)行噪音，易于維修）

Ø 內(nèi)置智能核心和操作系統(tǒng)，與PC 系統(tǒng)互為備用

（7）一鍵黑屏（節(jié)能、環(huán)保，提升使用壽命）

（8）環(huán)境適應(yīng)（通過0℃～40℃環(huán)境模擬嚴(yán)格測試）

（9）屏幕防劃防撞擊

1.3 平臺優(yōu)勢

      先進(jìn)性

AR虛擬實(shí)驗(yàn)平臺采用先進(jìn)的思想、成熟的技術(shù)與設(shè)計(jì)方法，利用AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)與多媒體技術(shù)設(shè)計(jì)，符合當(dāng)前潮流與未來發(fā)展趨勢。

 開放性

系統(tǒng)平臺采用開放式設(shè)計(jì)，提供開放性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器、操作流程，在系統(tǒng)中學(xué)生可放心大膽的進(jìn)行操作，不必?fù)?dān)心因操作失誤而釀成的嚴(yán)重后果。

 交互性

系統(tǒng)平臺專為學(xué)生對中考實(shí)驗(yàn)考的練習(xí)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造虛擬世界與現(xiàn)實(shí)場景相結(jié)合的即時(shí)交互實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有別于傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤機(jī)械式的人機(jī)交互方式而帶來的局限性，交互效果更加真實(shí)、便捷、直觀。

靈活性

系統(tǒng)平臺在教學(xué)過程中靈活便捷，學(xué)生根據(jù)練習(xí)環(huán)境、考試內(nèi)容等因素，只需改變動(dòng)態(tài)捕捉攝像機(jī)的位置和高度，即可滿足操作環(huán)境。學(xué)生不用在練習(xí)前準(zhǔn)備沉重的教學(xué)儀器到教室，只需在本產(chǎn)品虛擬空間中抓取虛擬物品完成實(shí)驗(yàn)練習(xí)。

 實(shí)用性

系統(tǒng)平臺追求以考試為導(dǎo)向，練習(xí)“應(yīng)用”為手段，堅(jiān)持實(shí)用的設(shè)計(jì)原則，緊緊圍繞實(shí)驗(yàn)考試要求，同時(shí)，系統(tǒng)具有教學(xué)練習(xí)與考試兩種模式，實(shí)現(xiàn)練習(xí)和評測并向操作學(xué)習(xí)，快速掌握考試內(nèi)容和流程。

安全性

AR虛擬實(shí)驗(yàn)考試平臺的一大優(yōu)點(diǎn)即在于其絕對的安全性，不會因操作失誤而造成人身事故。