第一章 概述

1.1 建設背景及現(xiàn)狀

教育部發(fā)布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》中提出學校要開足開齊實驗課程，把學生實驗操作情況和能力表現(xiàn)納入綜合素質(zhì)評價；2023年前要將實驗操作納入初中學業(yè)水平考試（中考）。

對于目前而言，全國已經(jīng)有多個省市將初中的物理、化學實驗納入初中學業(yè)水平考試，對提高初中化學教學水平方面起到了重要的促進作用，但是也存在著一些不可忽視的問題。

實踐性和可觀察性是實驗操作的重要特征，學生若受限實驗室的條件（實驗室大小、器材是否齊全、教學時間安排等）所致，沒有得到充分的實踐操作時間，勢必會影響學生對考試實驗的理解和操作熟練度。

如何打破傳統(tǒng)實驗教學活動中的多種條件限制，已迫在眉睫。可喜的是，隨著科技不斷發(fā)展，可以通過3D、AR虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代科技技術，來解決目前的問題，在有些實驗部分甚至還優(yōu)于傳統(tǒng)的實驗活動，譬如：在沒有老師的參與實驗時，也能做到對實驗操作步驟的評分總結(jié)，直觀的讓學生知道錯誤與正確的操作步驟是哪些，這樣更有針對性的加強對實驗考試理解，減少操作失誤。

1.2 建設目標

物理、化學是以大量實驗結(jié)果論證支撐的學科，學生通過操作虛擬實驗過程驗證相應的結(jié)論可對事實獲得具體的、明確的認識，進而培養(yǎng)學生的觀察、實驗能力及實事求是的嚴謹科學探究態(tài)度。

通過多媒體手段，依托學科特色，打造富有科技感的物理、化學學科虛擬仿真實驗資源和應用，做到考試、教學模式多樣化，教學資源共享化，教育信息數(shù)字化。

系統(tǒng)利用目前先進成熟的計算機技術、網(wǎng)絡技術、多媒體技術、動態(tài)傳感技術，并采用世界最前沿的3D/AR增強現(xiàn)實技術，針對初中物理、化學中考（初中學業(yè)水平考試）實驗操作考試而打造的一款快速掌握考點內(nèi)容的系統(tǒng)工具。它打破了傳統(tǒng)實驗室的條件限制（時間安排、人員安排、器材數(shù)量、空間大小、實驗安全等條件），利用普通常用終端（電腦、手機、平板）便可隨時隨地進行實驗考試練習，其學習時間安排靈活，切實解決了考生對實驗練習操作時間、地點受限的問題。由于系統(tǒng)不僅貼合真實實驗考試內(nèi)容和要求（具有高相似性和客觀實驗規(guī)律真實性），還可模擬展現(xiàn)傳統(tǒng)實驗中無法展現(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)上進行練習操作后，便能夠快速、深層次的理解掌握實驗考點內(nèi)容及考試流程。

1.3 建設需求分析

物理、化學都是以實驗為基礎的學科，實驗在激發(fā)學生學習興趣、幫助學生獲得知識和實驗技能等方面有著重要的意義。

目前，全國大多數(shù)初中物理或化學實驗室、實驗操作時間安排都不規(guī)范，實驗室場地受限、實驗操作時間少，導致學生在中考實驗考試的時候?qū)�儀器的連接、使用不熟練，進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，及無感手勢識別等多項先進技術，應用于實驗考試模擬操作，這樣就可以解決實驗場地限制、學生平時操作時間少的問題，讓學生利用手機、電腦在任何時間或地點，都可以進行針對考試實驗的操作練習，夯實實驗操作基礎，增強學生的實驗能力，從而促進對初中實驗考試的自我構建

第二章 AR實驗智能評測系統(tǒng)介紹

2.1 總體設計

2.1.1 技術原理

AR實驗智能評測系統(tǒng)以AR技術為基礎，結(jié)合先進的體感交互設備，將真實世界信息與虛擬世界信息進行“無縫”對接，借助顯示設備將現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息通過科學技術模擬仿真后在疊加，使虛擬對象與真實環(huán)境融為一體，并呈現(xiàn)給使用者一個感官效果真實的新環(huán)境，具有虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊特點。該平臺虛擬再現(xiàn)真實的實驗，真實再現(xiàn)實驗過程、實驗結(jié)果、實驗數(shù)據(jù)、實驗操作，從而達到虛擬教學、練習的目的。

 AR增強現(xiàn)實技術工作原理

AR仿真實驗平臺具有三個突出的特點：

Ø 真實世界和虛擬世界的信息集成；

Ø 具有實時交互性；

Ø 是在三維尺度空間中增添定位虛擬儀器。

Ø 打破空間、時間限制

系統(tǒng)的虛擬對象（實驗）采用組件式框架設計，確保實驗器材靈活化，簡單化。整體項目采用MVC框架，保證UI與實驗的合理區(qū)分，低耦合，易于擴展。各個實驗器材使用的方法，完全模擬真實的物質(zhì)特性。甚至一些在真實物體特性沒辦法看到的情況下，比如光、磁、電、分子運動、化學反應等，根據(jù)其相關的物體特性原理，完全真實模擬出來，符合實際。

系統(tǒng)工作原理

2.1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)依托增強現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡等技術，以AR物理、化學實驗資源為基礎，搭建AR中考實驗考試練習平臺，加持動態(tài)捕捉攝像機的定位追蹤和多媒體顯示終端的虛擬場景，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生在高度仿真的虛擬環(huán)境中開展實驗考試練習，達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，實現(xiàn)虛實結(jié)合、實時交互的教學作用。

以上整套AR增強現(xiàn)實系統(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)、計算處理系統(tǒng)。隨著當前教育信息化水平的飛速發(fā)展和多媒體教學裝備的普及，一般學校的現(xiàn)有教學環(huán)境均具備基本的人機交互顯示設備和教學計算機，完全符合實驗平臺的環(huán)境搭建需要，即AR實驗平臺是在當前多媒體教室基礎上功能升級和改造，并且最大程度地進行了設備復用。這樣不但實現(xiàn)了AR實驗教學和考試練習的迫切需求，更避免了教室資源的閑置和浪費。

因此，實驗平臺系統(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（教學場地），現(xiàn)有教學設施（或新建）包括一臺亮度適中的投影機、幕布或電子白板、教師計算機、電子講桌、音響等（多媒體設備），也可以是一臺集成度更好、性價比更高的多媒體教學觸控一體機、推拉組合黑板等，然后增加一臺體感追蹤攝像機、伸縮式支架、AR仿真實驗考試資源及軟件，從而實現(xiàn)多媒體教室的平滑升級。

AR仿真實驗平臺系統(tǒng)組成

2.2 部署環(huán)境

2.2.1 基于教學投影機

目前投影機、幕布、計算機等設備已成為普通教室教學的標準配置，評測系統(tǒng)所需的基礎硬件設備基本齊全，只需額外添置一臺動態(tài)捕捉攝像機。系統(tǒng)平臺利用投影等硬件設備營造出虛實結(jié)合的練習場景，學生可通過動態(tài)捕捉攝像機的定位追蹤對虛擬空間的物體進行實時交互操作。

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

基于教學投影機的AR仿真實驗環(huán)境

Ø 更優(yōu)顯示效果，雙重教學模式，提高教學質(zhì)量

推薦激光投影機，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輔助教學模式，清晰的畫面和逼真的色彩還原能力。同時，虛擬和現(xiàn)實兩種顯示模式相結(jié)合，考試練習內(nèi)容更加直觀、生動，提高了學生對實驗考試內(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)所有多媒體教室設備一鍵聯(lián)動控制，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、設備聯(lián)動開關、黑屏鎖屏等。

Ø 立體環(huán)繞音效，打造超強體驗

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

Ø 兼容性和可擴展性，方便平滑升級

AR硬件建設遵循《數(shù)字化校園多媒體教室建設標準》，具備良好的可擴展性、兼容性、通透性。支持與現(xiàn)有所有常規(guī)多媒體教室設備整合、集成，設備復用，有效避免后期擴展升級所帶來的重復建設和資源浪費。

一.2.2 基于教學一體機

多媒體教學觸控一體機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)絡傳輸?shù)榷囗椆δ苡谝簧淼亩嗝襟w教學演示與操作平臺。通過搭配的互動教學軟件與人性化的觸控操作，可便捷調(diào)用多媒體素材資源，為課堂教學提供優(yōu)秀的大屏幕顯示互動授課體驗。動態(tài)捕捉攝像機和多媒體觸控一體機的結(jié)合是實現(xiàn)虛擬實驗教學的必要硬件條件。系統(tǒng)平臺通過實驗資源和動態(tài)捕捉攝像機的定位追蹤，在觸控一體機上實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的完美結(jié)合，學生可盡情享受虛實結(jié)合所帶來的科技感，教師亦可放心大膽的、無所顧慮的進行實驗操作練習。

多媒體教學觸控一體機的AR教學平臺

推薦使用86英寸液晶觸控一體機，其具有以下特性：

（1）超薄超窄外觀，前置按鍵，前置USB 端口，模塊化安全設計

（2）觸控技術

Ø 抗光干擾（陽光直射照常使用）

Ø 防遮蔽功能（八點遮蔽，照常使用）

Ø 觸摸算法優(yōu)化程度高，響應速度快，書寫和演示流暢度高

（3）高清顯示

Ø 超震撼虛實交互體驗

Ø 滿足1920*1080分辨率

（4）通過EMC 測試（輻射遠低于歐盟標準，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）

Ø 不需要PC 可實現(xiàn)書寫批注，課件播放，視頻播放功能

（6）雙系統(tǒng)設計

Ø 插拔式PC 設計（降低運行噪音，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（通過0℃～40℃環(huán)境模擬嚴格測試）

（9）屏幕防劃防撞擊

1.3 平臺優(yōu)勢

      先進性

AR虛擬實驗平臺采用先進的思想、成熟的技術與設計方法，利用AR增強現(xiàn)實技術、虛擬仿真技術與多媒體技術設計，符合當前潮流與未來發(fā)展趨勢。

 開放性

系統(tǒng)平臺采用開放式設計，提供開放性的實驗環(huán)境、實驗儀器、操作流程，在系統(tǒng)中學生可放心大膽的進行操作，不必擔心因操作失誤而釀成的嚴重后果。

 交互性

系統(tǒng)平臺專為學生對中考實驗考的練習設計，創(chuàng)造虛擬世界與現(xiàn)實場景相結(jié)合的即時交互實驗環(huán)境，有別于傳統(tǒng)的鼠標鍵盤機械式的人機交互方式而帶來的局限性，交互效果更加真實、便捷、直觀。

靈活性

系統(tǒng)平臺在教學過程中靈活便捷，學生根據(jù)練習環(huán)境、考試內(nèi)容等因素，只需改變動態(tài)捕捉攝像機的位置和高度，即可滿足操作環(huán)境。學生不用在練習前準備沉重的教學儀器到教室，只需在本產(chǎn)品虛擬空間中抓取虛擬物品完成實驗練習。

 實用性

系統(tǒng)平臺追求以考試為導向，練習“應用”為手段，堅持實用的設計原則，緊緊圍繞實驗考試要求，同時，系統(tǒng)具有教學練習與考試兩種模式，實現(xiàn)練習和評測并向操作學習，快速掌握考試內(nèi)容和流程。

安全性

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