完整版VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育解決方案可行性研究報(bào)告

完整版虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育解決方案目錄一、項(xiàng)目提出的目的及意義二、與項(xiàng)目相關(guān)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及市場(chǎng)需求分析三、主要攻關(guān)內(nèi)容及技術(shù)路線（技術(shù)可行性分析）四、該項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)五、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件六、申請(qǐng)的基礎(chǔ)條件（包括主要研究成果）七、進(jìn)度安排和實(shí)施方案（包括運(yùn)行機(jī)制）八、預(yù)期成果和考核目標(biāo)九、推廣及應(yīng)用前景十、經(jīng)費(fèi)概算及來(lái)源十一、結(jié)論附件---虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室條件建設(shè)需求一、項(xiàng)目提出的目的及意義互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能被喻為改變?nèi)祟愓J(rèn)知世界的三大信息技術(shù)?；ヂ?lián)網(wǎng)從少被社會(huì)廣泛認(rèn)知，到今天對(duì)社會(huì)生活的全面顛覆與滲透不過(guò)二十余年。如今互聯(lián)網(wǎng)+已為國(guó)家戰(zhàn)略。當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)在我們生活中掀起一個(gè)又一個(gè)駭浪時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)正悄然從幕后走向前臺(tái)。今天虛擬現(xiàn)實(shí)正演繹著當(dāng)年互聯(lián)網(wǎng)對(duì)人類生活，從無(wú)足輕重到全面顛覆的革命性過(guò)程?？萍家蕴摂M現(xiàn)實(shí)給人類生活再創(chuàng)造出一次驚喜己為期不遠(yuǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育：“虛擬現(xiàn)實(shí)”（VirtualReality，英文縮寫VR）技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)硬件+軟件資源+傳感器的一種集成技術(shù)，構(gòu)成實(shí)時(shí)三維圖形生成的技術(shù)、仿真技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及顯示技術(shù)等，生成實(shí)時(shí)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(guò)多種交互設(shè)備（如頭盔、數(shù)據(jù)手套和剛性外骨架衣服等）來(lái)駕馭該環(huán)境，以及用于操縱環(huán)境中的對(duì)象，如在真實(shí)世界中一樣地與該環(huán)境中的人和事物進(jìn)行行為和思想等的實(shí)時(shí)交流，并產(chǎn)生逼真的身臨其境感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不是相關(guān)技術(shù)的簡(jiǎn)單組合，而是一種創(chuàng)新性的綜合，并且在思想方式上有質(zhì)的飛躍。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)教育產(chǎn)生不可估量的作用，主要理由如下：1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建全新的教育環(huán)境人們普遍認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將使21世紀(jì)的教育發(fā)生質(zhì)的變化。虛假現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的教育之所以會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，是因?yàn)樘摂M教育環(huán)境擁有現(xiàn)實(shí)教育培訓(xùn)環(huán)境無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。所謂虛擬教育環(huán)境，是指由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬教育的人工環(huán)境，它可以是某一現(xiàn)實(shí)世界的基礎(chǔ)或設(shè)施的真實(shí)實(shí)現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想成的世界。在21世紀(jì)，可能興辦起依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的各種新型的學(xué)校教育，如基礎(chǔ)教育、軍事教育、各類培訓(xùn)教育，許多學(xué)員在虛擬環(huán)境中接受各種教育體驗(yàn)與訓(xùn)練。由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。與現(xiàn)實(shí)教育基地或設(shè)施相比，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的虛擬教育環(huán)境大致有如下特征和優(yōu)勢(shì)：1.1仿真性學(xué)生通過(guò)虛擬設(shè)施訓(xùn)練，與在現(xiàn)實(shí)教學(xué)基地里同樣方便。這是因?yàn)樘摂M環(huán)境無(wú)論對(duì)于現(xiàn)實(shí)的環(huán)境或是對(duì)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(yīng)該達(dá)到使受訓(xùn)者難以分辯真假的程度（例如可視場(chǎng)景應(yīng)隨著視點(diǎn)的變化而變化），甚至比真的還“真”（如實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響效果）。1.2開(kāi)放性虛擬教育環(huán)境有可能給任何受訓(xùn)者在任何地點(diǎn)任何時(shí)間里廣泛地提供各種培訓(xùn)的場(chǎng)所。事實(shí)上，虛擬教育環(huán)境的內(nèi)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(jìn)行類似于傳統(tǒng)教育項(xiàng)目的環(huán)境，但它的擅長(zhǎng)更是那種使學(xué)員置身于項(xiàng)目對(duì)象之中的逼真環(huán)境。凡是受訓(xùn)者可以通過(guò)有關(guān)器具操作來(lái)學(xué)習(xí)或掌握某種知識(shí)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(shí)空性虛擬教育環(huán)境具有超時(shí)空的特點(diǎn)，它能夠?qū)⑦^(guò)去世界、現(xiàn)在世界、未來(lái)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(dú)呈現(xiàn)或進(jìn)行有機(jī)組合，并可隨時(shí)隨地提供給受教育者。比如，學(xué)生需要身臨超越現(xiàn)實(shí)時(shí)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(xué)生可通過(guò)使用設(shè)備，用人類的自然技能實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境（無(wú)論它模擬的是真實(shí)環(huán)境還是想象環(huán)境）的物體或事件進(jìn)行操作，就象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境里一樣?？刹僮餍允翘摂M教育環(huán)境實(shí)際運(yùn)用的必備特性，它使學(xué)生得以在其中學(xué)習(xí)中獲得需要實(shí)際知識(shí)與技能課程，也使遠(yuǎn)程教育真正實(shí)現(xiàn)。1.5對(duì)應(yīng)性教育內(nèi)容與虛擬環(huán)境密切相對(duì)應(yīng)的。例如，學(xué)生要學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作，那么虛擬環(huán)境就是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的模擬環(huán)境。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能按每個(gè)學(xué)生的基礎(chǔ)和能力，對(duì)應(yīng)性地開(kāi)展個(gè)別化的教育。2、虛擬教育培訓(xùn)的廣泛性未來(lái)社會(huì)是一個(gè)學(xué)習(xí)化的社會(huì)，為了求得自身知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力體系的完善與發(fā)展，達(dá)到學(xué)會(huì)生存并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值的目的，接受終身教育是人們的當(dāng)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(xiàng)目。由于用虛擬環(huán)境代替現(xiàn)實(shí)環(huán)境，學(xué)習(xí)和實(shí)練效果更好；而且利用虛擬環(huán)境進(jìn)行訓(xùn)練，也使一些在真實(shí)環(huán)境下難以實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目成為可能，因而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)給未來(lái)教育帶來(lái)根本性的改革。由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的教育方式將發(fā)揮強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，大顯身手地運(yùn)用于各方面的教育項(xiàng)目中去。3、虛擬教育的優(yōu)越性作為教育技術(shù)和工具的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，給教育體系帶來(lái)了與眾不同的、全新的教育特點(diǎn)。它不僅僅對(duì)于教育場(chǎng)所或設(shè)施的設(shè)計(jì)人員和教育業(yè)務(wù)的指導(dǎo)人員提供了實(shí)踐其教育價(jià)值的途徑和方式，而且從受教育者的角度來(lái)說(shuō)，它在解決學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)的困難、提高學(xué)員汲取知識(shí)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(dāng)有利的特征。這些特征可大致概括為：3.1臨場(chǎng)性指學(xué)生可以感到自己處于虛擬環(huán)境的體驗(yàn)，產(chǎn)生一種逼真的存在感，學(xué)員覺(jué)得自己真的存在于某環(huán)境中，是該環(huán)境的一部分，而不是它的旁觀者。學(xué)生可自由地在這環(huán)境中與有關(guān)的虛擬物體或事件相互作用，如同在現(xiàn)實(shí)世界中一樣。臨場(chǎng)性的意義，在于使學(xué)生將遠(yuǎn)程、虛擬認(rèn)知或感覺(jué)如現(xiàn)場(chǎng)與真實(shí)中。此外，由于這種臨場(chǎng)性一方面是使學(xué)生進(jìn)入虛擬環(huán)境，另一方面是運(yùn)用交互設(shè)備把學(xué)員的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，使他暫時(shí)與真實(shí)環(huán)境隔離，因此不會(huì)受到虛擬環(huán)境外的現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾，易于集中學(xué)員的注意力，使他全身心投入到訓(xùn)練中去。3.2自主性學(xué)生能自主地選擇或組合虛擬場(chǎng)地或設(shè)施。這樣，學(xué)生能在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)設(shè)施、學(xué)習(xí)信息資料、以及取得學(xué)習(xí)結(jié)果的評(píng)估，并具有完全的自由度。此外，對(duì)于學(xué)習(xí)后沒(méi)掌握的知識(shí)與技能過(guò)程或片斷，學(xué)生可以自己多次重復(fù)。這樣，學(xué)生始終處于教育中的主導(dǎo)地位，真正掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，大大增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果，減少了學(xué)習(xí)時(shí)間。3.3多感受性學(xué)生在虛擬環(huán)境中接受教育時(shí)具有多種感知能力，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)覺(jué)、味覺(jué)等。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)當(dāng)可以讓學(xué)生具有在現(xiàn)實(shí)世界中的一切感知能力。多感受性使學(xué)員得以運(yùn)用自己所有感知能力，在一個(gè)極其生動(dòng)活潑的環(huán)境里進(jìn)行實(shí)時(shí)的、全方位的學(xué)習(xí)。3.4功能替代性在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)幫助下，學(xué)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(lái)進(jìn)行操縱環(huán)境、汲取信息或交流。這樣，殘疾人能通過(guò)自己的形體動(dòng)作與他人進(jìn)行交談（如殘疾人戴上數(shù)據(jù)手套后，就能將自己的手勢(shì)翻譯成講話的聲音），或通過(guò)聲音來(lái)操作器械，等等。這種感知功能替代性使殘疾學(xué)生可以接受過(guò)去自己無(wú)法做的項(xiàng)目。3.5交互性學(xué)生可以采用多種交互手段如語(yǔ)言、手勢(shì)、數(shù)據(jù)手套及觸覺(jué)等，與虛擬環(huán)境交流信息，并得到實(shí)時(shí)反饋。這種特性使學(xué)員與物體、學(xué)員與事件、學(xué)員與其他人（如指導(dǎo)人員、別的學(xué)員）之間的雙向?qū)崟r(shí)反饋，在遠(yuǎn)程狀態(tài)下成為可能，并猶如近距離或面對(duì)面交流一樣。3.6安全性虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)遠(yuǎn)比在現(xiàn)實(shí)環(huán)境里安全。如具危險(xiǎn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，軍事學(xué)生可以重演戰(zhàn)爭(zhēng)，消防隊(duì)員可以重演撲滅火災(zāi)。每個(gè)人都可以在這種虛擬環(huán)境中試驗(yàn)各種方案，即使闖下“大禍”，也不會(huì)引起任何“惡果”。安全性不僅是對(duì)于學(xué)生而言的，它也包括周圍環(huán)境中的事物，這一點(diǎn)對(duì)于技能性學(xué)習(xí)特別重要和特別有意義。（一）項(xiàng)目概要1.虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用層次可分為：1.1初級(jí)應(yīng)用：桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)---非沉浸式體驗(yàn)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)+軟件即可實(shí)現(xiàn)1.2中級(jí)應(yīng)用：桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)---沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)+軟件+數(shù)據(jù)頭盔+數(shù)據(jù)手套。1.3高級(jí)應(yīng)用：分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它建立在沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式交互仿真（distributedinteractionsimulation）的基礎(chǔ)上1.4高級(jí)應(yīng)用：+增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，于虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上加入真實(shí)的物具（現(xiàn)實(shí)中的，非建模的），實(shí)現(xiàn)虛擬世界與真實(shí)世界的交互。

2.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育解決方案主要包括以下：2.1初高中實(shí)驗(yàn)類課程方案，涉及化學(xué)、物理（仿真實(shí)驗(yàn)室，物體與規(guī)則重建）2.2初高中認(rèn)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(yǔ)（事件重建）、語(yǔ)文（意境重建）、數(shù)學(xué)(幾何規(guī)則與邏輯重建).2.4職業(yè)學(xué)校技能培訓(xùn)方案，如裝配、修理、維護(hù)開(kāi)發(fā)上述產(chǎn)品，一類基于“桌面虛擬現(xiàn)實(shí)---非沉浸式體驗(yàn)系統(tǒng)”技術(shù)，另一類基于“桌面虛擬現(xiàn)實(shí)---沉浸式體驗(yàn)系統(tǒng)”技術(shù)。上述產(chǎn)品以通用教材課標(biāo)為依據(jù)，以教育心理學(xué)、名師教學(xué)方式為邏輯，以時(shí)間進(jìn)度排序，加入知識(shí)與技能要點(diǎn)考察和水平評(píng)價(jià)，貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的理念、構(gòu)成、內(nèi)涵與體系均屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，為行業(yè)應(yīng)用的重大創(chuàng)新。社會(huì)公司，包括獨(dú)立的教師因條件所限，從事的開(kāi)發(fā)均以課件、資源類為主，難以開(kāi)展如我們這種體系化的構(gòu)建。此構(gòu)建的可性行來(lái)自我們的業(yè)界優(yōu)勢(shì)，即是川師大數(shù)十年的教育背景與教育資源+技術(shù)背景與技術(shù)資源，極其寶貴、極其難得的組合，他人難以復(fù)制。3.項(xiàng)目目標(biāo)3.1總體目標(biāo)該解決方案融合虛擬現(xiàn)實(shí)最新硬件設(shè)備以及先進(jìn)的教學(xué)理念，構(gòu)建完全實(shí)時(shí)的、高保真的、用戶高度介入的學(xué)習(xí)環(huán)境。其特點(diǎn)是具有豐富的環(huán)境、豐富的接口、操作與數(shù)據(jù)雙重驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)功能，對(duì)教與學(xué)產(chǎn)生極大的效用。3.2技術(shù)目標(biāo)包括五個(gè)方面：3.2.1開(kāi)創(chuàng)虛擬現(xiàn)實(shí)在國(guó)內(nèi)教育領(lǐng)域系統(tǒng)化應(yīng)用的先河,于教學(xué)上實(shí)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(dòng)畫資料)的替代。解決方案首要的目標(biāo)是構(gòu)建快速、協(xié)同的VR資源平臺(tái)，資源的迭代演化保持一定領(lǐng)先性且遙應(yīng)未來(lái)技術(shù)發(fā)展要求，體現(xiàn)業(yè)務(wù)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新特征，突出與滿足教學(xué)及教學(xué)管理的現(xiàn)代化需求。3.2.2采用分層設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一的同時(shí)兼顧風(fēng)險(xiǎn)與效率，達(dá)到規(guī)范性與個(gè)性化相結(jié)合的目的，增加系統(tǒng)靈活性，滿足不同學(xué)科、不同層次課程的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，遵循現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)課程（如川師4A網(wǎng)課）課程分類規(guī)劃設(shè)計(jì)，并與校園其它網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)有效銜接。3.2.3保證高性能、高可用性，提供動(dòng)態(tài)擴(kuò)容、應(yīng)急處理、備份等手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、增進(jìn)用戶體驗(yàn)。3.2.4組件化、可配置的指標(biāo)、參數(shù)策略，適應(yīng)不斷增加與調(diào)整的系統(tǒng)需求變化。適配不同種類與配置的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備。3.2.5數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。構(gòu)建VR場(chǎng)景知識(shí)庫(kù)、參數(shù)化模型庫(kù)以及學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為軌跡庫(kù)，形成個(gè)性化學(xué)習(xí)成果反饋技術(shù)應(yīng)用。4.項(xiàng)目應(yīng)用主目標(biāo)，完成虛擬現(xiàn)實(shí)教育解決方案系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)5.項(xiàng)目應(yīng)用次級(jí)目標(biāo)—啟動(dòng)期目標(biāo)：5.1完成非沉浸性與沉浸性中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并在學(xué)習(xí)者中推廣，以達(dá)到體驗(yàn)和驗(yàn)證。5.2完成沉浸性中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)5.3完成中學(xué)物理、歷史、地理、語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)需求設(shè)計(jì)5.4職業(yè)學(xué)校需求調(diào)研（二）立項(xiàng)的必要性及意義 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被普遍認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，在21世紀(jì)最有潛力的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有的沉浸、交互、構(gòu)想三大特征使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用有其獨(dú)特而明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著資本對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的持續(xù)關(guān)注、硬件成本降低、設(shè)備的普及以及互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)對(duì)教育融合的深入，迫切需要虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改造傳統(tǒng)教育模式，甚至是剛剛開(kāi)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(diǎn)”(如不能跨時(shí)空共享優(yōu)質(zhì)教育資源，互動(dòng)性差等)，但是學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)沒(méi)有得到實(shí)質(zhì)的提升，缺乏虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（如沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）帶來(lái)的強(qiáng)烈的體驗(yàn)感、逼真的現(xiàn)在感與強(qiáng)大的可交互性。1.把握歷史機(jī)遇，珍惜最佳進(jìn)入期長(zhǎng)期以來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)硬件成本的居高不下成了其實(shí)際應(yīng)用的最大障礙，行業(yè)應(yīng)用處于3/4的休眠狀態(tài)。近兩年因技術(shù)突破性進(jìn)步，成本直線下降，其行業(yè)應(yīng)用處于爆發(fā)前夜，越來(lái)越清晰地呈現(xiàn)出一個(gè)科技應(yīng)用熱點(diǎn)。在市場(chǎng)尚未完全被喚醒時(shí)進(jìn)入，無(wú)疑為最佳時(shí)期。以游戲頭盔式顯示器為例，2013年美國(guó)當(dāng)?shù)貓?bào)價(jià)5萬(wàn)美元到17萬(wàn)美元，到2015年降到7000美元到8萬(wàn)美元間，非游戲頭盔則降價(jià)幅度更大，早幾年還需數(shù)萬(wàn)人民幣的體感頭盔目前市場(chǎng)價(jià)普遍在1千到3千人民幣不等。進(jìn)入2015年，硬件價(jià)格的下降趨勢(shì)仍在加速，以樂(lè)視為例，2015年11月向市場(chǎng)推出有售價(jià)僅149元的VR頭盔。隨硬件成本的快速平民化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)走向廣泛社會(huì)應(yīng)用的閘門已經(jīng)打開(kāi)。從資本市場(chǎng)看，2015年6月以來(lái)，中國(guó)A股歷經(jīng)了三次股災(zāi)，資本市場(chǎng)一片哀歌，但虛擬現(xiàn)實(shí)概念股卻逆勢(shì)上漲，成為A股獨(dú)特的亮麗風(fēng)景。據(jù)惠特資本分析，這是一個(gè)尚未有巨型企業(yè)出現(xiàn)的藍(lán)海市場(chǎng)。2.開(kāi)啟重大行業(yè)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新，樹立行業(yè)科技開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)地位虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育行業(yè)的運(yùn)用，除非沉浸式的一些三維交互課件外，尚沒(méi)有更多運(yùn)用，基本處于未開(kāi)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(shù)。我們兩者皆具，這是我們的背景優(yōu)勢(shì)?？v觀社會(huì)，兩者皆具的開(kāi)發(fā)者很少，珍惜歷史給予的難得機(jī)會(huì)。背景優(yōu)勢(shì)將很好支持我們開(kāi)展這一項(xiàng)具有行業(yè)重大應(yīng)用創(chuàng)新的研發(fā)，進(jìn)而樹立其行業(yè)科技開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)。3.形成行業(yè)應(yīng)用級(jí)產(chǎn)品，占領(lǐng)行業(yè)科技應(yīng)用的制高點(diǎn)若衡向與兄弟院校在科技實(shí)力上對(duì)比，川師大的弱處還在缺少對(duì)社會(huì)、對(duì)行業(yè)、對(duì)企業(yè)不能提出解決方案級(jí)別的成果，科研產(chǎn)出缺乏對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)起重要推進(jìn)作用的、應(yīng)用級(jí)別的創(chuàng)新。本項(xiàng)目的推進(jìn)有利于突破困局。二、與項(xiàng)目相關(guān)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及市場(chǎng)需求分析2016年被公認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用元年。虛擬現(xiàn)實(shí)近10年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其行業(yè)應(yīng)用愈來(lái)愈清晰而備受社會(huì)各行業(yè)關(guān)注。目前在發(fā)達(dá)國(guó)家中,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，其表現(xiàn)之亮麗，令人震驚。如美國(guó)很多學(xué)生已經(jīng)開(kāi)始使用zSpaceSTEM實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生們已經(jīng)探索了虛擬火山和構(gòu)建了先進(jìn)電路板。這個(gè)系統(tǒng)為學(xué)生提供了真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境和個(gè)性化學(xué)習(xí)體驗(yàn)，且符合美國(guó)新世紀(jì)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（NGSS）、基礎(chǔ)課和各州標(biāo)準(zhǔn)。虛擬全像圖像可以從屏幕中“取出來(lái)”并使用觸筆去操控。一些應(yīng)用則提供多感官反饋。比如，學(xué)生在和一個(gè)虛擬心臟互動(dòng)時(shí)，可以看到、聽(tīng)到并感覺(jué)到它在跳動(dòng)。我國(guó)目前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要側(cè)重在科學(xué)研究、虛擬試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)以及虛擬校園的開(kāi)發(fā)方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用的規(guī)模差距不少,但是已經(jīng)引起政府有關(guān)部門和科學(xué)家的高度重視。九五計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃等都把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)列入了研究項(xiàng)目。（一）目標(biāo)市場(chǎng)的分析與預(yù)測(cè)1、市場(chǎng)分布整體上看，我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)處在起步期。它的發(fā)展與上世紀(jì)80年初的微型計(jì)算機(jī)、90年代中期的互聯(lián)網(wǎng)相似。以虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備為例，2015年全球虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的銷量己達(dá)1400萬(wàn)部，2020年的全球銷量會(huì)提高至8800萬(wàn)部；BIIntelligence的報(bào)告預(yù)測(cè)，虛擬現(xiàn)實(shí)硬件市場(chǎng)的規(guī)模將在未來(lái)幾年迅猛增長(zhǎng)，未來(lái)5年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將高達(dá)299%；美國(guó)知名的第三方調(diào)研機(jī)構(gòu)Manatt5DigitalMedia和投資銀行Digi-Capital也發(fā)布報(bào)告稱，全球虛擬現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)規(guī)模將在5年內(nèi)、即2020年達(dá)到5200億美元。可見(jiàn)，針對(duì)消費(fèi)者的虛擬現(xiàn)實(shí)商業(yè)化時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的滲透將會(huì)是“一場(chǎng)必勝的持久戰(zhàn)”。從國(guó)內(nèi)外發(fā)展比較看，目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展方向出現(xiàn)分化，但重大分水嶺尚未形成。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品、技術(shù)與市場(chǎng)需求的深度融合處于摸索期，以出售產(chǎn)品和服務(wù)為目標(biāo)，有近200家公司介入VR領(lǐng)域，從硬件產(chǎn)品到內(nèi)容制作幾乎全部覆蓋；國(guó)外并非單純以出售產(chǎn)品為目標(biāo)，以O(shè)culus和Sony公司為例，除了研發(fā)頭戴顯示器、交互設(shè)備、輸入設(shè)備、動(dòng)作識(shí)別設(shè)備，更在著手制定各自的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，意圖統(tǒng)治全球市場(chǎng)。以上不難看出，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵設(shè)備制造的成本大幅下滑，我們己站在了一個(gè)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為手段，以行業(yè)應(yīng)用為開(kāi)發(fā)內(nèi)容的門坎，門內(nèi)擁有一個(gè)不低于數(shù)千億級(jí)的市場(chǎng)體量。2、市場(chǎng)需求與發(fā)展前景的分析和產(chǎn)品市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)2.1市場(chǎng)份額至2014年末，四川省初中共計(jì)3901所，在校生258.3萬(wàn)人；普通高中共計(jì)732所，在校生149.0萬(wàn)人；教師共計(jì)約30萬(wàn)人;職業(yè)學(xué)校500所，在校生20萬(wàn)人。按人均100元/年信息消費(fèi)，年消費(fèi)量約4億元。若項(xiàng)目進(jìn)入國(guó)家教育扶貧工程，有望獲得政府基金的支持。2.2市場(chǎng)選擇將目標(biāo)市場(chǎng)鎖定在中等基礎(chǔ)教育與職業(yè)教育，以省內(nèi)為重點(diǎn)。2.3市場(chǎng)運(yùn)作以產(chǎn)學(xué)研結(jié)合為理念，以服務(wù)社會(huì)、社會(huì)應(yīng)用為目標(biāo)。自主開(kāi)發(fā)，并在進(jìn)程中吸引資本加入。導(dǎo)入效率化管理機(jī)制。虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)入現(xiàn)代教育，并發(fā)揮重大影響絕對(duì)是不爭(zhēng)的事實(shí)。發(fā)達(dá)地區(qū)，但不限于，都將因此受益。我國(guó)教育資源分布不均，邊遠(yuǎn)地區(qū)師資隊(duì)伍落后，名師空缺。近十多年來(lái)，國(guó)家對(duì)這類地區(qū)的教育投入逐年增加，但多限于基礎(chǔ)條件的改善，如何提高教學(xué)質(zhì)量，讓這類地區(qū)的學(xué)生與內(nèi)地學(xué)生一樣享有較高質(zhì)量的教育水平，顯然己擺在面前。這是一個(gè)重大的教育問(wèn)題，“教育公平”涉及全社會(huì)的良知，不僅僅引發(fā)政府的思考、全社會(huì)有識(shí)之士也在思考并追求解決方案。虛擬現(xiàn)實(shí)在這方面可發(fā)揮出重大作用，為公平教育發(fā)揮出不可替代的作用。因?yàn)榛谔摂M現(xiàn)實(shí)的教育解決方案可以將名師的教育方法，先進(jìn)的教學(xué)理念，科學(xué)的認(rèn)知體系以及嚴(yán)格的技能訓(xùn)練導(dǎo)入系統(tǒng)，且傳播無(wú)地域限制，成本低廉。成本低廉，以計(jì)算機(jī)為列，以2013年配伍的普通計(jì)算機(jī)已足夠承載系統(tǒng)運(yùn)行，性能價(jià)格以今天市價(jià)計(jì)，不過(guò)3000千元左右/臺(tái)。數(shù)據(jù)頭盔，其普及型以今天市價(jià)計(jì)，800元左右/件(五年前一個(gè)普通的數(shù)據(jù)頭盔不低于10萬(wàn)元/件)，據(jù)賽德數(shù)據(jù)，在未來(lái)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(shí)裝備進(jìn)入邊遠(yuǎn)中學(xué)為期不遠(yuǎn)。我們所做的就是為此做好準(zhǔn)備，做好內(nèi)容開(kāi)發(fā)，為迎接虛擬現(xiàn)實(shí)爆炸性需求的來(lái)到做好準(zhǔn)備。虛擬現(xiàn)實(shí)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(wù)。本階段需要營(yíng)造亮點(diǎn)，營(yíng)造新聞熱點(diǎn)。以社會(huì)效益為述求，并發(fā)揮到極致。基于此目標(biāo)，需尋找一個(gè)即能切合國(guó)家需求，又有社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)與道德制高點(diǎn)的入口，進(jìn)而演繹為社會(huì)的突出事跡。經(jīng)調(diào)研認(rèn)為，“教育扶貧”無(wú)疑是最佳方式。為此，本階段主打教育扶貧牌，即能滿足需求，又可為進(jìn)入國(guó)家教育扶貧工程做準(zhǔn)備。具體做法是，選一批學(xué)校下線的計(jì)算機(jī)+制成的虛擬現(xiàn)實(shí)桌面系統(tǒng)，找一個(gè)邊遠(yuǎn)/貪困地區(qū)中學(xué)，調(diào)動(dòng)當(dāng)?shù)卣c之一道建示范點(diǎn)。以三個(gè)月為調(diào)試與試用期，一切正常后，對(duì)示范點(diǎn)全面包裝，組織新聞宣傳，營(yíng)造社會(huì)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(xué)手段與最邊遠(yuǎn)/貧困地區(qū)教育現(xiàn)狀所存在的極大反差，及一個(gè)基于這種反差，又預(yù)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(huì)正義、良知、責(zé)任與道德的因素造出新聞熱點(diǎn)，將宣傳做足。這個(gè)設(shè)計(jì)可容易達(dá)到幾個(gè)目標(biāo)：突出學(xué)校的社會(huì)形象，不花巨額廣告費(fèi)的產(chǎn)品宣傳，為進(jìn)入國(guó)家教育扶貧工程打下基礎(chǔ)。一旦進(jìn)入國(guó)家教育扶貧工程系列，在政府基金的支持下，可全面推進(jìn)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)非沉浸式方案的應(yīng)用實(shí)施，同時(shí)加速沉浸式解決方案的深度開(kāi)發(fā)，做好在較發(fā)達(dá)地區(qū)的試用推廣。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的由農(nóng)村向城市，從邊遠(yuǎn)到內(nèi)地的戰(zhàn)略調(diào)整。3.產(chǎn)業(yè)融資與擴(kuò)張階段基于良好的社會(huì)聲譽(yù)與產(chǎn)品的獨(dú)特性吸引資本注入，融資額度不少于1000萬(wàn)，構(gòu)建不限于教育類虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。解決的主要難點(diǎn)技術(shù)與運(yùn)用領(lǐng)域如下：·數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的機(jī)制與方法·動(dòng)態(tài)與時(shí)實(shí)仿真產(chǎn)業(yè)級(jí)技術(shù)運(yùn)用·分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用基于以上成果，進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)的高級(jí)運(yùn)用期，形成教育、數(shù)字娛樂(lè)、軍事、公共安全、醫(yī)療、制造業(yè)等領(lǐng)域的優(yōu)秀解決方案，進(jìn)而全面服務(wù)社會(huì)并獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。4.市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力分析虛擬現(xiàn)實(shí)的內(nèi)容開(kāi)發(fā)，或稱虛擬現(xiàn)實(shí)的行業(yè)應(yīng)用解決方案，從目前的國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)應(yīng)用看，基本以“桌面虛擬現(xiàn)實(shí)—非沉浸式體驗(yàn)”與“環(huán)幕—非沉浸式體驗(yàn)”的解決方案為主，主要用來(lái)效果展示；沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)于專業(yè)行業(yè)有應(yīng)用，如航空制造業(yè)。但從社會(huì)的層面講，其應(yīng)用仍處于初期的起步階段；分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)大多還停留在專門的研發(fā)機(jī)構(gòu)?？陀^分析如下：4.1具備比較完善的從事虛擬現(xiàn)實(shí)教育與研發(fā)的學(xué)科隊(duì)伍與條件：早在2007年為配合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展，支撐新的學(xué)科與研究方向我們以產(chǎn)學(xué)研的理念建議學(xué)校開(kāi)建數(shù)字媒體專業(yè)，在學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的帶領(lǐng)下，我們花費(fèi)了大量精力從論證到實(shí)施做了很多事。專業(yè)的成立為虛擬現(xiàn)實(shí)工作的開(kāi)展奠定了人才基礎(chǔ)、學(xué)科基礎(chǔ)。4.2具備開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)：技術(shù)與教育背景的深度融合，有一支即懂技術(shù)又知教育的開(kāi)發(fā)隊(duì)伍：虛擬現(xiàn)實(shí)教育類的應(yīng)用，市場(chǎng)呈現(xiàn)的均為“桌面虛擬現(xiàn)實(shí)—非沉浸式體驗(yàn)”方式開(kāi)發(fā)的教育類產(chǎn)品，且基本以課件為主，幾乎沒(méi)有基于教材的完整解決方案（僅僅“課件”，有極大的應(yīng)用局限，正如一個(gè)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(gè)現(xiàn)象與這些公司或群體的行業(yè)地位有關(guān)，因?yàn)檫@些公司或群體：或者懂技術(shù)，卻身在教育之外，不懂教育，沒(méi)有體系，無(wú)論從理念還是方法沒(méi)有教學(xué)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(shù)，只好借用他人開(kāi)放工具軟件，局限于做課件。如教師群體。;兩者合二為—的團(tuán)隊(duì)，即做教育也做技術(shù)的少之又少。與我們本質(zhì)不同。4.3具備多年從事教育仿真軟件系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)積累：我們的背景優(yōu)勢(shì)使我們?cè)诩軜?gòu)同類方案時(shí)可以跳過(guò)課件的束縛，以基于教材的理念，融入教育心理學(xué)、名師的教育方法與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)集教學(xué)、操作、考點(diǎn)、評(píng)價(jià)為一體的解決方案，并將開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)走入學(xué)校中期試用、座談，再改進(jìn)，使之完全符合教學(xué)過(guò)程，力求完整、規(guī)范，簡(jiǎn)單易用。我們對(duì)開(kāi)發(fā)教育類產(chǎn)品慎之又慎，如中學(xué)化學(xué)方案，先以平面交互為框架，用于弄清教學(xué)仿真內(nèi)涵。目前已做成完整的方案---面向初、高中化學(xué)教學(xué)的二維仿真交互軟件平臺(tái)一套，學(xué)校試用己達(dá)三年，各方反應(yīng)效果良好。通過(guò)這一案件，我們基本弄清了教育仿真軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的內(nèi)在精髓。由此我們深知，這是一個(gè)內(nèi)涵遠(yuǎn)勝于技術(shù)的開(kāi)發(fā)，非多資源的教育資源組合背景，不可能開(kāi)發(fā)出適合用戶需求的產(chǎn)品。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)需求不是一堆課件可實(shí)現(xiàn)。通過(guò)多年的探索，我們這類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，其理念、方法及技術(shù)均在國(guó)內(nèi)同行的前列。4.4具備從事虛擬現(xiàn)實(shí)大型仿真應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成果的積累：本實(shí)驗(yàn)室于2009年建立后，于2010年啟動(dòng)了以“桌面虛擬現(xiàn)實(shí)---非沉浸式體驗(yàn)系統(tǒng)”為主的起步型建設(shè)，取得了如大型化學(xué)仿真教學(xué)平臺(tái)、大型數(shù)字博物館、公安仿真訓(xùn)練平臺(tái)、大型園區(qū)+地理位置信息的產(chǎn)品級(jí)技術(shù)成果。遺憾的是，“沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)建設(shè)方案”至今仍未落地。4.5限制因素科研需要落地，科技創(chuàng)新、服務(wù)社會(huì)、服務(wù)產(chǎn)業(yè)，不局限于學(xué)術(shù)，滿足于論文，尤其對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)這類應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，需要真刀真搶，而非脫離應(yīng)用的些紙上談兵。4.6遇稍縱即逝：虛擬現(xiàn)實(shí)隨著硬件成本的快速平民化，系統(tǒng)平臺(tái)的不斷升級(jí)換代，其步入社會(huì)應(yīng)用的步伐愈來(lái)愈快，加之近年來(lái)受到資本的追逐，一個(gè)嶄新的時(shí)代已為期不遠(yuǎn)。隨著應(yīng)用與市場(chǎng)的逐漸明朗化，必然吸引大批的加入者，拖得越久，競(jìng)爭(zhēng)就愈激烈，我們也會(huì)再一次喪失歷史曾給予過(guò)我們發(fā)展的重要良機(jī)。唯有建設(shè)才有發(fā)展。即使困難不少，但我們?cè)谧烂嫣摂M現(xiàn)實(shí)的研究還是取得了重要進(jìn)展，項(xiàng)目水平達(dá)到了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用水平，為今天所提方案的實(shí)施打下了重要基礎(chǔ)。三、主要攻關(guān)內(nèi)容及技術(shù)路線（一）體系構(gòu)架VR教育解決方案通過(guò)優(yōu)質(zhì)VR內(nèi)容和最新VR硬件配套，將傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式、網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)方式乃至互聯(lián)網(wǎng)+教育模式推向一個(gè)新的層次。為滿足總體設(shè)計(jì)目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要，將從業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)以及技術(shù)架構(gòu)四個(gè)方面提出總體設(shè)汁方案。系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)（圖3-1-1系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)）根據(jù)職責(zé)及業(yè)務(wù)規(guī)劃不同將系統(tǒng)從業(yè)務(wù)上劃分為五部分：最底層為課程資源分類；中間為VR內(nèi)容建設(shè)、學(xué)習(xí)者（學(xué)生）行為及VR學(xué)習(xí)環(huán)境；最上層為評(píng)價(jià)與追蹤。VR學(xué)習(xí)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(guān)系從頂向下產(chǎn)生依賴關(guān)系，不可反向?yàn)橹８鞑糠致氊?zé)及業(yè)務(wù)描化如下:1.資源分類：提供整個(gè)系統(tǒng)的資源分類信息，首先需要構(gòu)架一顆完整全面的學(xué)科分類樹，可以和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)課程資源（川師4A網(wǎng)課）對(duì)接。資源分類業(yè)務(wù)為VR內(nèi)容建設(shè)及學(xué)習(xí)者行為提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)范式、也是學(xué)習(xí)者行為設(shè)計(jì)、VR學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建的重要依據(jù)。例如對(duì)于職業(yè)教育中的操作技能訓(xùn)練，則需要構(gòu)建高保真的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，并采用數(shù)據(jù)手套交互模式塑造學(xué)習(xí)者行為，從而達(dá)到良好的訓(xùn)練效果；而對(duì)于化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，只需采用非沉浸式的桌面環(huán)境外加參數(shù)變量，學(xué)生通過(guò)相關(guān)配置和調(diào)整達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。在分類業(yè)務(wù)的功能設(shè)計(jì)上須有可自動(dòng)擴(kuò)展的程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；重點(diǎn)功能需滿足節(jié)點(diǎn)管理、節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵字管理功能需要。系統(tǒng)需支持簡(jiǎn)單的權(quán)限控制、用戶管理功能便于安排操作人員分節(jié)點(diǎn)維護(hù)。資源分類如圖3-1-2所示：（圖3-1-2）2.內(nèi)容建設(shè)：此部分為VR學(xué)習(xí)環(huán)境提供所需推薦電子資源的預(yù)處理功能。在當(dāng)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（UserGeneratedContent指用戶原創(chuàng)內(nèi)容）設(shè)計(jì)理念，每個(gè)教育工作者都可以參與建設(shè)并完善VR課程資源庫(kù)。內(nèi)容建設(shè)以抽象化的3D場(chǎng)景表示為核心，采用面向協(xié)同的可視操縱架構(gòu)，集成了模型、場(chǎng)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(zhì)、紋理、shader程序、骨骼動(dòng)畫及文檔資料、語(yǔ)音、視頻等非關(guān)系型數(shù)據(jù)，對(duì)非關(guān)系型數(shù)據(jù)需要做摘要處理轉(zhuǎn)化為類關(guān)系型數(shù)據(jù)，尤其對(duì)語(yǔ)音及視頻需要從中摘出關(guān)鍵信息形成連接關(guān)系并依據(jù)分類樹進(jìn)行學(xué)科、課程分類，按統(tǒng)一規(guī)劃打造VR教學(xué)內(nèi)容生態(tài)圈。3.使用者（學(xué)生）行為:該業(yè)務(wù)部分采用先進(jìn)的人機(jī)交互手段達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生通過(guò)與信息環(huán)境的自主交互行為獲取知識(shí)、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(xué)目標(biāo)對(duì)學(xué)生的交互行為進(jìn)行分類和封裝，形成抽象交互層及其接口。4.VR學(xué)習(xí)環(huán)境:此部分為系統(tǒng)的核必功能體現(xiàn)，結(jié)合調(diào)用其他四部分?jǐn)?shù)據(jù)營(yíng)造最終自主學(xué)習(xí)環(huán)境。該業(yè)務(wù)部分包含一個(gè)高性能的圖形引擎，能夠快速響應(yīng)外圍交互硬件的追蹤數(shù)據(jù)（如高速頭部追蹤、眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)等）5.追蹤與評(píng)價(jià):傳統(tǒng)的教學(xué)評(píng)價(jià)大都是由老師批改學(xué)生的作業(yè)和考卷，或憑主觀印象給出成績(jī)，這種評(píng)價(jià)方式存在著一定的弊端。隨著教學(xué)信息化改革的推進(jìn)和計(jì)算機(jī)的普及，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)已成為可能。教師可以對(duì)每一位學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)記錄的全程跟蹤，包括查看學(xué)生的學(xué)習(xí)報(bào)告，訪問(wèn)課程的次數(shù)、學(xué)生參與某個(gè)教學(xué)模塊的情況。在評(píng)價(jià)內(nèi)容上從課程內(nèi)容學(xué)習(xí)、參與互動(dòng)交流、考試與作品和課外資源學(xué)習(xí)四個(gè)方面進(jìn)行了細(xì)分和聚類，構(gòu)建了基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的個(gè)性化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)模型。在評(píng)價(jià)結(jié)果上，依據(jù)柯氏四級(jí)評(píng)估模式和布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類理論設(shè)計(jì)了基于教育大數(shù)據(jù)的個(gè)性化評(píng)價(jià)層次塔，該層次塔包括學(xué)習(xí)成效、概念轉(zhuǎn)變、學(xué)習(xí)遷移和學(xué)習(xí)力四個(gè)層級(jí)。最后，結(jié)合教育大數(shù)據(jù)、教育云服務(wù)、個(gè)性化評(píng)價(jià)模型和評(píng)價(jià)層次塔，設(shè)計(jì)了個(gè)性化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)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(gè)性化評(píng)價(jià)模塊和可視化反饋模塊，并通過(guò)云管理層實(shí)現(xiàn)對(duì)教育云服務(wù)平臺(tái)、云存儲(chǔ)池和云集群計(jì)算平臺(tái)的調(diào)控和管理，以期為后面開(kāi)展個(gè)性化評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供有益的指導(dǎo)。通過(guò)追蹤與評(píng)價(jià)獲取課程教學(xué)大數(shù)據(jù)并持續(xù)改進(jìn)VR教學(xué)系統(tǒng)，VR教育大數(shù)據(jù)將成為推動(dòng)教育變革的創(chuàng)新戰(zhàn)略資產(chǎn)。(二)應(yīng)用架構(gòu)在充分分析VR教育解決方案功能需求與業(yè)務(wù)邏輯的基礎(chǔ)上，遵循邏輯結(jié)構(gòu)中定義各子系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)方式，按照分層設(shè)計(jì)原則，明確系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及應(yīng)用總體架構(gòu)如圖3-2-1所示。（圖3-2）（圖3-2-1總體應(yīng)用架構(gòu)）其中基礎(chǔ)服務(wù)層為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、會(huì)話管理、協(xié)同支持、異常處理等服務(wù)。教學(xué)資源管理層是一個(gè)面向協(xié)同的、采用多人眾包模式的資源共享平臺(tái)，主要面向教師或者課程開(kāi)發(fā)人員，實(shí)現(xiàn)各學(xué)科知識(shí)點(diǎn)向虛擬現(xiàn)實(shí)情境遷移，從而為優(yōu)質(zhì)VR教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)作、分發(fā)、迭代更新提供技術(shù)保障。面向協(xié)同的VR建模平臺(tái)，包括VR場(chǎng)景的生成、課程知識(shí)——場(chǎng)景映射、場(chǎng)景協(xié)同交互、用戶權(quán)限控制、語(yǔ)義支持等多個(gè)功能模塊和可配置模塊。VR教學(xué)應(yīng)用層主要面向?qū)W習(xí)者，為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動(dòng)提供虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境支撐，該部分集成自然的人機(jī)交互技術(shù)和高性能圖形渲染引擎，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。在學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行的同時(shí)，每個(gè)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為軌跡將被全面追蹤記錄形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。(三)數(shù)據(jù)架構(gòu)VR教育解決方案是一個(gè)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、多用戶數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)生成的全新環(huán)境。在滿足總體設(shè)計(jì)目標(biāo)和應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下,設(shè)計(jì)總體數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3-3所示:（圖3-3）數(shù)據(jù)架構(gòu)1.VR場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)。在完成知識(shí)點(diǎn)向VR場(chǎng)景的映射后，需要一個(gè)專門的場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)。場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)包含場(chǎng)景信息、語(yǔ)義信息概念結(jié)構(gòu)信息與版本信息。其中，場(chǎng)景信息需要詳細(xì)記錄場(chǎng)景ID、場(chǎng)景名稱、場(chǎng)景描述、場(chǎng)景類型和場(chǎng)景創(chuàng)建者信息。2.學(xué)科分類樹內(nèi)容庫(kù)。對(duì)于主要供學(xué)科分類樹應(yīng)用使用，屬于外來(lái)資源的重要存儲(chǔ)庫(kù)，同時(shí)也是學(xué)科分類樹自動(dòng)增長(zhǎng)操作的重要數(shù)據(jù)落地點(diǎn)，它提供VR教育內(nèi)容生態(tài)系統(tǒng)的土壤。3.用戶信息庫(kù)。存儲(chǔ)用戶和用戶專屬的、個(gè)性化課程信息。用戶信息與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的中的虛擬人物角色（化身）對(duì)應(yīng)，同時(shí)也為VR教育資源管理應(yīng)用提供用戶、權(quán)限及各種關(guān)系數(shù)據(jù)。主要利用MongoDB的水平擴(kuò)展能力滿足分類樹存儲(chǔ)量大的需求。4.記錄追蹤庫(kù),通過(guò)MongoDB存儲(chǔ)學(xué)習(xí)者的整個(gè)學(xué)習(xí)流程，為學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)、教學(xué)內(nèi)容更新乃至教育決策支持提供依據(jù)。5.配置信息庫(kù)。記錄日志、軟硬件配置信息，確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。在系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可以實(shí)時(shí)回滾策略；在硬件配置發(fā)生改變時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，通過(guò)優(yōu)雅降級(jí)或者漸進(jìn)增強(qiáng)的方式給用戶帶來(lái)最佳體驗(yàn)。(四)技術(shù)架構(gòu)VR教育解決方案選用Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)圖形引擎并結(jié)合源生web3D以及HTML5技術(shù)，根據(jù)本身的業(yè)務(wù)情況做適當(dāng)?shù)膭?chuàng)新，其總體技術(shù)架構(gòu)如圖3-4-1所示:（圖3-4-1技術(shù)結(jié)構(gòu)）總體上采用分層架構(gòu)的思想,將系統(tǒng)劃分為三個(gè)層次:數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層；每個(gè)層之間采取上層能依賴下層而下層不能反向調(diào)用上層的策略。數(shù)據(jù)層采用mongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)，mongoDB文檔結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)方式非常適合存儲(chǔ)不同類型的VR教學(xué)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(wù)器通信，或者通過(guò)JDBCDriver與Unity3D通信。在業(yè)務(wù)邏輯層分別采取桌面程序和web應(yīng)用的部署方式，采用開(kāi)放的自然人機(jī)交互驅(qū)動(dòng)模塊（OpenNI）適配種類繁多且日益發(fā)展的外圍硬件設(shè)備。針對(duì)桌面程序選用unity3D作為圖形引擎。VR教育內(nèi)容開(kāi)發(fā)中，Unity3D具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.Unity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要是MonoDevelop，這個(gè)平臺(tái)可以嵌套多種編程語(yǔ)言，其中js和c#是最常用的兩種，而js語(yǔ)言容易入門，這使得教師更容易學(xué)習(xí)、參與到VR教育內(nèi)容開(kāi)發(fā)中來(lái)。

2.Unity3D幾乎支持所有的跨平臺(tái)設(shè)計(jì)，是目前唯一一款可以提供所有平臺(tái)植入能力的三維仿真開(kāi)發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)平臺(tái)開(kāi)發(fā)3D游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，支持flash輸入格式，對(duì)于移動(dòng)學(xué)習(xí)的移動(dòng)平臺(tái)建立具有重要的啟示和意義。

3.Unity3D能夠創(chuàng)造高質(zhì)量的3D仿真系統(tǒng)和真實(shí)視覺(jué)效果，對(duì)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(yùn)行茂盛的作物、植被景觀和實(shí)時(shí)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(shí)內(nèi)容具有更好的交互性和吸引力。

4.Unity3D能夠支持更大的場(chǎng)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(xué)內(nèi)容得到更好的應(yīng)用和普及。在web端可以WebGL+Threejs三維引擎實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景渲染。作為一種替代方案可以直接通過(guò)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)展方向故不建議采用。四、該項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)(一)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)1.面向協(xié)同的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)內(nèi)容生產(chǎn)方式。對(duì)于一般性的數(shù)字化教學(xué)資源，其中大部分都是由一線教育工作者生產(chǎn)的，與之對(duì)應(yīng)的是虛擬現(xiàn)實(shí)資源大部分是由專業(yè)軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的，這與虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容制作難度較高有關(guān)，這種情況帶來(lái)的結(jié)果是：生產(chǎn)人員不足造成的內(nèi)容匱乏；生產(chǎn)人員缺乏教育背景以致內(nèi)容水平較低、實(shí)用性較差，現(xiàn)有VR教學(xué)資源基本停留在情境體驗(yàn)式學(xué)習(xí)階段，對(duì)于復(fù)雜的認(rèn)知與邏輯重建類型的學(xué)習(xí)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(guò)統(tǒng)一的課程知識(shí)樹和通用的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景模型庫(kù)降低VR內(nèi)容制作難度，將普通教育工作者納入到虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)內(nèi)容生產(chǎn)環(huán)境。系統(tǒng)以B/S架構(gòu)為基礎(chǔ)，以協(xié)同3D概念化場(chǎng)景為核心，輔以協(xié)同環(huán)境中的模型與場(chǎng)景管理與智能提示，使通用性的3D協(xié)同平臺(tái)的搭建成為可能。整體框架自上而下包含基于網(wǎng)頁(yè)的3D展示與操作平臺(tái)，3D場(chǎng)景概念化與批處理中心，后臺(tái)支持服務(wù)器，系統(tǒng)儲(chǔ)存層等。2.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)有的互動(dòng)教學(xué)資源大部分成碎片狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一調(diào)度和管理，更缺乏以數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)踐。VR教育解決方案創(chuàng)新性提出構(gòu)建一個(gè)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、多用戶數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)生成的全新環(huán)境，數(shù)據(jù)貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)之中。3.抽象的用戶交互層。針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)硬件尤其是交互設(shè)備種類多、配置差異大、更新?lián)Q代快的情況，該解決方案設(shè)計(jì)一個(gè)抽象的用戶交互層，提供統(tǒng)一的接口適配不同的硬件設(shè)備，在硬件配置達(dá)不到系統(tǒng)要求時(shí)可自適應(yīng)降級(jí)處理，在犧牲部分用戶體驗(yàn)的情況下不缺失基本的教學(xué)功能。(二)該項(xiàng)目的主要技術(shù)難點(diǎn)：虛擬場(chǎng)景合成與沖突處理在協(xié)同虛擬環(huán)境建模過(guò)程中，實(shí)際三維場(chǎng)景與概念場(chǎng)景之間將相互轉(zhuǎn)換，多個(gè)用戶創(chuàng)造的多個(gè)概念場(chǎng)景會(huì)完成合成。轉(zhuǎn)換和合成的過(guò)程需要有設(shè)計(jì)合理的邏輯算法和實(shí)現(xiàn)。而這其中最為重要的就是場(chǎng)景組合技術(shù)。因?yàn)楦拍罨瘓?chǎng)景合成算法主要是指在本協(xié)同架構(gòu)服務(wù)器端，當(dāng)獲取了多個(gè)用戶的操作批處理和版本信息之后，如何通過(guò)邏輯算法形成合理而無(wú)沖突的合成場(chǎng)景，并推送給用戶。因此，我們將此算法描述如下1.比較所有用戶的版本V1、,V2…Vn是否與Vc相同，若不同，相應(yīng)用戶k的操作批處理Sk和版本Vk進(jìn)入沖突列表L等待進(jìn)一步的處理。2.以模型ID為分類標(biāo)志，對(duì)所用用戶的操作批處理S進(jìn)行劃分。3.Foreach（模型ID），若對(duì)應(yīng)的操作集合可以合并，則合并成新的操作批處理S’1,S’2…S’n，否則加入沖突列表L等待進(jìn)一步的處理。4.對(duì)新加入模型或刪除模型操作進(jìn)行單獨(dú)處理。5.對(duì)當(dāng)前概念化Vc應(yīng)用操作S’1,S’2…S’n，形成新概念化場(chǎng)景Vnew。6.對(duì)Vnew進(jìn)行語(yǔ)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(jìn)一步處理。7.將無(wú)異議Vnew推送給用戶，進(jìn)行用戶端的組裝操作。從上面的場(chǎng)景合成算法分析中可以看出，目前系統(tǒng)在合成過(guò)程中，會(huì)進(jìn)行多個(gè)階段，而每個(gè)階段都有可能會(huì)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(jìn)行進(jìn)一步的處理。這些沖突可簡(jiǎn)要分為指版本沖突、不可合并沖突以及語(yǔ)義及幾何沖突。他們以遞進(jìn)的方式表示了為了維護(hù)協(xié)同環(huán)境中數(shù)據(jù)一致性所需要解決的問(wèn)題。版本沖突是最低層的沖突類型。因?yàn)槿绻麍?chǎng)景的版本不同就會(huì)使用戶的操作對(duì)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(chǎng)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(chǎng)景中，不同用戶對(duì)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(lái)選擇合成的結(jié)果。最高一層的沖突是語(yǔ)義及幾何沖突，代表了在空間意義上和語(yǔ)義層面上模型之間的不合理，需要解決協(xié)同過(guò)程中用戶操作和場(chǎng)景數(shù)據(jù)的合理性。本解決方案通過(guò)基于用戶優(yōu)先級(jí)的選擇、管理員仲裁與提示回滾技術(shù)（Rollback）解決虛擬場(chǎng)景合成與沖突問(wèn)題。五、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件（一）開(kāi)發(fā)人員配置情況姓名性別文化程度專業(yè)工作單位職稱組內(nèi)具體分工李奇男碩士計(jì)算機(jī)技術(shù)川師大高工系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉云安男碩士計(jì)算機(jī)技術(shù)川師大講師系統(tǒng)開(kāi)發(fā)陳?ài)E浪男碩士三維設(shè)計(jì)川師大講師建模。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（二）技術(shù)支持可視化計(jì)算與虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)圖形圖像研究中心，可提供本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)聯(lián)的算法與交互關(guān)聯(lián)的二次開(kāi)發(fā)，若需要。（三）設(shè)備設(shè)施配置配套建設(shè)：“可視化計(jì)算與虛擬現(xiàn)實(shí)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”。詳見(jiàn)附件--虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)（四）資金保證情況：本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)啟動(dòng)期投入開(kāi)發(fā)費(fèi)20萬(wàn)元。六、申請(qǐng)基礎(chǔ)條件（包括主要研究成果）（一）已有基礎(chǔ)1.開(kāi)發(fā)條件：實(shí)驗(yàn)室初步具備“桌面虛擬現(xiàn)實(shí)---非沉浸式體驗(yàn)系統(tǒng)”開(kāi)發(fā)的硬件條件：中型三維環(huán)幕一套，未報(bào)廢服務(wù)器、開(kāi)發(fā)機(jī)，包括入門級(jí)渲染6臺(tái)，普通未報(bào)廢計(jì)算機(jī)5臺(tái)，可規(guī)劃使用場(chǎng)地70平米。2項(xiàng)目關(guān)聯(lián)技術(shù)積累：·基于新課標(biāo)的初中化學(xué)二維仿真交互教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)·基于新課標(biāo)的高中化學(xué)二維仿真交互教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)·三維虛擬交互多人在線仿真公安培訓(xùn)系統(tǒng)·三維交互式數(shù)字展覽館系統(tǒng)·三維交互式園區(qū)地理系統(tǒng)·體驗(yàn)式旅游信息系統(tǒng)·批量交互式課件設(shè)計(jì)以上初、高中化學(xué)二維仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)經(jīng)多所中學(xué)試用+改進(jìn)不少于3年，具備實(shí)用性，被國(guó)內(nèi)400多所中學(xué)用于教學(xué);公安多人在線仿真培訓(xùn)系統(tǒng)通過(guò)由公安部組織、重慶市公安局主持的驗(yàn)收;三維交互式數(shù)字展覽館系統(tǒng)、三維交互式園區(qū)地理系統(tǒng)均以產(chǎn)品方式上線;體驗(yàn)式旅游信息系統(tǒng)獲成都市科技局主持的驗(yàn)收;批量交互式課件設(shè)計(jì)多個(gè)課件獲全國(guó)一等獎(jiǎng)。3項(xiàng)目開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)：·三維設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，不少于5人（專業(yè)人員），可帶學(xué)生加入不少于20人·軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，不少于5人（專業(yè)人員），可帶學(xué)生加入不少于10人·教育專家，涉及教育心理、教育方法及一線特級(jí)教師不少5人(其中部分川師附中學(xué)特級(jí)教師)以上條件可開(kāi)展基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)—非沉浸式系統(tǒng)的小規(guī)模開(kāi)發(fā)，但不具備沉浸式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。（二）新增條件實(shí)施四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的“虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)。詳見(jiàn)附件七、進(jìn)度安排和實(shí)施方案啟動(dòng)期階段