第一章 概述

1.1 建設背景及現狀

教育部發布《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納入綜合素質評價；2023年前要將實驗操作納入初中學業水平考試（中考）。

對于目前而言，全國已經有多個省市將初中的物理、化學實驗納入初中學業水平考試，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，隨著科技不斷發展，可以通過3D、AR虛擬現實等現代科技技術，來解決目前的問題，在有些實驗部分甚至還優于傳統的實驗活動，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，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論可對事實獲得具體的、明確的認識，進而培養學生的觀察、實驗能力及實事求是的嚴謹科學探究態度。

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，教育信息數字化。

系統利用目前先進成熟的計算機技術、網絡技術、多媒體技術、動態傳感技術，并采用世界最前沿的3D/AR增強現實技術，針對初中物理、化學中考（初中學業水平考試）實驗操作考試而打造的一款快速掌握考點內容的系統工具。它打破了傳統實驗室的條件限制（時間安排、人員安排、器材數量、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。由于系統不僅貼合真實實驗考試內容和要求（具有高相似性和客觀實驗規律真實性），還可模擬展現傳統實驗中無法展現的微粒子、抽象物質和不可見現象等理論知識、概念及現象，因此考生在系統上進行練習操作后，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，全國大多數初中物理或化學實驗室、實驗操作時間安排都不規范，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對儀器的連接、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實驗智能評測系統介紹

2.1 總體設計

2.1.1 技術原理

AR實驗智能評測系統以AR技術為基礎，結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，借助顯示設備將現實世界的一定時間空間范圍內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境融為一體，并呈現給使用者一個感官效果真實的新環境，具有虛實結合、實時交互、三維注冊特點。該平臺虛擬再現真實的實驗，真實再現實驗過程、實驗結果、實驗數據、實驗操作，從而達到虛擬教學、練習的目的。

 AR增強現實技術工作原理

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，根據其相關的物體特性原理，完全真實模擬出來，符合實際。

系統工作原理

2.1.2 系統組成

系統依托增強現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡等技術，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境和實驗對象，學生在高度仿真的虛擬環境中開展實驗考試練習，達到考試所要求的考試目的。整套系統給使用者營造出一種全新的感官效果，實現虛實結合、實時交互的教學作用。

以上整套AR增強現實系統正常工作至少需要三種硬件組件，即顯示系統、跟蹤系統、計算處理系統。隨著當前教育信息化水平的飛速發展和多媒體教學裝備的普及，一般學校的現有教學環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，實驗平臺系統的搭建非常便利，需要做的只是選擇一間常規多媒體教室或功能教室（教學場地），現有教學設施（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，從而實現多媒體教室的平滑升級。

AR仿真實驗平臺系統組成

2.2 部署環境

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，評測系統所需的基礎硬件設備基本齊全，只需額外添置一臺動態捕捉攝像機。系統平臺利用投影等硬件設備營造出虛實結合的練習場景，學生可通過動態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。

系統整體可利用已有設備進行完善，避免二次投入，節省教育資金。

基于教學投影機的AR仿真實驗環境

Ø 更優顯示效果，雙重教學模式，提高教學質量

推薦激光投影機，具有壽命長、避免頻繁更換燈泡、智能調節顯示亮度、極速散熱等優勢，優化了顯示效果、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，虛擬和現實兩種顯示模式相結合，考試練習內容更加直觀、生動，提高了學生對實驗考試內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所有多媒體教室設備一鍵聯動控制，所控即所得，使用方便，比如聲音大小調節、信號切換、AR顯示通道切換、設備聯動開關、黑屏鎖屏等。

Ø 立體環繞音效，打造超強體驗

利用高保真數字音響系統，打造聲音立體飽滿的教學環境，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。支持與現有所有常規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、音箱和網絡傳輸等多項功能于一身的多媒體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，可便捷調用多媒體素材資源，為課堂教學提供優秀的大屏幕顯示互動授課體驗。動態捕捉攝像機和多媒體觸控一體機的結合是實現虛擬實驗教學的必要硬件條件。系統平臺通過實驗資源和動態捕捉攝像機的定位追蹤，在觸控一體機上實現虛擬世界與現實世界的完美結合，學生可盡情享受虛實結合所帶來的科技感，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

Ø 觸摸切換菜單（在任意通道狀態下都可以使用觸控操控一體機）

Ø 不需要PC 可實現書寫批注，課件播放，視頻播放功能

（6）雙系統設計

Ø 插拔式PC 設計（降低運行噪音，易于維修）

Ø 內置智能核心和操作系統，與PC 系統互為備用

（7）一鍵黑屏（節能、環保，提升使用壽命）

（8）環境適應（通過0℃～40℃環境模擬嚴格測試）

（9）屏幕防劃防撞擊

1.3 平臺優勢

      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展趨勢。

 開放性

系統平臺采用開放式設計，提供開放性的實驗環境、實驗儀器、操作流程，在系統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

系統平臺專為學生對中考實驗考的練習設計，創造虛擬世界與現實場景相結合的即時交互實驗環境，有別于傳統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

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

 實用性

系統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，系統具有教學練習與考試兩種模式，實現練習和評測并向操作學習，快速掌握考試內容和流程。

安全性

AR虛擬實驗考試平臺的一大優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。