第一章 概述

1.1 配建3D/AR智能教學系統的必要性

近幾年，面對科技的迅猛發展和社會、政治、經濟生活的深刻變化，面對新時代社會主要矛盾的轉化，面對新時代對人才培養的新要求，面對深化教育教學改革，對新時代教育質量有了新的要求。

為適應新時代教育教學的需要，國家、教育部為此也發布了相關規劃、指導意見和標準，如：《中國教育現代化2035》、《中共中央國務院關于深化教育教學改革全面提高義務教育質量的意見》、《教育信息化2.0行動計劃》、《教育部關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》、《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，以及中小學各學科的《教學裝備配置標準》等。

通過3D虛擬及AR增強現實可使得整個虛擬仿真教學過程的體驗和交互更具自然和真實性，3D及AR的可視化、互動性可以自然的設計出非常吸引人的教學內容，寓教于樂，從而大幅度提升學生們的學習意愿、激發學習興趣，提高學習效果。

1.2 需求分析

多媒體教室一直以來都是學校信息化建設的重點，通過將文字、圖形、圖像、聲音集合在一起，采用生動活潑的聲像顯示，不僅豐富了教學手段，擴充了教學資源，而且更提高了課堂教學效果。充實、形象、生動的授課內容，聲像并茂的教學形式，激發學生的學習興趣，強調了“以學生為主”的教學新思路，極大得提高了教學質量。

當前，中小學隨著多媒體教室的不斷引入，多媒體教室建設需求不斷發展，出現許多新的特性，必須如何才能更加生動的教學，與學生產生互動性，在不斷減輕老師壓力的同時，能更快速的提高教學質量，這是對現代多媒體教學更高的要求，也是本次項目設計的要求：

1.   利用3D/AR智能教學系統進行基于3D/AR互動教學軟件的體驗式教學；

2.   基于互動教學的思路，采用3D/AR互動教學；

3.   利用多媒體影視顯示設備來顯示3D/AR視頻圖像及媒體信息，以豐富老師的教學內容；

4.   利用3D/AR智能教學系統來實現創新課堂的互動教學；

整個項目設計在設備選型上，我們采用了針對教育行業的知名企業所生產的一系列產品，并針對教育，聯合教育部一起研發了一系列配套3D/AR教學資源；在3D/AR教育行業受到了老師的一致好評。

1.3 建設原則

1)  3D/AR智能教學系統的簡單易用和個性化需求

由于每個老師對計算機的掌握程度不同，老師需要3D智能教學系統簡單易用，一看就會，輕松連接，而無須太多復雜的操作便能夠很快的進行信息化教學。

2)  3D/AR智能教學系統使用豐富的教學功能

信息化教學是教學的一種手段，其目的是為了提高教學效果。這種信息化手段是否符合教學習慣，是否有豐富實用的教學功能，真正幫助老師進行教學，提高教學效果就成為老師最為關心的問題。

3)  產品性能優越性

在教學過程中，3D智能教學系統使用頻率是相當高的，除了一般3D教學外，學校也可以在2D模式下用來會議研討及各種多媒體活動。因此，在產品性能選型上，必須選用性價比高的設備，以免在使用過程中出現問題，影響教學等活動。

4)  良好的售后服務保障

在整個3D/AR智能教學系統中使用的設備必須具備良好的售后服務保障，以免真正出現問題，而不知道找哪一方負責維護和維修。

1.4 設計標準依據

1）虛擬現實應用標準

GB∕T38258-2019信息技術虛擬現實應用軟件基本要求和測試方法國家標準

2）通訊協議標準

網絡層和傳輸層TCP/IP協議并兼容IPX協議，支持PPP和SLIP協議。

3）布線和電氣安裝標

Ø  ANSI EIA/TIA607民用建筑通訊接地標準

Ø  EIA/TIA TSB-67商務建筑布線系統測試標準

Ø  GB50254-50259-96《電氣裝置安裝工程施工及驗收設計規范》

Ø  GA/T75-94《中華人民共和國公共安全行業標準》

Ø  GB6510-86《30MHz-1GHz音頻和視頻信號電纜分配系統》

Ø  GY106-92《民用建筑電纜電視系統工程技術規范》

Ø  《民用建筑電氣設計標準》

4）專用產品標準

Ø  設計中采用的專用產品，其生產檢驗過程符合我公司制定的企業產品標準。

Ø  標準號：MAGICLOUD——YH-001A、MG-001

第二章 3D智能教學系統方案設計

2.1 3D教學方案設計原理

在此次方案設計中，我們以一個最先進的設計理念對整個系統進行設計，完全實現3D互動教學、現場演示、3D課件教學、研討、大屏幕顯示功能，并且便捷上網、使各種圖像、音視頻完美展現等用戶所需要的功能。

2.2 3D智能教學使用效益

3D互動教學具有可視化和可參與性，能更加形象、更容易引發學生關注和興趣等優勢，讓學生以全新的方式學習，特別對于生物、物理、化學等各學科特殊知識內容，有了3D教學的輔助，可以使教學更生動易懂，大大提高學生的成績以及學生對知識的記憶時間。

3D教學模式可以加深孩子們對所學能力模塊知識的主觀認識；通過師生互動、生生互動和生境互動，充分調動學生的自主性，促進學生獨立性和創新能力的發展。靈活的教學方法和學習方式能使學生的行為和思想有很大的自由度，促使他們獨立思考和解決問題，增強其自主意識、創新能力。

3D互動智能教學能在變動狀態下保持不變的幾何關系，使靜態的物體變動態，抽象的概念變形象，枯燥的內容變有趣。

2.3 多功能廳3D智能教學系統功能設計

隨著科技的進步和信息技術的不斷發展，一個多功能報告廳系統除了要滿足傳統簡單的會議要求外，還應具有視頻會議、教學培訓、節目表演等功能。現代信息處理技術的飛速發展，多功能報告廳現代化的建議要求也越來越高，因此，報告廳已從一個單純的以聽、聞、為主的交流場所，逐漸演變成為一個具有多種功能的綜合性的信息資源交流場所，顯示系統、會議系統、多媒體教學系統、直錄播系統、擴聲器材等各類電子設備大量進入報告廳場所，使報告廳的配置越來越專業，功能也越來越強大。

現代型多功能廳其最基本的用途需求主要如下：

l  滿足會議、討論等方面的需要；

l  滿足教學、講座、培訓、學術交流等方面的需要。

l  根據具體使用要求的不同，滿足其他一些諸如遠程電視會議、影院播放、音樂演唱,節目演出等方面的需要。

在教學應用方面，隨著中國教育事業的全面推進和不斷深入，學校的教學手段變得越來越豐富和高效，多媒體教學使老師大大縮短了課堂教學時間。但是傳統的平面課件和顯示終端傳遞信息的各種局限性，教師講解一些抽象、微觀以及現場無法模擬和觀察到的事物過程，難以和學生進行信息的充分互動和共享，造成了人力、物力、財力和信息資源的巨大浪費，阻礙和制約了教師授課水平提升和信息有效傳播，也為學生在學習興趣和知識理解程度上帶來困擾。本次多功能報告廳建設方案設計的3D教學功能總體如下：

ü  利用3DLED立體大屏進行基于3D優質教學資源的輔助教學；

ü  利用3D虛擬教學資源中的三大功能課件，進行基于科學類相關知識點的視頻展示、互動教學；

ü  利用高保真無線擴音系統配套功放音箱，教師可以進行無線移動教學或簡單會議，保護教師嗓子；

ü  通過3D視頻類課件，方便教師針對于復雜、抽象、難懂的學科知識點的解釋、展示、場景的模擬、過程的再現等；

ü  通過3D互動類課件，教師在進行一些實踐操作或者教學實驗時，在LED大屏上進行實時互動操作、模擬演示，方便老師對知識點的重點、難點的剖析和分解；

ü  通過3D練習類課件，方便學生的實時答題、隨堂演練，教師可對學生的理解程度和掌握情況進行統計、評估，下一步做到有的放矢；

ü  通過3D信號處理器與3D眼鏡的應用，實現3D立體效果的觀看，從而為師生創造更佳的學習環境和體驗；

利用2D/3D智能切換功能來實現2D、3D教學模式隨意切換；3D課件格式和3D信號自動識別、一步完成。

2.3.1 3D智能教學系統組成

學術（多功能）報告廳的3D教學環境的搭建非常便利。多功能報告廳的3D智能教學系統由3D教育資源庫、3D教學硬件、3D教學應用三方面構成。通過利用3D虛擬仿真技術，將復雜、抽象、難懂的概念，轉化成3D課件、模型等講解資源，學生在觀看與知識互動的過程中加深學習印象、促進理解和空間想象力（如太陽系里的行星運動模式、化學反應過程、醫療解剖分解、立體幾何展示等），營造全新的沉浸式、互動式的輔助教學環境。

通過3D智能教學系統的融入，將使多功能廳的整個互動教學更具有可視化和可參與性；更加具體形象；還可以減輕老師的備課時間，規避實驗風險；更容易激發學生的學習興趣，提高學習主動性等優勢。3D教學這種創新教學模式，可以令教師講解更為生動易懂，極大促進學生的理解能力和提高記憶效果，特別對于數學、生物、物理、化學、科學等學科知識內容講授效果顯著。

（一）3D智能教學平臺

3D智能教學平臺（硬件）：圖形工作站、3DLED立體大屏、3D同步信號處理器、無線擴聲設備、會議音頻設備等。

（二）3D學科優質教學資源（軟件）：

3D優質教學軟件（軟件及資源）涵蓋小學課程內容；與國內教學大綱、教材知識點匹配、銜接；科學知識主要以自然科學、生命科學、地球科學及拓展類科普為主。

（三）3D專題教育資源

3D專題教育主要圍繞校園安全教育與傳統文化教育為主；通過立體，形象、生動有趣的3D卡通形象，動畫情節，貼近校園安全及傳統美德文化，高度仿真的教育場景。

（四）3D教學活動（培訓）

資源內容同時具有3D播放課件、3D互動課件、3D練習課件三種功能課件。緊密圍繞教學+互動+訓練+評估的教學思路，貫穿和服務教師整個授課過程。

多功能報告廳3D智能教學功能綜合應用了現代多媒體技術，結合3D虛擬仿真技術，營造出一個高精度大屏幕演示、高保真音質、3D效果呼之欲出的現代化體驗式輔助教學環境。它使3D優質教學資源得到了充分地發揮和利用，豐富了教學手段，擴充了教學資源，減輕了教師講課的勞動強度；直觀沉浸式的教學形式，使學生更易于領會接受授課內容，加深了學生印象，促進學生理解能力和記憶力，提高了教學質量。

2.3.2 3DLED顯示系統

顯示系統是學術報告廳的教學應用的眼睛；構架一個標準的、現代化的，因為它負責收集我們所有感知的60%以上的信息。大屏幕顯示系統便是擔此重任的子系統，無論其最終效果、還是占總成本的比例，都有是衡量一個多媒體環境的關鍵且直觀的指標。

大屏幕顯示系統根據需求和空間大小, 一般有：單機正\背投影、多機正\背投影拼接、多機正\背投影融合、DLP\LCD拼接墻、LED大屏、液晶電視等多種種形式，此次方案設計中我們選用LED拼接墻。支持3D顯示功能，在滿足常規平面教學和展示的同時，同樣兼顧3D仿真教學和立體展示，豐富教學模式和手段，增強觀看和學習體驗

Ø  大型階梯教室、多功能會議廳、報告廳

Ø  學科類教學中對多個班級學生同時授課

Ø  校園安全教育中對全校所有學生同時宣傳

Ø  兼顧學校會議、文藝匯演、學術報告、教育教學多種功能、用途，提高設備利用率和使用價值

Ø  一次性滿足學校會議、文藝匯演、學術報告、教育教學，（即一屏多用）避免二次設備反復投入

Ø  對比度比較高，立體效果更為出色

Ø  支持多種樣式、大小LED尺寸，亮度好，抗干擾光（環境光）能力較強，非常適合于空間較大、面積較廣的多功能教室

相對于其它大屏系統例如投影機、液晶拼接等，LED大屏使用壽命長，性價比高

多功能報告廳3D智能教學系統硬件組成

3D多功能報告廳應用效果圖

3D多功能報告廳立體教學系統平面布局圖

2.3.3 3D教學優質資源（小學）

3D教學軟件（資源）涵蓋小學課程知識內容；學科主要有：《地理科學》、《地球科學》、《生命科學》、《自然科學》科普知識。

3D教學資源

2.3.4 3D教學優質資源（初中）

3D教學軟件（資源）涵蓋初中課程知識內容；學科主要有：數學（幾何）、物理、化學、生物、地理科學知識。資源近六百部。

數學（幾何）：將抽象復雜的概念，通過生動的立體展示進行分解演示；

物理：將運動、摩擦、力學、聲學、光學等轉換原理通過立體展示展示轉換過程；

化學：利用3D教學視頻互動操控，將每個獨立的元素，化學分子反應及運動，演示不同元素如何發生反應的過程原理；

生物：創設3D生態情景，將已知生活中的生命活動和生命跡象、細胞合成及分裂現象從靜態到動態、由抽象到形象；

地理：將地球分區、河流分布、行政區域劃分等以3D效果呈現可更生動形象的體現地球全貌。

    

 

3D互動教學平臺：

1.平臺與3D互動教學課件一體化設計，并提供課件互動教學的入口和支撐；

2.實現所有3D互動課件的分解剖析、實驗探究、隨堂演練、打分評估等；

3.構建沉浸式的3D互動場景環境，包含情景背景音樂、知識點向導及重難點標注；

4.構建開放式的3D互動操作環境，可根據教學需要，實現基于體系（非單一模型）地放大、縮小、旋轉、透視、拆分、重組、編輯、標注等互動操作，步驟可逆；

5.具有隨堂演練、打分評估互動環節，支持對知識點和實驗課程即時評測、練習，支持基于計分制的統計分析策略；

6.平臺模塊化設計，支持與3D視頻教學系統的無縫對接和統一界面管理，便于后期平滑升級。

 

3D仿真實驗平臺：

1.平臺與3D仿真實驗課件一體化設計，并提供課件實驗教學的入口和支撐；

2.平臺基于Unity3D引擎，實驗環境采用MVC框架，保證UI與實驗的合理區分，低耦合，易于擴展。

3.實驗平臺基于Maya技術，3DMax特效處理，Unity粒子系統實現；動畫基于DoTween技術，可實現多儀器交互穩定平滑的移動動畫；

4.實驗方式采用行為式框架，可實現操作流程化、操作錯誤警告、實驗步驟向導等；

5.實驗前儀器、藥品等工具準備及使用方法認知；實驗中具有實驗知識點、注意事項、操作要點友情提示；實驗后具有本節知識點的歸納總結及視野拓展功能；

6.平臺采用模塊化設計，包含探究實驗、教學實驗、實驗視頻、實驗儀器四大分類。

 

2.3.5 3D專題教育資源

3D專題教育主要圍繞校園安全教育與傳統文化教育為主；通過立體，形象、生動有趣的3D卡通形象，動畫情節，貼近校園安全及傳統美德文化，高度仿真教育場景。

3D校園安全教育包括：擠壓事故、體育活動事故、消防事故、學生事故、乘坐電梯事故、自然災害事故等；

3D傳統文化教育包括：謙讓、儒學、美德、禮儀、民族精神、榜樣、誠信、和諧觀、負面道德經驗等。

3D專題教育資源

第三章 AR理化生地仿真實驗平臺介紹

3.1 總體設計

3.1.1 技術原理

AR理化生地仿真實驗平臺以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。

AR理化生地仿真實驗平臺的虛擬對象（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。

AR仿真實驗平臺工作原理

3.1.2 系統組成

AR虛擬仿真實驗教學平臺依托增強現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡等技術，以AR理化生地現場課實驗資源為基礎，搭建AR現場課教學平臺，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，達到教學大綱所要求的教學目的。整套平臺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，各大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AR理化生地仿真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實驗教學和演示的迫切需求，更避免了教室資源的閑置和浪費。

因此，AR理化生地仿真實驗平臺的搭建非常便利，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

3.2 部署環境

3.2.1 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，AR理化生地仿真實驗教學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。AR現場課實驗資源搭載AR現場課教學平臺利用投影等硬件設備營造出虛實結合的教學場景，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。

利用已有設備進行完善，避免二次投入，節省教育資金。投影具有顯示屏幕大、清晰等特點，利用投影技術配合大尺寸幕布，可有效避免學生（尤其教室后排學生）對實驗操作過程不清楚及實驗數據看不清的弊端，積極調動學生學習的主動性。

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，虛擬和現實兩種教學模式相結合，教學內容更加直觀、生動，提高了教師教學質量和學生學習興趣。

Ø  方便切換操作，提升課堂效率

教師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，讓師生在輕松、愉悅的臨場感中感受知識帶來的快感。

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。

3.2.2 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。AR仿真實驗平臺通過AR理化生地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。

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

3.3 AR理化生地仿真實驗課程

3.3.1 實驗設計思路

倡導探究式實驗教學，以實驗教學為引導，理論知識為目的。多樣化實驗教學，摒棄“難、繁、偏、舊”的教學模式。以學生為主體，增加學習自主性，教師作為學生獲取知識源泉的引路者。

課程設計遵循以新課標教育大綱為根本、書本理論知識為基礎并融合最前沿的AR增強現實技術研發，解決目前理化生地實驗教學過程中儀器設備缺失、損壞及要求理想性實驗環境。師生可大膽進行實驗，不必擔心因實驗失誤而釀成嚴重后果。釋放教師教學壓力，注重培養學生創新思維、學習興趣及學習習慣。

基礎性：讓學生參與科學探究，了解實驗過程所需的設備儀器、環境及注意事項等。培養學生嚴謹的科學態度與精神。

實踐性：學生通過動手動腦、全程參與、假設與驗證的實驗過程，樹立實事求是的科學觀和探究創新的科學精神。教師通過實驗導入式教學，以實驗驗證真理，以理論升華實驗。

綜合性：AR虛擬實驗教學全新的輔助教學模式，著力提升學生實踐動手操作能力、創新思維全面發展，利用理化生地知識解決生活問題。

3.3.2 實驗課程目標

學生知識體系、科學素養提升；教師實驗教學壓力釋放，建立實驗與理論的橋梁為總體目標。著重解決教師在實驗教學中實驗環境及實驗過程現象描述困難等問題，學生對理化生地產生枯燥乏味的感覺，長期以往極易形成厭學心里，此課程注重以學生為主題，教師為知識引導者，增加學生實踐動作操作、探究與討論等。全面提高學生的科學態度及科學精神。

3.3.3 AR實驗課程資源（小學）

AR科學仿真實驗平臺配套的課程資源涵蓋小學階段地球與宇宙科學、物質科學、技術與工程、生命科學四大領域涉及的教學課程，完全匹配1-6年級小學科學教材。AR實驗課程資源（初中）

AR理化生地仿真實驗平臺配套的課程資源涵蓋整個初中階段理化生地學科標準實驗課程，嚴格按照教學大綱要求進行設計，針對重難點實驗教學解析，涉及力、熱、光、電、磁、氧氣含量、分子運動等實驗，內容引導學生以實驗原理為基礎，通過嚴謹的過程設計、合理的參數控制、嚴密的實驗現象和數據分析，可靠地測量未知參數、探究理化生地規律。學生在教師及時、有效的實驗指導下，分析和解決實驗中遇到的問題、發現和探究值得深入的可拓展內容，體會如何通過實驗獨立構建知識。具體實驗課程如下：

3.4 AR實驗教學應用

3.4.1 常規性多媒體教室

作為教學的主戰場，教師授課及學生學習的主要場所，教師講授理論知識的主陣地。教師在講授理化生地知識過程中實驗教學占據課堂大部分時間，經過大量理論論證得出正確公式、結論，教師充分發揮了展教互動，但學生對理化生地理論知識理解過程仍較其他學科困難，學習積極性低迷，被動式學習。

隨著信息技術發展，觸控一體機及投影等顯示設備作為主要的輔助教學，大大提高了教學質量。AR理化生地仿真實驗系統在學校教學裝備上錦上添花，將動態捕捉攝像機布置在計算機顯示器支架上，鏈接觸控一體機、投影等硬件顯示設備，即可完成實驗教學所需環境，在系統中選取授課內容完成教學，教師在講授理論知識的同時運用該產品給學生清晰明確的實驗過程，通過重復性實驗大量數據積累得出正確結論，吸引學生注意力，學生也可自己操作進行實驗，記憶深刻。從根本上釋放教師教學壓力，積極調動學生學習主動性。

3.4.2 獨立性學科實驗室

理化生地學科以實驗教學為基礎、知識理論為根本開展教學，但大部分理化生地實驗需要理想型實驗，如牛頓定律需要在無摩擦力狀態下才能得出正確的結論、光的折射方向、粉塵爆炸危險性實驗等一些不可見現象。種種原因限制了教師對實驗教學的發揮，阻礙了學生創新思維的發展。

目前學科實驗室配備了相對完善的教學儀器、實驗箱等，但問題的根本原因未得到解決，學生仍然對實驗學習興趣不足，參與性不夠。

獨立性學科實驗室是以實驗教學及培養學生學習興趣為主，實驗設備、教學顯示設備完善，無需二次投入，安裝動態捕捉攝像機定位追蹤，AR理化生地仿真實驗系統操作實驗平臺及實驗課程資源。布置實驗室前方，學生可進行重復操作，學生在團隊討論，參與性強，學習積極性高。

3.4.3 探究性多功能教室

運用現代教育的理論與方法，依托信息技術開展中學學科教學與學習活動，打破教育的時空界限，提供共享的教育、教學資源，又是實際而有效的學習工具和手段，使整個教育系統具備整合性，又保持開放性。多功能教室整合了數字化、網絡化、多媒體化和智能化為特點的計算機和互聯網絡等信息技術設備。
   視頻顯示終端能夠為學生提供直觀的視覺感覺，并能使教師的演示操作放大到屏幕上，使每一個學生都能全面、清楚地觀摩整個演示的全過程，每個學生便對教師的操作一目了然。

探究多功能實驗室開放式教學，空間開闊，教學設備先進，布置動態捕捉攝像機及安裝AR理化生地仿真實驗系統，實驗操作過程中確保攝像機前無遮擋物保障實驗順利進行。AR理化生地仿真實驗系統是開拓學生知識視野的明亮窗口，是提高學生實驗操作技能的開放陣地，更是激發學生思維火花的溫暖搖籃。