第一章 概述

1.1 建设背景及现状

教育部发布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》中提出学校要开足开齐实验课程，把学生实验操作情况和能力表现纳入综合素质评价；2023年前要将实验操作纳入初中学业水平考试（中考）。

对于目前而言，全国已经有多个省市将初中的物理、化学实验纳入初中学业水平考试，对提高初中化学教学水平方面起到了重要的促进作用，但是也存在着一些不可忽视的问题。

实践性和可观察性是实验操作的重要特征，学生若受限实验室的条件（实验室大小、器材是否齐全、教学时间安排等）所致，没有得到充分的实践操作时间，势必会影响学生对考试实验的理解和操作熟练度。

如何打破传统实验教学活动中的多种条件限制，已迫在眉睫。可喜的是，随着科技不断发展，可以通过3D、AR虚拟现实等现代科技技术，来解决目前的问题，在有些实验部分甚至还优于传统的实验活动，譬如：在没有老师的参与实验时，也能做到对实验操作步骤的评分总结，直观的让学生知道错误与正确的操作步骤是哪些，这样更有针对性的加强对实验考试理解，减少操作失误。

1.2 建设目标

物理、化学是以大量实验结果论证支撑的学科，学生通过操作虚拟实验过程验证相应的结论可对事实获得具体的、明确的认识，进而培养学生的观察、实验能力及实事求是的严谨科学探究态度。

通过多媒体手段，依托学科特色，打造富有科技感的物理、化学学科虚拟仿真实验资源和应用，做到考试、教学模式多样化，教学资源共享化，教育信息数字化。

系统利用目前先进成熟的计算机技术、网络技术、多媒体技术、动态传感技术，并采用世界最前沿的3D/AR增强现实技术，针对初中物理、化学中考（初中学业水平考试）实验操作考试而打造的一款快速掌握考点内容的系统工具。它打破了传统实验室的条件限制（时间安排、人员安排、器材数量、空间大小、实验安全等条件），利用普通常用终端（电脑、手机、平板）便可随时随地进行实验考试练习，其学习时间安排灵活，切实解决了考生对实验练习操作时间、地点受限的问题。由于系统不仅贴合真实实验考试内容和要求（具有高相似性和客观实验规律真实性），还可模拟展现传统实验中无法展现的微粒子、抽象物质和不可见现象等理论知识、概念及现象，因此考生在系统上进行练习操作后，便能够快速、深层次的理解掌握实验考点内容及考试流程。

1.3 建设需求分析

物理、化学都是以实验为基础的学科，实验在激发学生学习兴趣、帮助学生获得知识和实验技能等方面有着重要的意义。

目前，全国大多数初中物理或化学实验室、实验操作时间安排都不规范，实验室场地受限、实验操作时间少，导致学生在中考实验考试的时候对仪器的连接、使用不熟练，进而形成考试容易失误、失分的情况，影响中考成绩。

为此，通过AR虚拟仿真技术，及无感手势识别等多项先进技术，应用于实验考试模拟操作，这样就可以解决实验场地限制、学生平时操作时间少的问题，让学生利用手机、电脑在任何时间或地点，都可以进行针对考试实验的操作练习，夯实实验操作基础，增强学生的实验能力，从而促进对初中实验考试的自我构建

第二章 AR实验智能评测系统介绍

2.1 总体设计

2.1.1 技术原理

AR实验智能评测系统以AR技术为基础，结合先进的体感交互设备，将真实世界信息与虚拟世界信息进行“无缝”对接，借助显示设备将现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息通过科学技术模拟仿真后在叠加，使虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给使用者一个感官效果真实的新环境，具有虚实结合、实时交互、三维注册特点。该平台虚拟再现真实的实验，真实再现实验过程、实验结果、实验数据、实验操作，从而达到虚拟教学、练习的目的。

 AR增强现实技术工作原理

AR仿真实验平台具有三个突出的特点：

Ø 真实世界和虚拟世界的信息集成；

Ø 具有实时交互性；

Ø 是在三维尺度空间中增添定位虚拟仪器。

Ø 打破空间、时间限制

系统的虚拟对象（实验）采用组件式框架设计，确保实验器材灵活化，简单化。整体项目采用MVC框架，保证UI与实验的合理区分，低耦合，易于扩展。各个实验器材使用的方法，完全模拟真实的物质特性。甚至一些在真实物体特性没办法看到的情况下，比如光、磁、电、分子运动、化学反应等，根据其相关的物体特性原理，完全真实模拟出来，符合实际。

系统工作原理

2.1.2 系统组成

系统依托增强现实、多媒体、人机交互、数据库和网络等技术，以AR物理、化学实验资源为基础，搭建AR中考实验考试练习平台，加持动态捕捉摄像机的定位追踪和多媒体显示终端的虚拟场景，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在高度仿真的虚拟环境中开展实验考试练习，达到考试所要求的考试目的。整套系统给使用者营造出一种全新的感官效果，实现虚实结合、实时交互的教学作用。

以上整套AR增强现实系统正常工作至少需要三种硬件组件，即显示系统、跟踪系统、计算处理系统。随着当前教育信息化水平的飞速发展和多媒体教学装备的普及，一般学校的现有教学环境均具备基本的人机交互显示设备和教学计算机，完全符合实验平台的环境搭建需要，即AR实验平台是在当前多媒体教室基础上功能升级和改造，并且最大程度地进行了设备复用。这样不但实现了AR实验教学和考试练习的迫切需求，更避免了教室资源的闲置和浪费。

因此，实验平台系统的搭建非常便利，需要做的只是选择一间常规多媒体教室或功能教室（教学场地），现有教学设施（或新建）包括一台亮度适中的投影机、幕布或电子白板、教师计算机、电子讲桌、音响等（多媒体设备），也可以是一台集成度更好、性价比更高的多媒体教学触控一体机、推拉组合黑板等，然后增加一台体感追踪摄像机、伸缩式支架、AR仿真实验考试资源及软件，从而实现多媒体教室的平滑升级。

AR仿真实验平台系统组成

2.2 部署环境

2.2.1 基于教学投影机

目前投影机、幕布、计算机等设备已成为普通教室教学的标准配置，评测系统所需的基础硬件设备基本齐全，只需额外添置一台动态捕捉摄像机。系统平台利用投影等硬件设备营造出虚实结合的练习场景，学生可通过动态捕捉摄像机的定位追踪对虚拟空间的物体进行实时交互操作。

系统整体可利用已有设备进行完善，避免二次投入，节省教育资金。

基于教学投影机的AR仿真实验环境

Ø 更优显示效果，双重教学模式，提高教学质量

推荐激光投影机，具有寿命长、避免频繁更换灯泡、智能调节显示亮度、极速散热等优势，优化了显示效果、兼顾了AR辅助教学模式，清晰的画面和逼真的色彩还原能力。同时，虚拟和现实两种显示模式相结合，考试练习内容更加直观、生动，提高了学生对实验考试内容更深层次的理解和记忆。

Ø 方便切换操作，提升课堂效率

可利用智能中控系统所有多媒体教室设备一键联动控制，所控即所得，使用方便，比如声音大小调节、信号切换、AR显示通道切换、设备联动开关、黑屏锁屏等。

Ø 立体环绕音效，打造超强体验

利用高保真数字音响系统，打造声音立体饱满的教学环境，营造几近真实的学习场景，让学生在轻松、愉悦的临场感中感受收获带来的快感。

Ø 兼容性和可扩展性，方便平滑升级

AR硬件建设遵循《数字化校园多媒体教室建设标准》，具备良好的可扩展性、兼容性、通透性。支持与现有所有常规多媒体教室设备整合、集成，设备复用，有效避免后期扩展升级所带来的重复建设和资源浪费。

一.2.2 基于教学一体机

多媒体教学触控一体机是集成大屏高清显示、交互式电子白板、电脑、电视、音箱和网络传输等多项功能于一身的多媒体教学演示与操作平台。通过搭配的互动教学软件与人性化的触控操作，可便捷调用多媒体素材资源，为课堂教学提供优秀的大屏幕显示互动授课体验。动态捕捉摄像机和多媒体触控一体机的结合是实现虚拟实验教学的必要硬件条件。系统平台通过实验资源和动态捕捉摄像机的定位追踪，在触控一体机上实现虚拟世界与现实世界的完美结合，学生可尽情享受虚实结合所带来的科技感，教师亦可放心大胆的、无所顾虑的进行实验操作练习。

多媒体教学触控一体机的AR教学平台

推荐使用86英寸液晶触控一体机，其具有以下特性：

（1）超薄超窄外观，前置按键，前置USB 端口，模块化安全设计

（2）触控技术

Ø 抗光干扰（阳光直射照常使用）

Ø 防遮蔽功能（八点遮蔽，照常使用）

Ø 触摸算法优化程度高，响应速度快，书写和演示流畅度高

（3）高清显示

Ø 超震撼虚实交互体验

Ø 满足1920*1080分辨率

（4）通过EMC 测试（辐射远低于欧盟标准，确保产品绿色健康）

（5）显示、触控、智能核心、PC 一体融合

Ø 高清图像处理引擎

Ø 智能电视芯片，智能Android 操作系统

Ø 触摸切换菜单（在任意通道状态下都可以使用触控操控一体机）

Ø 不需要PC 可实现书写批注，课件播放，视频播放功能

（6）双系统设计

Ø 插拔式PC 设计（降低运行噪音，易于维修）

Ø 内置智能核心和操作系统，与PC 系统互为备用

（7）一键黑屏（节能、环保，提升使用寿命）

（8）环境适应（通过0℃～40℃环境模拟严格测试）

（9）屏幕防划防撞击

1.3 平台优势

      先进性

AR虚拟实验平台采用先进的思想、成熟的技术与设计方法，利用AR增强现实技术、虚拟仿真技术与多媒体技术设计，符合当前潮流与未来发展趋势。

 开放性

系统平台采用开放式设计，提供开放性的实验环境、实验仪器、操作流程，在系统中学生可放心大胆的进行操作，不必担心因操作失误而酿成的严重后果。

 交互性

系统平台专为学生对中考实验考的练习设计，创造虚拟世界与现实场景相结合的即时交互实验环境，有别于传统的鼠标键盘机械式的人机交互方式而带来的局限性，交互效果更加真实、便捷、直观。

灵活性

系统平台在教学过程中灵活便捷，学生根据练习环境、考试内容等因素，只需改变动态捕捉摄像机的位置和高度，即可满足操作环境。学生不用在练习前准备沉重的教学仪器到教室，只需在本产品虚拟空间中抓取虚拟物品完成实验练习。

 实用性

系统平台追求以考试为导向，练习“应用”为手段，坚持实用的设计原则，紧紧围绕实验考试要求，同时，系统具有教学练习与考试两种模式，实现练习和评测并向操作学习，快速掌握考试内容和流程。

安全性

AR虚拟实验考试平台的一大优点即在于其绝对的安全性，不会因操作失误而造成人身事故。