1、科技项目可行性报告项目编号: K2016001课题名称: 基于虚拟现实技术的教育解决方案的研制与开发申请单位: 可视化计算与虚拟现实四川省重点实验室二 0 一六年二月1目 录一、项目提出的目的及意义二、与项目相关的国内外发展概况及市场需求分析三、主要攻关内容及技术路线（技术可行性分析）四、该项目的技术创新点五、现有工作基础和条件六、申请的基础条件（包括主要研究成果）七、进度安排和实施方案（包括运行机制）八、预期成果和考核目标九、推广及应用前景十、经费概算及来源十一、结论附件-虚拟现实沉浸技术实验室条件建设需求2一、 项目提出的目的及意义互联网、虚拟现实和人工智能被喻为改变人类认知世界的三大信息
2、技术。互联网从少被社会广泛认知，到今天对社会生活的全面颠覆与渗透不过二十余年。如今互联网+ 已为国家战略。当互联网在我们生活中掀起一个又一个骇浪时，虚拟现实正悄然从幕后走向前台。今天虚拟现实正演绎着当年互联网对人类生活，从无足轻重到全面颠覆的革命性过程。科技以虚拟现实给人类生活再创造出一次惊喜己为期不远。虚拟现实技术与教育：“虚拟现实”（Virtual Reality，英文缩写 VR）技术，利用计算机硬件+软件资源+传感器的一种集成技术，构成实时三维图形生成的技术、仿真技术、多传感交互技术以及显示技术等，生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境，演练者（操作人员）根据需要通过多种交互设备（如头盔
3、、数据手套和刚性外骨架衣服等）来驾驭该环境，以及用于操纵环境中的对象，如在真实世界中一样地与该环境中的人和事物进行行为和思想等的实时交流，并产生逼真的身临其境感。虚拟现实技术不是相关技术的简单组合，而是一种创新性的综合，并且在思想方式上有质的飞跃。虚拟现实技术对教育产生不可估量的作用，主要理由如下：1.虚拟现实技术创建全新的教育环境 人们普遍认为，虚拟现实技术将使 21 世纪的教育发生质的变化。虚假现实技术支持下的教育之所以会发生质的变化，是因为虚拟教育环境拥有现实教育培训环境无可比拟的优势。所谓虚拟教育环境，是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟教育的人工环境
4、，它可以是某一现实世界的基础或设施的真实实现，也可以是虚拟构想成的世界。在 21 世纪，可能兴办起依托虚拟现实技术的各种新型的学校教育，如基础教育、军事教育、各类培训教育，许多学员在虚拟环境中接受各种教育体验与训练。由虚拟现实技术所支撑的教育系统将使得人员可以在虚拟环境中方便地取得感性知识和实际经验。 与现实教育基地或设施相比，在虚拟现实技术支持下的虚拟教育环境大致有如下特征和优势： 1.1 仿真性 学生通过虚拟设施训练，与在现实教学基地里同样方便。这是因为虚拟环境无论对于现实的环境或是对于想象的环境，都是虚拟的但又是逼真的。理想的虚拟环境应3该达到使受训者难以分辩真假的程度（例如可视场景应随
5、着视点的变化而变化） ，甚至比真的还“真 ”（如实现比现实更逼真的照明和音响效果） 。 1.2 开放性 虚拟教育环境有可能给任何受训者在任何地点任何时间里广泛地提供各种培训的场所。事实上，虚拟教育环境的内涵是广泛的，它不同于传统中的教育环境，它具备可以进行类似于传统教育项目的环境，但它的擅长更是那种使学员置身于项目对象之中的逼真环境。凡是受训者可以通过有关器具操作来学习或掌握某种知识与技能的虚拟环境，都可以归之于虚拟教育环境。 1.3 超时空性 虚拟教育环境具有超时空的特点，它能够将过去世界、现在世界、未来世界、微观世界、宏观世界、宇观世界、客观世界、主观世界、幻想世界等拥有的物体和发生的事件
6、单独呈现或进行有机组合，并可随时随地提供给受教育者。比如，学生需要身临超越现实时空的环境（如历史事件，探索太空） ，那么虚拟教育环境就可以提供历史环境及虚拟太空。 1.4 可操作性 学生可通过使用设备，用人类的自然技能实现对虚拟环境（无论它模拟的是真实环境还是想象环境）的物体或事件进行操作，就象在现实环境里一样。可操作性是虚拟教育环境实际运用的必备特性，它使学生得以在其中学习中获得需要实际知识与技能课程，也使远程教育真正实现。 1.5 对应性 教育内容与虚拟环境密切相对应的。例如，学生要学习化学实验操作，那么虚拟环境就是化学实验室的模拟环境。另外，虚拟现实技术能按每个学生的基础和能力，对应性地
7、开展个别化的教育。 2、虚拟教育培训的广泛性 未来社会是一个学习化的社会，为了求得自身知识结构和能力体系的完善与发展，达到学会生存并进而实现自我价值的目的，接受终身教育是人们的当然选择。而在终身化教育体系中，自然包括了各种各样的教育项目。由于用虚拟环境代替现实环境，学习和实练效果更好；而且利用虚拟环境进行训练，也使一些在真实环境下难以实现的项目成为可能，因而虚拟现实技术会给未来教育带来根本性的改革。由虚拟现实技4术支持下的教育方式将发挥强大的优势，大显身手地运用于各方面的教育项目中去。 3、虚拟教育的优越性 作为教育技术和工具的虚拟现实技术的优势，给教育体系带来了与众不同的、全新的教育特点。它
8、不仅仅对于教育场所或设施的设计人员和教育业务的指导人员提供了实践其教育价值的途径和方式，而且从受教育者的角度来说，它在解决学习和实训的困难、提高学员汲取知识和掌握技能的效率、从而改善教育的效果等方面，也呈现了相当有利的特征。这些特征可大致概括为： 3.1 临场性 指学生可以感到自己处于虚拟环境的体验，产生一种逼真的存在感，学员觉得自己真的存在于某环境中，是该环境的一部分，而不是它的旁观者。学生可自由地在这环境中与有关的虚拟物体或事件相互作用，如同在现实世界中一样。临场性的意义，在于使学生将远程、虚拟认知或感觉如现场与真实中。此外，由于这种临场性一方面是使学生进入虚拟环境，另一方面是运用交互设备
9、把学员的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，使他暂时与真实环境隔离，因此不会受到虚拟环境外的现实环境的干扰，易于集中学员的注意力，使他全身心投入到训练中去。 3.2 自主性 学生能自主地选择或组合虚拟场地或设施。这样，学生能在任何时间、任何地点选择学习内容、学习设施、学习信息资料、以及取得学习结果的评估，并具有完全的自由度。此外，对于学习后没掌握的知识与技能过程或片断，学生可以自己多次重复。这样，学生始终处于教育中的主导地位，真正掌握学习的主动权，大大增强了学习效果，减少了学习时间。 3.3 多感受性 学生在虚拟环境中接受教育时具有多种感知能力，如视觉、听觉、力觉、触觉、运动觉、味觉等。理想的虚拟环
10、境应当可以让学生具有在现实世界中的一切感知能力。多感受性使学员得以运用自己所有感知能力，在一个极其生动活泼的环境里进行实时的、全方位的学习。 3.4 功能替代性 在虚拟现实技术帮助下，学生在虚拟环境中还可以用一种感知能力代替另一种感知能力来进行操纵环境、汲取信息或交流。这样，残疾人能通过自己的形体动作与他5人进行交谈（如残疾人戴上数据手套后，就能将自己的手势翻译成讲话的声音） ，或通过声音来操作器械，等等。这种感知功能替代性使残疾学生可以接受过去自己无法做的项目。 3.5 交互性 学生可以采用多种交互手段如语言、手势、数据手套及触觉等，与虚拟环境交流信息，并得到实时反馈。这种特性使学员与物体、
11、学员与事件、学员与其他人（如指导人员、别的学员）之间的双向实时反馈，在远程状态下成为可能，并犹如近距离或面对面交流一样。 3.6 安全性 虚拟环境中学习远比在现实环境里安全。如具危险的化学实验，军事学生可以重演战争，消防队员可以重演扑灭火灾。每个人都可以在这种虚拟环境中试验各种方案，即使闯下“大祸 ”，也不会引起任何 “恶果”。安全性不仅是对于学生而言的，它也包括周围环境中的事物，这一点对于技能性学习特别重要和特别有意义。 （一）项目概要1.虚拟现实的应用层次可分为：1.1 初级应用：桌面虚拟现实系统-非沉浸式体验系统，计算机+软件即可实现1.2 中级应用：桌面虚拟现实系统 -沉浸式虚拟现实系
12、统，计算机 +软件+数据头盔+数据手套。1.3 高级应用：分布式虚拟现实系统，它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真（distributed interaction simulation）的基础上1.4 高级应用：+增强现实，于虚拟现实的基础上加入真实的物具（现实中的，非建模的） ，实现虚拟世界与真实世界的交互。2.基于虚拟现实技术的教育解决方案主要包括以下：2.1 初高中实验类课程方案，涉及化学、物理（仿真实验室，物体与规则重建）2.2 初高中认知类课程方案，涉及自然（地理、生物） 、历史（事件重建）2.3.高中水平类课程方案，涉及外语（事件重建） 、语文（意境重建） 、数学(几何规则与逻
13、辑重建).2.4 职业学校技能培训方案，如装配、修理、维护开发上述产品，一类基于“桌面虚拟现实- 非沉浸式体验系统” 技术，另一类基于“桌面6虚拟现实-沉浸式体验系统” 技术。上述产品以通用教材课标为依据，以教育心理学、名师教学方式为逻辑，以时间进度排序，加入知识与技能要点考察和水平评价，贯穿整个教学过程。项目开发的理念、构成、内涵与体系均属国内首创，为行业应用的重大创新。社会公司，包括独立的教师因条件所限，从事的开发均以课件、资源类为主，难以开展如我们这种体系化的构建。此构建的可性行来自我们的业界优势，即是川师大数十年的教育背景与教育资源+技术背景与技术资源，极其宝贵、极其难得的组合，他人难
14、以复制。3. 项目目标3.1 总体目标该解决方案融合虚拟现实最新硬件设备以及先进的教学理念，构建完全实时的、高保真的、用户高度介入的学习环境。其特点是具有丰富的环境、丰富的接口、操作与数据双重驱动，从而实现虚拟现实的教学功能，对教与学产生极大的效用。3.2 技术目标包括五个方面：3.2.1 开创虚拟现实在国内教育领域系统化应用的先河,于教学上实现普通数字教育资源(如多媒体、电子课件、文字、例表、影视动画资料)的替代。解决方案首要的目标是构建快速、协同的 VR 资源平台，资源的迭代演化保持一定领先性且遥应未来技术发展要求，体现业务创新、技术创新特征，突出与满足教学及教学管理的现代化需求。3.2.
15、2 采用分层设计，强调统一的同时兼顾风险与效率，达到规范性与个性化相结合的目的，增加系统灵活性，满足不同学科、不同层次课程的需求。在实际设计过程中，遵循现有网络课程（如川师 4A 网课）课程分类规划设计，并与校园其它网络教学平台有效衔接。3.2.3 保证高性能、高可用性，提供动态扩容、应急处理、备份等手段实现系统的可靠性、增进用户体验。3.2.4 组件化、可配置的指标、参数策略，适应不断增加与调整的系统需求变化。适配不同种类与配置的虚拟现实硬件设备。3.2.5 数据驱动。构建 VR 场景知识库、参数化模型库以及学习者学习行为轨迹库，形成个性化学习成果反馈技术应用。4. 项目应用主目标，完成虚拟
16、现实教育解决方案系统框架设计75. 项目应用次级目标启动期目标： 5.1 完成非沉浸性与沉浸性中学化学实验教学系统，并在学习者中推广，以达到体验和验证。5.2 完成沉浸性中学化学实验教学系统5.3 完成中学物理、历史、地理、语文、数学、英语需求设计5.4 职业学校需求调研（二）立项的必要性及意义虚拟现实技术被普遍认为是继计算机技术、网络技术后，在 21 世纪最有潜力的技术。虚拟现实技术具有的沉浸、交互、构想三大特征使得虚拟现实技术在教育领域应用有其独特而明显的优势。随着资本对虚拟现实的持续关注、硬件成本降低、设备的普及以及互联网信息技术对教育融合的深入，迫切需要虚拟现实技术改造传统教育模式，甚
17、至是刚刚开始流行的基于互联网的教育模式（如 MOOC） 。基于互联网的教育模式虽然解决了传统教育的大部分“痛点”(如不能跨时空共享优质教育资源，互动性差等)，但是学习者的体验没有得到实质的提升，缺乏虚拟现实技术（如沉浸式虚拟现实技术）带来的强烈的体验感、逼真的现在感与強大的可交互性。1.把握历史机遇，珍惜最佳进入期长期以来，虚拟现实硬件成本的居高不下成了其实际应用的最大障碍，行业应用处于 3/4 的休眠状态。近两年因技术突破性进步，成本直线下降，其行业应用处于爆发前夜，越来越清晰地呈现出一个科技应用热点。在市场尚未完全被唤醒时进入，无疑为最佳时期。以游戏头盔式显示器为例，2013 年美国当地报
18、价 5 万美元到 17 万美元，到 2015年降到 7000 美元到 8 万美元间，非游戏头盔则降价幅度更大，早几年还需数万人民币的体感头盔目前市场价普遍在 1 千到 3 千人民币不等。进入 2015 年，硬件价格的下降趋势仍在加速，以乐视为例，2015 年 11 月向市场推出有售价仅 149 元的 VR 头盔。随硬件成本的快速平民化，虚拟现实技术走向广泛社会应用的闸门已经打开。从资本市场看，2015 年 6 月以来，中国 A 股历经了三次股灾，资本市场一片哀歌，但虚拟现实概念股却逆势上涨，成为 A 股独特的亮丽风景。据惠特资本分析，这是一个尚未有巨型企业出现的蓝海市场。82.开启重大行业应用
19、技术创新，树立行业科技开发优势地位 虚拟现实技术在教育行业的运用，除非沉浸式的一些三维交互课件外，尚没有更多运用，基本处于未开垦状态。做好这一块并不太容易，不但要熟知教育，而且要熟知技术。我们两者皆具，这是我们的背景优势。纵观社会，两者皆具的开发者很少，珍惜历史给予的难得机会。背景优势将很好支持我们开展这一项具有行业重大应用创新的研发，进而树立其行业科技开发优势。3.形成行业应用级产品，占领行业科技应用的制高点若衡向与兄弟院校在科技实力上对比，川师大的弱处还在缺少对社会、对行业、对企业不能提出解决方案级别的成果，科研产出缺乏对国民经济起重要推进作用的、应用级别的创新。本项目的推进有利于突破困局
20、。二、 与项目相关的国内外发展概况及市场需求分析2016 年被公认为虚拟现实的应用元年。虚拟现实近 10 年来，随着计算机技术的快速发展，其行业应用愈来愈清晰而备受社会各行业关注。目前在发达国家中, 虚拟现实技术在教育领域的应用，其表现之亮丽，令人震惊。如美国很多学生已经开始使用 zSpace STEM 实验室。学生们已经探索了虚拟火山和构建了先进电路板。这个系统为学生提供了真实的学习环境和个性化学习体验，且符合美国新世纪科学标准（ NGSS） 、基础课和各州标准。虚拟全像图像可以从屏幕中“取出来”并使用触笔去操控。一些应用则提供多感官反馈。比如，学生在和一个虚拟心脏互动时，可以看到、听到并感
21、觉到它在跳动。我国目前的虚拟现实技术在教育领域的应用主要侧重在科学研究、虚拟试验的开发以及虚拟校园的开发方面，与发达国家相比，我国虚拟现实教育应用的规模差距不少, 但是已经引起政府有关部门和科学家的高度重视。九五计划、国家自然科学基金会、国家高技术发展计划等都把虚拟现实技术列入了研究项目。（一）目标市场的分析与预测1、市场分布整体上看，我国虚拟现实技术处在起步期。它的发展与上世纪 80 年初的微型计算机、90 年代中期的互联网相似。以虚拟现实硬件设备为例，2015 年全球虚拟现实设备的销量己达 1400 万部，20209年的全球销量会提高至 8800 万部；BI Intelligence 的报
22、告预测，虚拟现实硬件市场的规模将在未来几年迅猛增长，未来 5 年的复合年增长率将高达 299%；美国知名的第三方调研机构 Manatt 5Digital Media 和投资银行 Digi-Capital 也发布报告称，全球虚拟现实市场规模将在 5 年内、即 2020 年达到 5200 亿美元。可见，针对消费者的虚拟现实商业化时代已经来临，虚拟现实产品对市场的渗透将会是“一场必胜的持久战” 。从国内外发展比较看，目前国内外发展方向出现分化，但重大分水岭尚未形成。国内产品、技术与市场需求的深度融合处于摸索期，以出售产品和服务为目标，有近200 家公司介入 VR 领域，从硬件产品到内容制作几乎全部覆
23、盖；国外并非单纯以出售产品为目标，以 Oculus 和 Sony 公司为例，除了研发头戴显示器、交互设备、输入设备、动作识别设备，更在着手制定各自的行业标准，意图统治全球市场。以上不难看出，随着虚拟现实关键设备制造的成本大幅下滑，我们己站在了一个以虚拟现实技术为手段，以行业应用为开发内容的门坎，门内拥有一个不低于数千亿级的市场体量。2、市场需求与发展前景的分析和产品市场空间预测2.1 市场份额至 2014 年末，四川省初中共计 3901 所，在校生 258.3 万人；普通高中共计 732 所，在校生 149.0 万人；教师共计约 30 万人; 职业学校 500 所，在校生 20 万人。按人均1
24、00 元/年信息消费，年消费量约 4 亿元。若项目进入国家教育扶贫工程，有望获得政府基金的支持。2.2 市场选择将目标市场锁定在中等基础教育与职业教育，以省内为重点。2.3 市场运作以产学研结合为理念，以服务社会、社会应用为目标。自主开发，并在进程中吸引资本加入。导入效率化管理机制。虚拟现实进入现代教育，并发挥重大影响绝对是不争的事实。发达地区，但不限于，都将因此受益。我国教育资源分布不均，边远地区师资队伍落后，名师空缺。近十多年来，国家对这类地区的教育投入逐年增加，但多限于基础条件的改善，如何提高教学质量，让这类地区的学生与内地学生一样享有较高质量的教育水平，显然己摆在面前。这是一个重大的教育问题， “教育公平 ”涉及全社会的良知，不仅仅引发政府
