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多功能智慧课堂交互系统助力虚拟仿真实验教学，实现真正具备探索性和创新性的实验教学辅助工具。资源+互动操作+灵活展示，完美实现教育信息化2.0的智慧课堂。
01 背景知识
实验教学一直是人才培养工作中不可或缺的重要组成部分，关系着培养人才的工程实践能力和工程创新能力。在传统的实验教学模式下，受限于各种条件的约束，学生只能在限定的时间和地点，利用限定的实验设备，完成特定的实验内容。因此，传统实验是完成具有“代表性”和“普适性”的“规定动作”，极大地制约了对学生动手能力及工程创新能力的培养。此外，传统实验室的建设经费投入不可小觑，不论是实验仪器设备的购置与维护，还是实验场地的建设与管理，都需要花费大量的人力、物力和财力。因此，在传统实验教学模式下，“投入产出比”往往受到质疑。为此，改革传统实践教学模式，探索适应新时代发展的实践教学新模式，是摆在实验教学改革面前的重要课题。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》明确指出：把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略，超前部署教育信息网络。到2020年，基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系，促进教育内容、教学手段和方法现代化。加强优质教育资源开发与应用，建立数字图书馆和虚拟实验室。2016年，北京，中高考的新方案：强调义务教育阶段所有科目都设为100分，其中物生化实验部分占分比例为30%，高考不再文理分科。同年，河南教育厅发布《关于2016年普通高中招生工作的意见》，其中明确要求理化生实验操作考试满分为30分。同年，安徽：初中毕业升学理化实验操作考试分数为15分，考试成绩计入考生中考录取总分。教育部发布了《教育部关于印发<义务教育小学科学课程标准>的通知》要求，2017年秋季起，小学科学课程起始年级调整为一年级。要按照小学一、二年级每周不少于1课时安排课程，三至六年级的课时数保持不变。
02
实验教学现状
有些地区小学科学课堂教学不被人们所重视，且存在着科学仪器和设备欠缺，实验课开设少甚至不开设的现象，另外，师资力量薄弱也是一大问题。具体表现为：
- 非正规操作由于破坏性大，成本较高，很难展示实验中出现的各种故障现象
综合来看，实验教学是大学理化生、职教和中小学科学学科的重要组成部分，也是课堂教学的重要环节，需要解决以下的痛点才能更好的达到教育部和学生的实际要求。由于学生群体的数量庞大和教学实验设备建设的不足，学校的实验设备已经不能满足学生多次、随时的学习一门实验的要求。保证学生实验的安全性是校方考虑的第一要素，如何在有限的课时内让学生参与更多的实验操作，同时提高学习兴趣提高实验效率。1、实验课件资源匮乏，而且资源相对分散，学科教师需要花费大量的精力寻找合适的资源；2、资源的匹配性较差，尤其是希望动态展示的器材元器件，大多数是静态的图片形式或是只能按照固定步骤操作的flash形式，很难满足常规的教学需求；4、有些需要理想实验环境才能完成的实验，很难展示或实际演示。痛点4、需要长周期才能完成的实验，课堂效率和效果如何保障实验课时较短，需要长周期才能完成的实验，课堂效果不理想。目前课堂的实际情况是，只能靠老师“说”实验，学生很难理解。固定的教学模式，缺乏自主创新。实验主要分为：讲实验、做实验和画实验三大部分。其中：“讲实验”大多数是靠老师讲，学生听，很难给学生直观、立体的视觉冲击，效果大打折扣；“做实验”需要动手去体验、去操作的，但现实情况往往是没有办法满足学生随时多次的实验练习需求；“画实验”一般是老师在黑板上画实验的相关结构图、原理图等，比如物理的电路图等，这种画图是必要的，但存在的问题是，很难全方位动态展示效果以及内部的逻辑关系，比如电路图，无法展示电路中各元器件之间的动态逻辑关系，但是如果有专业的辅助软件，不仅高效，而且能形象地展示出电路中的各种动态关系，形象、直观、高效。
03
虚拟仿真实验教学
优势尽显
教育信息化建设和实验教学建设，很多高校已经在广泛的应用，一些中小学也正在建设自己的虚拟仿真实验。虚拟仿真实验教学已成为老师重要的教学方式，它具有众多的优势。1、提升教学效果：逼真、立体的表现形式可以让抽象的实验过程形象逼真演示出来，教师可结合实际的教学需求，最大限度地发挥虚拟资源的优势，提升教学效果。2、完成不可能的实验：辅助教师进行课堂实验演示：如复杂实验、危险性实验、极端破坏性实验、反应周期过长实验、无法控制反应过程以及在传统实验室无法完成的实验等，可以安全、直观的展示出来。3、增强课堂趣味性：借助对多媒体技术、虚拟仿真技术等构建一种高度虚拟现实仿真的实验教学环境，使学习者体验置身其中的感觉，能够实现互动实验教学，能最大限度地激发学生的自主实验兴趣以及解开奥秘的冲动，有助于发展学生的构建思维，具有独特的实验教学的实践作用。4、丰富课堂教学形式：虚拟仿真教学的出现不会再出现实验无法完成和只靠教师一张嘴进行讲解的情况。突破了实验教学对客观条件的依赖性，满足实际的课堂教学需要。5、方便高效的教学辅助工具：实验应有尽有，且无器材损耗，和实验室零距离，随时随地都可进行实验。6、实现优质实验教学资源共享：满足本校乃至全省的虚拟仿真实验教学需求，建立功能强大的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。能全面支持“线上+线下”（O2O）、“泛在”（3A，即任何时间、任何地点、任何人）、理虚实一体化等新型教学模式、教学场景。
04
多功能智慧课堂交互系统助力虚拟仿真实验教学
实现真正具备探索性和创新性的实验教学辅助工具
（电磁锁拆装的VR课件）
虚拟仿真实验教学的功能设计和实现，需要在两方面的进行完善：虚拟仿真教学资源是依据真实世界的学习对象制作得到，一方面需要考虑学习对象的知识内涵，另一方面需要形象地表现出学习对象的形状、材质等特征。由于需要把学习目标蕴含的知识点集成到系统中，因此需要根据教学内容来设计软件功能，完成虚拟仿真教学资源的设计制作。
教师和学生可以通过网络在教室或实验室，方便而高效地使用虚拟仿真教学资源。
华云数创（北京）科技有限公司致力于教育信息化2.0的实现和落地，自主研发的“多功能智慧课堂交互系统”，及其其针对不同课程定制的3D虚拟仿真实验教学可以很好的满足虚拟仿真实验教学的要求。其虚拟仿真技术应用先进的3D引擎、多媒体技术、VR/AR技术，构建出真实逼真的三维场景和人性化的交互操作，让学习知识的过程变得更加具有吸引力，极大地提高了学生的学习兴趣和主动性。学习者可以第一人称视角在三维场景漫游和操作，主动进行更多的训练和学习，进而有效提高实际动手能力。
（虚拟仿真的射艺教学和研究）
1、高效率性：生动、形象、立体，提高教学效率，节约备课上课时间成本。2、实践操作和3D交互模型：与传统只能做单向知识传递的“视频教学”模式完全不同，在仿真环境中进行实际操作，实现理论和操作双向良性互动。3、内置独特引擎，高自由度：独特的引擎支持，真正意义上实现实验DIY；用户可独立学习，不受教室、讲师等条件约束，可根据自身实际安排学习时间，具有极大的灵活性。4、危险度为零：传统实验学习环节，在真实实验环境中往往会有许多实验危险源，仿真实验能有效避免因操作不规范所带来的潜在危险。完全探究传统实验室无法完成的高危险性、易燃易爆性、有毒性、辐射性以及爆炸性等实验。5、理想实验环境：解决因客观因素（时间、空间等）影响给实验带来不便的问题。如能有效解决因实验周期过长，展示效果差、实验现象转瞬即逝、理想实验环境搭建、实验危险性过大、微观现象难以观察、实验过程较为复杂、实验破坏性较大或是比较极端要求等在传统的实验室条件下无法完成实验的难题，6、情景交互性：用户在虚拟情景下进行理论判断和实验操作，具有强交互性。7、多终端跨平台：节约建设成本，充分利用学校现有硬件资源，不用担心不同终端对于软件的成本投入，全终端适应。8、器材零损耗：器材齐全丰富，反复使用，无需维护，零损耗。
05
结束语
虚拟仿真实验教学有效促进了教育和培训的发展，它可以模拟微观精密、宏观复杂、贵重或高危的环境，学生可以在逼真的三维场景中获得各类知识，基本概念、理论、技术，同时避免了真实实验环境带来的人身危险和资源浪费。虚拟仿真实验教学系统通过三维建模、交互制作、二次开发等步骤，将知识和虚拟现实技术进行有机结合。通过先进的计算机图形学技术、多媒体技术，让学习知识的过程变得更加具有吸引力，极大地提高了学生的学习兴趣和主观能动性。虚拟仿真实验教学是各教学单位实验课程建设的一个重要环节，也是未来实验教学的一个发展趋势。虚拟仿真实验教学平台的实现，有助于教师合理科学地安排专业实验课程，最大效率地发挥学校的实验教学能力，同时也有助于学生掌握本专业实验技能，灵活安排实验时间。虚拟仿真实验教学的最后一公里还是需要一个良好的智慧课堂互动系统的支撑，两者的结合是完美的教育信息化2.0的落地伴侣！关于文中提及的“多功能智慧课堂交互系统”和虚拟仿真实验教学课件，欢迎大家讨论和咨询。咨询请联系：marketing@chinaclouddata.com.cn。关注“ICT销售与大客户联盟”（ICT_League）将获得更多的联盟成员的信息和项目合作信息。
附件：2019年国家虚拟仿真实验教学项目认定计划及对应专业表
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