VR+教育整体解决方案.docx
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VR+教育整体
解决方案
目录
第1章. 建设背景 1
1.1.VR概述 1
1.2.VR产业现状分析 2
1.3.VR+教育运用价值 6
1.3.1.学习认识理论支撑 7
1.3.2.VR+教育需求分析 8
第2章. VR技术特征及构成 13
2.1.VR技术特征 13
2.1.1.沉浸感 13
2.1.2.交互性 14
2.1.3.构想性 14
2.2.VR系统构成 15
2.2.1.VR输出设备 15
2.2.2.VR输入设备 17
2.2.3.VR资源制作 18
第3章. 101VR教室布局 23
3.1.VR教室概述 23
3.2.VR教室组成 24
3.3.应用设计 25
3.4.技术与学研支撑 25
3.4.1.顶层教研设计 26
3.4.2.学术平台支撑 26
3.4.3.前沿科技创新 27
3.4.4.优质资源积累 27
3.5.预期成效 28
第4章. 101VR教室优势 30
4.1.沉浸开放，激发兴趣 30
4.2.场景建模，安全可靠 31
4.3.优质资源，应用分发 33
4.4.一键操作，交互设计 33
第5章. VR教学场景设计 35
5.1.101VR教室教学流程 35
5.2.学科VR课堂场景设计 36
5.3.VR教学应用案例 37
第6章. 101VR教室建设内容 39
6.1.产品列表 39
6.2.硬件终端 39
6.2.1.VR体验设备 40
6.2.2.基础教学设备 42
6.2.3.教学管理设备 45
6.3.101VR软件 47
6.3.1.101教育PPT. 47
6.3.2.101VR教室助手 50
6.4.教育资源 51
6.3.1.覆盖分类 52
6.3.2.制作流程 53
第7章. 培训服务 57
第8章. 售后服务 58
第1章.建设背景
1.1.VR概述
VR是VirtualReality的缩写，译为中文即“虚拟现实”，该技术融合了计算机3D图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感和模拟现实环境的交互性，有助于加深感受、启发认知。
因此，VR系统环境具备沉浸感、交互性、构想性这三个基本特性。
图VR沉浸感、交互性、构想性特征
VR虚拟现实的关键技术主要包括模拟环境三维图形处理技术、位置追踪技术、触觉或力觉反馈、智能传感设备各等。
理想的VR体验，是基于计算机生成逼真的三维立体虚拟环境，借助VR输入/输出设备体会到人体正常应感应到的视觉、听觉、触觉、力觉、运动等所有感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，并利用位置追踪技术，对头部转动、眼睛、手势等其它行为动作进行采集，由计算机处理体验者动作的相应数据，并做出实时响应和反馈。
随着移动互联网技术、人工智能技术的发展，推动了VR虚拟现实技术在工业、医疗、教育、军事等多个领域的应用，沉浸式虚拟现实设备因实用便携、最能展现虚拟现实效果而成为未来主要的发展趋势，由于沉浸式交互技术、VR外设硬件技术的不断突破，VR技术也逐步朝着完整成熟的产业化方向发展。
第38页
图VR虚拟现实技术应用示意
1.2.VR产业现状分析
VR产业覆盖了硬件、系统、平台、开发工具、应用以及消费内容等诸多方面，作为一个处于技术创新井喷期的产业，VR虚拟现实的想象空间和市场前景十分广阔，全球科技巨头纷纷投身其中。
目前，VR作为新兴产业，其技术要求高、资源投入大，产业链的部分环节相对比较单薄，国内VR产业主要集中在硬件制作环节，而内容与工具提供商，尤其是内容平台搭建者，主要以国际大型IT科技公司为主。
图VR产业链
图2020年世界AR/VR市场规模
图2015-2020年世界头戴式VR硬件市场规模
尽管目前VR/AR行业都处于起步阶段，但整个市场未来增长潜力巨大：
根据DigiCapital预测至2020年，全球AR与VR市场规模将达到1500亿美元，而根据市场研究机构BIIntelligence的统计，2020仅年头戴式VR硬件市场规模将达到28亿美元，未来5年复合增长率超过100%。
在过去的2015年，VR毫无疑问成为资本市场最受热捧的风口。
2016年，VR将在全世界范围内迎来行业大爆发，成为互联网科技界新一代的智能硬件入口。
由于VR带来的时代颠覆性，国内外各大型知名高新科技公司
纷纷进驻VR产业，寻求下一个发展切入点：
（1）国内
腾讯进入VR领域，发布“TOS+”智能硬件开放平台，布局虚拟现实产品在内的智能硬件生态圈；百度视频成立VR频道，成为BAT中投入VR领域的首一家；暴风、360、小米、迅雷、京东等知名互联网公司也纷纷开发其VR产品迅速占据国内主流市场；
图2005-2015年新增VR公司（以VR为核心产品）
（2）国外
索尼PSVR、HTCVive、Facebook旗下的Oculus、三星GearVR、微软VRKit、谷歌Cardboard成为国际VR消费级市场主流产品；MagicLeap（裸眼3D全息视觉）宣布获8.27亿美元；著名游戏公司EA将组建VR游戏团队，开辟全新的VR游戏产品路线。
图全球VR行业巨头公司
全球最大社交平台Facebook创始人扎克伯格在收购Oculus时表示：
“我们在做长期的布局，未来虚拟现实和增强现实都将进入普通人的生活。
”而根据风投机构Digi-Capital的预测，到2020年，整个虚拟现实技术将产生1500亿的庞大市场。
2016年1月的国际消费电子展（CES）中，虚拟现实和增强现实技术成为了本届展会的焦点，结合CES2016年关于VR产业链的成熟度，预计2016-2020年，随着大量适应移动VR的爆款游戏出现，VR将拥有庞大的主流用户群体，VR产业也将进入红利期。
可以预见的是，随着技术的逐渐成熟和完善，VR虚拟现实技术将在科研教学、虚拟医疗、虚拟驾驶、旅游景观、航空航天、远程协同、城市规划、游戏娱乐、工业仿真、军事模拟、广告营销、虚拟实验，甚至心理疾病治疗等领域，带来一次颠覆性的技术变革。
设备类：
OculusVR、HTCVive、索尼ProjectMorpheus、三星GearVR、谷歌Cardboard、Sulon等
操控类：
VirtuixOmni、NodLabs、virZOOM、LeapMotion、OculusTouch、Sixense等
相机／3D投影技术类：
JauntVR、诺基亚、Otoy、Structure.io、
hover.to盘旋、VideoStitch视频拼接等
开发者工具类：
Unity、UnrealEngine、WorldViz、GameWorksVR、OSVR、HighFidelity等
内容类（制作虚拟现实）：
ReloadStudios、nDreams、VisionaryVR、NextVR、Felix&PaulStudios、InsomniacGames等
社交网络/内容平台：
Littlstar、WearVR、AltspaceVR、Vrideo、EmergentVR等
教育VR：
如Woofbert、zspace、Discovr、drashvr等
图VR生态圈组成及各类应用
1.3.VR+教育运用价值
现代学习理念要求：
“转变传统教育观念，创建学生自由发挥的空间，使其掌握学习的主动性，并成为独立、自主、高效的学习者，已成为学生实现自我、发展自我、完善自我的必要条件。
”而虚拟教学，就是创建一种可控的、逼近真实、多感知一体化的学习环境，使学生能够与之交互，进而开展各种研究、训练的一种学习方式。
“虚拟现实之父”ThomasFurness表示：
VR在改变社会，从教育开始。
2015年9月，大英博物馆为13岁以上的游客提供了VR设备，用于体验和探索VR虚拟现实环境下的青铜时代文物、遗址、仪式文化等，沉浸式的震撼体验让观者振奋不已，成为了本年度VR技术用于教育文化应用的最佳典型。
图使用VR设备参观数字博物馆
1.3.1.学习认识理论支撑
随着VR产业在全球范围内的不断兴起，由于其具备的各种技术特征，VR技术越来越多的被教育领域所重视，以往传统二维空间授课过程中的痛点也将迎刃而解。
各项应用研究表明，VR技术进入高校教学，能形象生动地表现教学内容,有效地营造一个跟随技术发展的教学环境,提高学生掌握知识、技能的效率,真正使教学者更容易地去表达自己的教学思想和内容,使学习者更直观、更容易理解教学者的教学思想和教学内容。
行为主义理论认为,学习就是刺激与反应之间的联合。
根据这个理论,运用AR技术可以让学习者在运动训练真实环境的模拟中不断接受环境的刺激,不断地尝试与错误,最终达到由感性知识上升到理性认识的目的,并且比起真实环境,虚拟现实更加能保证学习者的安全,并且打破了时间与空间的限制。
建构主义学习理论认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素或四大属性。
虚拟现实技术为建构主义理论提供了其要求的学习环境,使得学习者能够主动利用VR系统进行自主学习,自主选择学习内容和时间等,因此它符合建构主义理论以学为中心的思想。
建构主义提倡，开展在教师指导下的、以学习者为中心的学习，也就是说既强调学习者的认知主体作用，又不能忽视教师的指导作用，教师是意义构建的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者。
VR技术创造或模拟的事物与环境真实而生动，并且提供多元化的自然交互途径和会话手段，允许学习者在一个可自主控制的环节里自由活动和探索虚拟世界，可以获得对客观事物的各种感性或理性认识，有助于激发人的形象思维和研究性思维，从而深化概念和建造新的构想与创意。
同时，人本主义学习理论提出，人类具有天生的学习愿望和潜能，当学生了解到学习内容与自身需要相关时，学习的积极性最容易激发。
虚拟环境的创设，提供了一种新的教学交往模式，开放的环节、丰富的资源、真实的情境、充盈的情感以及对学生个体的重视和对写作的支持等，使学生得以摆脱说教枯燥感，参与到生动活泼实践中来。
这充分反映了人本主义、以人为本、情感互动、培养完整的人的思想底蕴。
1.3.2.VR+教育需求分析
VR与教育行业的深度融合是大势所需，其需求驱动主要体现在以下几方面：
（1）知识点呈现方式的升级需求
科技与教育如影随形，每一次科技革新对教育都会产生深刻影响，教师在课堂上传授知识的方式也在不断演变，从而满足高效的信息化教学需求。
从使用“粉笔+黑板”到使用多媒体教室的交互白板，从“全程基本靠讲”的知识单向灌输到配合使用答题器、平板电脑终端进行师生交互，科技设备并非要取代“传统”，而是将各种高科技教学设备和信息化教学手段做互补、融合，针对课堂中不同学科、不同类型的知识点，为教师提供更先进的、适合的、多元化的呈现方式。
图知识呈现方式升级演变
尤其适合在VR课堂中呈现的知识点例如：
天文天体、地壳运动、时间空间等宏观知识点的理解认知；细胞分裂、分子原子、光合作用等微观知识点的观察认知。
（2）高难度教学目标的需求
利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制。
大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。
例如学生可以乘坐飞船进入虚拟太空，遨游太阳系，以飞船驾驶舱视角近距离观察各个行星，理解真实的天体运行规律，这是电视录像媒体和实物媒体所无法比拟的。
图星球学习示意
虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，可以在很短的时间内呈现给学生观察。
例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。
另外，地壳运动的原理、生物进化的演变等漫长过程，也可以通过虚拟现实技术得以展现。
图乘坐飞船自由视角观察天体
（3）教学实践操作的需求
以往对于危险的或对人体健康有危害的实验或实践，一般采用视频观看的方式来取代，学生无法直接参与实验，获得感性认识。
VR技术可模拟现实中难以实现或者不存在的环境和角色、物体等，消除了以往教学中对学生人身安全、成本消耗的顾虑。
在绝对安全、错误可逆可修复性上，利用VR技术的实验课和实践操作上拥有难以比拟的优势。
图VR虚拟现实实验室
这一点的明显应用就是虚拟实验室，对于那些对条件要求高、在现实中无法实现、危险性极高、产生结果不可逆的试验，VR化学实验可以避免实验所产生的燃烧、爆炸或其它危险和巨大消耗。
采用虚拟实验的方式，学生通过亲身操作体验进行学，并且很容易进行错误修正，或对结果做出可逆的改变，而不用担心会有任何物质成本消耗或需要善后的相关工作。
虚拟课堂还可以广泛运用于中小安全课，可避免由于学生操作失误，而造成地震、火场、踩踏等紧急情况下的安全事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。
（4）自适应探究学习的需求
虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟,通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。
例如，在虚拟的化学系统中，学生可以按照自己的假设，将不同的分子组合在一起，电脑便虚拟出组合的物质来。
通过这种探索式的学习，学生很有可能发现新的物质。
利用虚拟技术，学生还可以进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习，从而研究二氧化碳对全球气候的影响规律，或设计出新的电路、新的建筑物。
利用虚拟现实技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。
图桥梁承重轨道设计
（5）接轨STEAM教育的趋势需求
K12教育理念未来将趋向STEAM的结构化发展，即Science-科学、Technology-技术、Engineering-工程、Arts-艺术、Mathematics-数学。
国际上普遍的观点认为：
任何国家在21世纪要保持它的技术优势，首先需保证具有技能资格人才资源的丰富储备，未来的工作者需要熟练地运用数学、科学、技术，以便于高新技术爆发式增长的领域不会出现人才短缺。
而VR+教育完全契合在科学、技术、工程、数学等学科上的应用优势，其可沉浸的呈现方式、强交互的实践可行性、可发挥自适应性等，尤其适合STEAM课题的设计与创新。
图STEAM教育模型
第2章.VR技术特征及构成
VR技术的应用与实现综合了三维图形处理、位置追踪、触觉或力觉反馈、人工智能等多种科学技术，其配套设备主要以VR输出设备、VR输入设备、VR内容制作设备，以及用于运算的计算机这四部分组成，整体实现“沉浸感、交互性、构想性”三大核心技术特征。
图VR技术构成
2.1.VR技术特征
VR技术具有3I的特征，分别是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）：
2.1.1.沉浸感
沉浸感（Immersion）是VR虚拟现实技术区别于三维仿真技术、3D影视、AR增强现实技术的核心特征。
由于VR系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离,因此,用户可排除外界干扰,全身心地投入到虚拟现实中去，获得身临其境的感觉。
VR技术根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像。
使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。
使用者与虚拟环境中的各种对象相互作用，就如同在现实世界一样：
当使用者移动头部时，虚拟环境中人物视角所看到的景象画面也发生变化；拿起物体可使物体随着手的移动而运动，通过多声道耳机还
可以听到三维仿真声音。
2.1.2.交互性
交互性（Interaction）使虚拟现实系统中的人机交互成为一种更近乎自然的交互,使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互,而且能够通过VR眼镜、VR数据手套等用于信息输入输出的传感设备进行交互。
计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动,来调整系统呈现的图像及声音。
使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能,就能对虚拟环境中的对象进行考察操作。
2.1.3.构想性
VR技术的构想性（Imagination）对于教育方面的应用意义尤为重要。
由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置,使用者在虚拟环境中可同时获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知,可增强学习者对学习内容的感知程度、认知程度,高感性和理性认识，从而使用户深化概念和萌发新的联想，
因而可以说，虚拟现实可以启发人的创造性思维。
2.2.VR系统构成
2.2.1.VR输出设备
VR输出设备主要包括VR眼镜、多声道耳机、力回馈背心，实现五感当中视觉、听觉、触觉上的模拟，未来VR输出设备还将开发更为先进行的味觉、嗅觉上的模拟。
由于头戴式VR眼镜是目前面向消费者的主流VR输出设备，本方案将重点做详细介绍。
图VR输出设备
VR眼镜基本原理是在眼睛前方放置一个液晶显示屏，分别显示左右眼画面。
用户通过目镜（凸透镜）观察屏幕，以带来视觉上的沉浸式体验。
头戴式VR眼镜器涉及的技术有投影技术、显示技术、光学技术、人体工程学，以及体感交互技术等，具备以下技术特点：
2.2.1.1.视觉体验
（1）阻断原有视觉输入
头戴式VR输入设备以VR眼镜为代表,其外型设计上采用全封闭的罩形设计，基于人体工程学，使其全面贴合面部的眼周结构，阻断用户外部可见视野，以专注于内部镜片所呈现的影像，首先排除了在视觉上不被外界因素干扰。
（2）模拟影像占据全部视觉
VR眼镜普遍提供90°~120°左右的可视视野，使用者还可以通过头部动作甚至是身体动作，从更多角度来观察虚拟成像环境，视角范围越大，沉浸式体验越好，箱笼效应越低。
（3）影像与人体动作的交互
基于视觉输入效果和动作侦测算法，往往能让使用者大脑产生“可交互”的错觉，而在图形图像支持技术或多媒体算法足够精湛的前提下，使用者不仅会“身临其境”，并且还能基于当前虚拟环境做相应的交互。
2.2.1.2.动作侦测
VR眼镜不仅要解决视觉体验的问题，还需要实现侦测用户移动头部时移动方向、移动速度、移动角度的功能，以便计算机实时输出相应的画面避免虚拟环境穿帮。
实现侦测通常有三种方法：
（1）使用速度计、重力计、陀螺仪来辅助判断眼镜运动，优点是成本低，缺点是精度低，目前国产各种配合手机的VR眼镜多是采用这种方案。
（2）使用电磁波感应器侦测VR眼镜上相对的电磁波发生器，来判断VR眼镜状态。
优点是成本适中，精度高。
缺点是需要外置电磁波感应器，占用空间大，如Oculusrift、PlaystationVR、HTCvive都是使用这种方案。
（3）在机身各角度使用二维识别码，通过摄像头拍摄辅助判断VR眼镜状态。
优点是成本低，精度适中。
缺点是容易被干扰，如STARVR就是使用这种方案。
2.2.1.3.硬件指标
目前国内消费市场中有上百种VR眼镜产品，但由于产业链和标准尚未成熟，其产品同质化情况严重，为控制成本、降低售价，品质良莠不齐。
而影响VR眼镜品质及体验感的硬件关键指标如下：
（1）屏幕分辨率：
决定视觉清晰度，分辨率越高，纱窗效应（颗粒感）越不明显。
（2）刷新率：
刷新率决定视觉流畅度，刷新率太低一是画面会出现撕裂，二是人容易眩晕。
刷新率120HZ以上（单眼60HZ）较为理想。
（3）FOV视角范围：
FOV指镜头所能覆盖的范围，视角范围越大，沉浸式体验越好，箱笼效应越低，低于110度就会明显看到视野边缘有黑框。
STARVR（尚未上市，正在全美巡回展示）产品目前FOV是最好的，达到横向210度，纵向130度。
（4）响应时间：
屏幕的响应时间越低，迟滞感越接近无，是个影响交互体验的重要参数。
一般在20ms以内迟滞感较不明显。
（5）跟踪方式：
所采用何种动作侦测方式。
（6）重量：
经测试，VR眼镜超过500克就不适合久戴，用户会头痛脖子酸。
2.2.2.VR输入设备
虚拟现实输入设备包括可穿戴输入设备、手持式操作手柄、手势识别设备、动作捕捉设备等。
图主流VR输入设备
（1）可穿戴输入设备:
虚拟现实手套支持多模式的VR输入，提供真实自然的三维交互体验。
缺点是成本高昂，较难普及。
（2）手持式输入设备:
操控手柄是目前最常见的输入设备，成本最低但是体验最差。
（3）手势识别设备:
相比于操作杆，手势识别技术给使用者带来更佳的代入沉浸感，由于学习成本低、灵活性高、实用性用，是行业前沿高科技公司未来研发的重点，但手势识别设备的缺点是长时间操作手臂会累，两手交叠时存在识别不准的问题。
（4）运动识别输入设备：
运动识别输入设备是一种3D体感摄影机，同时它导入了即时动态捕捉、影像辨识、麦克风输入、语音辨识、社群互动等功能。
微软的互动娱乐业务X-BOX游戏设备采用这种技术，玩家再无需任何控制器，但在动作捕捉精度上仍然存在不足的问题。
2.2.3.VR资源制作
VR内容的制作是应用时的重点环节，目前市场上的VR内容来源分为：
由普通视频的基础上改造的、实时渲染的VR视频、由专业设备拍摄制作的原创资源，而能真正服务于教育领域的，仍然以专业化的原创资源为主，这里也将重点介绍原创资源的相关技术特点。
2.2.3.1.VR内容制作设备
图主流VR输入设备
升级会员 