虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范项目建设建议书Word文件下载.docx

虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范项目建设建议书Word文件下载.docx

《虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范项目建设建议书Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范项目建设建议书Word文件下载.docx（174页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

职 务

副司长

联系电话

传真

电子信箱

jXXXXu@

参与组织单位

科技部项目主管司

高新技术发展及产业化司

项目起始时间

XXXX年1月

项目结束时间

2011年12月

实施年限

3年

经费预算

8186万元

申请支撑计划拨款

1686万元

其他财政拨款

万元

单位自有货币资金

6500万元

其他资金

论证日期

XXXX年12月11日

专家组长

房庆

落实《纲要》的任务

明确列入《纲要》信息产业与现代服务业领域现代服务业信息支撑技术及大型应用软件优先主题。

152

与重大工程或重大装备的结合情况

属于国家对高等教育实施“质量工程”的关键配套技术。

创新类型

■原始创新 ■集成创新 □引进消化吸收再创新

研究内容

（300字）

制定虚拟实验开发、评价及管理规范，攻克虚拟实验教学可视化设计关键技术、设计虚拟实验教学资源构件的多领域建模与装配平台、建立虚拟实验智能指导与管理系统，研发具有自主知识产权、集实物仿真、创新设计、智能指导和高效管理于一体，具有良好自主性、交互性、可扩展性和安全性的虚拟实验教学平台，构建相应的虚拟实验环境，满足一定规模用户的并发访问，达到共享优质教学资源、加强学生创新能力和综合素质培养、有效提高教育质量的目的。

并以此平台为支撑，选择四个学科进行应用示范，研究以第三方服务为主的虚拟实验运营模式和公共服务体系。

考核目标及技术经济指标

制定虚拟实验开发、评价和管理规范，提交5项规范或标准；

攻克虚拟实验共性关键技术，申报国家发明专利20项以上，软件著作权20项以上；

在国内外期刊和学术会议上发表论文70篇以上；

研发具有自主知识产权、面向服务架构的开放式虚拟实验教学支撑平台，支持不少于20门课程、100个虚拟实验，支持不少于6万用户同时在线进行实验；

以第三方服务方式，在50所高校开展示范应用，建设20个实验教学示范中心，三年内受益用户不少于

120万人，直接经济效益1000万元以上；

培养一支虚拟实验方面的研究开发和服务队伍，培养虚拟实验研究开发和教学的复合型、高层次专业人才250人以上。

产学研结合情况

由国内知名的重点大学作为科研开发和人才培养的基地，承担本项目关键技术及系统的研制，以及高层次复合型人才的培养，为产业发展提供技术创新的动力和支撑；

示范工程课题由电大在线远程教育技术有限公司组织牵头，以建立面向终身学习的虚拟实验公共服务体系为切合点，基于市场需求驱动，探索市场运作的模式，培育虚拟实验第三方服务运营商，发展现代教育服务业；

以普通高校面授教育、高校远程学历教育为主要示范应用领域，通过大规模的示范应用，探索出切实可行的虚拟实验公共服务管理和运营模式，加快虚拟实验教学产业链的形成。

项目、人才、基地统筹（300字）

本项目以国内知名高校和企业的专家、教授、工程技术人员组建技术攻关团队，采用产学研相结合的模式进行技术合作。

其中虚拟实验的标准、规范、关键技术和平台的研究主要由高校负责，虚拟实验第三方服务运营模式的探索研究由企业和高校共同完成。

通过本项目的研究，依托课题的承担高校，建立3~5个虚拟实验研究和培训基地，培养8~10名在虚拟实验领域具有国际水平的学科带头人，培养150名研究生，100名高级工程技术人才，全面提升我国在虚拟实验领域的自主创新能力。

预期主要成果形式

■专利 ■技术标准 ■新产品（或农业新品种）

■新工艺（或新方法、新模式） □新装置 □新材料 ■计算机软件

■论文论著 □研究（咨询）报告 ■人才培养 ■基地建设 □其他

目前，我国在虚拟实验技术标准和规范制定上尚处于空白，没有正式标准和

规范发布，与国外发达国家相比，存在一定差距。

但我国在虚拟实验教学领

预期知识产权分析

域积累了丰厚的实践经验，在虚拟实验的共性关键技术和大型平台的研发上积累了大量的研究成果。

在此基础上，通过本项目的实施预期可以制定虚拟实验开发、评价及管理规范或国内标准草案4项，形成国际标准草案1项，攻克虚拟实验共性关键技术，申报国家发明专利20项，软件著作权20项。

本项目针对我国虚拟实验教学的现状，重点研究制定虚拟实验教学的相关技

术标准，形成适用于我国虚拟实验教学实施的技术标准体系，制定虚拟实验

预期取得的技术标准分析

的评价、管理和基础软件跨平台规范，实现平台和资源的高度共享和可扩展性，通过多种标准与规范的有机结合，解决分布式的实验教学与现有的教学系统协同工作的问题。

通过遵循标准和规范，不同单位开发的虚拟实验模块和实验资源可以协同工作，从而提高其共享性和复用性。

本项目将形成国际标准草案1项，行业规范和国内标准草案4项，开发接口标准测试软件1套，

开发构件描述工具软件1套。

预期成果的作用

■形成自主研发能力 □规模生产 ■试点示范

■推广应用 ■突破关键技术 □其他

虚拟实验开发、评价及管理规范的研究与测试（公开发布指南）、虚拟实验教

拟分解的课题及其承担单位选择方式

学可视化设计关键技术研究（公开发布指南）、虚拟实验教学资源构件的多领域建模与装配平台（公开发布指南）、虚拟实验智能指导与管理系统的研发

（公开发布指南）、开放式虚拟实验支撑平台的设计与开发（定向委托）、虚

拟实验应用示范工程（定向委托）。

专家论证意见

XXXX年12月11日，科技部高新技术发展及产业化司在北京组织召开了“十一五”国家科技支撑计划“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范”重点项目可行性研究报告论证会。

专家组认真听取了项目的情况汇报，审查了所提交的项目可行性研究报告等资料，经过质询和讨论，形成如下论证意见：

1、该项目符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020）》中信息产业与现代服务业优先主题“现代服务业信息支撑技术及大型应用软件”的要求，对于促进虚拟实验教学环境的开发、应用、第三方服务及产业化，提高我国高等教育实践教学水平，培养创新型人才具有重要意义。

2、该项目面向虚拟实验教学的需求，建立开放式的虚拟实验支撑平台，选择物理、机械工程、计算机科学与技术等学科，开发虚拟实验教学资源，形成第三方服务为主的运营方式并进行示范应用，项目总体目标明确，定位合理。

3、该项目针对虚拟实验教学环境的建设，开展虚拟实验教学资源构件的实体可视化与交互、多领域建模与装配、虚拟实验智能指导与管理、开放式虚拟实验支撑平台、虚拟实验运营服务模式，以及相关规范的研究，技术路线合理，技术有创新，任务设置与总目标关系紧密，考核指标明确。

4、该项目具有较好的前期技术基础、人才队伍和研发环境，研发与应用结合紧密，项目管理体制合理。

专家组一致同意通过该项目可行性研究报告，建议尽快启动。

目 录

项目信息表 1

目 录 4

一、项目摘要 6

1.立项意义 6

2.总体目标 6

3.考核指标 7

4.课题设置 8

5.投资概算 8

6.实施年限 8

二、项目的意义和必要性 9

1.项目的意义 9

2.项目的需求分析 11

3.相关领域的国内外技术技术现状及发展趋势 13

三、国内现有基础 17

四、项目总体目标，实施年限，年度计划安排与阶段目标，具体考核指标 25

1.项目总体目标 25

2.项目实施年限 25

3.年度计划安排与阶段目标 25

4.具体考核指标 28

五、项目的研究内容，课题设置方案，课题考核指标及承担单位选择方式 30

1.课题设置方案 30

2.课题之间的时间衔接 32

3.课题研究内容、考核指标及承担单位选择方式 32

六、项目涉及的行业共性技术、关键技术、公益技术分析，技术难点和创新点，技术路线 56

1.项目涉及的行业共性技术、关键技术、公益技术分析 56

2.技术难点 57

3.创新点 61

4.技术路线 64

七、知识产权和技术标准现状和预期分析 77

1.国内外知识产权和技术标准状况 77

2.预期获得的知识产权和技术标准分析 82

八、项目总投资预算，资金筹措方案，配套资金落实措施 84

九、项目预期成果的经济、社会效益，与国内外同类产品或技术的竞争分析，成果应

用和产业化前景 85

1.社会效益 85

2.经济效益 85

3.国内外同类产品或技术的竞争分析 87

4.成果应用与产业化前景 88

十、管理机制 89

1.项目的组织管理措施 89

2.企业参与度、产学研联合机制 90

3.必要的外部支撑条件 95

4.项目、人才、基地统筹计划 95

十一、项目的风险 96

1.技术风险及对策 96

2.市场风险及对策 97

3.人才风险及对策 97

4.项目管理风险及对策 98

5.资金风险及对策 98

十二、其他需要说明的事项 99

附件1：

相关科研成果、专利等知识产权证明材料 100

附件2：

项目其他配套资金来源（如贷款、地方部门匹配资金等）的证明材料 125

附件3：

项目相关技术领域的专利检索、查新报告，知识产权、技术标准分析报告127

专家论证意见、专家名单、报告修改意见、组织部门意见 138

项目可行性研究报告内容

一、项目摘要

1.立项意义

国家科技中长期发展规划和教育部质量工程都明确了教育公共服务体系建设在国家知识创新体系发展中的重要任务。

目前高等教育“质量工程”中迫切需要解决规模与质量、实验资源不均衡等问题。

“十一五”期间，是我国高等教育巩固成果、深化改革、提高质量、持续发展的关键时期。

人才培养必须坚持以强化实践教学为着力点，必须坚持以信息技术的应用作为提高教学质量的重要手段，推进教学方法的改革，重点突破实验教学环节，提高学生动手实践能力。

随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效的补充，虚拟实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，它不仅可以在一定程度上代替传统的实验教学，而且可以克服传统实验的各种制约和弊端，从而有效地解决目前实验教学中存在的诸多问题，达到优化教育资源、提高教学质量的目的。

虚拟实验教学充分考虑了新世纪人才培养模式的需要，有利于提高学生的创新能力、动手能力和综合素质。

研究成果不仅可以有效地改善实验教学资源严重短缺和分布不均的现状，而且可以从根本上解决远程教育中实验教学无法实施的问题。

2.总体目标

本项目以《2020年中国教育发展纲要》和《国家教育事业发展“十一五”规划纲要》为指导，以构建现代教育创新体系、培养创新性人才为牵引，融合现代教育理念，通过制定虚拟实验相关的标准和规范，突破虚拟实验教学环境建设中的共性关键技术，研发具有自主知识产权、集实物仿

真、创新设计、智能指导和教学管理于一体，具有良好自主性、交互性、可扩展性和安全性的虚拟实验教学平台，通过若干学科的虚拟实验教学资源建设和应用示范，实现在虚拟实验的原始创新上有突破、关键技术上有创新，使我国在该领域的研究成果进入国际领先行列，并形成在虚拟实验教学领域可持续发展的现代服务业支撑体系，解决我国教育面临的规模与质量之间的矛盾，克服实验资源不均衡、创新能力不足等问题，有效地提高人才培养的质量，建立一支学术水平高、创新能力强的研究人才队伍，为我国在相关领域的发展提供核心技术的支持。

3.考核指标

（1）制定虚拟实验开发、评价及管理规范，提交行业规范或国内标准草案4项，形成国际标准草案1项。

（2）攻克虚拟实验共性关键技术，申报国家发明专利20项以上，软件著作权20项以上。

（3）在国内外期刊和学术会议上发表论文70篇以上。

（4）研发具有自主知识产权、面向服务架构的开放式虚拟实验教学支撑平台，支持不少于20门课程、100个虚拟实验，支持不少于6万用户同时在线进行实验。

（5）以第三方服务方式，在50所高校开展示范应用，建设20个实验教学示范中心，三年内受益用户不少于120万人。

（6）培育能够提供虚拟实验第三方服务的龙头示范企业，建立可持续发展的运营模式，2010年实现直接经济效益1000万元，2012年实现直接经济效益3000万元，间接经济效益5000万元以上。

（7）通过本项目的实施，培养一支虚拟实验方面的研究开发和服务队伍，培养虚拟实验研究开发和教学的复合型、高层次专业人才250人以上。

4.课题设置

本项目设置既相互关联、又相对独立的六个课题，具体设置如下：

课题一：

虚拟实验开发、评价及管理规范的研究与测试

课题二：

虚拟实验教学可视化设计关键技术研究

课题三：

虚拟实验教学资源构件的多领域建模与装配平台研究课题四：

虚拟实验智能指导与管理系统的研发

课题五：

开放式虚拟实验支撑平台的设计与开发

课题六：

虚拟实验应用示范工程（该课题包括计算机、电工电子、机械工程、控制工程四个学科的虚拟实验示范工程）

5.投资概算

本项目预计总投资8186万元人民币。

其中申请国拨1686万元，自筹

6500万元。

六个课题的具体经费分解如表1所示。

表1课题经费分解表 单位：

序号

课题名称

国拨

自筹

合计

一

81

240

321

二

124

400

524

三

虚拟实验教学资源构件的多领域建模与装配平台研究

149

549

四

120

520

五

371

1200

1571

六

虚拟实验应用示范工程

841

3860

4701

合 计

1686

6500

8186

6.实施年限

本项目实施三年，XXXX年1月~2011年12月。

二、项目的意义和必要性

1.项目的意义

中国是一个拥有13亿人口的发展中大国，正在举办着世界上规模最大的教育，党的十七大报告中强调“优先发展教育，建设人力资源强国”。

提高教育质量，办人民满意的教育，为国家培养高素质、创新型和实用型人才，从而将人口压力转变为人才优势是我国教育面临的一个重要任务，

更是建设创新型国家、构建社会主义和谐社会的迫切需求。

教育实践表明，实验教学是培养学生动手能力、创新能力和综合素质的一个至关重要的环节，有效的实验教学是从理论走向实践的一种卓有成效的教育模式，深化实验教学改革、加强实践教学环节是国家实施“素质教育”和高等教育“质量工程”、全面提高教育质量的重要内容。

虚拟实验是以现代教育理论为指导，以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托而建立的一种新型实验教学系统。

虚拟实验利用计算机技术来实现各种虚拟实验环境，实验者以交互的方式进行实验操作，可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，最大限度地模拟真实实验的场景，并提供与实际实验的操作方法相类似的实践体验，为实验教学提供了一种全新的教学模式。

虚拟实验既能再现真实实验的全过程，又能

克服传统实验的各种制约和弊端，可以有效地解决目前实验教学中存在的

诸多问题，达到优化教育资源、提高教学质量的目的。

随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效的补充，虚拟实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，它不仅可以在一定程度上代替传统的实验教学，而且可以克服传统实验的各种制约和弊端，从而有效地解决目前实验教学中存在的诸多问题。

（1）传统实验教学的局限性

传统的实验教学主要依赖费用高昂的实验设备，存在前期投入大、后期维护费用高，开展过程受时间、地点、人力、物力、财力限制等问题，致使实验教学无法有效开展，严重影响教学质量。

对各类大、专院校的实

验教学现状调查结果表明，目前主要存在教育资金投入受限、创新能力培

养受有限资源的制约、远程教育中实验教学无法开展以及理论教学与实验教学分离四方面的突出问题。

传统实验教学的现状严重阻碍了我国教育改

革的步伐和创新人才的培养。

以计算机专业的人才培养为例，对计算机人才使用状况的一项调查结果显示：

认为毕业生在实际工作中动手能力培养不足的比例高达70%，企业和毕业生共同反映计算机专业学生在校期间缺乏有效的、足量的实践环节；

在调查关于“现有计算机专业的课程设置存在的问题”时，被访者回答为“学生实际动手能力培养不足”和“实验课程内容不够丰富”者，分别占70%和50%；

相当一部分用人单位反映，学校对学生协作精神训练不够，建议“采用更加灵活的授课方式，给学生提供更多的实习环境，多搞些实践活动，有条件时模拟实际项目，锻炼学生的动手能力和团队合作精神”。

（2）虚拟实验教学是保证教学质量、培养创新人才、降低教育成本的

有效途径

虚拟实验与传统的实验相比，主要有如下优点：

①能提供充分自主的操作空间，有利于学生创新能力的培养；

②突破时间和空间的限制，使更多的学生可以参与实验；

③可以模拟实际上难以实施或实施成本太高、破坏性太强的实验；

④理论教学与实践教学可以同步实施，可以有效地提高教学质量；

⑤资金投入少、损耗小、产出高，能够有效地降低教育成本；

⑥器件装配容易、拆除方便、实验过程效率高；

⑦集仪器、设备、器件于一体，使用方便；

⑧软件升级容易、易于扩展、生命周期长。

2.项目的需求分析

虚拟实验教学环境主要面向各类高、中等学校、职业学校和远程网络教育学院进行实验教学和一些公益性质的科普和教育机构进行设计和开发。

中国是世界上人口最大的国家，正在举办世界上最大的教育，因此我们拥有世界上大的市场。

随着我国教育信息化和远程教育的发展，接受教育的人数会不断增加，市场需求巨大，具有很好的产业化前景。

（1）高等教育

高等教育稳步发展。

2006年，全国共有普通高等学校和成人高等学校

2311所。

其中，普通高等学校1867所，比上年增加75所，成人高等学校

444所，比上年减少37所。

普通高校中本科院校720所，高职（专科）院校1147所。

全国共有培养研究生单位767个，其中高等学校450个，科研机构317个。

高等教育招生数和在校生规模持续增加。

2006年全国各类高等教育总规模超过2500万人，高等教育毛入学率达到22%。

高等教育中对实验环节主要包括课程实验、课程设计和毕业设计，要求实验具有创新性和自主性。

（2）远程教育

我国近几年大力发展远程教育和继续教育，着力建设全民学习、终身学习的学习型社会。

截至2006年底，全国设立了国家级远程职业学校2个，省级分校50多所，地级分校660多所，县级分校（站点）5300个，

开展远程培训服务的企业达25家，每年学历和非学历职业教育在学人员近80多万人次；

网络高等教育覆盖10个学科门类的180个专业，累计注册学历教育学生540万人，年招生100多万人；

开展在职人员的专业技术人才培养和继续教育100多万人次，培养学历教育学生130多万人，开展非学历培训项目500多万人次，培养农村学员5.6万人，培养士官学员6万多人；

“西部远程培训计划”采用远程教育方式为西部100个县的12万名初中小学教师进行了专题性培训。

目前，实验在远程教育中无法开展，虚拟实验可以突破时间和空间的限制，是远程教育中实验环节的最好选择。

（3）职业教育

近年来，我国大力发展职业教育，教育规模逐年增长。

2006年，共有高职（专科）院校1147所，全日制在校生平均规模由上年的7666人提高到8148人，中等学校14693所，在校生1809.89万人。

职业教育以培养技能型、技术型的人才为主，强调学生的动手能力培养，实验环节要满足社会的实际需求，实验内容更新要快。

（4）基础教育

我国通过优化教育结构，促进义务教育均衡发展，加快普及高中阶段教育等措施的实施，基础教育发展迅速。

2006年，共有小学341600所，在校生人数10711.53万人，初中60885所，在校生人数5957.95万人，高中31685所，在校生人数4341.86万人。

基础教育阶段的实验主要以启发式和验证式的实验为主，实验在激发学生学习兴趣的同时，可以很好地帮助学生理解书本知识。

（5）技能培训

2006年，全国接受各种非学历高等教育的学生249.56万人次，当年

已结业365.99万人次；

接受各种非学历中等教育的学生达5567.25万人次，当年已结业6508.43万人次。

全国职业技术培训机构17.77万所。

目前的技能培训受有限资源的限制，实践环节相对更加薄弱，虚拟实验可以很好地弥补这一不足。

3.相关领域的国内外技术现状及发展趋势

虚拟实验先后经历了原理演示、器件模拟和虚拟仿真三个阶段。

国外对虚拟实验方面的研究起步早于国内，一些著名的大学和研究机构都相继开发了自己的虚拟实验平台。

美国、英国和日本，每年投入大量的资金用于教育的信息化建设，其中虚拟实验室的建设是其中的研究重点。

目前国外在虚拟实验方面的研究主要集中在物理、化学、生物、建筑、电子信息、机械、航空航天等领域，用来模拟一些无法用硬件实现或实现代价太高的实验，如密歇根大学的VRiCHEL，用来探索和开发虚拟现实技术在化学

工程领域的应用；

休斯顿大学和美国航空航天局联合建立的VETL实验室，

主要致力于虚拟现实技术在教育、训练和科学/工程数据可视化领域的研究和开发工作；

美国SimulationPlus公司在国家科学基金资助下的Futurelab虚拟实验室于1998年推出，产品功能面向中学教育，包括生物、地理、自然、化学、物理等虚拟实验室，涵盖从初中到高中各个年级，学生可以在虚拟实验室尽可能发挥自己的想象力，按自