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创凯智能大型空间3D/VR虚拟现实智能教室解决方案

来源:数字音视工程网       编辑:xiaotiao    2018-04-24 14:22:31

3D教育是教育信息化大背景下未来教育的发展趋势,3D教育与传统的多媒体教育资源相比,有着立体、生动、可交互性强等优点,创凯智能打造大型空间3D/VR虚拟现实智能教室解决方案。

  第一章、3D/VR教育教学政策指引及研究

  第一节、背景

  3D教育是教育信息化大背景下未来教育的发展趋势,3D教育与传统的多媒体教育资源相比,有着立体、生动、可交互性强等优点,更有利于学生的综合能力的培养,拓展学生的想象空间,提升学生的接受能力,增强学生思维的严谨性,提高学生的动手能力和感官认知能力,3D/VR技术在教育中的使用,必将推动教学方式的新变革。

  第二节、政策指引

  自20世纪90年代以来,国际教育界出现了以教育技术的广泛应用为特征的发展趋势,国内学者称之为“教育信息化现象”。为推进我国教育信息化建设,2012年教育部组织编制并引发《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》,以教育信息化代用教育现代化。

  《规划》指出,建设智能化教学环境,提供优质数字教育资源和软件工具,利用信息技术开展启发式、探索式、讨论式、参与式教学;建设并不断更新满足各级各类教育需求的优质数字资源,开发深度融合学科教学的课件素材、制作工具,完善各种资源库,建设优质网络课程和实验系统、虚拟实验室等;学习借鉴国外先进理念,学习引进国外优质数字教育资源和先进技术,缩小与国际先进水平的差距。

  教育部2016年的教育信息化工作重点是引导各级各类学校开展利用信息技术转变教学模式、改进教学管理的数字校园/智慧校园应用。3D教育发展进入黄金期,在教学领域,3D技术的应用可以创设最自然、最直观的学习情景,有效的提高教育教学质量。

  第三节、需求分析

  多媒体教室一直以来都是学校信息化建设的重点,通过将文字、图形、图像、声音集 合在一起,采用生动活泼的声像显示,不仅丰富了教学手段,扩充了教学资源,而且更提 高了课堂教学效果。充实、形象、生动的授课内容,声像并茂的教学形式,激发学生的学习兴趣,强调了“以学生为主”的教学新思路,极大得提高了教学质量。

  当前,各大院校随着多媒体教室的不断引入,多媒体教室建设需求不断发展,出现许多新的特性,如何才能更加生动的教学,与学生产生互动性,在不断减轻老师压力的同时,能更快速的提高教学质量,这是对现代多媒体教学更高的要求,也是本次项目设计的要求:

  1、利用3D/VR虚拟现实智能教室进行基于3D/VR互动教学软件的体验式教学;

  2、基于互动教学的思路,采用3D/VR互动教学;

  3、利用多媒体影视显示设备来显示3D视频图像及媒体信息,以丰富老师的教学内容;

  4、利用3D互动教学设备来实现创新课堂的互动教学;

  整个项目设计在设备选型上,我们采用了专门针对教育行业的一系列高科技产品,并针对不同的学科教育内容,研发了一系列配套的3D/VR教学资源。

  第四节、建设原则

  简单易用性和个性化需求。

  由于每个老师对计算机的掌握程度不同,老师需要3D/VR虚拟现实智能教室简单易用, 一看就会,轻松连接,而无须太多复杂的操作便能够很快的进行信息化教学。

  丰富的教学功能

  信息化教学是教学的一种手段,其目的是为了提高教学效果。这种信息化手段 是否符合教学习惯,是否有丰富实用的教学功能,真正帮助老师进行教学,提高教学效果就成为老师最为关心的问题。

  产品性能优越性。

  在教学过程中,3D/VR虚拟现实智能教室使用频率是相当高的,除了一般3D教学外, 学校也可以在2D模式下用来会议研讨及各种多媒体活动。因此,在产品性能选型上, 必须选用性价比高的设备,以免在使用过程中出现问题,影响教学等活动。

  第五节、设计依据

  GB/T50311-2000建筑与建筑群综合布线工程设计规范

  ANSI EIA/TIA607民用建筑通讯接地标准

  ANSI EIA/TIA-568A商务建筑布线标准

  ANSI EIA/TIA-569A商务建筑通道标准

  ANSI EIA/TIA-606商务建筑布线系统文档建立标准

  EIA/TIA TSB-67商务建筑布线系统测试标准

  GB50254-50259-96《电气装置安装工程施工及验收设计规范》

  GA/T75-94《中华人民共和国公共安全行业标准》

  GB6510-86《30MHz-lGHz音频和视频信号电缆分配系统》

  GY106-92《民用建筑电缆电视系统工程技术规范》

  JGJ_16-2008《民用建筑电气设计标准》

  第二章、3D/VR虚拟现实智能教室解决方案

  第一节、方案概述

  十年树木,百年树人,如何培养好我们的下一代一直是每个教育工作者最关注的话题。国家也一直在提倡素质教育,创新教育,特别是“十二五”校园“三通二平台”的实施,更是加快了教育信息化建设的步伐。实现教育现代化,创新教学模式,提高教育质量,就是实现四个新突破,即教育信息化基础建设新突破,优质数字教育资源共建共享新突破,信息技术与教育教学深度融合新突破,教育信息化科学发展新突破。

  深圳市创凯智能股份有限公司(以下简称创凯)作为教育信息化智能终端和图像显示控制设备生产和提供商,一直在思考如何构建一套适用于目前和未来教育的新型教育模式。创凯成立于2003年,是一家集软硬件研发、生产和销售为一体,专注于图形图像显示技术和液晶交互电子白板研发与应用的高新科技上市公司(股票代码:871106)。在多年发展历程中,始终把企业的自主创新放在首位,不断强化知识产权意识,完善科技创新体制,提高自主研发能力和水平。

  结合创凯在图像显示领域十多年的应用经验和交互信息化智能平板在现代化教育建设上的应用,我们推出了3D/VR虚拟现实智能教室这一新概念教育教学应用方案。

  第二节、方案理念

  3D/VR虚拟现实智能教室的设计理念是打造一个教学更有乐趣,学生更有兴趣,内容更加丰富,管理更加灵活,老师更加轻松,教学更加高效的生态教室空间。

  利用创凯最新科技,通过教师采用虚拟现实3D互动主机配合主动3D投影融合和信息交互显示技术,将原本抽象难懂的课本知识以最直观生动的三维图像方式呈现在学生面前,教师可以通过触控笔拆解演示教学过程,让学生与知识近距离的“亲密接触”,在“体验”知识的过程中主动学习。老师的角色也从原来的解说者转变为引导者,配合3D图像引导学生去理解知识要点,活跃学生思维,培养学生的创造性思维能力。

  第三节、3D/VR虚拟现实智能教室

  3.1、VR实验室

  实验室由6-10台虚拟现实主机组成。

  通过创凯提供的图像处理设备,可任意选择其中一台主机的信号,扩展到大屏幕显示

  在我们的VR课堂上,知识不再是书本上的死物,而是飘动在学生眼前的精灵,陪他们游戏,跟他们“交流”。真正的让学生与知识近距离的“亲密接触”,在“体验”知识的过程中主动学习。激发学生主动学习的动力,提升学生的动手能力和思考创新能力,助力创客教育。

  3.2、3D实验室

  精品豪华型方案:

  3D教育资源服务器+大屏3D融合投影系统

  效果出众,适用于大型阶梯教室/报告厅/会议厅。

  注:根据学校教室空间的实际应用情况可以量身定制融合通道数和幕布尺寸,我们提供的核心设备可以支持到32台主动投影融合,完全能满足各种规模的多媒体教室间空应用。

  投影机普通型方案:

  3D教育资源服务器+单台3D投影

  成本适中,适用于探究教室/探究实验室。

  平板普通型方案:

  3D教育资源服务器+创凯3D交互式平板

  架设方便,维护简单,价格低廉,适用于普通班级教学。

  通过3D显示设备,将原本抽象难懂的课本知识以最直观生动的三维图像方式呈现出来。资源内容涵盖了自然科学、生命科学、地球科学、数学、物理、化学、生物等各学科,逼真的画面,出众的3D效果,把大到宇宙、太阳系,到我们所处的地球,日月星辰的变化,气候和土壤的特点,小到分子、细胞、组织、器官、系统,还有各类生物一一呈现在学生面前,是帮助学生理解知识点、拓展思维、开阔视野的利器。

  3.3、3D+VR实验室

  由虚拟现实主机+3D教育资源服务器+大屏3D投影系统组成。

  该方案综合了上述VR实验室和3D实验室方案的优点,既支持VR教学,又支持3D课件教学,支持一键切换两种教学模式。方案适用于大型阶梯教室/报告厅/会议厅/探究教室,以2通道投影融合配置为例,投影尺寸2.5*5M,设计教室空间在150平米以内,容纳人数100以内。

  第四节、方案设计

  4.1、需求分析

  根据本项目甲方提供的需求,教室尺寸为长22米,宽10米,高3米,按照3米最佳观看幕布尺寸100寸来计算,此教室最远观看距离约15米~16米,最佳幕布尺寸约300寸~400寸,根据上文中3D/VR虚拟现实智能教室的适用范围,需要采用两台投影机进行融合显示,因此设计采用3D+VR实验室的方案实施。

  4.2、系统组成

  4.3、系统设计

  4.3.1、投影幕效果

  4.3.2、投影机光路尺寸

  4.3.3、教室整体布局效果

  4.4、设备介绍

  4.4.1、虚拟现实主机-教师使用—CK4L200

  该虚拟现实平台由显示主机与图像服务器、追踪眼镜、操作笔构成,教师通过操作笔对平台上的3D虚拟现实课件进行操作,可以进行动作分解、合成等不同的操作;

  技术规格

  4.4.2、3D教育资源播放服务器—CK4L201

  3D教育资源管理平台, 涵盖海量的中小学课程3D教育课件, 内容包含数学, 化学, 生物, 物理, 自然科学等, 辅助老师更直观形象的完成教学。

  3D投影系统:

  选用专业教育级3D投影机,配套主动3D眼镜,实现3D播放;

  投影幕布:

  (1)选用增益在0.8-1.2左右的树脂或复合材质的光学硬幕,使多投影融合效果达到最佳;

  (2)外观选择微弧形幕,弧幕带来视觉上的景深差异,让人更有身临其境的感觉,3D效果更生动;

  千兆无线路由器:

  高带宽,组建教室网络环境,实现各个设备的管理;

  PAD移动端:

  通过教室无线网络环境,实现对教室空间的管理;

  灯光系统:

  对教室内灯光进行分组管理,接入到CK4MX处理系统就能接受PAD移动端的管理;

  音响系统:

  保证整个教室音质清晰,声音同步,不管是观看3D课件还是老师讲课,都能达到很好的传音效果;

  老师用无线麦:

  专为老师配备的无线麦,带激光教鞭,方便老师讲课;

  电动窗帘:

  智能电动窗帘,通过PAD移动端控制开合,方便学生观看3D课件;

  4.4.3、中控系统—CK-CS

  CK-CS可编程中央控制系统是创凯智能采用先进的集成技术, 提供高速准确的集中控制环境的中央控制主机控制系统, 是新一代的控制系统主机。提供多种可编程控制接口, 开放式的用户编程环境, 完成各种复杂的控制接口编程。可广泛应用于大、中小学的多媒体教室, 以及各类学校或企事业单位的中小型会议室。

  功能特点:

  ●一键上下课, 简单易用;

  ●内建网络接口, 支持网络级联, 支持无限空间扩容;

  ●支持传统射频触屏iPad/iPhone/Android ( 安卓 ) 手持终端、PC 端控制;

  ●标配8路串口, 实现调试和多系统同时控制设备;

  ●多个串行通信接口, 可配置为RS232/RS422/RS485 , 支持自定义控制命令。

  ●不少于8个继电器接口, 用于窗帘、电控玻璃等设备控制。

  4.4.4、电源控制器—CK-POWER

  CK-POWER是八路大电流电源控制器, 配合CK-CS可编程主控机使用, 用于对灯光、电动屏幕、电动窗帘及投影机等外设提供电源。控制器内设 8 个大电流继电器, 最大电流值10A , 最大负载能力2200W/路, 总负载能力16000W 。并且通过拨码开关可以手动控制八路继电器。

  功能特点:

  ● 一路CK-NET网络控制接口,CK-POWER通过CK-NET与可编程控制主机通讯;

  ● 一路RS-232接口,实现通过独立PC机控制,同时对多台CK-POWER实现通信控制;

  ● 内置光电隔离模块,可保障负载和主机安全可靠;

  ● 自带CK-NET和RS-232切换按键;

  ● 能通过机身的轻触按键自由控制;

  4.4.5、3D大屏幕显示融合管理平台—CK4L202H

  CK4L202H是我公司最新一代的融合处理系统, 高度集成的纯硬件系统架构, 接受来自CK4L200虚拟现实平台的信号, 实现大屏幕的3D融合显示, 同时还实现了教室内所有信源的管理以及教室内灯光系统, 音响系统等的控制管理, 是整个方案的核心设备。

  功能特点:

  任意形状曲面网格式矫正功能

  CK4L202H采用最新的图像校正技术, 自身产生网格, 每条边可设置多个调节点及投影区域多个中心点进行调整, 可不用顾虑幕的平整度, 在异形曲面上进行画面校正, 达到内容均匀一致, 完整显示的效果。

  高清多窗口点对点显示

  CK4L系列3DVR图像处理器支持高清大分辨率信号输入输出, 可为用户定制超高分辨率完美显示, 分辨率可达到N×M,N=1920*n(列),M=1080*m(行),从而实现点对点显示功能, 为用户提供完美的细致图像显示。

  支持各种特效切换效果,无黑屏切换

  CK4L系列3DVR图像处理器支持无缝切换, 不同信号切换时不黑屏, 切换方式自选; 根据需要及不同的使用场合选择不同的切换效果, 包括淡入淡出、从左到右、从中间到四周等等共九种切换效果。

  4K*2K输入输出信号端

  Dual link双链路输入,支持4K*2K超大分辨率显示,支持任意EDID手动修改。CK4L系列3DVR图像处理器处理功能强大,可处理4000*2000, 3840*2160,3072*768 之类的高分辨率信号,同时可支持用户自定义的信号。独创的虚屏显示技术为你量身定做点对点完美清晰显示。。

  支持极致色彩处理技术

  通过控制软件或者控制面板进行选择控制输出亮度、对比度及饱和度的值, 可以产生丰富细腻的高灰度级数。并且有专业的画质增强图像处理功能, 让灰淡的画面焕然一新。

  支持音频同步切换

  CK4L系列3DVR图像处理器集成了音频矩阵功能, 能实现教室内各个音频信源间任意切换和混音。

  周边设备集控

  CK4L系列3DVR图像处理器具备8个开放式的多模式控制接口, 支持232,485,DMX512等多种类型设备控制接口的接入, 轻松实现对周边电子设备的集中控制管理。

  4.4.6、CK-PAD85电子白板(选配)

  CK-PAD硬件式智能交互平板是本公司基于图形图像控制领域多年研发经验研发出来的一款新型的、独一无二的智能化多功能交互平板设备,它采用先进的红外阵列扫描感应技术,纯硬件构架,高度智能化集成,可用书写笔或手指直接在电子平板上进行书写、触摸、擦除等操作,比传统白板的功能更先进、演示效果更出色。它广泛应用于教育教学、企业会议、商业展示和各类综合平台触控等。

  功能特点:

  3D显示

  支持3D显示(也有2D显示的版本),支持左右,上下,帧系列等各种3D输入模式。

  设备结构

  纯硬件架构, 红外触控感应, 无需电脑系统支持, 系统超稳定, 开机时间短。

  触摸显示技术

  红外感应六点触摸技术, 触控的书写响应速度: 书写后在屏幕显示的响应速度小于25MS, 肉眼几乎无法看出笔迹滞后, 无延迟感, 提供权威第三方检测。

  显示模块参数

  物理分辨率:1920×1080;显示色彩:24bit真彩(16。7M);显示对比度:5000:1;亮度:350cd/㎡ ;最大可视角:≈176°;(显示类型、显示尺寸、亮度、对比度、最大可视角度、响应时间、触摸类型提供检测报告) 。

  输入输出接口

  前置接口:电脑接口USB3。0*1、安卓USB2。0*1;多媒体USB*1;外接触控USB*1;HDMI*1;VGA*1;3。5 AUDIO in*1;3。5AUDIO out*1;6。5mm MIC in*1;2、其他接口输入:HDMI*4;VGA*1;YPBPR*1;CVBS*1;LAN*1;S-video*1;RF*1,RAC*1;RS232*1

  其他接口输出:同轴音频*1;耳机*1;左右声道RAC*1;DVI-I*1

  教学互动软件

  配套丰富的辅助教学软件,方便老师课堂多元化的教学应用。

  第五节、方案优势

  5.1、课堂活跃,动力十足

  在我们的课堂上,知识不再是书本上的死物,而是飘动在学生眼前的精灵,陪他们游戏,跟他们“交流”。试想当知识跟学生成为朋友,教学还是一件难事吗?

  通过触控笔等感知手段,教师可以操作虚拟现实主机,拆解需要讲解的课件,将整个过程以大尺寸融合3D的形式展现给教室的学生;

  5.2、内容丰富,陪伴成长

  3D虚拟互动教学课件

  创凯在教龄20年以上的老师做了广泛的调研,针对不同的学科,教师普遍认为的疑难知识点进行分析,针对不同学科的最难的知识点进行3D虚拟互动课件内容制作团队,并不断更新,课件还配套有互动内容,充分调动学生的学习积极性,帮助知识的巩固记忆,提高教学质量。

  生态岛

  在一个湖心小岛上居住着各式各样的昆虫, 学生可选择昆虫并拖拽到眼前进行近距离的观察, 并且摆放到任意位置。有些昆虫还能展翅飞翔哦。

  地震逃生实验

  实验模拟了发生地震时正在上课的学生逃生的场景, 学生通过操控角色选择不同的方法来逃生, 来达到加深理解正确的逃生方法的目的。

  3D课件

  海量的高质量3D视频,分为小学、初中、高中三个部分,内容涵盖地球科学、生命科学、自然科学、数学、生物、化学、物理等各学科。

  电场

  放入电场中某一点的电荷受到的电场力 F 跟它的电量 q 的比值叫做该点的电场强度, 表示该处电场的强弱。

  细胞和脱氧核糖核酸

  形象的展示了脱氧核糖核酸、组蛋白、核小体、支架、染色体的结构。

  仿真课件

  丰富的仿真课件,引导学生去理解知识要点,活跃学生思维,培养学生的创造性思维能力。

  心脏和血液循环

  身体中的血液循环是由心脏通过广泛分布的动脉,小动脉, 毛细血管, 小静脉和静脉网络实现的。

  大气层

  了解大气层的组成, 了解对流层、平流层、中间层、热层和外大气层的位置。

  交互课件

  丰富的交互课件,教师可以通过交互操作演示教学过程,让学生与知识近距离的“亲密接触”,在“体验”知识的过程中主动学习。

  AIDS

  AIDS 由 HIV 引起, 了解其组成和特征。

  呼吸和循环系统

  了解呼吸和循环系统各器官构成和功能。

  3D科教纪录片

  创凯公司以多项发明专利的3D 技术处理为基础,近10年的3D行业从事经验,以影院级的图像处理技术,研发制作了数百部 IMAX、高清等多种格式的科技纪录片,内容涵盖天文、地理、物理、艺术、地球、机械制造等多个学科。学生们可以直观了解各类科学知识。

  本校3D课堂

  该解决方案,可以与创凯3D精品录播教室配合,提供实时的本地3D教学观摩。

  5.3、屏-幕交互,灵活教学

  考虑到老师在3D/VR虚拟现实多学科探究教室教学中的灵活性,我们运用创凯的核心技术开创性的设计了一套双屏教学模式,这种模式有着诸多优点:

  ● 在这间3D/VR虚拟现实多学科探究教室中,大尺寸投影幕就充当了黑板的角色,教师在虚拟现实3D互动平台上进行内容讲解和课件操作,同时将课件内容投放到大屏幕上容,还能同时将下方CK-PAD电子白板一体机上的内容投放上去,3D与2D内容共存于银幕,这样学生在观看3D课件的同时,老师就能同步讲解相关的知识要点

  ● 老师不再需要一直站在幕布前方给学生上课,只需站在一旁,在虚拟现实3D互动平台上对内容进行批注讲解,学生就能同步在大幕上看到老师所讲的内容,而且幕布内容很大,不用担心后排的同学看不到,无论在教室哪个位置都能很好的交流学习

  ● 在整个教学过程中,老师都是应用电子书写来完成教学,不再需要粉笔,真正做到无尘教学,保证老师和学生的身体健康

  5.4、教室空间,尽在掌握

  在我们的3D/VR虚拟现实多学科探究教室里,所有设备的管理都集中由1台PAD来完成。PAD上安装有创凯自主开发的3D/VR虚拟现实多学科探究教室管理平台软件。

  主要功能:

  设备开关,灯光开关,空调开关,窗帘开关等等;还可以管理幕布当前的投影信号状态,轻松一键切换操作,简单方便,智能管理,尽在掌握。

  5.5、校网平台,无缝对接

  我们的3D/VR虚拟现实多学科探究教室不仅本身是一个完整的教学系统, 还对外开放了网络端口, 能与校网教育资源公共服务平台和教育管理公共服务平台实现无缝对接, 实现教育信息化。

  第六节、应用案例

  长沙松雅湖中学

  这是我们在长沙松雅湖中学建设的一个3D多媒体教室,该项目获得湖南省教育部门领导的高度好评和认可,各省的兄弟院校也纷纷过来参观学习。

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