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創凱智能大型空間3D/VR虛擬現實智能教室解決方案

來源:數字音視工程網       編輯:xiaotiao    2018-04-24 14:22:31

3D教育是教育信息化大背景下未來教育的發展趨勢,3D教育與傳統的多媒體教育資源相比,有著立體、生動、可交互性強等優點,創凱智能打造大型空間3D/VR虛擬現實智能教室解決方案。

  第一章、3D/VR教育教學政策指引及研究

  第一節、背景

  3D教育是教育信息化大背景下未來教育的發展趨勢,3D教育與傳統的多媒體教育資源相比,有著立體、生動、可交互性強等優點,更有利于學生的綜合能力的培養,拓展學生的想象空間,提升學生的接受能力,增強學生思維的嚴謹性,提高學生的動手能力和感官認知能力,3D/VR技術在教育中的使用,必將推動教學方式的新變革。

  第二節、政策指引

  自20世紀90年代以來,國際教育界出現了以教育技術的廣泛應用為特征的發展趨勢,國內學者稱之為“教育信息化現象”。為推進我國教育信息化建設,2012年教育部組織編制并引發《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》,以教育信息化代用教育現代化。

  《規劃》指出,建設智能化教學環境,提供優質數字教育資源和軟件工具,利用信息技術開展啟發式、探索式、討論式、參與式教學;建設并不斷更新滿足各級各類教育需求的優質數字資源,開發深度融合學科教學的課件素材、制作工具,完善各種資源庫,建設優質網絡課程和實驗系統、虛擬實驗室等;學習借鑒國外先進理念,學習引進國外優質數字教育資源和先進技術,縮小與國際先進水平的差距。

  教育部2016年的教育信息化工作重點是引導各級各類學校開展利用信息技術轉變教學模式、改進教學管理的數字校園/智慧校園應用。3D教育發展進入黃金期,在教學領域,3D技術的應用可以創設最自然、最直觀的學習情景,有效的提高教育教學質量。

  第三節、需求分析

  多媒體教室一直以來都是學校信息化建設的重點,通過將文字、圖形、圖像、聲音集 合在一起,采用生動活潑的聲像顯示,不僅豐富了教學手段,擴充了教學資源,而且更提 高了課堂教學效果。充實、形象、生動的授課內容,聲像并茂的教學形式,激發學生的學習興趣,強調了“以學生為主”的教學新思路,極大得提高了教學質量。

  當前,各大院校隨著多媒體教室的不斷引入,多媒體教室建設需求不斷發展,出現許多新的特性,如何才能更加生動的教學,與學生產生互動性,在不斷減輕老師壓力的同時,能更快速的提高教學質量,這是對現代多媒體教學更高的要求,也是本次項目設計的要求:

  1、利用3D/VR虛擬現實智能教室進行基于3D/VR互動教學軟件的體驗式教學;

  2、基于互動教學的思路,采用3D/VR互動教學;

  3、利用多媒體影視顯示設備來顯示3D視頻圖像及媒體信息,以豐富老師的教學內容;

  4、利用3D互動教學設備來實現創新課堂的互動教學;

  整個項目設計在設備選型上,我們采用了專門針對教育行業的一系列高科技產品,并針對不同的學科教育內容,研發了一系列配套的3D/VR教學資源。

  第四節、建設原則

  簡單易用性和個性化需求。

  由于每個老師對計算機的掌握程度不同,老師需要3D/VR虛擬現實智能教室簡單易用, 一看就會,輕松連接,而無須太多復雜的操作便能夠很快的進行信息化教學。

  豐富的教學功能

  信息化教學是教學的一種手段,其目的是為了提高教學效果。這種信息化手段 是否符合教學習慣,是否有豐富實用的教學功能,真正幫助老師進行教學,提高教學效果就成為老師最為關心的問題。

  產品性能優越性。

  在教學過程中,3D/VR虛擬現實智能教室使用頻率是相當高的,除了一般3D教學外, 學校也可以在2D模式下用來會議研討及各種多媒體活動。因此,在產品性能選型上, 必須選用性價比高的設備,以免在使用過程中出現問題,影響教學等活動。

  第五節、設計依據

  GB/T50311-2000建筑與建筑群綜合布線工程設計規范

  ANSI EIA/TIA607民用建筑通訊接地標準

  ANSI EIA/TIA-568A商務建筑布線標準

  ANSI EIA/TIA-569A商務建筑通道標準

  ANSI EIA/TIA-606商務建筑布線系統文檔建立標準

  EIA/TIA TSB-67商務建筑布線系統測試標準

  GB50254-50259-96《電氣裝置安裝工程施工及驗收設計規范》

  GA/T75-94《中華人民共和國公共安全行業標準》

  GB6510-86《30MHz-lGHz音頻和視頻信號電纜分配系統》

  GY106-92《民用建筑電纜電視系統工程技術規范》

  JGJ_16-2008《民用建筑電氣設計標準》

  第二章、3D/VR虛擬現實智能教室解決方案

  第一節、方案概述

  十年樹木,百年樹人,如何培養好我們的下一代一直是每個教育工作者最關注的話題。國家也一直在提倡素質教育,創新教育,特別是“十二五”校園“三通二平臺”的實施,更是加快了教育信息化建設的步伐。實現教育現代化,創新教學模式,提高教育質量,就是實現四個新突破,即教育信息化基礎建設新突破,優質數字教育資源共建共享新突破,信息技術與教育教學深度融合新突破,教育信息化科學發展新突破。

  深圳市創凱智能股份有限公司(以下簡稱創凱)作為教育信息化智能終端和圖像顯示控制設備生產和提供商,一直在思考如何構建一套適用于目前和未來教育的新型教育模式。創凱成立于2003年,是一家集軟硬件研發、生產和銷售為一體,專注于圖形圖像顯示技術和液晶交互電子白板研發與應用的高新科技上市公司(股票代碼:871106)。在多年發展歷程中,始終把企業的自主創新放在首位,不斷強化知識產權意識,完善科技創新體制,提高自主研發能力和水平。

  結合創凱在圖像顯示領域十多年的應用經驗和交互信息化智能平板在現代化教育建設上的應用,我們推出了3D/VR虛擬現實智能教室這一新概念教育教學應用方案。

  第二節、方案理念

  3D/VR虛擬現實智能教室的設計理念是打造一個教學更有樂趣,學生更有興趣,內容更加豐富,管理更加靈活,老師更加輕松,教學更加高效的生態教室空間。

  利用創凱最新科技,通過教師采用虛擬現實3D互動主機配合主動3D投影融合和信息交互顯示技術,將原本抽象難懂的課本知識以最直觀生動的三維圖像方式呈現在學生面前,教師可以通過觸控筆拆解演示教學過程,讓學生與知識近距離的“親密接觸”,在“體驗”知識的過程中主動學習。老師的角色也從原來的解說者轉變為引導者,配合3D圖像引導學生去理解知識要點,活躍學生思維,培養學生的創造性思維能力。

  第三節、3D/VR虛擬現實智能教室

  3.1、VR實驗室

  實驗室由6-10臺虛擬現實主機組成。

  通過創凱提供的圖像處理設備,可任意選擇其中一臺主機的信號,擴展到大屏幕顯示

  在我們的VR課堂上,知識不再是書本上的死物,而是飄動在學生眼前的精靈,陪他們游戲,跟他們“交流”。真正的讓學生與知識近距離的“親密接觸”,在“體驗”知識的過程中主動學習。激發學生主動學習的動力,提升學生的動手能力和思考創新能力,助力創客教育。

  3.2、3D實驗室

  精品豪華型方案:

  3D教育資源服務器+大屏3D融合投影系統

  效果出眾,適用于大型階梯教室/報告廳/會議廳。

  注:根據學校教室空間的實際應用情況可以量身定制融合通道數和幕布尺寸,我們提供的核心設備可以支持到32臺主動投影融合,完全能滿足各種規模的多媒體教室間空應用。

  投影機普通型方案:

  3D教育資源服務器+單臺3D投影

  成本適中,適用于探究教室/探究實驗室。

  平板普通型方案:

  3D教育資源服務器+創凱3D交互式平板

  架設方便,維護簡單,價格低廉,適用于普通班級教學。

  通過3D顯示設備,將原本抽象難懂的課本知識以最直觀生動的三維圖像方式呈現出來。資源內容涵蓋了自然科學、生命科學、地球科學、數學、物理、化學、生物等各學科,逼真的畫面,出眾的3D效果,把大到宇宙、太陽系,到我們所處的地球,日月星辰的變化,氣候和土壤的特點,小到分子、細胞、組織、器官、系統,還有各類生物一一呈現在學生面前,是幫助學生理解知識點、拓展思維、開闊視野的利器。

  3.3、3D+VR實驗室

  由虛擬現實主機+3D教育資源服務器+大屏3D投影系統組成。

  該方案綜合了上述VR實驗室和3D實驗室方案的優點,既支持VR教學,又支持3D課件教學,支持一鍵切換兩種教學模式。方案適用于大型階梯教室/報告廳/會議廳/探究教室,以2通道投影融合配置為例,投影尺寸2.5*5M,設計教室空間在150平米以內,容納人數100以內。

  第四節、方案設計

  4.1、需求分析

  根據本項目甲方提供的需求,教室尺寸為長22米,寬10米,高3米,按照3米最佳觀看幕布尺寸100寸來計算,此教室最遠觀看距離約15米~16米,最佳幕布尺寸約300寸~400寸,根據上文中3D/VR虛擬現實智能教室的適用范圍,需要采用兩臺投影機進行融合顯示,因此設計采用3D+VR實驗室的方案實施。

  4.2、系統組成

  4.3、系統設計

  4.3.1、投影幕效果

  4.3.2、投影機光路尺寸

  4.3.3、教室整體布局效果

  4.4、設備介紹

  4.4.1、虛擬現實主機-教師使用—CK4L200

  該虛擬現實平臺由顯示主機與圖像服務器、追蹤眼鏡、操作筆構成,教師通過操作筆對平臺上的3D虛擬現實課件進行操作,可以進行動作分解、合成等不同的操作;

  技術規格

  4.4.2、3D教育資源播放服務器—CK4L201

  3D教育資源管理平臺, 涵蓋海量的中小學課程3D教育課件, 內容包含數學, 化學, 生物, 物理, 自然科學等, 輔助老師更直觀形象的完成教學。

  3D投影系統:

  選用專業教育級3D投影機,配套主動3D眼鏡,實現3D播放;

  投影幕布:

  (1)選用增益在0.8-1.2左右的樹脂或復合材質的光學硬幕,使多投影融合效果達到最佳;

  (2)外觀選擇微弧形幕,弧幕帶來視覺上的景深差異,讓人更有身臨其境的感覺,3D效果更生動;

  千兆無線路由器:

  高帶寬,組建教室網絡環境,實現各個設備的管理;

  PAD移動端:

  通過教室無線網絡環境,實現對教室空間的管理;

  燈光系統:

  對教室內燈光進行分組管理,接入到CK4MX處理系統就能接受PAD移動端的管理;

  音響系統:

  保證整個教室音質清晰,聲音同步,不管是觀看3D課件還是老師講課,都能達到很好的傳音效果;

  老師用無線麥:

  專為老師配備的無線麥,帶激光教鞭,方便老師講課;

  電動窗簾:

  智能電動窗簾,通過PAD移動端控制開合,方便學生觀看3D課件;

  4.4.3、中控系統—CK-CS

  CK-CS可編程中央控制系統是創凱智能采用先進的集成技術, 提供高速準確的集中控制環境的中央控制主機控制系統, 是新一代的控制系統主機。提供多種可編程控制接口, 開放式的用戶編程環境, 完成各種復雜的控制接口編程。可廣泛應用于大、中小學的多媒體教室, 以及各類學校或企事業單位的中小型會議室。

  功能特點:

  ●一鍵上下課, 簡單易用;

  ●內建網絡接口, 支持網絡級聯, 支持無限空間擴容;

  ●支持傳統射頻觸屏iPad/iPhone/Android ( 安卓 ) 手持終端、PC 端控制;

  ●標配8路串口, 實現調試和多系統同時控制設備;

  ●多個串行通信接口, 可配置為RS232/RS422/RS485 , 支持自定義控制命令。

  ●不少于8個繼電器接口, 用于窗簾、電控玻璃等設備控制。

  4.4.4、電源控制器—CK-POWER

  CK-POWER是八路大電流電源控制器, 配合CK-CS可編程主控機使用, 用于對燈光、電動屏幕、電動窗簾及投影機等外設提供電源。控制器內設 8 個大電流繼電器, 最大電流值10A , 最大負載能力2200W/路, 總負載能力16000W 。并且通過撥碼開關可以手動控制八路繼電器。

  功能特點:

  ● 一路CK-NET網絡控制接口,CK-POWER通過CK-NET與可編程控制主機通訊;

  ● 一路RS-232接口,實現通過獨立PC機控制,同時對多臺CK-POWER實現通信控制;

  ● 內置光電隔離模塊,可保障負載和主機安全可靠;

  ● 自帶CK-NET和RS-232切換按鍵;

  ● 能通過機身的輕觸按鍵自由控制;

  4.4.5、3D大屏幕顯示融合管理平臺—CK4L202H

  CK4L202H是我公司最新一代的融合處理系統, 高度集成的純硬件系統架構, 接受來自CK4L200虛擬現實平臺的信號, 實現大屏幕的3D融合顯示, 同時還實現了教室內所有信源的管理以及教室內燈光系統, 音響系統等的控制管理, 是整個方案的核心設備。

  功能特點:

  任意形狀曲面網格式矯正功能

  CK4L202H采用最新的圖像校正技術, 自身產生網格, 每條邊可設置多個調節點及投影區域多個中心點進行調整, 可不用顧慮幕的平整度, 在異形曲面上進行畫面校正, 達到內容均勻一致, 完整顯示的效果。

  高清多窗口點對點顯示

  CK4L系列3DVR圖像處理器支持高清大分辨率信號輸入輸出, 可為用戶定制超高分辨率完美顯示, 分辨率可達到N×M,N=1920*n(列),M=1080*m(行),從而實現點對點顯示功能, 為用戶提供完美的細致圖像顯示。

  支持各種特效切換效果,無黑屏切換

  CK4L系列3DVR圖像處理器支持無縫切換, 不同信號切換時不黑屏, 切換方式自選; 根據需要及不同的使用場合選擇不同的切換效果, 包括淡入淡出、從左到右、從中間到四周等等共九種切換效果。

  4K*2K輸入輸出信號端

  Dual link雙鏈路輸入,支持4K*2K超大分辨率顯示,支持任意EDID手動修改。CK4L系列3DVR圖像處理器處理功能強大,可處理4000*2000, 3840*2160,3072*768 之類的高分辨率信號,同時可支持用戶自定義的信號。獨創的虛屏顯示技術為你量身定做點對點完美清晰顯示。。

  支持極致色彩處理技術

  通過控制軟件或者控制面板進行選擇控制輸出亮度、對比度及飽和度的值, 可以產生豐富細膩的高灰度級數。并且有專業的畫質增強圖像處理功能, 讓灰淡的畫面煥然一新。

  支持音頻同步切換

  CK4L系列3DVR圖像處理器集成了音頻矩陣功能, 能實現教室內各個音頻信源間任意切換和混音。

  周邊設備集控

  CK4L系列3DVR圖像處理器具備8個開放式的多模式控制接口, 支持232,485,DMX512等多種類型設備控制接口的接入, 輕松實現對周邊電子設備的集中控制管理。

  4.4.6、CK-PAD85電子白板(選配)

  CK-PAD硬件式智能交互平板是本公司基于圖形圖像控制領域多年研發經驗研發出來的一款新型的、獨一無二的智能化多功能交互平板設備,它采用先進的紅外陣列掃描感應技術,純硬件構架,高度智能化集成,可用書寫筆或手指直接在電子平板上進行書寫、觸摸、擦除等操作,比傳統白板的功能更先進、演示效果更出色。它廣泛應用于教育教學、企業會議、商業展示和各類綜合平臺觸控等。

  功能特點:

  3D顯示

  支持3D顯示(也有2D顯示的版本),支持左右,上下,幀系列等各種3D輸入模式。

  設備結構

  純硬件架構, 紅外觸控感應, 無需電腦系統支持, 系統超穩定, 開機時間短。

  觸摸顯示技術

  紅外感應六點觸摸技術, 觸控的書寫響應速度: 書寫后在屏幕顯示的響應速度小于25MS, 肉眼幾乎無法看出筆跡滯后, 無延遲感, 提供權威第三方檢測。

  顯示模塊參數

  物理分辨率:1920×1080;顯示色彩:24bit真彩(16。7M);顯示對比度:5000:1;亮度:350cd/㎡ ;最大可視角:≈176°;(顯示類型、顯示尺寸、亮度、對比度、最大可視角度、響應時間、觸摸類型提供檢測報告) 。

  輸入輸出接口

  前置接口:電腦接口USB3。0*1、安卓USB2。0*1;多媒體USB*1;外接觸控USB*1;HDMI*1;VGA*1;3。5 AUDIO in*1;3。5AUDIO out*1;6。5mm MIC in*1;2、其他接口輸入:HDMI*4;VGA*1;YPBPR*1;CVBS*1;LAN*1;S-video*1;RF*1,RAC*1;RS232*1

  其他接口輸出:同軸音頻*1;耳機*1;左右聲道RAC*1;DVI-I*1

  教學互動軟件

  配套豐富的輔助教學軟件,方便老師課堂多元化的教學應用。

  第五節、方案優勢

  5.1、課堂活躍,動力十足

  在我們的課堂上,知識不再是書本上的死物,而是飄動在學生眼前的精靈,陪他們游戲,跟他們“交流”。試想當知識跟學生成為朋友,教學還是一件難事嗎?

  通過觸控筆等感知手段,教師可以操作虛擬現實主機,拆解需要講解的課件,將整個過程以大尺寸融合3D的形式展現給教室的學生;

  5.2、內容豐富,陪伴成長

  3D虛擬互動教學課件

  創凱在教齡20年以上的老師做了廣泛的調研,針對不同的學科,教師普遍認為的疑難知識點進行分析,針對不同學科的最難的知識點進行3D虛擬互動課件內容制作團隊,并不斷更新,課件還配套有互動內容,充分調動學生的學習積極性,幫助知識的鞏固記憶,提高教學質量。

  生態島

  在一個湖心小島上居住著各式各樣的昆蟲, 學生可選擇昆蟲并拖拽到眼前進行近距離的觀察, 并且擺放到任意位置。有些昆蟲還能展翅飛翔哦。

  地震逃生實驗

  實驗模擬了發生地震時正在上課的學生逃生的場景, 學生通過操控角色選擇不同的方法來逃生, 來達到加深理解正確的逃生方法的目的。

  3D課件

  海量的高質量3D視頻,分為小學、初中、高中三個部分,內容涵蓋地球科學、生命科學、自然科學、數學、生物、化學、物理等各學科。

  電場

  放入電場中某一點的電荷受到的電場力 F 跟它的電量 q 的比值叫做該點的電場強度, 表示該處電場的強弱。

  細胞和脫氧核糖核酸

  形象的展示了脫氧核糖核酸、組蛋白、核小體、支架、染色體的結構。

  仿真課件

  豐富的仿真課件,引導學生去理解知識要點,活躍學生思維,培養學生的創造性思維能力。

  心臟和血液循環

  身體中的血液循環是由心臟通過廣泛分布的動脈,小動脈, 毛細血管, 小靜脈和靜脈網絡實現的。

  大氣層

  了解大氣層的組成, 了解對流層、平流層、中間層、熱層和外大氣層的位置。

  交互課件

  豐富的交互課件,教師可以通過交互操作演示教學過程,讓學生與知識近距離的“親密接觸”,在“體驗”知識的過程中主動學習。

  AIDS

  AIDS 由 HIV 引起, 了解其組成和特征。

  呼吸和循環系統

  了解呼吸和循環系統各器官構成和功能。

  3D科教紀錄片

  創凱公司以多項發明專利的3D 技術處理為基礎,近10年的3D行業從事經驗,以影院級的圖像處理技術,研發制作了數百部 IMAX、高清等多種格式的科技紀錄片,內容涵蓋天文、地理、物理、藝術、地球、機械制造等多個學科。學生們可以直觀了解各類科學知識。

  本校3D課堂

  該解決方案,可以與創凱3D精品錄播教室配合,提供實時的本地3D教學觀摩。

  5.3、屏-幕交互,靈活教學

  考慮到老師在3D/VR虛擬現實多學科探究教室教學中的靈活性,我們運用創凱的核心技術開創性的設計了一套雙屏教學模式,這種模式有著諸多優點:

  ● 在這間3D/VR虛擬現實多學科探究教室中,大尺寸投影幕就充當了黑板的角色,教師在虛擬現實3D互動平臺上進行內容講解和課件操作,同時將課件內容投放到大屏幕上容,還能同時將下方CK-PAD電子白板一體機上的內容投放上去,3D與2D內容共存于銀幕,這樣學生在觀看3D課件的同時,老師就能同步講解相關的知識要點

  ● 老師不再需要一直站在幕布前方給學生上課,只需站在一旁,在虛擬現實3D互動平臺上對內容進行批注講解,學生就能同步在大幕上看到老師所講的內容,而且幕布內容很大,不用擔心后排的同學看不到,無論在教室哪個位置都能很好的交流學習

  ● 在整個教學過程中,老師都是應用電子書寫來完成教學,不再需要粉筆,真正做到無塵教學,保證老師和學生的身體健康

  5.4、教室空間,盡在掌握

  在我們的3D/VR虛擬現實多學科探究教室里,所有設備的管理都集中由1臺PAD來完成。PAD上安裝有創凱自主開發的3D/VR虛擬現實多學科探究教室管理平臺軟件。

  主要功能:

  設備開關,燈光開關,空調開關,窗簾開關等等;還可以管理幕布當前的投影信號狀態,輕松一鍵切換操作,簡單方便,智能管理,盡在掌握。

  5.5、校網平臺,無縫對接

  我們的3D/VR虛擬現實多學科探究教室不僅本身是一個完整的教學系統, 還對外開放了網絡端口, 能與校網教育資源公共服務平臺和教育管理公共服務平臺實現無縫對接, 實現教育信息化。

  第六節、應用案例

  長沙松雅湖中學

  這是我們在長沙松雅湖中學建設的一個3D多媒體教室,該項目獲得湖南省教育部門領導的高度好評和認可,各省的兄弟院校也紛紛過來參觀學習。

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