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3D教室(未来学校)

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项目简介

在课堂教学中,许多学科都要求学生具备良好的空间想象能力,如立体几何、机械制图、工程图学、化学、分子生物等,由于黑板、幻灯片、普通投影仪等传统教学手段不能展示出真实世界的深度感,因此无法很好地解释一些空间概念和问题。随着3D立体技术的成熟,把它应用到教学是一种非常有效的辅助教学手段。

3D立体技术能够让学生完全沉浸在虚拟的维场景中,让学生在心理上产生更为真实的空间结构感和空间运动感,从而对三维空间类知识有更深刻地理解,更容易掌握相关知识。虽然3D立体技术手段已经日渐成熟(下文中3D立体简称为3D),但由于3D软件开发成本高、难度大,配套的3D教学软件和3D教学资源比较少,远远无法满足教学要求。本系统适合教师课堂教学用的3D教学资源的制作进行了探讨和研究,提出了较好的解决方法。

未来学校集思3D教学项目是以探索Edu3.0时代学校课程创新、学习方式创新、学习空间创新、教育技术创新为目的的新型教学项目,3D教学就是利用3D虚拟技术,创造一个多维度教学场景,对于在现实生活中无法触及的自然现象,例如火山喷发的演变过程,以及在教室里无法表现的场景,例如金字塔的建造过程、晶体的内部结构等等,都可以在3D教室中进行呈现。为学生创造了一个身临其境的学习环境,多维度展现的学习内容,充分调动了学生的视觉、听觉、动觉参与其中,让学生感受极强的逼真感,使抽象的概念和理论形象让学生更容易理解和消化。

3D教学的立体激发,可以吸引学生达到前所未有的深度,成为教学的理想工具,同时体验式的3D学习也让学生走进了书本所描述的世界中,实现了主动式学习;让学生通过协作讨论找到问题的答案,实现了协作式学习;培养了学生探索未来世界的兴趣,提升了学生探究式学习能力。      

政策背景

为深入贯彻落实十八大相关教育政策,教育部办公厅在2016年2月19日印发了《2016年教育信息化工作要点》通知,其中重点提到了加强教育化战略支撑能力,启动未来学校研究计划,启动未来学校3D实验室。

3D教学作为一种新型的教学形式和教学内容,已获得了国内外教育界的广泛认可,将推动学校体系的结构性变革,进一步培养学生的21世纪技能。

教育信息化的背景

在课堂教学中,教师通常使用二维图形来解释三维空间的概念,学生很难形象地理解。目前3D立体技术已逐渐成熟,在课堂中应用3D立体教学资源无疑是个很好的解决办法。但3D立体教学资源却相当稀少,如果能让教师合理利用适合课堂教学的3D教学资源,不但可以改进教学手段,提高教学效果,还能激发学生的学习兴趣。

“3D立体教学项目”提供了主动交互式教学中使用的立体显示平台和3D教学课件资源系统,提供了立体视觉课堂辅助教学模型和适用于学校3D教学平台的方案。

教学国内外现状

3D教学最早相关研究始于1988年,2010年后呈现爆炸性增长;当前3D教学已在欧美达成共识并普及,甚至3D教学已被巴西确定为国策;因为3D 教学可以极大提高学生学习注意力,并明显提升学习效率,国内已在近几年开始部署实施3D教学方案。

教学系统的技术原理

3D立体技术原理:

人看到的世界之所以是立体的,是因为大脑通过左眼和右眼所看到物体的细微差异来感知物体的深度。立体视觉是人眼在观察事物时所具有的立体感,是人眼对获取景象的深度感知能力,而这些感知能力又源自人眼提取出景象中的深度线索。一些感知深度视觉的线索只要求单眼,它们被称为单眼线索,通过单眼线索我们可以看到平面的图像。还有一个更为重要的深度线索叫做双眼线索,它通过双目视差来取得物体位置的深度,从而在生理上获得强烈的立体感。因此,只要让左右眼分别看到有位置差别的两幅视差图像就能让我们看到一幅具有立体感的画面,如图1所示。


3D立体技术经过几十年的发展,已经比较成熟,效果也越来越好,但基本上还是需要通过使用专用的眼镜来实现3D立体效果。现在广泛使用并且效果比较好的方式是使用偏正光眼镜和主动快门眼镜,自动立体显示(裸眼3D显示器),全息立体显示技术,后两种因为技术不够成熟和价格昂贵,一般用于科学研究和国家博物馆等。

教学课件资源和制作

在日常教学中,使用最多的3D教学资源是视频教学资源和图片类教学资源,有些课程中可能还会用到交互式的3D教学资源,但是由于制作难度高,时间长,非计算机专业人员一般无法制作,本系统提供的3D教学资源主要指三维物体、三维场景漫游类教学资源。

       本系统提供了中小学课本内几课外学习能使用到的三维课件,包含:生物、物理、地理、化学、数学、技术、历史等学科800多个三维素材。

本3D立体显交互教学平台支持几乎所有主流的文件格式,包括:

1、3D文件扩展名:

.wrl、.ive、.3ds、.obj、.dae、.zip (for .dae)、.fbx、.osgb、.osg、.kmz(for .dae)、).sdf(Proteindata bank – PDB)

2、3D软件程序:

所用到的一些程序可以有导出功能,例如:

3D StudioMax、Blender、Maya、Mudbox、AutoCAD、Google Sketchup、SolidWorks Siemens NX

3、Collada文件(3D Google Warehouse):

三维模型及场景漫游交互式3D立体教学与传统3D视频、图片教学最大的区别在于:

传统3D视频播放式教学,因视频具有单纯的视频时间线和内容脚本的固定预设,授课老师无法在学生观看视频,听视频讲解的同时参与知识点的传授。

主动交互式3D立体教学提供授课教师直接参与对三维模型的控制(放大、缩小、旋转、标注),利用不同的控制模式将不同角度下的教学重点和知识传递给学生和与学生进行讨论型课堂的教学方式的应用。

平台可引入教学辅助用的:3D/2D视频、图片及网页链接,实现多媒体多角度的教学。

3D教学资源的课堂应用

立体视觉课堂辅助教学模型如图2所示,在课堂教学中,教师先对课程的内容和目标进行详细的课程设计,再根据已有教学资源选择有利于学生接受的3D立体辅助教学手段,然后创建该课程的3D教学资源。课程内容以3D立体的方式真实呈现三维模型,将加深学生对具体内容的理解。


3D教学资源能够激发学生的学习兴趣,有助于提高学生的空间理解能力,让学生沉浸在虚拟的情境中学习,但其在普通电脑上不能直接使用,需要增加额外的硬件资源。针对课堂特点,可以使用以下三种解决方案:

偏振眼镜立体显示方案:

在该方案中,显示屏上左右眼视差图的光线为互相正交的线偏振光或左右旋圆偏振光,配戴上相对应的偏光眼镜就可以观看到立体效果。这是国内的3D影院广泛采用的方案,需要两台支持偏振技术的投影仪,价格比较贵,但偏振眼镜比较便宜,每副眼镜价格几十元,搭建这样一个3D教室硬件投资在几十万元。

当前大屏幕3D智能电视机已经广泛进入家庭使用,4K+3D技术提供了更大画面尺寸、更高像素的画质和更黑的3D画面景深感。配合主流的价格低廉的偏振3D立体眼镜,79英寸、84英寸的画面尺寸完全可以使用在3D教室环境中。

这种偏振眼睛立体显示方案对学生眼睛无任何不良影响,当前使用普遍。

主动快门眼镜方案:

目前采用TI公司DLP Link 3D技术的投影机最热门、最成熟的产品之一,它能够以较低的成本实现很好的立体效果,非常适合学校使用。该技术集图形处理器、3D眼镜、软件以及3D投影仪于一身,可在普通PC机或工作站上实现令人身临其境的3D体验,能够方便地使用上文介绍的3D教学资源。基于此方案建立一个40名学生使用兼容的主动式立体眼镜的3D多媒体教室的硬件投资大约在十几万元。

3D多媒体教室所需要的硬件有:

1台3D投影机、

1台配备NVIDIA工作站显卡的图形工作站、

40副DLPLink 3D主动快门式液晶3D眼镜。

这种主动快门眼睛方案对长时间观看的学生来讲,会产生一些疲劳感,不常使用。

裸眼3D显示方案:

裸眼3d显示器,利用人两眼具有视差的特性,在不需要任何辅助设备(如3d眼镜,头盔等)的情况下,即可获得具有空间、深度的逼真立体形象的显示系统。

实际应用中,裸眼3D对观看的距离和观看视角有特殊的技术要求,教室环境中只能顾及到一部分学生的立体视觉效果,不太适合30-40个学生的教室使用,只能在人员数量少的课件实验室内使用;3D立体视频的播放不同厂家的产品会有画面跳线闪烁的情况,对传统2D画面的显示无法达到非裸眼显示设备的清晰度。

未来学校3D教学系统的优势

  ★世界上唯一的开放式3D立体教学平台;

  ★可以通过手动或自动的方式实现旋转、分解、透视、漫游等功能;

  ★教师和学生双平台分别显示,方便教学;

  ★支持所有3D数据格式;

  ★完全支持互动白板模式,支持互动大屏;

  ★可以外接图片、文件、视频和URL功能;

  ★学校和老师可以自行下载,开发3D教学模型和内容,不必完全依    

赖专业公司

  ★自动识别2D、3D模型、图片内容;


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