虚拟仿真实验技术方案设计

虚拟仿真实验解决方案

华一风景观艺术工程

2017年8月

目录

第一章需求分析 (2)

一、项目背景 (2)

二、实验教学现状 (3)

三、用户需求 (3)

第二章建设原则 (5)

一、建设目标 (5)

二、建设原则 (6)

第三章系统总体解决方案 (7)

一、总体架构 (7)

二、学科简介 (8)

第四章产品优势 (14)

第五章产品服务 (16)

一、服务方式 (16)

二、服务容 (16)

三、故障响应服务流程 (17)

四、故障定义 (18)

五、故障响应时间 (18)

六、故障处理流程 (19)

七、应急预案 (19)

第一章需求分析

一、项目背景

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》明确指出：把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略，超前部署教育信息网络。到2020年，基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系，促进教育容、教学手段和方法现代化。加强优质教育资源开发与应用，建立数字图书馆和虚拟实验室。鼓励企业和社会机构根据教育教学改革方向和师生教学需求，开发一批专业化教学应用工具软件，并通过教育资源平台提供资源服务，推广普及应用。

在“十三五规划”方针政策指引下，各地陆续出台政策，强调数理化实验教学的重要性。

2016年，公布了中高考的新方案，强调义务教育阶段所有科目都设为100分，表示它们在义务教育与学生成长中同等重要，不再人为去区分主次，使学校、老师、家长、社会对每一门学科都很重重视，其中物生化实验部分占分比例为30%，高考不再文理分科。

继重磅发布此消息后，教育厅发布《关于2016年普通高中招生工作的意见》，其中明确要求理化生实验操作考试满分为30分；省初中毕业升学理化实验操作考试分数为15分，考试成绩计入考生中考录取总分；省理化实验操作10分。

教育部发布了《教育部关于印发<义务教育小学科学课程标准>的通知》要求，2017年秋季起，小学科学课程起始年级调整为一年级。要按照小学一、二年级每周不少于1课时安排课程，三至六年级的课时数保持不变。而如今有些地区小学科学课堂教学却不被人们所重视,且存在着科学仪器和设备欠缺以及实验课开设少甚至不开设的现象,而师资力量薄弱也是一大问题。

二、实验教学现状

➢学校经费紧、实验设备旧或不足

➢课程学时短，讲授容多，课堂效率低下

➢学生参与度不高，学习兴趣不够，缺乏主动性

➢没有理想实验环境，高危实验很难呈现和操作

➢师生不能随时携带实验设备，做实验只能去实验室

➢某些实验现象不易观察，实验周期过长

➢实验误差不好体现，满足不了实际实验讲解需要

➢非正规操作由于破坏性大，成本较高，很难展示实验中出现的各种故障现象

➢流程化的实验操作模式，不利于培养学生的创新思维

➢小学科学师资力量薄弱，实验器材缺乏

三、用户需求

(一)解决学生随时多次的实验练习需求

实验是理化生和小学科学（简称小科）学科的重要组成部分，也是课堂教学的重要环节，由于学生群体的数量庞大和教学实验设备建设的不足，学校的实验设备已经不能满足学生多次、随时的学习一门实验的要求。

(二)实验的安全性与便捷性

保证学生实验的安全性是校方考虑的第一要素，如何在有限的课时让学生参与更多的实验操作，同时提高学习兴趣提高实验效率。

(三)实验校本资源的建设，如何服务于全校所有师生

实验课件资源匮乏，而且资源相对分散，学科教师需要花费大量的精力寻找合适的资源；资源的匹配性较差，尤其是希望动态展示的器材元器件，大多数是静态的图片形式或是只能按照固定步骤操作的flash形式，很难满足常规的教学需求；能实现配合实际习题讲解的实验资源几乎没有；有些需要理想实验环境才能完成的实验，很难展示或实际演示。

(四)需要长周期才能完成的实验，课堂效率和效果如何保障

实验课时较短，需要长周期才能完成的实验，课堂效果不理想，所以，目前课堂的实际情况是，只能靠老师“说”实验，学生很难理解。

(五)实验教学模式固定，教学模式需要创新

固定的教学模式，缺乏自主创新。实验主要分为：讲实验、做实验和画实验三大部分。其中，“讲实验”大多数是靠老师讲，学生听，

很难给学生直观、立体的视觉冲击，效果大打折扣；“做实验”是我们一直提倡学生需要动手去体验、去操作的，但现实情况往往是没有办法满足学生随时多次的实验练习需求；“画实验”一般是老师在黑板上画实验的相关结构图、原理图等，比如物理的电路图等，这种画图是必要的，但存在的问题是，很难全方位动态展示效果以及部的逻辑关系，比如电路图，无法展示电路中各元器件之间的动态逻辑关系，但是如果有专业的辅助软件，不仅高效，而且能形象地展示出电路中的各种动态关系，形象、直观、高效。

第二章建设原则

针对用户这些迫切需求，学校需要建立一套完整的实验云平台资源，满足全校师生随时多次使用。实验云平台提供实验中实用、好用、难找的实验资源和实验工具。

当然，实验教学，需要鼓励和提倡学生进行实际的实验操作，这是任何的资源和软件都是不能替代的功能，所以，实验云平台的定位是——辅助实验教学。

一、建设目标

虚拟仿真实验云平台紧贴教学大纲，满足学校仿真实验优质资源的需要，并在此基础上，引领学校教师开展基于常态化的教学实践活动。在丰富校本资源建设的同时，协助教师备课、上课；降低实验操

作成本与难度，增加学生对实验的兴趣，保障实验结果的准确性与安全性。

图1：实验云平台问题解决示意图

二、建设原则

➢实用性原则

虚拟实验云平台紧扣教学大纲要求，深挖一线教师课堂实验教学环节各个痛点，提供具有最优实验器材和资源以及性价比的产品。

➢经济性原则

在满足实验教学功能及体验度的前提下，尽量降低升级和维护成本。

➢针对性原则

虚拟实验云平台的开发与利用是为了课程目标的有效达成，针对