虚拟仿真实验技术方案设计

实用标准文档

虚拟仿真实验解决方案

上海华一风景观艺术工程有限公司

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、服务内容 (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，促进教育内容、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，北京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。

继北京重磅发布此消息后，河南教育厅发布《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；安徽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；山西省理化实验操作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

学校经费紧张、实验设备陈旧或不足

课程学时短，讲授内容多，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，如何在有限的课时内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内部的逻辑关系，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

不同的学科目标提供与之相应的实验制作工具和资源。

安全性原则

虚拟实验云平台采取必要的安全保护措施，具有高度的安全性。

可维护性原则

产品简单、实用、易操作、易维护、支持本地部署与私有云部署。第三章系统总体解决方案

一、总体架构

提供虚拟实验云平台系统，经过官方授权的许可用户可在线访问虚拟实验，全校师生通用。

若学校已有校园云平台，支持将虚拟实验直接对接到指定的校园云平台上（非第三方平台），师生通过单点登录即可访问使用。

同时，为了方便教师上课离线使用，单独给学科老师配备客户端账号，支持线上+线下使用，完全不用担心网络问题，保障正常的课堂教学。

使用终端上，支持跨平台访问，windows、IOS、Android全平台适应，满足实际教学需求。向学校提供访问地址和许可使用账号，师生可根据实际情况选择使用终端，方便高效。

图2：虚拟实验云平台架构图

二、学科简介

2.1虚拟实验云平台--小学科学

小学科学涵盖了小学1-6年级的主流教材版本生命世界、物质世界、地球与宇宙等领域的234个科学实验，是目前市面上最完整的小学科学教学资源，可以培养小学生初步的科学探究能力。

图2-1：虚拟实验平台小学科学界面示意图

寓教于乐，培养小学生初步的科学探究能力

图2-2：虚拟实验平台小学科学实验步骤示意图

多维度验证实验过程，强化、巩固学科知识。

解决因客观因素（天气、光线等）影响给实验带来不便的问题。

图2-3：虚拟实验平台小学科学实验示意图

解决因观察时间较长给实验带来不便的问题（如铁钉生锈实验）。

多维立体展示，效果逼真。

零入门，实验操作设计简单。

图2-6：虚拟实验平台小学科学易操作实验示意图2.2其他学科展示

图2-7虚拟实验平台物理家庭电路示意图

图2-8虚拟实验平台物理电磁学示意图

图2-9虚拟实验平台物理力学示意图

图2-10虚拟实验平台生物示意图

图2-11：虚拟实验平台生物3D鸟类模型示意图

图2-12虚拟实验云平台生物观察实验示意图

第四章产品优势

通过多媒体手段，依托学科特色，建立富有科技感的虚拟仿真实验平台，满足师生多次、随时地进行实验探究和学习需求。在直观、立体、高效、多样化的人机互动过程中，既提高了学生的学习兴趣，也满足了学生个性化的学习需求。同时，不受物理空间、时间的限制。集探究性、趣味性、科学性于一体。

实验主要系列产品有：物理（初高中）、化学（初高中）、生物（初高中）、小科（1-6年级）。其中，生物提供丰富的3D模型，呈现多姿多彩的生物世界；物理和化学内置独特的"引擎"，让每个器材都“活”起来，自由摆放、任意组装、参数任意调节、相互影响、叠加

运算。实验现象真实逼真、数据精准无误，是目前市面上唯一一款真正具备探索性和创新性的实验教学辅助工具。

1.高效率性

生动、形象、立体，提高教学效率，节约备课上课时间成本。2.实践操作和3D交互模型

与传统只能做单向知识传递的“视频教学”模式完全不同，在仿真环境中进行实际操作，实现理论和操作双向良性互动。

3.内置独特引擎，高自由度

独特的引擎支持，真正意义上实现实验DIY；用户可独立学习，不受教室、讲师等条件约束，可根据自身实际安排学习时间，具有极大的灵活性。

4.危险度为零

传统实验学习环节，在真实实验环境中往往会有许多实验危险源，仿真实验能有效避免因操作不规范所带来的潜在危险。完全探究传统实验室无法完成的高危险性、易燃易爆性、有毒性、辐射性以及爆炸性等实验。

5.理想实验环境

解决因客观因素（时间、空间等）影响给实验带来不便的问题。如能有效解决因实验周期过长，展示效果差、实验现象转瞬即逝、理想实验环境搭建、实验危险性过大、微观现象难以观察、实验过程较为复杂、实验破坏性较大或是比较极端要求等在传统的实验室条件下

无法完成实验的难题，

6.情景交互性

用户在虚拟情景下进行理论判断和实验操作，具有强交互性。

7.多终端跨平台

节约建设成本，充分利用学校现有硬件资源，不用担心不同终端对于软件的成本投入，全终端适应。

8.器材零损耗

器材齐全丰富，反复使用，无需维护，零损耗。

第五章产品服务

一、服务方式

虚拟实验云平台每月在线检查一次

线上远程服务、上门服务

虚拟实验官方微信群

虚拟实验官方售后服务群

二、服务内容

产品使用培训服务

虚拟实验云平台的在线定期检查服务

定时系统巡检服务、售后服务

更新升级服务

技术支持服务

提供产品相关介绍说明文档、使用手册等

线上、现场故障排除

三、故障响应服务流程

图3：虚拟实验平台故障相应流程图

1.用户反馈问题途径：

（1）直接软件反馈

（2）通过微信、qq、email、电话等方式提交

（3）官网提交

（4）直接联系官方客服

2.官方快速响应

1)电话技术支持：对用户提出的技术问题，提供7*24小时咨询服务，客服人员在接到咨询电话后，30分钟内通过电话向用户提供问

题解答和技术指导。包括：澄清软件的功能和特点；文档资料的澄清；许可软件的操作指导；确认、分析和纠正错误等。

2)远程技术支持：在条件允许的情况下，技术人员可直接通过互联网对故障进行排查和解决。

3.指定解决方案

4.Bug修复

四、故障定义

紧急故障：系统瘫痪。

严重故障：系统无法正常工作，相应功能丧失。

一般故障：系统仍能运行，但运行不稳定，相应功能未丧失。

技术支持中心和售后服务支持中心在收到故障申报后，将委派技术工程师通过电话交流、在线勘察等手段进行初步故障定位，并确定解决方案。

五、故障响应时间

针对以上故障定义的不同，我司就故障响应时间做出以下标准：

六、故障处理流程

收到故障申报后，立即组织技术人员进行远程检查故障，协助用户第一时间解决问题，确保软件正常使用。若遇特殊情况，确实无法短时间解决的，第一时间制定解决方案和时间安排表，积极跟进解决进度。同时，为了保障效果，在故障排除后的一周内，紧密跟踪系统状况，实时监测系统运行情况，保障系统的正常运行。

七、应急预案

在售后服务工作正常开展的前提下，有可能遇到紧急情况，例如：系统崩溃，无法启动或拒绝连接等原因导致用户无法获得任何系统服务，并对用户业务的正常运行造成重大影响；软件系统主要功能不能正常工作，并对用户业务的正常运行造成较大影响；以及系统不稳定，或周期性的中断；以及软件系统没有故障，仍可全面运行，但用户数据出现错误或严重错误致客户业务系统的正常运行无法进行等情况发生时，立即启动应急响应机制。

应急小组及时组织相关人员查找故障原因，在短时间内依据故障情形和修复时间进行初步判别，确定故障分类级别，并及时报告相关领导。

根据不同的事件以及事件的级别，采取相应措施进行应急处理。