虚拟现实技术VR实验室建设方案

虚拟现实技术VR实验室的

目录

第1章. 创客空间概述 (1)

1.1. 提出创客空间的背景 (1)

1.2. 创客教育与STEAM教育 (1)

1.3. VR+创客空间教育 (3)

第2章. 现状与需求分析 (6)

2.1. 创客空间发展现状 (6)

2.1.1. 发展现状 (6)

2.1.2. 业务形态与发展模式 (6)

2.1.3. 未来发展趋势 (6)

2.2. 创客空间的学习活动分析 (7)

2.3. 存在的问题与局限性 (8)

第3章. 华渔教育的VR实验室 (10)

3.1. VR实验室概述 (10)

3.2. VR实验室设计 (10)

3.2.1. VR实验室定位 (10)

3.2.2. VR实验室组成 (11)

3.2.3. VR创客教学模式 (12)

3.2.4. 教室装修布局 (12)

3.3. 教学应用设计 (13)

3.3.1. 应用设计 (14)

3.3.2. 教学流程 (17)

3.3.3. VR创客课堂与STEAM结合教学场景 (19)

3.4. 技术与学研支撑 (20)

第4章. 101VR实验室优势和特点 (22)

4.1. 释放想象、激发创新 (22)

4.2. 自主动手、实践探索 (23)

4.3. 海量资源、自由编辑 (24)

4.4. 创客教程、轻松上手 (24)

第5章. 101VR实验室建设内容 (26)

5.1. 教室装修 (26)

5.1.1. 展览区 (26)

5.1.2. 活动区 (27)

5.1.3. 训练区 (28)

5.1.4. 准备工作间 (29)

5.2. 硬件终端 (30)

5.2.1. 头显设备-VR眼镜 (30)

5.2.2. 基础设备-PC主机 (31)

5.2.3. 基础设备-液晶显示器 (32)

5.2.4. 网络设备-网络交换机 (33)

5.2.5. 授课设备-电子白板 (33)

5.2.6. 投影设备-投影机 (34)

5.2.7. 成品输出设备-3D打印机 (35)

5.3. 101VR软件 (38)

5.3.1. 101VR人生编辑器 (38)

5.4. 101VR创客空间资源 (42)

5.4.1. 覆盖分类 (42)

5.4.2. 制作流程 (43)

5.5. 101VR创客教材 (46)

第6章. 产品清单 (48)

第7章. 培训方案 (49)

第8章. 售后方案 (52)

第1章.创客空间概述

1.1.提出创客空间的背景

1.2.创客教育与STEAM教育

(1)创客教育

广义上的创客教育是一种以培育大众创客精神为导向的教育形态

(Makespirit-aimed education)。狭义上的创客教育则是一种以培养学习者,特别是青少年学习者的创客素养为主要导向的教育模式(Makeliteracy-aimed education)。因此,与偏重创新、创业的社会化创客活动相比,创客教育更注重对学习者创客素养的培养而非产品孵化。

对创客教育而言,创客空间是学习活动发生的主要场所。学习者在创客空间内创造性地运用各种技术和非技术手段,通过团队协作发现问题,解构问题,寻找解决方案,并经过不断的实验形成创造性的项目制品,最终收获包括人际沟通、团队协作、创新问题解决、批判性思维和专业技能等在内的全方位的成长。随着由14个省(区、市)35所中小学组成的中国青少年创客教育联盟于2015年5月18日在温州市实验中学宣告成立,越来越多的创客空间在中小学中建立起来,全国范围内的创客教育研究与实践正呈现出规模化发展态势。据此,通过研究、梳理创客空间的概念、历史与发展脉络,研究现有创客空间的结构与功能,发现其间存在的问题并寻找解决思路,在当下具有重要意义。

(2)STEAM教育

教育部在二零一五年九月份发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》中提出,“有条件的地区要积极探索新技术手段在教学过程中的日常应用,探索STEAM教育、创客教育等新教育模式,使学生有较强的信息认识与创新意识,养成数字化学习习惯”。STEAM是五个单词的缩写:Science(科学), Technology(技术), Egineering(工程), Arts(艺术), Maths(数学)。STEAM是美国政府提出的教育倡议,即加强美国K12关于科学、技术、工程、艺术以及数学的教育。

(3)创客与STEAM融合

创客教育与STEAM教育的融合,使得信息技术课堂不再局限于对操作系统和多媒体软件的使用,APPInventor、Scratch、机器人、3D打印技术等技术引入到中小学的课堂,越来越多的中小学生通过老师的引导和启发,动脑动手创造出具有创意的作品。STEAM教育与创客教育的相遇将更全面的推动培养学生创新能力的进程。虽然STEAM教育在欧美国家广泛应用,但是创客理念的加入,建立了学生与现实生活之间的连接,同时也弥补了工程教育方面的不足。在美国,60多所高校已经陆续在校园里开设了创客空间。为促进创客运动在教育界的发展,斯坦福大学还设立了创客教育研究学术奖学金,以激励广大教育者去发掘创客运动在不同教育领域的应用。

1.3.VR+创客空间教育

随着移动互联网技术、人工智能技术的发展,推动了VR虚拟现实技术在工

业、医疗、教育、军事等多个领域的应用,沉浸式虚拟现实设备因实用便携、最能展现虚拟现实效果而成为未来主要的发展趋势,由于沉浸式交互技术、VR外设硬件技术的不断突破,VR技术也逐步朝着完整成熟的产业化方向发展。

(1)接轨STEAM教育的趋势需求

K12教育理念未来将趋向STEAM的结构化发展,即Science-科学、Technology-技术、Engineering-工程、Arts-艺术、Mathematics-数学。国际上普遍的观点认为:任何国家在21世纪要保持它的技术优势,首先需保证具有技能资格人才资源的丰富储备,未来的工作者需要熟练地运用数学、科学、技术,以便于高新技术爆发式增长的领域不会出现人才短缺。而VR+创客空间教育完全契合在科学、技术、工程、数学等学科上的应用优势,其可沉浸的呈现方式、强交互的实践可行性、可发挥自适应性等,尤其适合STEAM课题的设计与创新。

(2)打通虚实空间实现无缝化按需学习

虚实融合的创客空间,可以为学习者提供适时、适地、适当的学习服务,实现无缝化按需学习(Seamless Learning)。创客空间实践的无缝化体现在时间、空间、方式三个维度:时间上,实现常规课程内实践和课外实践相融合,同步交流和异步交流相结合;空间上,实现跨越虚实空间的学习,真实世界和虚拟世界融合;方式上,实现正式学习和非正式学习的融合,多种教学法和教学活动的结合。

(3)跨校跨区域整合创客教育资源,促进教育均衡

虚实融合的创客空间中,经过实践积累形成的学习项目方案、项目背景知识

学习资源,有很高的可复用性,可直接复用,也可为后续实践提供案例参照。由此扩大虚拟空间的开放性,便可打破信息孤岛,促进不同地区、不同发展水平、不同实践条件的创客教育实践学校,共享虚拟空间中的数字资源和实体空间中的物理硬件资源,实现虚拟、实体创客空间跨学校、跨区域的共建共享,促进创客教育资源的协调均衡化发展。

第2章.现状与需求分析

2.1.创客空间发展现状

2.1.1.发展现状

全球知名的创客空间有诸如c-base e.V.、Metalab、TechShop、Fab Lab等等。经过多年的发展,国内外已经把创客空间这个模式推到了一个比较成熟的历史阶段,并对科技创新产生了深远的影响。此后,创客的概念被引入中国,也逐渐诞生了类似的场所。国内第一个创客空间是2010年诞生于上海的新车间,类似的还有北京创客空间、深圳柴火空间、杭州洋葱胶囊等等。

根据全球创客空间维基站点统计,截止到2015年5月,在其网站注册的创客空间有21家,分布于北京、上海、深圳、南京、杭州、成都、广州、东莞、香港和武汉。国内目前实际正式运行的创客空间总共有53家,辐射区域覆盖了华北、长三角、珠三角、华中、西部地区和东北地区。各地还不断出现新的创客空间。不同地域的创客社群,显现出差异化的定位和发展方向。受到各地产业结构与社会文化差异的影响,这些创客组织在聚集参与者,进行项目开发的过程中各具优势:华北地区有充足的原材料供给,政府定向支持,工程类高校众多,拥有庞大的目标人群基础,资本密集。长三角地区的长项在于开源硬件企业在资金和技术上的支持,工程、艺术类高校云集,国际化程度高。珠三角地区更贴近机电产品的上游原材料供应链,政府定向支持,互联网企业众多,信息化人才聚集。

2.1.2.业务形态与发展模式

第一层面是“北上广深”等特大型城市的创客空间。这些城市科研力量强、经济发达,信息技术、智能化制造加工配套能力强,政府支持力度较大,创客活动也比较活跃。

第二层面是科技基础较好的中心城市的创客空间。如西安、杭州、武汉、成都、厦门等地的创客空间开始起步。但由于这些产业基础以及科技服务限制,创客空间缺乏较系统发展计划、政策资金以及产业配套支持,发展相对滞后。

第三层面是依托高校以及科技园区形成的创客空间。如杭州洋葱胶囊等。高校、科技园区内科研资源条件较好,能发挥教师、学生专业和兴趣特长,引发了高校创客空间的萌动和发展。

2.1.

3.未来发展趋势

随着互联网和信息技术的发展,创客活动逐渐从个体或小群体自组织的行为发展成为大群体经缜密组织开展的系统化产品创作过程。创客们不满足于“独乐乐”,将创作出的产品推向细分的长尾消费市场,最终“独乐乐”变成了“众乐乐”,业余爱好也变成了“副创业”。创客项目产业逐渐形成规模,围绕创客空间出现了为项目提供资金支持的项目孵化器、众筹平台,以及专门为用户提供开源硬件资源的硬件提供商。以创客空间为中心的创客生态圈由此形成,创客运动进入生态化发展的阶段。

图以创客空间为核心的创客生态圈

2.2.创客空间的学习活动分析

现有的发生在创客空间中的学习活动主要分为四种范型。

常态化课程教学(routine course)

创客教育中的常态化教学活动,与以学科知识为中心、以说理灌输为主要方法的传统教学过程不尽相同,更多以项目学习为主要方法,以“做中学”为主要实践模式,具体包括三类子活动:

1)基础技能学习与训练:入门知识的学习和技能训练,如游标卡尺刻度的基础知识、锯床的使用流程等,该部分会用到少量传统的基于知识的教学方法,但更多使用项目学习的教学方法,将技能训练融入具体情境的入门任务中。

2)模仿型项目实施:辛普森(simpson,1972)提出动作技能的七种分类,强调复杂动作技能学习在早期阶段,包括模仿和尝试错误,创客创新的过程也以模仿作为起步。常态课程在初期阶段会设置一部分由教师设计的给定目标与操作流程的模仿型学习项目,如《声控灯光电路设计》等供学习者操练。

3)创新型项目实施:在学习者已掌握基本的创造技能后,开始为他们设置大致范围但不给定具体题目的任务,如提供“智能家居”主题,让学习者从主题

构思起步,协作完成全部创造过程。常态化的课程教学是教育创客空间中最主要的学习活动,现阶段的实践已形成一些较有特色的校本课程,如温州中学的《Arduino 创意机器人》。

●创客工作坊(workshop)

包括邀请创客前辈、特定专业领域的专家举办讨论会,通过讨论、答疑等,为学习者提供专业的解答、建议与指导,甚至带领大家制作作品。从情境认知视角看,工作坊起到为学习者搭建从“边缘参与”走向“中心参与”的桥梁作用,让学习者在具体的领域里在专家指导下从业余走向专业。与常态课程中的教师指导的创新型项目的学习活动相比,创客工作坊由于在具体专业领域更加深入,因此是更高级的创客项目学习活动。Intel“Project Bridge”是个很好的示范案例,职业桥梁工程师在学习者困惑时,适时提供比教师更专业的指导和建议,促成学习者解决难题,最终构造出承重结构最好的桥梁。

●挑战赛(Challenge Game)

创客挑战赛带有游戏、竞赛的性质,常见的挑战赛有三种:

1)给定主题竞赛:与常态课程中的模仿型项目原理相近,要求小组完成同样的题目,如“基于METAS设计调速风车”,评价主要依据项目完成时间、功能实现程度等指标。

2)给定范围竞赛:与常态课程中的创新型项目原理相近,要求小组完成一类项目,具体题材和实现方式不限,如设计“智能可穿戴设备”,评价主要依据项目的完成时间、成本、效率等指标。

3)创客马拉松:不同专业背景的学习者聚在一起,在规定时间内(如48小时),完成从不认识到组队、头脑风暴形成创意、设计与制造、陈述与展示项目的全过程,评价主要依据项目的完善程度。创客马拉松也有破冰游戏(Ice Breakers)的意味,是三种竞赛活动中难度和趣味性最高的一种,也是面向社会的创客空间中最常见的一类竞赛。2015年深圳制汇节和中美青年创客大赛均设有类似竞赛单元。

●体验营(ExpoCamp)

体验营活动以教育创客空间为展示平台,一方面将学生创意制品与学生家长、社会人士分享,展示教育成就;另一方面,邀请学生家长、社会人士在学生的指导下体验简单的创客项目的创作过程。它带有展示和扩大创客教育影响范围、传播众创文化的意味,也是学校与社区、社会互动的手段。同时,由学生策划体验营活动、指导具体的体验项目对其创客素养的培育与学习动机的提升都有积极意义。面向社会的创客空间如新车间、柴火等每周都设有体验营(开放日)活动,创客教育中的体验营主要以校园文化节活动为主。

2.3.存在的问题与局限性

基于前述研究可发现,创客空间的学习过程,虽与传统的以学科知识为中心、以说理灌输为主要方法的教学过程不尽相同,但在具体学习活动中也有不少相似之处,比如都需要基础知识的学习,小组间的学习讨论与协作,学习任务的领取与职能分工,专家的答疑解惑等。反观实践中与传统课堂处在相同位置的创客空间,还普遍实行由单一的实体空间支撑全部的学习活动,效率较低,且不能适应学习者对创客教育实践质量越来越高的需求。

来的中国创客来自于校园,特别是中小学校。抓好基础教育,才是抓住了众

创空间发展的主要矛盾。多年来,我国大多数中小学校都增加了科技信息课程,产生了积极的效果,但距离西方高水平科技教育、培育复合应用型科技人才的目标还有一定距离。具体表现在:

(1)创客教育缺乏健全的教学设计模式。创客教学活动的设计和实施步骤不够精确,教学资源与教材还不够丰富与完善,将创客思想融入 STEAM 教育的教学理论和实际案例还比较缺乏。

(2)教育创客人才缺乏。创客教育不同于传统教育,教师与学生的关系较以往有所不同。随着人工智能、物联网技术的飞速发展,需要教师不但在教学方法方面加以重新认识和转变,而且要掌握更多领域的知识和技能。

(3)创客空间入校比例较低。中小学校和社会上的创客空间的根本目的不同,对空间大小、设备、管理机制等的需求存在区别。与国外相比,虽然深圳柴火创客空间、北京创客空间、上海新车间等社会上的创客空间已有非常好的发展,但是我国中小学校内,创客空间入校率还比较低,建设机制并不健全。

(4)传统课堂班额受限。在美国,创客教育的课堂人数往往只有十几个人,而在我国,若要普及这一教育,班额存在现实难题。在几十人拥挤的课堂上,老师很难对每个学生给予适当的关注和指导,创新活动在一定程度上会因为学生缺乏引导、缺乏自信、缺乏分享而受限,创客教育的目标将会难以实现。

(5)资源不足。创客空间需要一定的工程素材和加工、活动空间,作为教育用的计算机教室或实验室,还需要一定的教学设施,如工作台、学生作品展览储存、分享的空间,教材和教学资源,这让很多学校止步于高额的资金投入和场地规划。

第3章.华渔教育的VR实验室

3.1.VR实验室概述

101VR实验室是全国第一间真正将VR技术与课中教学深度结合的VR实验室。101VR实验室以培养学生创新精神和动手能力为重点,将沉浸式虚拟现实技术(VR)与STEAM教育、创客教育相融合,以101VR人生编辑器为基础,依托云端海量3D教育资源素材库,为学生提供自由发挥的空间,把学生转变为创造者。

101VR实验室是一个具有加工车间、工作室功能的开放的实验室,101VR课堂教学能与原有的交互白板教室、电脑室、智慧教室兼容衔接,与其它各种信息化教学模式并驾齐驱。创客们在实验室里共享资源和知识,来实现他们的想法。从2007年起,全球各地共建立了超过2000多个创客空间。这些创客空间的建立,有效的满足了有创新想法并且爱好动手的学生的需求,便于引导学生从消费者转变为创造者。

3.2.VR实验室设计

3.2.1.VR实验室定位

101VR实验室以培养学生创新精神、探究能力、生存能力、反应能力、抗压能力等综合能力为重点,将沉浸式虚拟现实技术(VR)与STEAM教育、创客教育相融合,训练学生的综合能力。

101VR实验室,以学生为主体,把学生转变为创造者。让学生自己动手设计,像设计师一样预先思考可能遇到的问题,培养学生的创新思维能力并能迅速得以实现,契合学生好奇心,释放学生想象力、创造性,拓展学生视野。让学生自己动手组装,激发学生的学习兴趣、好奇心与求知欲,锻炼了动手能力,变被动学习为主动探究。让学生自己动手探究,培养学生提出问题、研究问题、解决问题的能力。

3.2.2.VR实验室组成

101VR实验室解决方案将沉浸式虚拟现实技术(VR)与素质教学相融合,以优质教学资源为核心,集终端、应用系统、平台、内容于一体,为学生创设接近真实的学习环境,将虚拟动画与实景空间相结合并且结合学生自主动手创造能力,将抽象概念具象化,为学习者打造高度开放、可交互、沉浸式的三维学习环境。VR实验室解决方案由101VR实验室环境布局、硬件终端、管理软件、创客空间资源、创客课程组成。

?VR硬件设备:PC+VR头戴显示设备、VR设备管理终端、3D打印机、网络设备;

?VR软件平台:教育云平台、101VR人生编辑器;

?VR创客教育资源:3D教育素材、101VR创客教程。

3.2.3.VR创客教学模式

VR的技术特点为探究式学习理念提供了各种创新的可能。101VR实验室在学生探究学习上具有更强的指向性、实践性、参与性和开放性。在VR交互技术上,让学生通过自身探索能够掌握解决问题的方法,最终完成探究学习“教师引导,启发思维;初步探究,动手制作;触发想象,激情创作;预览检查,效果完善;作品分享,亲临体验”的全过程,在制作的过程中建构起关于科学、技术、工程、艺术和数学的知识。

3.2.

4.教室装修布局

3.3.教学应用设计

VR技术+教育的深度结合,为师生提供了“构想性、可沉浸、强交互”的独特教学模式。本章节提供了一套101VR实验室常用教学流程,以及VR与多学科教学的情景设计,展现了VR课堂的独特魅力,使各个学阶的学习者都能融入到虚拟现实环境下,更激发学生的扩散思维,引导学生主动创新,解决问题,增强动手能力,提供综合素质的全面发展。

3.3.1.应用设计

101VR实验室的目的是提高学生的动手能力,所以需要的硬件、软件资源比较多,对于实验室是有特定的要求。101VR实验室在教学形式上采用翻转课堂的形式可以提高学生的学习兴趣。101VR实验室包含STEAM的学科整合,采用慕课方式组织课程可以大大提高资源的共享,也有利于学生进行在线交流,成果共享。

与传统的创客空间、实验室相比,本方案中通过VR硬件设备与VR编辑器等软件的配合使用,更注重前期动手设计阶段。在101VR人生编辑器中,提供涵盖多学科的海量创客资源,基于此学生可以进行多样化设计,其设计成果还可基于VR设备进行多角度、多方位展示。

整体应用设计如下图所示:

?在创意、设计阶段,基于VR资源开展项目设计,融合STEAM多学科。其VR资源可涵盖目前市面上多学科、多学段的创客课程,依托云端海量

3D教育资源素材库,为学生提供自由发挥的空间,把学生转变为创造

者。

?利用VR编辑器设计的成果,可保存至成果展示分享平台进行分享。

?学生利用自身的VR头戴显示设备机可体验已有的创新产品、创作设计,并支持在优秀产品上进行编辑。

?基于设计的成果,可利用3D打印机、激光切割、小型机床等设备进行

制作和输出。

图 101VR实验室应用设计

第16页

3.3.2.教学流程

101VR实验室可与学校原有的传统教室、多媒体教室、智慧教室完全兼容,从教学方式上是“互补”关系而非“代替”关系,针对课堂中不同学科、不同类型的知识点,为教师提供更先进的、适合的、多元化的呈现方式。

(1)课前准备

(2)课中设计与制作

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