教育装备新技术发展报告

本书是以教育装备研究与发展中心（以下简称装备中心）2020年度基本科研业务费专项资金资助重点课题《新技术在教育装备应用的趋势研究》（课题编号：KZD202009）为基础，通过广泛调研、专家评议等编写而成的。
2020年，装备中心工作要点中提到“扎实开展新材料、新工艺、新技术、新装备研究”，并提出了具体的目标任务，即通过调查研究，初步摸清适用于教育装备研发、设计、制造的新材料、新工艺、新技术以及适用于教育教学的新装备，为教育行政制定政策和相关标准的制（修）订提供依据与参考。装备中心持续关注国内外的新技术发展动态，重点研究技术、装备、课程与教学的有效融合，广泛调研，摸清了现有新技术装备的教育适用性，立足教育事业和装备行业发展，形成了新的工作思路和机制，为装备中心的发展和相关司、局的战略部署提供了技术支撑。装备中心加强关注新技术应用于教育装备后的教育适用性问题，为新技术进入教育装备进行有效探索，力争使其支撑教育教学效益最大化。
本课题的目的是为政府部门决策提供依据，为企业开发设计提供参考，为学校采购提供支持，为用于教育装备采购经费的使用效益提供帮助。
课题组在广泛调研和专家论证的基础上，确定教育装备新技术的内涵为：①原始创新技术；②引进消化再创新的技术；③在教育装备行业范围内具有先进性、新颖性和适用性，能够为教学提供保障的技术；④能够改造传统教育装备提升性能和质量的技术。
本书由以教育装备新技术内涵为基础筛选出边缘计算、人工智能实验教学、虚拟现实技术、3D 打印技术、新型显示技术和开源软硬件六章构成，分别从历史与现状综述、典型应用案例、育人价值分析、未来发展与展望等方面进行论述。第1章主要讲解边缘计算。用新型学习空间建设、智慧校园建设、教育数据中心建设、“互联网 教育”平台应用、校际合作和集团化办学五类场景介绍边缘计算在教育领域的典型应用。第2章主要讲解人工智能实验教学。对人工智能实验教学的育人目标与价值、人工智能实验教学解决方案和人工智能实验教学实施规划等方面进行了论证。第3章主要讲解虚拟现实技术。用“5G云VR”智慧教育、虚拟现实综合教室、沉浸式高新视频文创实训室、超高清数字内容创作实验室应用于教育领域的案例来介绍虚拟现实技术的典型应用。第4章主要讲解3D打印技术。用3D打印学科融入型课程案例、3D打印特色教学实践案例、3D打印项目式教学课程案例与分析、3D打印相关赛事案例和中小学3D打印教室建设参考方案介绍3D打印技术在教育领域的典型应用。第5章主要讲解新型显示技术。用三屏智慧黑板（防眩光）、移动学习平板电脑和VR眼镜方面应用于教育领域的案例来介绍新型显示技术的典型应用。第6章主要讲解开源软硬件。介绍了中国特色开源软硬件的需求来自一线教学，其具有鲜明的“教学应用”特征，并对其开放性、技术前瞻性和自主可控性进行了论述。本书力争形成对整个行业的健康发展有所帮助。
本课题在研究过程中得到了英特尔（中国）有限公司、北京宏达威爱科技有限公司、上海智位机器人股份有限公司、威盛电子（中国）有限公司、北京太尔时代科技有限公司、TCL电子控股有限公司、深圳市教育信息技术中心、深圳市教育装备行业协会和汪琼、丁书林、李冬梅、王宁、吴俊杰、张仲华等专家的大力支持，在此一并表示感谢。
本书所涉及的问题和观点并不都是完全成熟的，还需要在教育装备的应用过程中实践检验，但我们的出发点是促进新技术与教育装备更好地结合，为教育教学提供支撑，为教育资源的均衡化提供技术保障，对教育装备的配备和使用提供一定的借鉴意义。因水平有限，难免会出现不妥与错误之处，希望读者对本书给予指正。
编 者
2022年1月

《教育装备新技术发展报告》包含边缘计算、人工智能实验教学、虚拟现实技术、3D 打印技术、新型显示技术、开源软硬件六章模块，分别从历史与现状综述、典型应用案例、育人价值分析、未来发展与展望等方面进行论述。扎实开展新材料、新工艺、新技术、新装备研究。通过调查研究，初步摸清了适用于教育装备研发、设计、制造的新材料、新工艺、新技术以及适用于教育教学的新装备，目的是为政府部门决策提供依据，为企业开发设计提供参考，为学校采购提供支持，为用于教育装备采购经费的使用效益提供帮助。

李红印,大连工学院电子工程系无线电专业毕业，现任教育装备研究与发展中心新技术处处长，高级工程师。主要从事教育装备产品质量检测、标准化和信息化教育装备的研究工作。长期担任教学仪器标准化技术委员会委员，撰写过《关于数字化教学实验系统的一点思考》《信息技术课程与实验教学整合初探》《以标准化建设推进数字化教育装备的科学发展》等论文。

1.1 历史与现状综述 001
1.1.1 什么是边缘计算 001
1.1.2 边缘计算的发展历史 003
1.1.3 边缘计算与教育新基建 004
1.2 典型应用案例 004
1.2.1 新型学习空间建设 004
1.2.2 智慧校园建设 007
1.2.3 教育数据中心建设 008
1.2.4 “互联网 教育”平台应用 009
1.2.5 校际合作和集团化办学 009
1.3 边缘计算技术优势 010
1.3.1 强化教育新基建网络基础，保障智慧教育高质量运行 010
1.3.2 提高信息化系统部署的灵活度和性价比，实现集约高效发展 010
1.3.3 提升教育数据安全性和隐私性，防范伦理与社会问题 011
1.4 发展过程中可能存在的问题及解决办法 011
1.4.1 边缘侧的数据安全问题 011
1.4.2 设备选型和运行维护问题 012
1.4.3 新产生的教育不公平问题 012
1.5 未来发展与展望 013
1.5.1 “云—边”协同模式将成为新的解决途径 013
1.5.2 “云—边”协同模式将进一步提升教育智能化程度 013
1.5.3 边缘计算将成为教育服务的重要组成部分 014
1.5.4 边缘计算与其他新技术将进一步深入融合 014

2.1 人工智能实验教学育人目标 016
2.1.1 人工智能教育政策背景 016
2.1.2 人工智能实验教学的意义 016
2.2 人工智能实验教学育人价值 017
2.2.1 道德、论理和责任的素养 018
2.2.2 选择和使用人工智能工具的素养 018
2.2.3 系统思维的素养 018
2.3 人工智能实验教学解决方案 018
2.3.1 普通高中教育实验教学解决方案和应用 019
2.3.2 义务教育阶段解决方案和应用 025
2.3.3 人工智能实验教学环境 028
2.4 区域推进人工智能实验教学实施规划 031
2.4.1 项目规划与目标 031
2.4.2 课程建设与师资培训 032
2.4.3 实验室与课程建设配套规划 034
2.4.4 普通高中人工智能实验室装备方案 038
2.4.5 义务教育人工智能实验室装备方案 042
2.5 人工智能学科教学展望 045

3.1 历史与现状综述 046
3.1.1 虚拟现实技术简史 046
3.1.2 虚拟现实技术与教育 049
3.2 典型应用案例 051
3.2.1 “5G云VR”智慧教育解决方案 051
3.2.2 虚拟现实综合教室解决方案 051
3.2.3 沉浸式高新视频文创实训室 053
3.2.4 超高清数字内容创作实验室 054
3.3 育人价值分析 054
3.3.1 辅助理论教学 055
3.3.2 推动实验教学 056
3.4 未来发展与展望 057
3.4.1 建立健全虚拟现实产业生态 057
3.4.2 推进虚拟现实教育行业标准的制定 058
3.4.3 以赛事和活动带动示范校建设 058
3.4.4 统筹“政用产学研”协同并进 058

4.1 历史与现状综述 059
4.1.1 3D打印技术的起源 059
4.1.2 3D打印技术与模型设计 061
4.1.3 3D打印技术的意义 062
4.1.4 推进3D打印教学应用的必要性 063
4.1.5 3D打印技术在教育领域的应用趋势 064
4.1.6 3D打印技术软硬件开发案例 065
4.2 典型应用案例 070
4.2.1 3D打印学科融入型课程案例 070
4.2.2 3D打印特色教学实践案例 072
4.2.3 3D打印项目式教学课程案例与分析 075
4.2.4 3D打印相关赛事案例 076
4.2.5 中小学3D打印教室建设参考方案 077
4.3 育人价值分析 080
4.3.1 培养学生动手实践能力 080
4.3.2 培养学生互助协作能力 081
4.3.3 培养学生跨学科思维能力 081
4.3.4 创新创造能力 081
4.4 未来发展与展望 081
4.4.1 与先进教育理念同行 081
4.4.2 以产品为导向的教学形式 082

5.1 历史与现状综述 083
5.1.1 显示技术的发展简史 083
5.1.2 显示技术与教育 084
5.1.3 电子显示设备的弊端 086
5.1.4 国家层面采取的措施及目标 087
5.1.5 评判机构的发展 088
5.2 典型应用案例 090
5.2.1 三屏智慧黑板（防眩光） 090
5.2.2 移动学习平板电脑 091
5.2.3 VR眼镜 094
5.3 育人价值分析 096
5.3.1 培养科学健康用眼习惯 096
5.3.2 丰富学生的学习体验 097
5.3.3 在线优质教育资源均衡化 097
5.4 未来发展与展望 098
5.4.1 护眼与显示技术的发展 098
5.4.2 类纸屏护眼技术的发展 099
5.4.3 护眼效果评判体系的发展 099

6.1 历史与现状综述 100
6.1.1 开源软硬件的起源 100
6.1.2 开源软硬件的现状 101
6.2 中国特色开源软硬件 103
6.2.1 构建中国特色开源软硬件的必要性 103
6.2.2 中国特色开源软硬件的特征 104
6.2.3 中国特色开源软件 105
6.2.4 中国特色开源硬件 108
6.2.5 中国特色开源软硬件支撑国家及地方教材 110
6.2.6 中国特色开源软硬件教学成果 111
6.2.7 基于中国特色开源软硬件的活动与赛事 115
6.2.8 基于中国特色开源软硬件的实验室建设 116
6.2.9 开源社区与开源生态营造 120
6.3 育人价值分析 122
6.3.1 动手实践能力 122
6.3.2 协同共享能力 122
6.3.3 跨学科思维能力 122
6.3.4 创新创造能力 122
6.4 未来发展与展望 123
6.4.1 加快建设中国特色开源软硬件生态环境 123
6.4.2 推进中国特色开源硬件标准化工作 123

本书基于教育装备新技术最新调查研究，可以为政府部门决策提供依据，为企业开发设计提供参考，为学校采购提供支持，为用于教育装备采购经费的使用效益提供帮助。