（教育技术学专业论文）关于web3d在学科教学中的应用研究.pdf

四川师范大学硕士学位论文y 7 ! $ 7 1 5 关于w e b 3 d 在学科教学中的应用研究 教育技术学专业 研究生何建指导黄河明教授 现代学习理论强调学习的过程是人与环 境相互作用的过程， 知识必须基于 真实的学习 情景呈 现。虚拟现实技术是继多 媒体技术、网 络技术之后又一门 崭 新的技术， 在为学习者创建仿真的学习 情景方面有 着不可替代的积极作用。 虚拟现实技术按沉浸程度不同分为四种类型， 其中桌面虚拟现实技术以其 开发成本低、应用平台普及、效果显著更具有在广泛学科教学中推广应用的优 势。其中，桌面虚拟现实技术主要就是指w e b 3 d 技术，它包括两种类型:一是 丛于几何 模型的实时建模与动态显示 技术，另一个是基于图像的实时建模与动 态显示技术。w e b 3 d 技术中的v r m l , c u 1 l 3 d , q t v r 因其功能强大、 应用简单、 效果突出、资源丰富， 正逐渐被教育界关注，为在学科教学中 推广 使用 虚拟现 实技术创造 了条件。 本文前半部分主要从 e - l e a r n i n g 的现状出发， 阐明了把虚拟现实技术引入 学科教学的积极意义。 然后， 分析了 当今几种主流的学习 理论 即建构主义学 习理论和情境认知学习 理论) ， 剖析 其基本 观点、 典型教学方法， 并以 此作为本 文研究的理论依据。在介绍虚拟现实技术荃本概念的基础上，本文对比研究了 当 前儿利 ， 主流w e b 3 d 技术， 重点分析了q t v r , l r m l , c u l t 3 d 的 技术特征、 开发 系统、教学应用案例等，提出了把它们在学科教学推广使用中的荃本思路。 本文后半部分以自行开发的 现代教学媒体三维仿真虚拟教学系统为例， 从技术的 角度详细介绍了 在学科教学中应用v r m l , c u l t 3 d , q 丁 v r 进行教学资 源 开 发和学习 情景 创建的 具体 过程和实 现手段，提出 了 在学科教学中 应用 w e b 3 d 的少 l 点看法。 四川师范大学硕 : 学位论文 关键字:w e b 3 d , v r m l , q t v r , c u l t 3 d ，桌面虚拟现实 四少 ! 师范大学硕 十 学位论文 a p p l i c a t i o n s t u d y o f w e b 3 di ns u b j e c t t e a c h i n g m a j o r :m o d e r n e d u c a t i o n t e c h n o l o g y g r a d u a t e s t u d e n t : h e j i a n s u p e r v i s o r : h u a n g h e - m i n g m o d e r n e d u c a t i o n t h e o r y e m p h a s i z e s t h a t l e a r n i n g p r o c e s s i s t h e i n t e r a c t i o n p r o c e s s b e t w e e n h u m a n a n d e n v i r o n m e n t a n d k n o w l e d g e s h o u l d b e b a s e d o n t h e p r e s e n t a t i o n o f r e a l l e a r n i n g c o n d i t i o n s . v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y i s a t o t a l l y n e w t e c h n o l o g y t h a t s u c c e e d s m u l t i m e d i a a n d n e t w o r k t e c h n o l o g y a n d i t p l a y s a n a c t i v e . a n d n e c e s s a r y r o l l i n p r o v i d i n g a n e m u l a t e d l e a r n i n g e n v i r o n m e n t f o r l e a r n e r s . v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y i s c l a s s i f i e d i n t o f o u r t y p e s a c c o r d i n g t o i m m e r s i o n d e g r e e , a n d d e s k t o p v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y h a s i t s a d v a n t a g e s f o r i t s l o w d e v e l o p c o s t , w i d e l y u s e d a p p l i c a t i o n p l a t f o r m a n d o b v i o u s e f f e c t . d e s k t o p v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y m a i n l y m e a n s w e b 3 d t e c h n o l o g y a n d i t i n c l u d e s t w o t y p e s : o n e i s s y n c h r o n o u s m o d e l c r e a t i o n a n d d y n a m i c d i s p l a y t e c h n o l o g y b a s e d o n g e o m e t r y m o d e l , t h e o t h e r i s s y n c h r o n o u s m o d e l c r e a t i o n a n d d y n a m i c d i s p l a y t e c h n o l o g y b a s e d o n i m a g e . v r m l , c u l t 3 d a n d q t v r o f w e b 3 d t e c h n o l o g y i s b e i n g p a i d m o r e a n d m o r e a t t e n t i o n b y e d u c a t i o n f i e l d f o r i t s p o w e r f u l f u n c t i o n , e a s y a p p l i c a t i o n , p r o m i n e n t e f f e c t a n d p l e n t i f u l r e s o u r c e a n d t h e y p r o v i d e e n v i r o n m e n t f o r p o p u l a r i z i n g v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y i n s u b j e c t t e a c h i n g t h e f i r s t h a l f o f t h e a r t i c l e b e g i n s w i t h e - l e a r n i n g . i t e x p l a i n s t h e a c t i v e e f f e c t o f i m p o r t i n g v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y i n t o s u b j e c t 四川师范大学硕士学位论文 t e a c h i n g . t h e n , s e v e r a l m a i n s t r e a m l e a r n i n g t h e o r i e s ( i n c l u d i n g c o n s t r u c t i v i s m l e a r n i n g t h e o r y a n d c i r c u m s t a n c e s c o g n i t i o n l e a r n i n g t h e o r y ) a r e a n a l y z e d . a n d i t s b a s i c p e r s p e c t i v e a n d t y p i c a l t e a c h i n g m e t h o d s a r e a n a l y z e d a n d i t s e r v e s a s t h e t h e o r e t i c f o u n d a t i o n . b a s e d o n i n t r o d u c i n g v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y , t h e a r t i c l e c o m p a r e d s e v e r a l m a i n s t r e a m w e b 3 d t e c h n o l o g i e s , a n a l y z e d t e c h n o l o g y f e a t u r e , d e v e l o p s y s t e m a n d t e a c h i n g a p p l i c a t i o n c a s e , e t c o f q t v r , v r m l a n d c u l t 3 d a n d p u t f o r w a r d t h e b a s i c t r a i n o f t h o u g h t o f p o p u l a r i z i n g t h e m i n s u b j e c t t e a c h i n g . t h e s e c o n d h a l f o f t h e a r t i c l ei l l u s t r a t e d m o d e r n t e a c h i n g m e d i a t h r e e - d i m e n s i o n s i m u l a t i o n v i r t u a l t e a c h i n g s y s t e m d e v e l o p e d b y m y s e l f , f r o m t h e v i e w o f t e c h n o l o g y , t h e a u t h o r i n t r o d u c e d a p p l y i n g v r m l , c u l t 3 d a n d q t v r t o d e v e l o p t e a c h i n g r e s o u r c e s i n s u b j e c t t e a c h i n g a n d t h e c o n c r e t e p r o c e s s a n d r e a l i z i n g m e a n s t o c r e a t e l e a r n i n g c i r c u m s t a n c e s i n d e t a i l . a n d s o m e p e r s p e c t i v e s o f a p p l y i n g w e b 3 d t o s u b j e c t t e a c h i n g a r e a l s o p r e s e n t e d . k e y w o r d s : w e b 3 d , v r m l , q t v r , c u l t 3 d , d e s k t o p v i r t u a l r e a l i t y 四川师范大学硕士学位论文 第1 章引言 1 . 1问题的提出 2 1 世纪是人类全面进入信息化社会的世纪。 “ 信息爆炸” 、知识更新的周期 愈来愈短，成为这一时代的显著特征之一。在教育方面，如何培养德智体全面 发展、具有高度创新能力和很强信息能力 ( 包括信息获取能力、分析能力与加 工能力)的新型人才，如何帮助学习者学会学习的方法使之具有自我获取知识 与更新知识的 能力并 确保有较高的教学 质量和教学 效率以便与 “ 信息爆炸” 和 知识迅速更新换代的 发展 趋势相适应，成为 教育不得不考虑的问题。 f 多 媒体 技术、网 络技术、 虚拟现实技术的 兴起使得人们找到了 应对这一问 题的 最佳方案， 这就是e - l e a rn i n g . e - l e a rn i n g 翻译成中 文就是 数字化 学习， 指 通过计 算机网 络或其 他数字 化内 容进行学习与 教学的活动。它充分利用现代信 息技术 提供的、具有全新沟 通机制与丰富资 源的学习环境，实现一种全新的学 习方式。 这种学习方 式将改 变传统教学中教 师的 作用和师生之间的关系，从而 根 本 改 变教 学结 构 和 教 育本 质。 121 e - l e a rn i n g 的目 标就是要普遍 提高年轻一代的 “ 2 1世纪能力素质” 1 3 1美 国教育技术 c e o论坛第4 年度 ( 2 0 0 1 ) 的报告明确指出， 2 1 世纪的能力素质 ” 应包括以下5个方面: 1 . 基本学习技能; 2 ， 信息素养; 3 .创新思维能力; 4 . 人际交往与合作精神; 5 ，实践能力。 美国教育技术c e o论坛第3 年度 ( 2 0 0 的 的 报告指出: “ 数字化学习的关 键是将数字化内容整合的范围日 益增加，直至整合于全课程， 并应用于课堂教 学。当具有明确教育目 标且训练 有素的教师把具有动态性质的数字内 容运用于 教学的时候， 它将提高学生探索与 研究的水平，从而有可能达到数字化学习的 目 标。 ， 为了创 造生动的数 字化学习 环境. 培养2 1 世纪的能力素质， 学校必 须将数字化内 容与各学科课程相整 合，以 便提高 学生的学习 质量与 效率。 ”1 4 1 这段话揭示，将数字化内容与学科课程相整合就是达到 e - l e a rni n g目标的具体 四川师范大学硕 十 学位论文 途径。 目 前，世界各国关于e - l e a rn i n g 的理论研究和实践探索正 如火如茶 地流行 开来。我国教育界也有为数不少的专家、学者、一线教师在进行这方面的理论 探索和实践尝试，并取得了喜人的成绩。 然而， e - l e a rn i n g毕竟是新生事 物，同 其他任何新生事物一样存在着其发 展过程中面临的诸多挑战，表现在: 第一，缺少e - l e a m i n g 标 准。当 前实现e - l e a m i n g 的内 容资 源、 工具、 解 决方案等层出不穷，但如何将这些资源组织起来实现共享，目 前还缺少这样的 标准。 第二，电子教材的交互性、 适应性差。 许多基于we b的e - l e a rn i n g 教学 系统都是以 静态电子教材为基 础，即电 子教材是印刷教材的电 子形态， 虽然有 些加入超链接、多媒体等，但在教材的内容与结构上是静态的，学习者不能根 据自己 的需要自 主选择满足自 己 要求的电 子教材。 第 三 ， 学 习 环 境 缺 乏 感 知 性、 适 应 性。 初 期 的e - l e a rn in g 学 习 环 境 基 木 上 遵循 h t t p协议，由h t ml及相关扩展技术构造。虽然可以通过各种多媒体、 j a v a等新兴技术进行扩展， 但由于h t ml协议本身的局限和 i n t e rne t 下层构造 的限制，无论从效率、效果等各方面都不尽人意。 第四，网上教学缺少 “ 人气”环境。 学记中言:“ 独学而无友，则孤陋 而寡闻” 。在网络环境中， 学习者面对的是毫无感情的计算机屏幕， 缺乏人与人 之间的感情交流， 学习者的学习是 通过人 一机交互进行的， 即使有人 一人交互， 也缺乏面对面时的那种感觉。教 师与同 学的作用被毫无感 情的计算机所取代， 学生面对的是虚无缥缈的网络空间，这样的环境对学生的学习是不利的，严重 影响了 学生人际交往能力，影响 其学习动力和学习兴趣，同时还带来了 心理、 生理上的诸多负面影响。 第五， 没有完全摆脱“ 灌输式” 教学 方式。 一方面， 教师 将教学内容上网， 很多是教材搬家式的， 把书 本或教案搬上屏幕， 因此这些内 容仍然是“ 灌输式” 的， 仍然是以 教师的教为主的学习方 式， 只不 过从 “ 人灌” 到 “ 机灌” 。 另一方 面，学生的学习 缺少教师合理的引 导和帮助，在网上怎样学、学什么几乎处于 “ 失控”状态。 u 9 川师范大学顿士学位论文 解决问题的思路。笔者认为， 以建构主 义、 情景认知学习 理论为指导，以 虚拟现实技术为手段，创建沉浸式数字化教学环境，提高学习 环境的 可感知性 和协同交互 性，是应对这些问题的一 条有效途径。 1 . 2研究背景 理论上，以建构主义理论、情景认知理论为代表的学习理论给本研究提供 了坚实的理论支持。 建构主义学习理论认为，知识是学习者在一定的情境即社会文化背景下， 借助学习过程中其他人 ( 包括教师和学习伙伴) 的帮助， 利用必要的学习资料， 通过意义建构的方式而获得。建构主义学习理论认为 “ 情境” 、 “ 协作” 、 “ 会话” 和 “ 意义建构”是学习环境中的四大要素。建构主义强调意义建构，认为世界 是可观的，对世界的理解， 对知识的 赋予意义是由 个体决定的， 个体 根据自 己 的知识经验来建构和解释。学习是在一定的情景下发生的，知识只有在一定的 情景下才有意义。学习不是被动的接受信息，而是主动的建构知识的意义。只 有从合适的环 境出发，通过意义联 系， 才能促进知识的获取和建构。 建构主义 强调学生是学习的主体， 反 对 “ 灌 输式” 的教学。强调学习环境的作用， 认为 学习是人与周围环境相互作用的过程，学习环境对学习有重要意义。建构主义 特别强调 “ 协作”式学习环境 在意 义建构中有重要作用，通过竞争、 协同、 建 立伙伴或小组，进行角色扮演等方式可以显著促进学习的进行。 情景认知学习理论认为，知识是指一种活动，而不是一个具体的对象;知 识总是 基于 情境的， 而不是 抽象的; 知识是个体与环境交互过程中建构的， 不 是客观决定的， 也不是主观产生的; 知识是交互的一种状态， 不是事实。 ; 7 3 情 境认知强调， 知识必 须在真实 情境中 呈现，即在以规范方式包含知识的真实场 景和应用中呈现，以激发学习者的认知需要。同时，学习还需要社会性的交互 作用和合作。情境可以是:真实的工作场景:高度的真实，或真实的工作环境 的 “ 虚拟” 的代用品; 一种可仪的 环境， 如: 影像或多媒体程序。引 最 好的学 习方法 是到现实世界 的真实 环境中 去感受、去体 验，而不仅仅聆听别人 ( 如教 师) 先于经验的介绍和讲解. 技术上， 现代计算机技术、 网络 技术、 3 d 技术、虚 拟现实技术 特别是虎 相 t! 9 川师范大学硕_ l 学位论文 现实中 的w e b 3 。 技术为本研究的顺利开展 提供了强大的技术支持. 虚拟现实 ( v i r t u a l r e a l i t y ，简称v r ) ， 又 称临境技术， 是指利用计算机 生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户 “ 投入”到该环境中，实现用 户与该环境直接进行自然交互的技术; v r 技术可以让用户使用人的自然技能对 虚拟世界中的物体进行考察或操作，同时提供视、听、触等多种直观而又自 然 的实时感知。 ， 一个典型的虚拟现实 系统主 要由5 大部分组成: 虚拟世界、 计 算机、 虚拟现实 软件、 输入设备和输出设备。 美国科学家b u r d e a g . 和p h i l i p p e c o i f f e t在 1 9 9 4年世界电子年会上发表的 “ v i r t u a l r e a l i t y s y s t e m s a n d a p p l i c a t i o n s ”一文中揭示了 虚拟现实技术具 有 3个最突出的特征:交互性 ( i n t e r a c t i v i t y ) 、 沉浸感 ( i m m e r s i o n ) 和构想性 ( i m a g i n a t i o n ) 。 普通意 义 上的 虚拟现实 需要大型计算机、 头盔式显示 器、数 据手套、洞穴式投影、密 封 仓等昂 贵设备， 资金不足严重制约 着教育 领域对 虚拟现实的 研究 和应用。随 着 科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样化的发展趋势。根据 “ 沉浸” 程度的高低，可以 划分出四种类型的 虚拟现实系统:b o : 分布式虚拟现实系统 ( d i s t r i b u t e d v r ， 简称d v r ) ，沉浸式 虚拟现实系 统 ( i m m e r s i v e v r ) ， 桌面式 虚拟现实系统 ( d e s k t o p v r ) ， 增强 现实 性的 虚拟现实系统。 其中， 桌面虚拟现 实利用 个人计算机和低级工作站进行仿真， 将计 算机的 屏幕作为 用户 观察虚拟 境界的一 个窗口， 通过各种输入设 备实 现与虚拟现实 世界的充 分交互。 这些外 部设 备包括鼠 标、 追踪球、 力矩球 等。它 要求参与 者使用输入设备， 通过计算 机屏幕观察3 6 0 度范围内的 虚拟境 界，并 操纵其中的 物体。参 与者会由 于受到 周围现实 环境的 干扰而缺少完全的 沉浸， 但成本相对较低， 因 而应用比 较广泛。 常 见的 桌面虚拟现实 技术是一种通 过软件来实 现的互联网 三维图形技术， 比 如， 从 最开 始的v r m l 语言到在此基础上发 展和变化来的w e b 3 d 技术。 正 因为w e b 3 d 的 低成本和易 用性， 使之在教育领 域具有 广阔的 应用前景。 这也是笔者将其作 为研究的主要对象的原因之一。 从e - l e a r n i g 的 现状看，目 前 在技术 层面国内 关注更多的 是多媒体技术、 网 络技术的 应用， 而涉及桌面虚 拟现实 技术在学科教学中 具体应用的则很少( 就 这很少的 一部分也主 要是侧重于v r m l 的 应用) . 笔者在着手研究的整个阶段深 感这方面资料的欠缺， 无论是网上 查询、向出 版社咨 询还是在本地最大的书市 四川师范大学硕士学位论文 找寻，所能得到的资料寥寥无几。这也从一个 侧面反映了目 前国内教育界对 w e b 3 d的关注不够。新兴的技术需要有大量的拓荒者、实践者，本研究希望能 在w e b 3 d 的学科应用研究方面探索出一条便于实践 和推广的行之有效的道路。 1 . 3国内 外研究现状 1 . 3 . 1美国的研究状况 美国是v r技术的发源地。 美国v r研究技术的水平基本上就代表国际v r 发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台 软件和硬件四个方面。 美国宇航局 ( n a s a )的a m e s 实 验室一 直是许多v r技术思想的发源地。 n a s a研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上， 大多数研究是在 n a s a的 约翰 逊空间中心完成的。其中一 项著名的 工作是对哈勃太空望远镜的仿 真。 现 在， n a s a的a m e s 正致力于一 个叫“ 虚拟行星 探索” ( v p e ) 的 试验计 划， 这 一项目 能使“ 虚拟探索者” ( v i r t u a l e x p l o r e r ) 利用虚拟环境来考察遥远的行星， 他们的第一个 目 标是火星。现在n a s a己经建立了航空、卫星维护 v r训练系 统，空间站 v r训练系统，并且己经建立了可供全国使用的 v r教育系统。 北卡罗来纳大学( u n c )的计算机系是进行 v r研究最早最著名的大学。 他 们的 研究主要 在四 个方面: 分子建模、航空驾 驶、外科手术仿真、建筑仿 真 等。 在显示技术上， u n c开发了 一个帮助用户 在复杂 视景中建立实时动态显示 的 并 行 处 理 系 统， 叫 做 像 素飞 机 ( p ix e l p la n e s ) , l o m a l i n d a大学医学中心是一所经常从事高难度或者有争议课题的医 学 研究单位。 d a v i d w a r n e r 博士和他的 研究小 组成功地将计算机图 形及v r的设 备用于探讨与神经疾病相关的问 题。他 们以数 据手套为工具， 将手的运动实时 地在计算机上用图 形表示出 来;他们还 成功地将v r技术应用于受 虐待儿 章的 心理康复之中，并首创了v r儿科治疗法。 麻省理工学院 ( mi t ) 是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。 mi t 原先就是研究人工智能、 机器人和 计算机图 形学及动画的先锋， 这些技术都是 v r技术的基础。1 9 8 5 年m i t 成立了 媒体实 验室， 进行虚拟环境的正规 研究。 这个媒体实验室建立了一个名叫 b o l i o 的测试环境，用于进行不同图形仿真 四川师范大学硕 一 学位论文 技术的实 验。利 用这一 环境， m i t 建 立了一 个虚 拟环境下的对象运动跟 踪动态 系 统。另外，m i t 还在 进行 “ 路 径计划” 与 “ 运动计划” 等研究。 s r i 研究中心建立了 “ 视觉感知计划” ，研究现有 v r技术的进一步发展。 1 9 9 1 年后， s r i 进行了利用v r技术 对军用飞机或车辆驾驶的训练研究， 试图 通过仿真来减少飞行事故。另外，s r i还利用遥控技术进行外科手术仿真的研 究。 华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室 ( h i t l a b ) 在新概念的 研究中起着领先作用， 同时也在进行感觉、 知觉、认知和运动控制能力的研究。 h i t将v r研究引入了 教育、 设计、 娱乐和 制造领域。 例如，波 音公司 的v 2 2 运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的。 1 . 3 . 2欧洲的研究状况 到 1 9 9 1 年底， 英国已有从事v r的六个主要中心， 它们是 wi n d u s t r i e s ( 工 业集团公司) ， b r i t i s h a e r o s p a c e( 英国航空公司) ， d i m e n s i o n i n t e rn a t i o n a l , d i v i s i o n l t d , a d v a n c e d r o b o t i c s r e s e a r c h c e n t e r 和 v i rt u a l p r e s e n c e l t d( 主要从 事v r职产品销售) 。 d i m e n s i o n i n t e rn a t i o n a l 位于英国 南部的a l d e r m a s o n ，是桌面v r的先驱。 尽管桌面 v r是非沉浸式的 ( n o n - i m m e r s i v e ， 即不使用头盔式显示器) ， 但是与 那些可视效果和动态质量差的沉浸式( i m me r s i v e )系统相比，许多学术界和 工业界的用户更喜欢该公司基于 p c 4 8 6 系统提供的优质图像和实时交互特性。 该公司己生 产了一系列商 业 v r软件包，都 命名为s u p e r s c a p e a最初推出一 个 基 本的v r工具 库，然后扩充了网 络功能、 编写应用程序的界面等，最 后发 展 成为 完全专 业性的s u p e r s c a p e 系统， 其图 形输出 是通过s p e a图形卡和高 分辨 率 显 示 器 。 该 系 统 的 主 要 输 入 设 备 是 一 个 空 间 球 ( s p a c e b a ll ) 控 制 器 和 一 个 普 通鼠 标。 s u p e r s c a p e软件包的前 端主 要由图 形编辑器、世界编辑器和可视 化模 块 三个环境组成。图形编辑器 用于创建三维物体， 预定义图形放置在世界编 辑 器的 世界 坐标系中，可视化程 序允许用户在虚拟世界中移动并与之交互， 通过 空间 球和鼠 标发布 命令。 d i m e n s i o n 还与电 视公司合作开发c y b e r z o n e( 宣 称是 世界上第一个 v r电视游戏节目) 。 r1 i 1 9范大学硕 t : 学位论文 b rit is h a e r o s p a c e ( b a e ) 的 许 多 区 县 参与 了v r ， 其中 最 有 成 效的 是b ro u g h 分部的 工作。 在r o y k a l a w s k y 教授 领导下， b r o u g h 分部正在利用v r 技术设计 高 级 战 斗 机 座 舱， b a e 开 发的 大 项目v e c t a ( v i r tu a l e n v ir o n m e n t c o n f ig u r a b l e t r a i n i n g a i d ) 是一个高级测试平台， 用于研究v r 技术以 及考察用v r 替代传统 模拟器方法的潜力。v e c t a的子项目r a v e ( r e a l a n d v i r t u a l e n v i r o n me n t ) 就 是专门为在 座舱内训 练飞行员而 研制的， 己 在1 9 9 2 年的f a rn b o r o u g h 航空展示 会上进 行了首次 演示。 r o y k a l o w s k y教 授是 英国 从事 v r 的 第一位教授， 是 h u l l 大学的客座教授，他也是英国主张在v r应用中强调人性因素重要性的学 者之一。 d i v i s i o n在与 i b m 合作， 为 r i s c系统 6 0 0 0 工作站开 发 v r操作系统 u n i v r s ， 并将其操作系统移植到s g硬件上。 d i v i s i o n 正在考虑利用其丰富的 并行处 理资 源， 将 v r用于模拟分子 模型 化和遥现 ( t e l e p r e s e n c e )项目 中。目 前 d i v i s i o n公司正在用 d i v i s i o n的硬件创造建筑物和房屋，以使人们能够从中 体验和修改各种内景。建筑物的外部结构和内部构造都是动态可适应的，尤其 是灯具的 选择、 布景、 亮度、 其他光源的定 位和规格。 灯光模拟的 基础是 “ 平 行自 适 应光 照” p a ra lle l a d a p t iv e r a d io s it y ) ， 这一 创 新 技 术 在描 绘 灯光 效 果时 大 大提高了景物的真实性。 1 . 3 . 3 亚洲的 研究状况 在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先位置的国家之 一，主 要致力于建立大规模v r知识库的 研究. 另外在虚拟现实的游戏方面的 研究也 做了 很多工作。 但日 本大部分 虚拟现实硬件是从美国进口 的. 东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界 面， 称为s p i n a r ( s p a c e i n t e r f a c e d e v i c e f o r a rt i f i c i a l r e a l i t y )的系统。 n e c公司计 算机和通信分部中的 系统研究实 验室开发了 一种虚拟现实系 统， 它能 让操作者都使用 代用手” 去处理三维c a d中的形体模型， 该系统通过 v p l 公 司的数据手套把对模型的处 理与 操作者手的 运动联系起来。 京都的先进电 子通信研究所 ( a t r )系 统研究实验室的开发者们正在开发 一套系统，它能用图像处理来识别 手势和面部表情，并把它们作为系统输入。 lv 9 ) i i 师范大学硕_ 学位论文 该系统 将提供一个更加自 然的 接口 ， 而不需要操作者带上任何特殊的 设备。 日 本国际 工业和商业部的工 业科学和技术代办处经营的 产品 科学 研究院 开 发了一种采用 x . y记录器的受力反馈装置。他们把这种装置应用于一个虚拟 现实的 “ 游戏棒”中。 东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面，最近 的研究项 目是主从系统。该系统可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手 的随动机械人手臂。 东京大学的原岛研究室开展了3 项研究:人类面都表情特征的提取、三维 结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。 东京大学的广獭研究室重点研 究虚拟现实的可视化问 题。 为了 克服当 前显 示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。现在他们已经 有了4 项成果: 一个类似c a v e的 系统、 用h i m d在建 筑群中漫游、 人体测量 和模型随动、飞行仿真器。 筑波大学工程机械学院研究了一些力反馈显示方法。他们开发了九自由度 的触觉输入器:开发了虚拟行走原型系统，步行者只要脚上穿上全方向的滑动 装置，他就能交替迈动左 脚和右脚。 富士通实 验室有限公司正 在研究的一个项目 是虚拟生物与v r环境的相互 作用。 他们还 在研究 虚拟现实中的 手势识别，已 经开发了一套神经网络姿势识 别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。 1 . 3 . 4我国的 研究状况 和一些发达国家相比，我国v r技术还有一定的差距，但已引起政府有关 部门 和科学家 们的高 度重视。 根据我国的国 情， 制定了开 展 v r技术的 研究。 九 五规 划、国 家自 然科学基金会、 国家高 技术研究 发展计划等都 把 v r列入了 研究 项目。在紧跟国际新技术的同时， 国内 一些重点院 校， 己 积极投入到了 这 一领域的 研究工作。 北京航空航天大学计算机系是国内 最早进行v r研究、 最有权威的 单位之 一。 他们首先进行了 一些基础知识方面的 研究， 并着重研究了 虚拟环境中物体 物理特性的表示与处理: 在虚拟现实中的 视觉接口 方面开 发出了 部分硬件， 并 四川师范大学硕 : 学位论文 提出了 有关算法及实现方法: 实现了 分布式 虚拟环境网络设计， 建立了网 上虚 拟现实研究论坛，可以 提供实 时三维动态数 据库， 提供虚 拟现实演示环境， 提 供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台， 并将要实现与有关单位的远程连接。 浙江 大学 c a d 结合具体案例， 阐述了 这三种w e b 3 d技术在学科教学中的 典型 应用 和突出作用。 提出 在广泛学学 科教学中普遍应用以q t v r , v r ml 和 c u l t 3 d为代表的w e b 3 d技术来创建具 有初级沉浸体验的学习 情景的 思想。 第四 章，w e b 3 d在现代教育技术学 科教学中 的应用。 这是w e b 3 d在学 科 教 学中 应用的一 个具体案 例。 介绍了 我 们基于v r m l , q t v r和 c u l t 3 d技 术 四川师范大学硕士学位论文 开 发的 现代教学媒体三维仿真虚拟教学系统 ， 分析了系统的功能、 开发的过 程以及主要功能的技术实现等。 在此基础上， 对如何在学科教学中普遍应用 we b 3 d技术提出了自己的观点。 第五章，结束语。关于工作的总结和展望等。 四川师范大学硕士学位论文 第2 章理论基础 2 . 1媒体教学理论 1 4 4 6 年， 美国教育家e d g e r d a l e ( 爱德加 戴尔) 在其所著的 a u d i o - v i s u a l m e t h o d s i n l e a rn i n g ) ) ( 即 视听教学法 ) 一书中 提出了 “ 经验之塔” ( c o n e o f e x p e r i e n c e ) 理论。 戴尔的 “ 经验之塔” 把人们获得知识与能力的各种经验， 依照它们的抽象 程度分为三大类十个层次，形成金字塔的结构。 金字塔的底部称为 “ 做的经验” ，包括三个层次:直接经历的经验、设计的 经验、 演戏的 经验。 在这三个层次中，每个学习者都不是旁观者，而是活动的 参与者。 金字塔的 中部称为 “ 观察的经 验” ， 包括五 个层次:观 摩示范、 见习 旅行、 参观展览、电 影电 视、图 形录音无 线电。 这是学习者 通过看、听实际 事物或实 际事物的图像与声音而获得的经验。 金字塔的 顶部称为 “ 抽象的经 验 ， ， 包括两个层次: 视觉符号、 语言符号。 无论是视觉符号还是语言符号，都 仅仅是 一个抽象的 代号，同 它所代表的 事物 或观念己无任何类似的地方。 在戴尔看来，人们学习知识一是由自己的直接经验获得，二是通过自己的 间接经验获得。当学习是由 直接到间 接、由 具体到抽象时， 获得知 识和技能就 比 较容易。 运用虚拟现实技术构造沉浸式的虚拟教学环境，精心设计的教学思想、教 学内 容、教学策略都潜移默化 在这个虚拟环境中。 学习 者置身于这样的环境中 能够以 极自 然的方式与环境甚至其 他学习 者或教师进行实时的 交互， 全身心投 入到学习中去，更有利于获 得做的 经验和观察的经验。 特别是当 某些经验的获 取在费用太昂贵或危险性极高或基于其他客观条件难以实现时，虚拟现实技术 可以 轻松地解决这个困境。 2 . 2 建 构 主 义 学 习 理 论 ， ， ，:。 ， 2 . 2 . 1 建构主义的由 来和发展 建构主义( c o n s t r u c t i v i s m ) 也译作结 构主义，其最早提出者可追溯至瑞士的 v 4 川帅范大学硕士学位论文 皮亚 杰 ( j .p i a g e t ) o 皮亚杰是认知发展领域最有影响的一位心理学家，他坚持从内因和外因相 互作用的观点来研究儿童的认知发展。他认为，儿童是在与周围环境相互作用 的过 程中， 逐步建构起关于外部 世界的知识，从而使自 身认知结构得到发展。 儿童与环境的相互作用涉及两个基本过程:“ 同化”与 “ 顺应” 。同化是指把外 部环境中的 有关信息吸收 进来并结 合到儿童已有的 认知结构( 也称“ 图式” ) 中， 即个体 把外界 刺激所提供的 信息 整合到自己 原有认知结构内 的过程; 顺应是指 外部环境发生变化，而原有认知结构无法同化新环境提供的信息时所引起的) l 童认知结构发生重组与改造的过程，即个体的认知结构因外部刺激的影响而发 生改变的过程。认知个体 ( 儿童)就是通过同化与顺应这两种形式来达到与周 围环境的 平衡:当儿 童能用现有图 式去同化新信息时，他是处于一种平衡的认 知状态:而当现有图式不能同化新 信息时，平衡即被破坏， 而修改或创造新图 式 ( 即顺应)的过程就是寻找新的平衡的过程。儿童的认知结构就是通过同化 与顺应过程逐步建构起来，并在 “ 平衡不平衡新的平衡”的循环中得 到不断的丰富、提高和发展。这就是皮亚杰关于建构主义的基本观点。 在皮亚杰的 上述理论的 基础上 ，科尔伯格在认知结构的性质与认知结构的 发展条件等方 面作了 进一步的 研究 。斯腾伯格和卡茨等人强调个体的主动性在 建构认知结构过 程中的关键作用， 并对认知过程中如何发挥个体的主动性作了 认真的探索。维果斯基创立的 “ 文化历史发展理论” 强调认知过程中学习者所 处社会文化历史背景的作用，在 此基础上以维果斯 基为首的维列鲁学派深入 地 研究了 “ 活动”和 “ 社会交往” 在人的高级心理机能发展中的重 要作用。所有 这些研究都使建构主 义理论得到 进一步的丰富和完善，为实际应用于教学过程 创造了条件。 2 . 2 . 2建构主义学习 理论 在建构主义思想指导下可以形成一套新的比较有效的认知学习理论，并在 此基础 上实 现较理想的建 构主义学习 环境。 可以 从 “ 学习的 含义” ( 即 关于“ 什 么是学习” )与 “ 学习的方法” ( 即关于 “ 如何进行学习” ) 这两个方面简要说明 建构主义学习理论的基本内容。 四川帅范大学硕士学位论文 关 于学习的 含义。建构主义 认为， 知识不是通过教师传授得到，而是学习 者在一定的情境下，借助他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的 方式而获得的。 “ 情境 ” 、 “ 协作” 、 “ 会话” 和 “ 意义建构”是学习环境中的四大 要素。获得知识的多少取决于学习者根据自身经验去建构有关知识的意义的能 力，而不取决于学习者记忆和背诵教师讲授内容的能力。 关于学习的方法。 建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习。 教师是 意义建构的 帮助者、 促进者， 而不是知识的传授者与灌输者。 学生是信 息加工的主 体， 是意义的主 动建构者， 而不是外部刺激的被动接受者和被灌输 的对象。学生要成为意义的主动建构者，就要求学生在学习过程中从这几个方 面发挥主体作用:1 . 要用探索法、发现法去建构知识的意义: 2 . 在建构意义过 程中要 求学生 主动去搜集并 分析有关的信息和资料，对所学习的问 题要提出各 种假设并努力加以验证; 3 . 要把当前学习内容所反映的事物尽量和自己己经知 道的 事物相联系， 并对这种联系加以 认真的思考。 教师 要成为学生建构意义的 帮助者， 就要求教师在教学过程中 从这几个 面发 挥指导 作用: 1 . 激发学生的 学 习兴趣， 帮助学生形成学习 动机: 2 ， 通过创设 符合 教学内 容要求的 情境 和提示 新旧知识之间联系的线索， 帮助学生建构当前所