（教育技术学专业论文）基于虚拟现实技术的研究性学习的设计与开发.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 建构主义学习理论强调在真实的教学情景下，进行有意义的探索与发现，从而 完成新知识在固有的知识结构上的建构。在传统的教育模式中，学习者往往根据课 本或者老师提供的信息被动的接受间接的知识经验，不仅对知识缺乏直观形象的理 解，也缺少实践的机会。而建构主义学习理论提倡学习者在教师的引导下进行基于 场景和问题的研究性学习，在学习者对知识迸行学习的同时，培养其创造性思维和 解决问题的能力。 虚拟现实技术做为一门新兴的技术类学科，它在教育教学中的应用从一开始就 受到广大教育学者的认可。尤其是其能创造逼真的学习场景、并为学习者提供与场 景良好的交互等特点，恰能符合研究性学习中对学习环境建构的需求。 虚拟现实技术利用计算机三维图形技术、交互技术、模拟技术、传感技术、人 机界面技术、显示技术等技术手段，为学习建构一个仿真的学习环境。在这种虚拟 的学习环境中，学习者通过与学习系统或是与其他的学习者进行交流与合作，获得 真实的认知体验，从而完成知识的建构。尤其是在研究性学习中，利用虚拟现实技 术来开发设计虚拟学习环境，既可以为学习者提供一个真实的学习环境，克服研究 性学习受到场地、时间等因素的限制，又可以排除其他对学习不利的影响因素，因 而研究虚拟现实技术在研究性学习中的应用具有重要的现实意义。 本文中首先介绍了虚拟现实技术的基本概念和主要应用领域，进而对国内外研究 现状进行分析和比较，然后讨论在建构主义学习理论指导下的研究性学习对学习环境 的需求，从而体现出虚拟现实技术在研究性学习中应用的优势。最后通过设计开发认 识树叶虚拟学习系统，来探讨利用虚拟现实技术开发研究性学习场景的具体过程。 本研究主要完成以下三方面的问题： 第一，虚拟现实技术的定义、起源、发展与应用。并通过对比国内外有关虚拟 现实技术及应用的现状，来分析当前研究虚拟现实技术的研究方向与研究中所应当 注意的闯题。 第二，虚拟现实技术在研究性学习中的应用设计。通过讨论在建构主义学习理 论支持下的情景学习在教学中的应用，进而研究虚拟现实技术中在研究性学习中应 用的优势，再结合具体的案例，说明虚拟现实技术在研究性学习中的应用方式。 第三，虚拟学习环境的开发与应用研究。对虚拟学习环境进行分析、设计与开 发，并对设计结果进行应用评价，体现虚拟现实技术在研究性学习中应用的意义。 关键字：虚拟现实；建构主义；研究性学习；学习环境 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t c o n s t r u c t i v i s ml e a r n i n gt h e o r ye m p h a s i z e sm e a n i n g f u le x p l o r a t i o na n dd i s c o v e r yi nar e a l c i r c u m s t a n c e , d o i n gt h i st oc o n s t r u ：tt h en e wk n o w l e d g eo nt h ek n o w l e d g et h a tt h el e a r n e rh a v eh a d i nt h et r a d i t i o n a lm o d eo fe d u c a t i o n ，t h el e a r n e r so f t e ns t u d yb a s e do nt e x t b o o k so rt h ei n f o r m a t i o n f r o mt e a c h e r s t h e yl e a r np a s s i v ek n o w l e d g ei n d i r e c t l y t h er e s u l to ft h i si st h a tt h el e a r n e r sa r en o t o n l yl a c ko fi n t u i t i v eu n d e r s t a n d i n go ft h ek n o w l e d g e , b u ta l s ol a c ko fp r a c t i c eo p p o r t u n i t i e s b a s e d o ft h ec o n s t r u c t i v i s tt h e o r y , t h el e a r n e r ss h o u l db e t t e rh a v eas c e n e - b a s e ds t u d yo rp r o b l e m - b a s e d s t u d yu n d e rt h eg u i d a n c eo ft e a c h e r s ，s ot h a ta tt h es a m et i m eo fl e a r n i n gk n o w l e d g e , t h e yc a n d e v e l o pt h e i rc r e a t i v et h i n k i n ga b i l i t ya n dp r o b l e m - s o l v i n ga b i l i t i e s v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya san e wt e c h n o l o g ys u b j e c t ，i t sa p p l i c a t i o ni ne d u c a t i o na n dt e a c h i n g f r o mt h eb e g i n n i n go ni sr e c o g n i z e db yt h em a j o r i t yo fs c h o l a r s i np a r t i c u l a r , i tc a nc r e a t er e a l i s t i c s c e n e s ，a n dp r o v i d i n gl e a r n e r sw i t ht h es c e n eo ft h ei n t e r a c t i v ef e a t u r e s ，t h e s ec h a r a c t e r sa r ej u s tt o m e e tt h ep r o b l e m - b a s e ds t u d yo nt h ed e m a n df o rc o n s t r u c t i o no ft h el e a r n i n ge n v i r o n m e n t v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yu s e3 dc o m p u t e rg r a p h i c st e c h n o l o g y , i n t e r a c t i v et e c h n o l o g y , s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y , h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c et e c h n o l o g y , d i s p l a yt e c h n o l o g y a n do t h e rt e c h n i c a lm e a n s ，i no r d e rt ob u i l das i m u l a t i o ns t u d yo ft h el e a r n i n ge n v i r o n m e n t i ns u c h v i r t u a ll e a r n i n ge n v i r o n m e n t ，l e a r n e r sc o m m u n i c a t ea n dc o o p e r a t ew i t ht h el e a r n i n gs y s t e mo rw i t h o t h e rl e a r n e r s , o b t a i nr e a lc o g n i t i v e e x p e r i e n c ea n dc o m p l e t et h ec o n s t r u c t i o no fk n o w l e d g e e s p e c i a l l yi nt h ep r o b l e m b a s e ds t u d y , u s ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yt od e v e l o pav i r t u a ll e a r n i n g e n v i r o n m e n tf o rl e a r n e r se a r lp r o v i d et h e mar e a le n v i r o n m e n tf a c t i nt h i sw a yt h e yc a l lo v e r c o m et h e d i f f i c u l t i e so nt h ev e n u ea n dt i m eo ro t h e rf a c t o r sc a l lh a v eaw o r s ee f f e c to ft h el e a r n i n gi nt h ec o u r s e o fp r o b l e m b a s e ds t u d ys os t u d yo fu s i n gv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi nc o n s t r u c t i o nap r o b l e m b a s e d s t u d ye n v i r o n m e n ti sv e r yv a l u a b l e n i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p t sa n dm a j o ra p p l i c a t i o n so fv i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y , a n dt h e na n a l y s i so ft h es t a t u sq u oo fd o m e s t i ca n df o r e i g n n e x tb yw ed i s c u s st h e c o n s t r u c t i v i s tt h e o r y , t h ep r o b l e m - b a s e ds t u d yu n d e ri t sg u i d a n c en e e d sar e a ll e a r n i n ge n v i r o n m e n ti n o r d e rt os h o wt h ea d v a n t a g e so ft h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y f i n a l l y , w ed e v e l o pav i r t u a ll e a r n i n g s y s t e mo f c o g n i z i n gt h el e a v e s , t oe x p l o r et h eu s eo f v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi np r o b l e m - b a s e ds t u d y t h ep u r p o s eo f t h i ss t u d yi n c l u d et h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s f i r s t l y , t h ed e f i n i t i o n , t h eo a g i n ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y a n d b yc o m p a r i n gt h es t a t u sq u oo ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g ni nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n s , w er e l a t e dt oa na n a l y s i so ft h ep r o b l e mw es h o u l dp a ya t t e n t i o ni nc u r r e n tv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y s t u d y s e c o n d l y , h o wv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi su s e di nt h ep r o b l e m - b a s e ds t u d y t h r o u g hd i s c u s s i o n t h es c e n a r i o - b a s e dt e a c h i n ga n ds t u d yu n d e re o n s t r u c t i v i s tl e a r n i n gt h e o r y , w es e a r c ht h ea p p l i c a t i o n o f v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yt oc o n s t r u c tal e a r n i n ge n v i r o n m e n tf o rp r o b l e m - b a s e ds t u d y 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s t h i r d ，t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i e dr e s e a r c ho fc o n s t r u c tav i r t u a ll e a r n i n ge n v i r o n m e n t w e d i s c u s st h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o c e s so fa n a l y s i sa n dd e s i g n , a p p l i c a t i o na n de v a l u a t i o no fd e s i g n r e s u l t so fv i r t u a ll e a r n i n ge n v i r o n m e n t , s ot h a tt or e f l e c tt h em e 锄i n go ft h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g yi nt e a c h i n g k e yw o r d s ：v i r t u a lr e m i t ；c o n s t r u c t i v i s m ；p r o g r a m b a s e dl e a r n i n g ； l e a r n i n ge n v i r o n m e n t 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：涨字日期：土伽9 年j 月姐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同意华中 师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作者签名：张j 芋 日期问9 年5 月1 8 日 导师签名 日期： 参笼 月 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。圃意途塞埕童卮澄卮；旦坐生i 旦二生；旦三生发查! 作者签名：涨李 日期：) 9 年箩月j 8 日 导师签 日期： 乙 主 月 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 绪论 1 1 论文研究的背景 随着人们对建构主义学习理论研究的不断深入，教育教学的形式开始出现新的 模式，不再将教育固定为教师传授知识，学生学习知识这种传统的教学形式，而开 始提倡学习者在特定的学习情景中主动的探索知识，从中获取所需要的知识并培养 自主学习的能力。在这种学习理论的引导下，研究性学习这种新的学习模式被广泛 的运用在教育教学中。研究性学习也称综合学习或专题学习，是2 0 世纪8 0 年代末 以来国际教育界比较推崇的一种新的学习模式，它注重学习的实践性，强调学习动 机受问题或是任务的引导，注重学习过程中学生的感受和体验，强调学习的自主性 和丌放性。 虽然研究性学习在学习应用中具有一定的优势，但是在研究性学习中，良好的 学习环境的创建受到诸多因素的影响，而学习情景的优良却在很大程度上决定着学 习效果优良程度。由于受到时间、空间等因素的影响，创建一个完善的、不受或较 少受到其他不良因素影响的学习环境成为研究性学习进程中最关键的问题，而虚拟 现实技术的出现，恰好能够较好的解决这一问题。 虚拟现实技术是随着计算机技术的不断发展与成熟而产生的新的技术手段，以 往受条件限制而无法实现的基于三维建模的虚拟现实技术也开始能够在个人电脑 上实现。利用虚拟现实技术来开发设计研究性学习的学习环境，不仅可以为学习者 提供真实的学习体验，还可以提供一个与其他学习者进行交流与合作的空间，对学 习者在知识学习、合作、沟通方面的能力的培养，都会起到促进的作用。 1 2 论文研究的意义 本文研究虚拟现实技术在研究性学习中应用意义在于： ( 1 ) 教学改革的需要：随着社会的不断发展，教学的形式也开始随着社会的 需要而改变，以学习者为中心的自主的、探究性的学习模式开始在教学中应用，也 是教学改革的内容之一。研究在这种新的学习模式中运用虚拟现实技术来创设教学 情景，有助于自主学习更好的实现，从而有利于促进教学改革的进行。 ( 2 ) 学生学习的需要：学生对于自主化的学习环境的学习兴趣高于在枯燥的 课堂讲授中的学习兴趣，研究如何在自主学习中应用虚拟现实技术既可以避免学习 环境中不良因素的影响，又有助于提高学习者的学习兴趣和学习积极性，也能更好 硕士学位论文 m a s t e r ? st h e s i s 的培养学习者的自主探索的能力和信息技术能力。 ( 3 ) 现代社会对教学媒体发展的需求：现代社会知识更型换代十分迅速，因 此找到一种合适的教学媒体，使学习者可以进行自主学习，既能够获得知识，又能 够培养其各方面的能力，并在学习中为学习者提供必要的帮助和指导，对于培养符 合现代社会需要的人才具有重要的意义。 1 3 研究的目的、内容及论文组织框架 本篇论文的研究目的是：通过运用相关的理论和技术，论证虚拟现实技术在研 究性学习中的应用优势，并通过结合具体的研究性学习案例，开发出基于虚拟现实 技术的研究性学习系统。 本文的研究内容有以下三个方面内容。 ( 1 ) 虚拟现实技术的定义、起源、发展与应用。并通过对比国内外有关虚拟 现实技术及应用的现关，来分析当前研究虚拟现实技术的研究方向与研究中所应当 注意的问题。 ( 2 ) 虚拟现实技术在研究性学习中的应用设计。通过讨论建构主义学习理论 支持下的情景学习在教学中的应用，进而研究虚拟现实技术在研究性学习中应用的 优势，再结合具体的教学案例，说明虚拟现实技术在研究性学习中的应用方式。 ( 3 ) 虚拟学习环境的开发与应用研究。对虚拟学习环境的开发过程分析设计， 并对设计结果进行应用评价，体现虚拟现实技术在教学中应用的意义。 本文拟解决的最重要的问题是基于虚拟现实技术的研究性学习的过程设计和 系统开发，这需要将建构主义学习理论指导下的教学系统设计与虚拟现实技术紧密 结合来完成。图l - l 为论文的组织结构示意图。 2 图1 1 论文组织结构示意图 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 本文以虚拟现实技术的基本概念为出发点，结合建构主义学习理论来研究虚拟 现实技术在研究性学习中的应用，全文共分为六章。 第一章，绪论部分主要论述了本文研究的背景、研究意义、研究的目的及论文 框架。 第二章，虚拟现实技术的定义，起源与发展，分类与特征和应用现状。这部分 主要对虚拟现实技术做一个总的概述，为后文起引导的作用。 第三章，虚拟现实技术在研究性学习中的应用的理论基础。在建构主义学习理 论的影响下，情景化学习理论开始在教学中应用，尤其是在培养学生的创造性思维 和自主学习能力方面，都具有一定的优势。如何为学习者提供一个逼真、便捷又利 于学习过程控制的学习场景是研究性学习设计中最关键的问题之一。虚拟现实技术 在解决这一问题方面有着自身的优势性。 第四章，虚拟现实技术在研究性学习中的应用设计。这部分主要通过对“认识 树叶”这一研究性学习进行教学设计，来研究虚拟现实技术在研究性学习中的具体 应用方式。 第五章，基于虚拟现实技术的学习环境的开发。这一章主要针对上一章的教学 案例来进行虚拟学习环境的开发。 第六章，研究总结与展望。这部分内容对整个文章做了总结，并对后续的研究 工作做出展望。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 虚拟现实技术概述 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 是在计算机技术不断发展的基础上兴起的新的 研究领域，是继多媒体技术之后在计算机应用方面的又一重大突破。本章主要阐述 虚拟现实技术的定义与发展历程，进而对虚拟现实技术的分类、特点进行描述。最 后通过对比国内外虚拟现实技术的研究现状，找出我们目前研究的方向，为本文研 究虚拟现实技术在研究性学习中的应用做好铺垫。 2 1 虚拟现实技术的定义 虚拟现实技术，是- - f 3 新兴的技术性学科，它以计算机技术为主，融合计算机 三维图形技术、模拟技术、传感技术、人机界面技术、显示技术、伺服技术等，来 生成一个逼真的三维世界，使用者可以以自己的视点为主，对虚拟世界中的物体进 行浏览和交互川。 2 2 虚拟现实的技术基础 虚拟现实技术作为一门多学科相结合的综合性技术学科，其技术基础自然也十 分的广泛：计算机三维图形技术、交互技术、模拟技术、传感技术、人机界面技术、 显示技术、伺服技术等，都是虚拟现实的技术基础，如图2 1 所示 图2 1 虚拟现实的技术基础 三维仿真建模是虚拟现实技术中最重要的技术基础。模型的建立不仅要表现出 真实的三维效果，还要具有一定的视觉和感官冲击力，并且要根据使用者的观察角 度来即时的生成相应图形画面，因此在三维建模的时候，要做到面面具到，使模型 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 从任何角度来观察都是真实的。 交互技术也是决定虚拟现实技术实现的关键，因为只有在与计算机进行一种近 乎自然的交互时，使用者才能够产生沉浸其中婀真实感。在目前的虚拟现实系统设 计中，交互功能主要利用软件来实现，应用较多的软件有：x 3 d 、v i e w p o i n t 、c u l t 3 d 、 v i r t o o l s 等。 此外，多媒体影像技术、数据压缩技术、数据库技术等也都是虚拟现实技术的 技术基础。 虚拟现实技术使用建模语言v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) ，它是在 i n t e m e t 上广泛流行的一种图形建模语言，可以在i n t e m e t 上创建三维的虚拟场景，使 用者需要使用支持v r m l 的浏览器来观看v r m l 的虚拟世界。每一个v r m l 文档 都包含了图形( g e o m e t f i e ) 、动画( a n i m a t i o n ) 及声音( a u r a l ) 等组件，并且可能通 过多种方式来改变这些组件的状态。此外，v r m l 文档还可以利用链接( h y p e r l i n k i n g ) 的方式将许多不同形态的文件，如图片、声音，等文件整合在起。【5 l 2 3 虚拟现实技术的分类及特征 按照虚拟现实技术创建系统的功能和实现方式的不同，可以将其分为三种类 型：简易型虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统和共享型虚拟现实系统。 简易型虚拟现实系统，又称桌面虚拟现实系统。它是在个人计算机上就可以实 现的较为简单的虚拟现实系统。它利用计算机屏幕来观察虚拟场景，通过各种输入 设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这种虚拟现实系统通过观察3 6 0 度范围内 的虚拟世界，并操纵其中的物体来实现使用者真实的体验。但这种系统缺少使用者 完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实系统最大的不 足是缺乏真实的现实体验，但由于其结构简单、价格低廉、组成灵活，因此易于普 及推广，是一套经济实用的系统。 沉浸式虚拟现实系统。此种系统提供完全沉浸的体验，它利用头盔式显示器或 其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的感 觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等帮助参与者产 生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。例如，在消防仿真演习系统中，消 防员会沉浸于极度真实的火灾场景并做出不同的反应。这种系统的优点是用户可以 完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相对较高，难以大规模 普及推广。 共享型虚拟现实系统，也称为网络虚拟现实系统或分布式虚拟现实系统。它是 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 建立在沉浸式虚拟现实系统和分布式交互仿真( d i s d is t r i b u t e d i n t e r a c t i o n s i m u l a t i o n ) 的基础之上，是一种基于网络连接的虚拟现实系统。它将多个用户通 过计算机网络连接在一起，同时加入到一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，把虚拟 现实技术提升到了一个更高的境界。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网 络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。例如，身处异地的医 科学生，可以通过网络，对虚拟手术室中的病人进行会诊并协同进行外科手术。又 如风靡因特网的网络游戏，就是共享型虚拟现实系统的有力表现，众多玩家可以在 同一个虚拟环境中交互式的进行交流、打斗，让虚拟的情节持续发展。嘲 然而不管是上述哪种虚拟现实系统，它们都具有一些共同的特点。g r i g o r e b u r d e a 与p h i l i p p ec o i f f e t 两个在他们所写的v i r t u a lr e a l i t yt e c h o n o l o g y 一 书中，将虚拟现实技术的特点概括为三个方面，它们分别为：沉浸性、交互性和构 想性。其相互关系如图2 2 所示。 图2 2 虚拟现实技术的主要特征啪 构想性主要是指感觉器官在接受刺激之后，由神经传输到大脑，结合使用者自 身固有的知识经验产生幻觉性的对环境的构想。 沉浸性是指使用者的各种感觉器官在受到虚拟现实设备的刺激后，会产生一种 置身其中的感觉。 交互性是指使用者与虚拟环境的交互，由使用者状态的改变而使虚拟环境也发 生相应的转变。口1 2 4 虚拟现实技术的应用 虚拟现实技术可应用于军事、建模与仿真、科学计算可视化、教育与训练、医 学、艺术与娱乐等多个方面。 ( 1 ) 军事：虚拟现实技术在军事中应用最早起源于美国。美国军方利用虚拟现实 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 技术的虚拟仿真环境与计算机网络技术相结合，来完成各种复杂的训练和作战演 习。这是虚拟现实技术最早的研究与应用领域。 ( 2 ) 医疗：虚拟现实技术在医疗诊断中的应用也是虚拟现实技术的主要应用领域 之一。利用虚拟现实技术，医生可以对一些相对复杂的手术进行再现，对人体的结构 进行仿真模拟，大大提高了医生学习与实践的效率，为人类健康做出了巨大贡献。 ( 3 ) 教育：将虚拟现实技术应用于教育，为教育水平的提高和教育资源的共享都 起到了不可忽视的推动作用。利用虚拟现实技术可以使学生游览海底、遨游太空、 观摩历史城堡，甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对论世 界，生动形象地获取知识，激发思维，也极大的缩短了从书本理论到实际应用的距 离。此外，虚拟现实技术还可以应用于高难度和危险环境下的作业训练。通过对危 险环境的模拟，既能够给训练者真实的操作经验，又避免了不必要的伤害。 ( 4 ) 娱乐：虚拟现实技术在娱乐领域的应用是对人类生活影响最为广泛的方面。 利用虚拟现实技术开发出的新型游戏，给游戏玩家带来了真实的游戏体验，使游戏 不再只是简单的操作控制，而成为身临其境的真实体验，不仅更加激发了游戏者的 兴趣，也丰富了游戏者的生活体验，并能起到一定寓教于乐的功效。跚 2 5 国内外有关虚拟现实技术的研究 2 5 1 国外有关虚拟现实技术的研究 1 9 6 5 年，在一篇名为终极的显示的论文中首次提出虚拟现实系统的基本思 想，从此开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。 1 9 6 6 年，美国m t i 的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。 1 9 7 0 年，出现了第一个功能较齐全的m h d 系统。基于6 0 年代以来所取得的一 系列成就，美国的j a r o n l n a i e r 在8 0 年代正式提出了“v i r t u a lr e a l i t y 一词。 8 0 年代，美国宇航局( n 从s ) 及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研 究，并取得了令人瞩目的研究成果。 进入9 0 年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹 配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能；人机交互系统 的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现 实系统的发展打下了良好的基础嘲。 2 1 世纪以来，由于计算技术的飞速发展，虚拟现实技术在硬件和软件上都得到 了良好的支持。因此，虚拟现实技术的应用领域也越来越广泛，技术也随之越来越 成熟。虽然虚拟现实技术自产生至今只有短短的4 0 多年的历史，然而其发展的速 度与应用的领域都是相当的惊人的。随着它的发展，虚拟现实技术已经越来越广泛 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的进入人们的日常生活，为教育、医疗、军事、娱乐、生产设计等方面都做出了巨 大的贡献。 国外虚拟现实技术起步较早，技术、理论与应用的研究都已经达到了一定的高 度，尤其是在军事、医学、教育领域的应用都已经开始趋于成熟。例如：在数学教 育领域的研究项目c y b e rm a t h ，是一个基于替身的共享虚拟环境，适合于教师和学 生都在现场或空间上分离的情况下进行教学和探索。l o m al i n d a 大学医学中心的 d a v i dw a r n e r 博士和他的研究小组成功地将计算机图形及虚拟现实的设备用于 探讨与神经疾病相关的问题，首创了虚拟现实儿科治疗法。此外，华盛顿大学的人 类界面技术( h u m a ni e t r a f e et e c h n o o f g y ) 实验室网站上还有很多相关的v r 应用于 教育的研究报告。m n a t o v n a i 则在其著作中“虚拟学习：三维环境在教育和培训应用 中的潜力和挑战”部分对虚拟现实的教育应用进行了很好的归纳。阳1 为了对国际上有关虚拟现实技术的研究情况进行全面调研，我们对e i ( e n g i n e e r i n gi n d e x ，工程索引) 这个能反映技术类研究国际先进水平的数据库 近1 5 年的数据进行了检索统计，以“v i r t u a lr e a l i t y 为关键词在标题和摘要中 检索，在最近的1 5 年，共有5 4 9 0 篇论文标题中含有“v i r t u a lr e a l i t y ”，共有1 7 2 6 2 篇论文的摘要中含有“v i r t u a lr e a l i t y ”，可以看出，国际上对虚拟现实技术研究 是非常深刻的。特别是2 0 0 3 年以后发展更为迅猛，到2 0 0 6 年摘要中包含“v i r t u a l r e a l i t y 的论文达到1 7 1 3 篇，达到历史新高，说明这段时期，虚拟现实相关技 术在技术行业中已得到了广泛的应用。具体数据见图2 3 。 戡捡索中。v i r t u a lr e a l i t y ”相关论文发展趋势统计 l g 瓜 、，二一，、 1 5 0 0 i 3 6 0 品7 1 4 0 0 敲1 2 0 0 1 1 5 0 厂 。 煲t 咖 1 0 6 2 ， 一 篮哪 一。 蕊 锄 4 0 0 、加4 1 3 磐i岁4 ，5 0 2 0 0一一广一1 丫暑 ，口 口， o 1 9 9 聿1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7量9 9 8王9 9 92 o2 量2 2 2 32 姒2 0 0 s2 5 2 72 0 0 8 + 标题2 9 63 1 3 3 7 74 1 33 s 93 1 63 1 93 s 63 4 42 3 74 0 l3 2 01 0 44 4 74 5 0 + 番要6 l o6 8 6b 7 7i 0 6 2 1 0 3 0 1 1 6 0 1 0 2 01 0 1 ，1 0 4 6i 21 3 5 0t 3 6 s 1 7 1 3 1 7 2 l生s 9 7 图2 3e i 检索中“v i r t u a lr e a l i t y 相关论文发展趋势统计 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 5 2 国内有关虚拟现实技术的研究 虽然我国的虚拟现实技术发展起步较晚，与一些发达国家相比还具有一定的差 距，然而由于受到了我国各界学者的高度关注，和国家科委的重视，其发展速度却 是十分迅速的。近年来，由于社会各界的共同努力，我国虚拟现实技术的研究和应 用已经取得了不错的成绩。 对我国期刊网( c n k i ) 和中文科技期刊数据库( 维普数据库) 这两个全面收录 中国期刊论文的国家重点数据库近六年的数据进行检索，以关键词“虚拟现实 在 篇名中检索，分别获得文献1 7 7 3 篇( 2 0 0 3 - 2 0 0 8 ) 和1 6 2 3 篇( 2 0 0 3 2 0 0 8 ) ，剔除 两数据库中的重复记录j 国内近六年来明确对专利战略进行研究的论文为两千篇左 右。在全文中检索得到的结果相对较多。具体数据见表2 1 。 表2 1c n k i 、维普“虚拟现实”检索结果 数据库 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8合计、 篇名 1 9 42 3 72 5 93 3 43 2 63 4 21 7 7 3 c n l ( 1 全文4 0 4 74 2 0 7 4 6 2 1 5 2 9 35 8 7 1 6 3 4 l 3 1 7 6 6 篇名 2 0 52 4 22 8 53 1 93 0 82 6 41 6 2 3 维普 全文 7 0 07 7 38 9 61 0 2 81 0 0 28 9 65 2 9 5 通过对比国内外文献统计表，我们可以看出，在国际虚拟现实技术开始高速发 展的同时，我国对虚拟现实技术的研究也开始迅猛的发展起来，并在2 0 0 6 年几乎与 国际研究同时达到一个高峰点。这不仅体现出我国对虚拟现实技术研究的不断深入， 也很好的说明了，国内研究学者们紧跟世界研究的步伐，关注国际学术发展形势。 然而在看到优势的同时，我们也看到了我国对于虚拟现实技术与国外的不少差 距：( 1 ) 由于经费、设备等条件限制；我国关于沉浸式虚拟现实系统的研究还十分 缺乏，大多研究停留在桌面虚拟现实的研究与应用上；( 2 ) 技术、理论的研究与应 用结合不够紧密；( 3 ) 对虚拟现实技术应用领域的研究不够宽泛。 看到我国在研究虚拟现实技术的过程中的成果和不足，这给我们继续研究虚拟 现实技术的理论、技术与应用指明了方向：在继续关注国际发展形势，紧跟国际发 展步伐的同时，加强对虚拟现实技术手段和应用领域的研究，力争走在技术发展的 前列。 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 6 本章小结 本章对虚拟现实技术的基本定义与发展历史、技术基础、主要特征及应用进行 简单的阐述，并通过对比目前国内外有关虚拟现实技术的研究现状，看到目前国内 在虚拟现实技术研究中的差距与优势，为研究虚拟现实技术在教育教学中的应用做 出铺垫。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 虚拟现实技术在研究性学习中的应用 在了解虚拟现实技术的一些基本概念之后，本章主要对目前虚拟现实技术在教 育中的应用领域做出简单的介绍，并分析虚拟现实技术在研究性学习中应用的理论 基础与其所具有的优势，最后对目前利用虚拟现实技术开发的较为成功的案例 s e c o n dl if e 系统进行简单的介绍。 3 1 虚拟现实技术在教育教学中的应用领域 3 1 1 虚拟现实技术在科研领域中的应用 各高校在许多领域都进行了虚拟现实技术相关的课题研究，对科学技术研究有 很大的促进作用，如：北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用：浙江大学 在建筑方面的虚拟规划、虚拟设计的应用：哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用； 清华大学在临场感的研究。此外，西安交通大学、上海交通大学、北方工业大学、 西北工业大学、华东船舶学院、安徽大学等都有诸多科技研究的应用。嘲 3 1 ；2 虚拟现实技术在虚拟仿真校园中的应用 虚拟现实技术的特点，决定了我们可以仿真校园环境，虚拟校园是虚拟现实技 术与网络教育最早的具体应用。天津大学早在1 9 9 6 年，就开发了虚拟校园。随着 网络时代的来临，网络教育迅猛发展，尤其是宽带技术大规模应用的今天，国内一 些高校己经开始逐步推广使用虚拟校园模式：先后有浙江大学、上海交通大学、北 京大学、西南交通大学等著名高校，采用虚拟现实技术建设了虚拟校园。北京四中、 杭州工业大学、郑州轻工业学院都采用了相同的构想去营造虚拟校园。当然目前虚 拟校园的实际功能，以实现浏览功能为主。但是，多种灵活的浏览方式，崭新的形 式等独一无二的特点，以一种全新的姿态吸引着大家。随着网络教育的深入，人们 已经不满足于对校园环境的浏览，基于教学、教务、校园生活的三维可视化虚拟校 园呼之欲出。人们需要一个完整的虚拟校园体系。真实、互动、情节化的特点是虚 拟现实技术独特的魅力所在，新技术必将引起教育方式的革命，让我们感受到全方 位的教育嘲。图3 1 为首都师范大学的数字化校园效果图。 1 2 图3 1 虚拟仿真校园 3 1 3 虚拟教学和实验 由于虚拟现实技术的特点，它的实际应用在理工科的教学中大有作为，尤其在 建筑、机械、物理、化学、计算机等学科领域有着质的突破。利用虚拟实验系统， 学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验样的体验，从而丰富感 性认识，加深对教学内容的理解、避免真实实验或操作所带来的各种危险、彻底打 破窄问时间的限制。这是在目前的技术条件下，虚拟现实技术在教育教学中最广泛 的应用。 在教学内容讲解方面：在某些教学内容的讲解时，教师除了使用文字、图片的 讲解外，最好能够展示实物器件，甚至是应能够让每位学生近距离的观察实物的表 面，再进行拆分，观察实物的内部。由于有些实物不方便在课堂上展示，而利用模 型又不能达到预期的效果，而借助于虚拟现实技术就可以很好的解决这一问题这 是其他的教学媒体所不具有的。例如：利用虚拟现实技术来构建一个月球围绕地球 旋转的模型，就可以通过在记事本文件中编写个简单的v r 札语言，再将记事本 文件的后缀名更改为“v a l ”，然后在安装了v r f f l 。浏览器的电脑上，就可以观看 到月球围绕地球旋转的轨道和模型。其效果图如图3 2 所示。 j一 图32 月球绕地球运转模拟 存实验教学方面：在传统教学中，实验的机会是较为缺乏的，使得一部分学生 小能报好的掌握实验过程和方法，并且由于学校设备等其他条件的限制，有些实验 也无法进行。利用虚拟现实技术来仿真实验，不仅可以解决设备上的问题，更重要 的是，实验可以反复的进行，直到学生完全掌握了实验的每一个环节为止( 如图 33 ) 。并且在以往的教学实验内容方便，由于学牛人数较多，而