（课程与教学论专业论文）基于桌面vr技术的初中《科学》web课件设计研究.pdf

基于桌面v i i 技术的初中科学w e b 课件设计研究 学科专业：课程与教学论 指导教师：范蔚教授 研究方向：课程论 研究生：陈艳莲( 2 0 0 1 0 8 7 ) 中文摘要 2 1 世纪以来，一场科学课程的改革在我国基础教育领域展开，它的核心理念就是 要全面提高学生的科学素养。信息时代，新技术为个人全面发展提供了物质基础，我国 的科学课程也应该在对教育软件的研究和相应的新的学习模式的研究上加强对世界前 沿的跟踪研究。怎样利用现代技术加强学生科学知识和科学精神的教育，是我们在构建 整合型的科学课程中要着力解决的问题。v r 技术作为一种新的媒体形式，应用于教学 中，具有其它媒体形式无可比拟的优势，在中小学科学课程中具有广阔的应用前景，目 前的运用主要是采用桌面v r 技术设计w e b 课件。而国内对v r 技术在教学中运用的定 性研究还比较粗浅，缺乏系统性的研究。另一方面，已有文献多从制作技术入手进行探 讨和总结，缺乏教育思想的指导。 本研究就是针对这一现实矛盾和需要进行的研究。分布式认知、建构主义学习理论 和人本主义学习理论为课件设计提供了充分的理论支持。本研究的目标是，在构建整合 型的信息化科学课程基本理念的指导下，分析用于初中科学课程的基于v r 技术的w e b 课件设计的整体思路，包括v r 技术的教学条件、教学设计、课件基本构成、情境创设、 导航策略及交互方式的设计等方面。本研究采用理论与实践相结合的方法，在理论探讨 的基础上设计了一个课件实例。 在研究中，发现还有如下两个方面需要做进一步的探讨。1 、构建信息化的科学课 程是新技术对相对成熟的传统教学模式的挑战，实现难度尤其大。课件设计只是从一个 维度将教学过程中的多种要素以及它们之间的复杂关系融于整体之中，映射出构建信息 化的科学课程理念。课件设计的内涵也是极其丰富的，还包括本文尚未触及的诊断评价 等。2 、对于基于桌面v r 技术的w e b 课件在科学课程中的有效利用，还需要更多的人 结合教学实际来深入研究。通过应用基于桌面v r 技术的w e b 课件在初中阶段进行教 学实验，从实际教学效果来了解学生、教师应如何合理应用基于桌面v r 技术的w e b 课 件，以及如何合理地评价课件等问题都是值得深入研究的。 关键词：v r 技术初中科学课程w e b 课件 s t u d y o n d e s k t o p - - v r - - b a s e d w e bc o u r s e w a r ed e s i g n f o r j u n i o rs c i e n c ec u r r i c u l u m m a j o r ：c u r r i c u l u m p e d a g o g y s p e c i a l t y ：c u r r i c u l u mt h e o r y m e n t o r ：f a nw e il p r o f ) p o s t g r a d u a t e ：c h e n y a h l i a n a b s t r a c t s i n c et h eb e g i n n i n go ft h e2 1 s tc e n t u r y , ar e f o r mo fs c i e n c ec u r r i c u l u mh a sb e e n o v e r w h e l m i n gi n c h i n a sb a s i ce d u c a t i o ns y s t e m t h ec o r eo ft h i sr e f o r mi st oi m p r o v e c o m p r e h e n s i v e l ys t u d e n t s s c i e n c el i t e r a c y i nt h ei n f o r m a t i o ne r a ，n e wt e c h n o l o g i e sh a v e p r o v i d e d m a t e r i a l s u p p o r t s f o ri n d i v i d u a l s a l l r o u n dd e v e l o p m e n t ，t h e r e f o r et h es c i e n c e c u r r i c u l u mi nc h i n as h o u l df o l l o wc l o s e l yt h ef r o n t i e ro fw o r l d w i d er e s e a r c ho ne d u c a t i o n a l s o f t w a r e d e v e l o p m e n t a n d c o r r e s p o n d i n g l y i i c w l e a r n i n g m o d e s t h e k e y i s s u ei n c o n s t r u c t i n gi n t e g r a t i v es c i e n c ec u r r i c u l u mi sh o w t os t r e n 【g t h e nt h ee d u c a t i o no fs c i e n t i f i c k n o w l e d g ea n ds c i e n t i f i cs p i r i t w i t ht h eh e l po fm o d e r nt e c h n o l o g i e s a san e wf o r mo f m e d i u m ，v rh a so v e r w h e l m i n ga d v a n t a g e so v e ro t h e rm e d i au s e di ni n s t r u c t i o n i th a sa b r i g h tf u t u r e i ns c i e n c ec u r r i c u l u mf o r p r i m a r ya n ds e c o n d a r ye d u c a t i o n d e s k t o pv r i s p r e s e n t l ya p p l i e di nd e s i g n i n gw e bc o u r s e w a r e h o w e v e r , q u a l i t a t i v er e s e a r c ho nv ri n i n s t r u c t i o ni sr a t h e rs u p e r f i c i a la n du n s y s t e m a t i c o nt h eo t h e rh a n d ，m o s to ft h el i t e r a c ya t h a n dd i s c u s sa n ds u m m a r i z ef r o mt h e p e r s p e c t i v e o fs k i l l s ，l a c k i n gi nt h eg u i d a n c eo f p e d a g o g i c a lt h e o r i e s t h i ss t u d yp i n p o i n t sa tt h i sr e a l i t ya n dn e e d d i s t r i b u t i v ec o g n i t i o n ，c o n s t r u c t i v el e a r n i n g t h e o r ya n dh u m a n i t a r i a nl e a r n i n gt h e o r ya r et h e o r e t i c a ls u p p o r t st oc o u r s e w a r ed e s i g n t h e a i mo ft h i s s t u d y i sa sf o l l o w s ：u n d e rt h e g u i d a n c eo fc o n s t r u c t i n ga ni n t e g r a t i v ea n d w e l l i n f o r m e ds c i e n c ec u r r i c u l u m ，a n a l y z i n gt h ew h o l e p r o c e s so fd e s i g n i n gv r b a s e dw e b c o u r s e w a r ei n j u n i o rs e c o n d a r y s c i e n c e c u r r i c u l u m ，i n c l u d i n gn e c e s s i t i e s f o rv r - b a s e d i n s t r u c t i o n ，t e a c h i n gp l a n s ，c o m p o s i t i o n s o f c o u r s e w a r e ，c r e a t i o n o f c o n t e x t s ，g u i d i n g s t r a t e g i e sa n di n t e r a c t i v ed e s i g n s c o m b i n i n gt h e o r yw i t hp r a c t i c e ，t h i s s t u d yd e s i g n e d a c o u r s e w a r ea f t e rt h e o r e t i c a ld i s c u s s i o n s t h er e s u l t sf r o mt h i ss t u d ys u g g e s tt h a tt h e r ea r es t i l lt w oo t h e r si s s u e st ob ed i s c u s s e d a n ds t u d i e d f i r s t ，i ti sab i td i f f i c u l tt oc o n s t r u c taw e l l i n f o r m e ds c i e n c ec u r r i c u l u mf o ri t i sa c h a l l e n g et o t h et r a d i t i o n a l l ym a t u r ep e d a g o g i c a lm o d e s c o u r s e w a r ed e s i g ni m m e r s e st h e c o m p l i c a t e dr e l a t i o n s h i p sa m o n g e l e m e n t si ni n s t r u c t i o na n dr e f l e c t st h ei d e a l o fa w e l l i n f o r m e ds c i e n c ec u r r i c u l u m i t sc o n n o t a t i o ni sv e r yr i c h ，i n c l u d i n gt h o s eu n c o v e r e di n t h i s s t u d y s e c o n d ，t h e r e i ss t i l la l o n gw a yt og o t o a p p l y v r b a s e dw e bc o u r s e w a r e e f f e c t i v e l yi ns c i e n c ec u r r i c u l u m ，d e m a n d i n g m o r ep e r s o n n e la n dm o r e p e d a g o g i c a lp r a c t i c e h o wt oc o n d u c tt e a c h i n ge x p e r i m e n t si nj u n i o rs c h o o l sw i t hv r b a s e dw e bc o u r s e w a r e ? h o ws h o u l dt e a c h e r sa n ds t u d e n t su t i l i z er e a s o n a b l yv r b a s e dw e bc o u r s e w a r e ，f r o mt h e p o i n to f f i n a lr e s u l t so fi n s t r u c t i o n ? a n dh o wt oe v a l u a t ec o u r s e w a r er e a s o n a b l y ? a l lt h e s e i s s u e sd e s e r v ef u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：v r t e c h n i q u e ；s c i e n c ec u r r i c u l u mi nj u n i o rs c h o o l s ；w e bc o u r s e w a r e 一、导言 ( 一) 问题的提出 1 、中小学科学课程要充分利用新技术，建构整合型的信息化课程 知识经济的时代，一个人的科学素养就决定着他的发展空间和机会。所以，“关于 科学技术发展、科学与技术的相互关系以及科学技术与社会文化关系的整体性和连贯 性”。的，旨在提高全民科学素养的科学教育，尤其是中小学科学教育，就越发重要。 科学教育必将成为2 1 世纪教育领域的一个新亮点。 信息时代，新技术为个人全面发展提供了物质基础，我国的科学教育应该在高科技 和教育改革的结合部( 主要体现在对教育软件的研究和对新的学习模式的研究上) 加强 对世界前沿的跟踪研究。陈至立部长就明确指出，教育信息化的目标就是要实现课程的 有机“整合”。但我们不能机械地将西方科学教育的理念和技术引入我们的教育实践中， 而应该将我们自己民族文化中的智慧和创造性融入其中，使其在我们自己的民族文化语 境中得以重构。由教育部设计的新的科学课程标准科学课程标准( 7 9 年级) 已指出科学课程的核心理念就是全面提高每个学生的科学素养，强调科学探究的地位 和作用。我们要通过信息技术与课程的互动性双向整合，建构整合型的信息化科学课程 形态，进而使信息文化与学生的学习生活整合而成为有机的连续体和统一体。只有这样， 我们的科学教育才可能在与西方科学教育的“对话”过程中获得真正的发展和进步。由 于教育是极具差异性的，所以怎样利用现代技术加强学生科学知识和科学精神的教育， 是我们在构建整合型的科学课程中要着力解决的问题。 2 、虚拟现实技术在中小学科学课程中具有广阔的应用前景 v r 技术作为一种新的媒体形式，应用于教学中，具有其它媒体形式无可比拟的优 势。从虚拟现实的技术特征i m m e r s i o n ( 沉浸1 一i n t e r a c t i o n ( 交互) 一h i l a g i n a t i o n ( 构想) 来看，将其应用于中小学科学课程的意义在于： ( 1 ) 情景模型：促进形象思维和逻辑思维的结合“右脑革命” t r 布莱克斯利曾在右脑与创造一书中写道：“计算机革命，从根本上说，它 乃是左脑革命的进一步延伸。计算机实际上是扩展了我们进行抽象的逻辑思维的能力”。 而“对于右脑所进行的那种类型的思维，不能对计算机抱有不恰当的奢望。”他呼吁， 当今社会的教育急需进行一次“右脑革命”o 。 但是v r 技术的出现，却超越了布莱克斯利的预言。利用v r 技术不仅可以仿真地模 拟客观世界，还可v g 仓, l 造出许多的虚幻情景，比如现实生活中无法观察到的，或无法再 现的事件或过程。由此，学习者在虚拟世界中体验的，可能是真实世界的仿真，也可能 是一个抽象概念的形象化。学习者不仅仅可以通过逻辑的方式进行学习，更主要是通过 。陈至立努力提高小学科学与数学教育的水卜 j 人民教育2 0 0 1 ，( 1 ) 。托马斯r 布莱克斯利右脑与刨遗【mj 傅世侠，夏佩丑译北京：北京大学出版社，1 9 9 2 ：9 0 1 形象化方式进行学习，突出了形象思维和逻辑思维的结合。所以，计算机信息技术不仅 仅把“左脑革命”向前推进了，也使“右脑革命”的实现变得更现实了。早有学者指出： 左右脑两半球的结合使用，是在科学或艺术上创造性过程的共同特征。钱学森也认为： “形象化思维比抽象化( 逻辑) 思维更广泛，逻辑思维只是解决科学问题，形象思维是 把还没有形成科学的前科学知识都利用起来”。同时，利用v r 技术创设的虚拟情景， 给学习者主观的创造带来充分开阔的想象时空，必将对学习者的学习方式和思维发展产 生重要影响，促进其思维能力的全面发展，推动其更好地从事创造性活动。 ( 2 ) 交互性：促进学习者主体性的发挥 交互性是虚拟现实系统最显著的特征，它打破了物质实体条件下只能依赖单一途径 选择发展可能的旧模式，使现实性的发展兼容了多种可能性。也正由此，决定了它在技 能训练和虚拟实验等方面的特殊优势。学习者不再是一个被动的观察者，而是可以在虚 拟情景中随自己的意志自由移动，自由地选择观察的角度和侧面，可以远观，也可以近 析，也可以与虚拟环境中的人物、事物发生交互关系，进行寻求探索。这里的人机交互 是一种近乎自然的交互。 早在2 0 世纪9 0 年代初，国外就有一些人，如f e r r i n g t o n ( 1 9 9 ，l e w i s ( 1 9 9 4 ) ， p a n t e l i d i s ( 1 9 9 3 ) 等指出，跟模拟场景的交互有助于学生的学习，因为它们能吸引学生的 注意力。美国的c h r i s t i n ey o u r i g b l u t 也指出，虚拟现实所具有的交互性给学生提供种 “做中学( 1 e a r n i n gb yd o i n g ) ”的情形，会极大地调动学生的积极性和主动性，增强主 体意识，促进学生在建构知识时，能更好地掌握、记住和归纳新知识。澳大剥亚詹姆 士库克大学( j a m e sc o o ku n i v e r s i t y ) 教育学院的d a v i da i n g e 博士通过实验发现v r 对 回忆空间细节的影响明显大于照片的影响。 ( 3 ) 多感知性：促进认知，以及实现功能替代 传统上，人们用计算机处理信息时，人们已往的经验、知识是以数字化形式存储在 数据库内，学习者对数字化单位信息进行认知，从以定量为主的结果中得到启发，而加 深对事物认识a 而在v r 系统中，学习者可以调动多种感官，参与到计算机信息处理环 境中，实时地、全方位地获取信息。学习者是基于过去已有的经验、现时体验和v r 系 统的现时输出，在定性与定量综合集成的环境中，得到感性和理性认识，从而加深对概 念的理解，萌发新意，提高自身认识能力。所以，有人称道v r 技术是第一个推动人们 以身体活动获取知识的智能技术。 也正是由于v r 技术能提供多种感知信息，v r 技术除了为正常人的学习提供了更 多方便，也使残疾人的特殊教育成为可能。身患残疾的学习者可以利用多种感知来弥补 其在某一方面的不足。1 9 9 3 年，第一届“国际虚拟现实与残疾人会议”召开。国外的实 验结果表明基于桌面v r 的虚拟环境( v e ) 能有效地教会有严重学习障碍的人掌握重要 。钱学森主编关于思维科学上海：卜海人民i | ；版社，1 9 8 6 ：1 5 7 2 的生活技能，并能提高他们的自我定向活动能力( s e l f - d i r e c t e da c t i v i t y ) 。 ( = ) 研究现状 1 、国外研究概况 美国和欧洲一些国家在虚拟现实的教育应用方面已做了许多实质性的研究和开发 工作。美国也是最早将虚拟现实引入课堂的国家之一。 1 9 9 2 年，美国的东卡罗琳那大学( e a s tc a r o l i n au n i v e r s i t y ) 成立了v r 技术与教育 实验室( v r e l ) ，并于1 9 9 5 年创刊( v ri nt h es c h o o l s ) ) 。该实验室的一个小组搜寻北 卡罗琳那州从幼儿园到中学的以能力为基础的课程的所有目标( 包括科学教育) ，以便 找出哪些目标适宜使用v r 技术( v e r o n i c as p a n t e l i d i s ，1 9 9 6 ) 。同期，还有许多欧美 学者也对虚拟现实在教育中的潜在价值作了研究( b y m e f u r n e s s ，1 9 9 4 ；d e d e ，1 9 9 5 ； p a n t d i d e s ，1 9 9 3 ：w i n n ，1 9 9 7 ) 。还有人提出虚拟现实给教育带来的挑战( g o n z a l o v e l e z j a h n ，1 9 9 5 ) 。1 9 9 5 年，美国国家计算机科学联盟( n c s a ) 与i l l i n o i s 大学合作，还包括 来自于六个州的若干教师参加，进行了一项历经五年的研究，试图回答“虚拟现实对 教育是否有帮助? ( b a r b a r a a a n d e r s e n ，c a r o le n g e l m a n n e 1 a i n ew e s t b r o o k ，1 9 9 6 ) 。 还有人研究利用v r 创造情境是否可以帮助儿童学习汉语( t o md ep a e p e ，l m a ， a h e i r m a n ，b d e s s e i n ，d v e r v e n n e ，ev a n d a m m e c w i l l e m e n ，1 9 9 8 ) ，也 有人( l y n n ec o x ，1 9 9 6 ) 通过研究发现可以利用v r 提高儿童对音乐器械的学习。由 美国国家科学基金会支持，g e o r g e m a s o n 大学和n ，( v i r t u a l e n v i r o n m e n t t e c h n o l o g y l a b o r a t o r y ) 合作开发了s c i e n c e s p a c e ( 科学空间) ，提供三种虚拟情境( 在牛顿世界中 学生可以体验牛顿三大定律；在麦克斯韦世界中，通过检测电磁场的自然属性来验证高 斯定律；在p a u l i n g 世界中集中研究分子) 以验证学生通过直接交互式的体验，能否更 好地理解科学概念。美国i n t e r f a c et e c h n o l o g i e sc o r p o r a t i o n 开发了虚拟环境科学实验室 ( v e s l ) ，教学运用后的后测结果表明其有利于学生对关键概念的掌握( n e m i r e ，1 9 9 5 ) 。 1 9 9 7 年，美国成立“虚拟现实教育协会( t e a ) ”。 还有学者作了一些实证研究，如通过后测结果比较在物理教学中，运用沉浸式v r 与传统的讲授法教同一教学内容的差异( b r e l s f o r d ，1 9 9 3 ) ；比较在生物教学中，运用 桌面v r 与沉浸式v r 或录像后学生成绩的差异( g a y 。1 9 9 4 ) ，实验结果表明运用v r 后的效果明显好于使用录像，但没有发现沉浸式v r 比桌面v r 占有优势；比较研究利 用虚拟电脑硬件、真实的硬件和讲解三种方法教学生学习电脑硬件( w i l l i a mt r a v i s ， 1 9 9 7 ) ，其实验结果表明前两种方式的效果明显好于第三种；比较研究运用虚拟放射性 实验室教学与传统的课堂讲授辅以录像的方法教物理中的放射性( j o a n n a k c r o s i e r ， s u e v g c o b b j o h n r w i l s o n ，2 0 0 0 ) ，从实验结果得出了这样的结论：在设计学校中 使用的v r 作品时，要充分考虑到学生如何使用它，并且有些教学应在使用v r 之前进 行，以使学生意识到要学习的课题，以及它的概念和术语，以便从v r 环境中获得相应 3 的信息。 另一方面，欧美建立了各种用于科学教育的虚拟实验室和虚拟图书馆。 美国已尔的摩约翰鹤普金斯( j o h n sh o p k i n s ) 大学化学工程系的m i c h a e l k a r w e i t 教授在web 上建立了一个虚拟实验室，为刚丌始学习科学和工程学的学生进行实验介 绍、问题解答、数据采集和科学解释。休斯敦大学建立了“虚拟物理实验室”，能使学 生做包括万有引力定律在内的各种实验，可以控制、观察由于改变重力的大小、方向所 产生的种种现象，以及对加速度的影响。使学生对物理概念和定律有了更深的理解。北 卡罗琳那大学研制了一种可以让学生用手操纵分子运动的化学虚拟现实系统，学生戴上 头盔并通过数据手套进行反馈控制，可以使分子按某种方式结合在一起。除此以外，还 有麻省理工学院的w e b l a b 、卡耐基梅隆大学的虚拟实验室等在线实验室。在英国， 拟开发生命科学实验教学虚拟系统，学生在虚拟环境下，漫游植物世界，了解植物的生 长特征，并亲自解剖动物器官，模拟人体器官及生理机能，动态演示人们看不到、摸不 着的神经系统，生动地再现人体的消化系统、呼吸系统等。以使学生对生命科学有一全 面的了解，并激发学生学习生命科学的兴趣。 荷兰特温特大学建立了一个虚拟图书馆系统，教师和学生使用该系统尤如置身于真 实的图书馆，任意、快速、方便地查阅各种所需的资料和书籍。 另外，站点w e b m o l e c u l e s 以v r m l 文件提供了将近2 0 0 0 种分子模型，网站 w w w v r m l w o r k s c r i s p e n o r g 提供了物理、化学、生物等科学教育的虚拟实验室及其它虚 拟现实作品，网址w w w w e b 3 d o r g v r m l e d a p h t m 、w w w v r l u m i c h e d u n e w m i d f i e l d i n d e x h t m l 等都有不少科学教育的虚拟现实作品。美国等国家也制定了许多用于创建虚 拟场景的语言，仅v i r t u se n t e r t a i n m e n tc o r p o r a t i o n 开发的就有v i r t u sw a l k t h r o u 叠i lp r o 、 v i r t u s3 - dw e b s i t eb u i l d e r 、v i r t u sc o n e e p t c a d 、v i r t u s4 0 、v i r t u sp l a y e r 、v i r t u sg a l l e r i e s a n dm a t e r i a l sp a k s 。 2 、国内研究概况 2 0 0 0 年6 月1 0 日，中国科学院院长路甬祥院士在北京中国科技会堂作了题为关于 新世纪科学教育的几点思考的综合性学术报告。在报告中他指出，现代化、网络化的 科学教育设施有待进一步建设和完善，科学教育社会公共资源有待进一步合理布局、共 享和充分利用。他还呼吁不断吸收国际科学教育的先进经验和成果，加速建设教育网络、 教育数据库，发展远程科学教育，大力发展支持终身学习的科学教育体系。 2 0 0 1 年7 月1 6 日1 8 日，“科学素养与科学教育国际会议首届研讨会”在北京师 范大学英东学术会堂召开。本次大会的议题之一便是社会发展和科学课程发展，包括二 者的相互作用以及现代信息技术在科学教育中的应用等等。 北京师范大学科学传播与教育研究中心在研究国内外科普实践及创新经验的基础 上利用网络技术建设科学教育网站，以此来刀：拓科学教育的新领域，扩展科技传播的 网络途径。 4 为推进“信息技术在科学课程中的应用”的理论研究和实践工作的开展，“信息技 术在科学课程中的应用”国际研讨会于2 0 0 2 年1 2 月在北京举行。国内、国际的专家学 者分别以利用技术促进学生的反思：对科学教育的启示、信息技术整合于科学教学 理论、模式与实践为题从不同角度对研讨会主题进行了研讨。 可见，我国科学界和教育界非常重视教育新技术在科学教育中的应用，并付诸实践， 加强校企合作，构建软硬件平台，开发优质的教育信息资源库。 虽然虚拟现实在我国军事教育、医学实习、娱乐、体育运动i l 练等领域已得到广泛 应用，v r 秀网站也相继出现，如w w w 8 6 v r c o m ( 虚拟无忌) 、w w w c n v r m l o r g 、 m 1 7 d e s i g n m y e t a n g c o m x 3 d 等，w w w i t u r l s c o m t e c h h o t s p o t t h _ s a a s p ( i t 之源) 也链 接了国内外许多虚拟现实网站。但目前我国几乎还没有将虚拟现实引入基础教育的课堂 以及远程教育中，教师也知之不多。当然也不乏这方面的研究，主要包括两个方面： 第一，技术层面的开发研究和应用。如制作开发基于虚拟现实的w e b 课件( 刘文 艳，2 0 0 0 ) , 基于桌面虚拟现实的远程协作学习系统( 刘振波，2 0 0 2 ) 、远程教育中的虚 拟实验室( 肖俊，2 0 0 2 ) 以及讨论其发展方向( 单美贤，2 0 0 2 ) 。一些简单的注重人机 交互机制设计的物理、化学等课件( 王笑君，2 0 0 1 ；恽如伟，2 0 0 3 ) 已经出现，如金刚 石的晶体结构、d n a 模型及曲轴转动模型等。香港教育学院( h k i e d ) 科学系的超媒 体自学中心( h a sc 戡心) 在网上展示了密立根油滴实验辅助教学课件( 采用物体的 3 6 0 度旋转技术) 和食盐固态晶格结构的模拟( 采用v r m l 编写) 。上海科技网和华东 师范大学多媒体技术研究室合作开发了虚拟现实博物馆，即“科技创新博物馆”，分为 古代馆、工业馆、现代馆三个部分。我国也开发了虚拟实验室，但主要是针对高校教学 的，如北师大现代教育技术研究所与北京3 0 1 医院合作利用q u i c k t i m ev r 技术开发了 一个内消化道的病变诊断教学系统。网址w w w w j h l z x e d u c n s t u d y l 2 3 p h y p h y _07 p h y0 7 0 3 ，v r m l h t m 提供了由v r m l 编写的属纯文本格式的虚拟物理实验室，包括天文 学、电磁学电矢量、分子结构模型相关的虚拟小实验。与国外相比，我国开发用于教育 中的基于虚拟现实的成果还不多，实际运用就更不充分了。 第二，在引进和介绍国外研究成果的基础上进行定性研究。对于虚拟现实运用于教 育的必要性和可能性，已有很多人( 张筱兰，1 9 9 7 ；周孟然，2 0 0 0 ；陆俊，2 0 0 0 ；裘伟 廷，2 0 0 0 ；赵士滨，2 0 0 1 ：单美贤，2 0 0 1 ) 作了探讨和展望。北京师范大学出版的教 育技术学( 何克抗、李文关，2 0 0 2 ) 和信息技术与教育( 黄荣怀，2 0 0 2 ) 这两本书 中都对虚拟现实在教学中应用的可行性做了一定的分析，并以国内外的应用实例说明。 在化学教育展望( 高剑南、王祖浩，2 0 0 1 ) 一书中也指出了化学c a i 课件的虚拟现 实化趋势。 总的看来，目前国内的定性研究还比较粗浅，缺乏多角度、综合性、系统性的研究， 没有充分地把计算机技术与课程整合的思想融入到课件设计中去，所以结论设想难免有 流于空泛之嫌。另一方面，已有文献多从制作技术入手进行探讨和总结，缺乏新的教育 理念的指导。而且完整的、有实用价值的基于v r 的w e b 课件较少，大多数课件的虚 拟现实部分一般比较简单，不能充分体现v r 技术较其它媒体形式的优越性和独特性。 更没有微观层面、深层次的个案研究或实证研究，导致其结果缺乏信、效度与针对性， 适切性也有待考虑。 ( 三) 概念和定义 虚拟现实，译自英文“v i s u a l r e a l i t y ”。简称v r 。发展到今天，不同的人对其理解 相差甚远，主要有7 种观点：模拟( s i m u l a t i o n ) 、交互( i n t e r a c t i o n ) 、人造物( a r t i f i c i a l i t y ) 、 沉浸( i m m e r s i o n ) 、遥现( t e l e p r e s e n c e ) 、身体完全沉浸( f u l lb o d y i m m e r s i o n ) 、网络 传播( n e t w o r k e dc o m m u n i c a t i o n s ) 。 在国外，出现了多种对“v i s u a l r e a l i t y ”的定义，这些定义中的关键词包括“知觉 ( p e r c e p t i o n ) ”、“在场( p r e s e n c e ) ”、“沉浸( i m m e r s i o n ) ”、“感性的( p e r c e p t u a l ) ”和“实 时交互( r e a lt i m ei n t e r a c t i o n ) ”等。这些定义描绘出了一个正在蓬勃发展的研究领域。 同样，在中文译文中也有译作“实境技术”、“人工现实”、“模拟现实”、“虚拟实境”、 “虚拟实在”的。钱学森则建议把它译作“灵境”。不过较为通用的译法为“虚拟现实”， 本文也采用这种译法。 从历史的角度看，计算机始终是v r 研究或发展中的核心元素，虚拟现实是用计算 机对环境的模拟，并且用户能够与虚拟环境进行交互。这种环境可以是真实的，也可以 是构想的，并且可以以文本或图形表现出来。狭义上的虚拟现实，是一种实在的计算机 技术，是人工智能、计算机图形学、人机接i 口技术、多媒体技术、网络技术、并行计算 技术等多种技术的集成。计算机能产生一个三维立体空间，用户可以和这个空间中的对 象交互，除观看外，还可以操作其中的部分对象，并可在空间中随用户的意志自由移动， 进而产生融入感和参与感。本研究所指的v r 技术，即是指计算机专业领域的虚拟现实 技术。 今天的虚拟现实技术，可以看作一种特殊的多媒体技术，通过视、听、触觉等作用 于用户，进一步使人“进入”多媒体世界中，实现人机互动、互相交流的操作环境及身 临其境的感受，使人产生强烈的参与感、操作感，成为“景中人”，实现人境一体化。 所以，b u r d e a 公司的v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y 根据虚拟现实系统的技术特征，给出了3 个i 的定义，即沉浸度( i m m e r s i o n ) 、交互性( i n t e r a c t i o n ) 、想象力( i m a g i n a t i o n ) ， 也叫做虚拟技术三角形。 在国内，一般将虚拟现实技术分为三大类：一是沉浸式v r ，采用头盔式显示器等 将用户的一切感知功能进行封闭，使其产生一种身在虚拟环境中的错觉效应；二是桌面 式v r ，虚拟境界通过一般显示器显示，沉浸度不高。三是分布式v r ，提供一个虚拟空 间给分布在不同地点的用户，他们共享这个虚拟空间，还能进行联结，达到一种更高的 虚拟境界。而国外，大多数人将v r 分为基于文本的( t e x t b a s e d ) v r 和基于图形的 ( g r a p h i c s b a s e d ) 的v r 。 从技术层面看，“虚拟”是对现实世界的反映。；从哲学的层面来看，“虚拟”即编 码化( 符号化) ，也即是说对信息的编码，它在信息传递的过程中承担中介的作用。实 质上，v r 技术就是一种人们用以创建虚拟的信息环境的工具。德国新康德主义哲学家 卡西尔，在人论中指出，“符号化的思维和符号化的行为是人类社会中最富有代表 性的特征，并且人类文化全部发展都依赖于这些条件”。人类通过“虚拟”使信息离 开信源，得以记载、存储和传播。从字面上看，虚拟现实似乎把两种矛盾的想象组合在 一起。韦伯字典表明，虚拟( v i r t u a l ) 就是“在本质上或实际上没有被正式认可和承认 的”；现实( r e a l i t y ) 是“一种真实的事件、实体或事物状态”。我们可以这样理解：虚拟 现实就是一种事件或实体，它在影响上是真实的，但在事实上是不真实的。 二、课件设计研究 ( 一) 基于v r 的w e b 课件简介及设计课件的理论基础 1 、基于v r 的w e b 课件简介 基于v r 的w e b 课件就是将虚拟现实技术作为一种新的媒体表现形式引入w e b 课 件中，设计并开发“多媒体+ v r + i n t e r n e t ”的新一代课件。 沉浸式虚拟现实要依赖于成本较高的头盔式显示器、舱型模拟器、投影v r 设备等 硬件设备来实现，况且w e b 课件是在网上发布，主要服务于远程教学，它的学习对象 是远程存在的、分散的、数量较多的学习者，就目前而言，不可能每个学习者都有能力 配备专用的沉浸式虚拟现实输入输出设备。并且，这些设备对人体健康和安全是否有影 响，还是一个尚待回答的问题。所以，w e b 谋件中的v r 部分常用桌面式v r 形式。利 用虚拟现实软件建模、编程，辅之以简单便宜的输入输出设备，便可以产生各种虚拟境 界。虽然这种境界不如沉浸式虚拟现实那样有完全沉浸的感觉，但也可以呈现给学习者 一系列的仿真境界，并且可以通过编程控制使境界对学习者的操作产生交互的反应。将 其应用于课程中，能实现其它媒体形式所无法实现的最佳教学效果。目前常用的一些桌 面虚拟现实技术有： ( 1 ) 3 6 0 0 全景摄影技术。 ( 2 ) 用v r m l ( 虚拟现实建模语言) 建模。 ( 3 ) 桌面c a d 系统，即o p e n g l 、d i r e c t d r a w 等桌面三维图形绘制技术。 相比较而言，v r m l 更具有实用性。目前，w e b3 d 协会下设数十个研究小组，分 别从不同方面致力于v r m l 的发展研究与完善工作。v r m l 文件是一种简单的a s c i i 文本文件，其编辑工具可以是任意种文本编辑器。并且不需要任何编译，直接由浏览 器插件解释执行。随着用于创建v r m l 模型的工具软件的出现，除了交互性行为需编 。张田勘科学的沼泽【m 】北京：民主与建设出版社，1 9 9 8 ：4 8 。恩斯特- 卡西尔入论i m 】甘阳译上海r 上海译文出版社，1 9 8 5 ：3 5 7 程控制，创建比较大的和精细的三维模型可以避免文本编辑器编写语句时繁重的工作 量。 除了具有一般虚拟现实建模语言的特性( 如创建的场景具有沉浸性、交互性和多感 知性) 外，v r m l 还具有易传输性、实时性、组合性、可伸缩性等强大的网络功能。 从远程教学的角度讲，基于v r 技术的w e b 课件具有以下的特点和优势： ( 1 ) 实效性设计制作好的基于桌面v r 技术的w e b 课件一旦发布到学校嗣站或教 师个人主页上，就可以实时地被所有学生所接收，这种时效性是不受时间和空间的限制 的。除了加速新知识的传播，网络的实效性也增加了教学课件发布的灵活性。课件可边 制作边发布，边发布边修改，并可以进行动态的更新。 ( 2 ) 全球性与共享性任何学生不管身在何处，只需通过i n t e r n e t 便可以浏览w e b 课件，并可浏览到来自不同国家的科学教育w e b 课件或其它相关作品。可实现虚拟图书 馆、虚拟实验室、虚拟课堂等，为学生提供多层次、全方位的学习资源。 ( 3 ) 交互性基于v r 的w e b 课件除了其自身技术特点( v r 技术和超媒体等) 所具 有的交互性外，如果再辅以e - r e a l l 、b b s 、f t p 等方式，则为师生在网上进行信息交互 提供了各种可能，而师生之间的这种近乎实时的交互作用是达到良好的教学效果所必不 可少的。 ( 4 ) 个别化因为网络可以实现学习资源的最大配置，基于w e b 的个别化学习比 通常计算机辅助学习具有更大的灵活性和可选择性。 2 、v r 技术环境下设计课件的理论基础 ( 1 ) 分布式认知( d i s t r i b u t e dc o g n i l i o n ) 及其对课件设计的启示 随着电视、电话、计算机、网络等电子科技的迅猛发展，人类的许多认知活动( 如 计算机支持的协同工作、远程教育等) 越来越依赖于这些认知工具，依赖临场和情境。 认知分布的思想，也逐渐被人们所认识和重视。2 0 世纪8 0 年代中期，h u t c h i n s 等人明 确提出了分布式认知的概念，认为它是重新思考所有领域的认知想象的一种新的基本范 式。 分布式认知是指“认知分布于个体内、个体间、媒介、环境、文化、社会和时间等 之中”。作为一种认知活动，它也“是对内部和外部表征的信息加工过程” 。 从系统理论的视角看，分布式认知具有以下特征： 认知分布于人和设置( d e v i c e s ) 之中的学习环境作为个系统，其复杂性主要不 是源于系统所拥有的要素的数量，而是源于这些因素互动的潜力。因为生产性的动态系 统是自组织的，所以，系统变化数量，或者不确定性，会随着时间的推移逐渐减少，直 。c o l em ，e n g e s t r o myac u l t u r a l - h i s t o r