（教育技术学专业论文）三维虚拟学习环境的设计研究.pdf

摘要 虚拟现实技术在教育领域的应用和发展丰富了现有教育体系中教与学的表现形式，它能 够为学生提供生动、逼真的学习环境。对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点， 都将起到积极的作用但由于受软硬件等方面的限制，在基础教学领域要建立起沉浸程度高 的虚拟三维空间是相当困难的所以，将现有的大众软件引入三维虚拟学习环境的分析与再 现过程中，建立基于3 d 的虚拟学习环境将具有特殊的意义三维虚拟学习环境是利用三维 软件和编程技术设计制作并在一般常用的p c 机上就能正常运行的具有一定沉浸度的虚拟学 习情境，这是利用虚拟技术在基础教学领域的一次尝试 构建以建构主义等学习理论为理论基础的三维虚拟学习环境是本文的设计目标，三维虚 拟学习环境是一个基于w e b 之上的三维空间的情境教学环境，它抽取了真实世界中的个别 方面。构造出有关可视化对象的虚拟场景，为学习者提供了可视化的学习资源和内容 本文从国内外应用虚拟现实技术进行教学的现状着手，在情境认知、建构主义等理论基 础上，通过对三维虚拟学习环境的特点分析，讨论了三维虚拟学习环境的教学方法及组织形 式，并总结了环境的系统架构，归纳出了具体的设计原则和方法同时，文章从技术角度对 构建三维虚拟学习环境所需技术的特点与可行性进行了全面的分析。 本文选用了高中地理教材中的宇宙环境这一篇章作为实施案例的具体内容，综合应 用3 dm a x 、c u l t3 d 、v r m l 及网络编程语言等技术建立了基于w e b 的三维虚拟学习环境应 用框架，并从理论和技术两方面对构建该框架的过程展开了充分的阐述与讨论 关键 司：三维虚拟学习环境、虚拟现实、交互、c e l t3 d 、v r m l a b s t r a e t v m a a l r e a l i t y t e c h n o l o g y ( v r ) a 讲c h t h e r e p r e s e n t a t i o n o f t c a c h i n g a n d l e a r m n g i n t h e e d u c a t i o n a ls y s t e m i tc a np r o v i d es t u d e n t s av i v i da n dl i v e l ye n v i r o n m e n tw h i c hc o u l da r o u l u = s t u d e n t s l e a r n i n gp o s i t i v i t y , a n dh e l pt e a c h e r st ob r e a kt b r 硼曲t h ed i f f i c u l t i e s i nt e a c h i n g b u t n o w a d a y s , t h ed e v e l o p m e n to f t h r e e - d i m e n s i o n 甜v ri sn o tv e r ym a r n e b e c a l k o f t h el i m i ti n s o f t w a r ea n dh a r d w a r e i ti sv e r yd i 俪c u l tt ob e i l dah i g h - i m m e r s i o na n dt h r e n - d i r a e n s i o n a ls p a c e i nt h ef i e l do f b a s a lt e a c h i n g t h e n , i ti sm e a n i n g f u lt ob u i l dat h n ：e - d i m e n s i o n a ll e s x u i n gs p a c eb y i m p o r t i n gs o m ee a s ya n dc o n v e n i e n tt e c h n o l o g y 1 1 艟t i m e e - d i m e n s i o n a lv rl a m i n ge n v i r o n m e n t w h i c ht h i sa r t i c l ew i l le x p a t i a t ei sb u i l tb y3 ds o f t w a r ea n dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y i tc m n n o r m a l l yi no r d i n a r yc o m p u t e r s t h i sk i n do f s p a c ei 。l o w - i m m e r s i o n , b u ti ti sat r yt ou s ce a s y a n dc o n v e n i e n tv rt o c l m o l o g yi nt h ef i e l do f b a s a lt e a - h i n g t h eg o a lo ft h i sa r t i c l ei st od e s i g nac o n s t m c t j v i s m - t h e o f y 4 ) a s e dt h r e e - d i m e n s i o n a lv r l e a r n i n ge n v i r o n m e n tw h i c hi saw e b - b a s e dt e a c h i n go n e i tg e n e r a l i z e st h es e v e r a la s p e c t so f t h e r e a lw o r l d a n dc o n s t r u c t sa l li n t e n e l a t o dv i r t u a ls c e 肥t h i se n v i r o n m e n tp r o v i d e ss t u d e n t ss o m e e y e a b l el e a r n i n g 腭s o m e s f r o mt h ea c t u a l i t yo fa p p l y i n gv rt e c h n o l o g yi nt e a c h i n gi nt h ew o r l d b a s e do n c o n s t m c t i v i s mt h e 州，t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h et e a c h i n gw a y sa n do r g a n i z i n gf o r m so f t h r e e - d i m e n s i o nv rl e a r n i n ge n v i r o n m e n t , a a n m a f i z 黯t h e 码喀蛔面cf r b l n ca n dd e s i g n i n g p r i n c i p l e ，t h r o b 曲a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f v r m v ：o m n e n lm e a n w h i l e ，t h ea r t i c l ea n a l y z e s t h ef e a t u r e sa n df e a s i b i l i t yo f n e e d e dt e c h n o l o g i e sf r o mt h cv i e wo f t e c h n o l o g y t h ec h a p t e ro fa d v a n c e dm i d d l es c h o o lg e o g r a p h yt e x t h o o kw h i c hn a m e du n i v e r s e e n v i r o n m e n ti se l e c t e da st h ec o n c r e t ec o n t e n tp u t t i n gc a i n t op r a c t i c e i no r d e rt ob u i l da w e b - b a s e da p p l i c a t i v ef l - b i n eo 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 e v e r a lt e c h n o l o g i e sa r ea p p l i e d s y n t h e t i c a l l y , s u c h 3 dm a x 、c u l t3 d 、v r m l 、n e t w o r kp r o g r a m m i n gl a n g u a g e 1 1 1 i sa r t i c l e d i s c u s s e s t h e c o i n s o o f f r a m e b u i l d i n g f r o m l h e v i e w so f t h e o r y a n d t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：t h r e e - d i m , s i o e n lv i a u a ll 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 y 、i n t e r a c t i o n 、 c u l t3 d 、v r m l 论文独创性声明 本论文是莸个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 储躲次两w 节日期，7 。， 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 储躲次品唧导师签砖避晚? ，。不” 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 虚拟现实技术在教育领域的发展 随着信息技术的飞速发展，人们的生活方式，生产方式发生了改变，而且人们的思维和 学习方式也逐渐受到影响从文字到图像、从二维到三维再到虚拟现实的演变，在教育领域 内引发了一场教育技术和学习方式的革命目前，虚拟现实技术作为一种比较新型的技术正 逐渐在教育领域大展拳脚虚拟现实技术在教育教学上的应用。开刨了“虚拟教学”的崭新 领域，它是教育高科技的展示和体现，也是教育手段现代化、信息化的标志之一，有着极其 广阔的应用前景。 虚拟现实技术是运用计算机等设备对现实世界进行全面仿真的技术，由于它能够创建与 现实社会类似的环境，能够解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求，从而在教育领域内 有着极其巨大的应用前景。比如，在历史地理、阅读及理科等某些教学内容中使用虚拟现 实技术可以为学生提供一种可供体验和观测的环境，显现知识的意义和结构，达到掌握知识 的目的。可以预言，虚拟现实将是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域内最具有应用前 景的。明星”技术之一 那么，对虚拟现实的基本定义是：。虚拟现实是一个由计算机产生的三维立体空间，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，进而产生相当的融入感及参与感。”o 被称作“虚拟现实之父”的g r i g o r e b u r d e a 在e l e c t r o 。9 3 i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e 上所发 表的4 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，曾提出了一个“虚拟现实技术的三 角形”，如图1 1 所示，简捷地说明了虚拟现实系统的基本特征：交互性( i n t e r a c t i o n ) 、沉 浸屠( i m m e r s i o n ) 和想象( 劬g m a t i o n ) 这三个。l ”反映了虚拟现实系统的关键特性 就是系统与人的充分交互 o 严子翔( 2 0 0 1 ) v i g i l 虚拟现实同页语言阻】北京：清华大学出版社2 0 0 1 第l 章绪论 图1 1 虚拟现实系统按其功能不同，可分成三种类型： ( 1 ) 沉浸型虚拟现实系统沉浸型虚拟系统比较复杂，使用者必须头戴头盔、手带数 据手套等传感跟踪装置，才能与虚拟世界进行交互。由于这种系统可以将使用者的视觉、听 觉与外界隔离，因此用户可排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去这种系统的优 点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广 ( 2 ) 简易型虚拟现实系统。简易型虚拟现实系统由一台普通的计算机系统组成，使用 者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交互。用户在普通的电脑上，利用鼠标和键盘，就能 真实地感受到虚拟的情景这种系统的特点是结构简单，易于普及推广，是一种经济实用的 系统 ( 3 ) 共享型虚拟现实系统。共享型虚拟现实系统是利用远程网络，将异地的不同用户 联结起来，共享一个虚拟空间，多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协 同工作的目的。 虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境的一名参 与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对调动学生的学习积极性突破教学的重点、难点， 培养学生的技能都将起到积极的作用 教育是借助于一定的技术手段来实现的，因此教育技术的变革，必然会带来教育模式、 规模和意识上的变革教育技术的先进性，直接促进人类教育行为的方方面面，同时也进化 着人类的教育思想。显而易见。在崭新的虚拟现实技术支持下的虚拟教育，不仅仅是为教育 技术提供了一种全新的、前所未有的模式而且将对远程教育乃至整个人类教育，在思想观 念上带来重要的、也许是根本性的革命 1 1 2 问题的提出 阿伯特早在1 8 8 4 年出版的平面世界) 一书中，就描述了一个存在于二维空甸的虚拟 社会，他把所有的事物都用长和宽来表现。他在随后又认识到“高”这个概念，利用这个概 念就可以表现三维世界。此后他便开始向坚持平面世界观的人宣传新的三维空间世界观然 而他却发现让持有平面世界观的人充分地理解三维空问存在着很大的困难 目前在教育方面，很多从事教育的工作者在许多方面与平面世界观持有者具有很多相同 2 第j 章绪论 之处生活在平面世界中的人很难理解三维世界中到底发生了什么事情。有的人虽然也使用 计算机和网络，但也只是停留在依靠文本和图片的二维平面世界中所以，能够利用计算机 和网络的三维空问世界为教育服务，这是一个大的教育教学问题，也是一个有待开发的教育 资源，需要我们认真对待 3 d 首先出现在计算机多媒体的游戏之中，后来又逐渐地被用于网络中三维交互图像的 开发和设计，主要通过计算机动画来表现。在三维空间中，人们有可能通过网络实时地与其 它用户会面，并能进行以媒体为中介的社会化的交互作用和通信通过这种交互作用，一种 新型的、具体化的社会实践及社会文化正在逐步形成三维空间的网络不是冷冰冰的技术设 备，而是具有鲜活人格特征的、可以营造火热而美好生活的人类社区有人把这种环境称为 “可居住的三维世界”、。分布式的具体化实现”，。三维网络一“三维聊天室“等等一些三 维空间世界是大型的三维城市，空间站以及一些难以实现的非人类环境目前的三维空间技 术和社会化都已有了很大发展，使得大家可以对它进行比较细致的研究但三维虚拟技术的 发展并不是很成熟，要实现这样的境界所需投入的人力物力是很大的而教育领域的三维空 问世界由于受软硬件等技术方面的限制，实现起来也相当困难。因为要实现这样逼真环境所 需的虚拟现实技术，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，一般的教育单位是不可能承受的，资金不足严重制约着教育领域对虚拟现实的研究 和应用 但目前也有许多用于表现三维空间的软件，如果将现有易用的相关技术引入三维虚拟学 习环境的分析与再现过程中，建立基于3 d 的虚拟学习环境将具有特殊的意义。虚拟的三维 学习环境把教学内容引入了虚拟的世界，提供了与现实世界相关的仿真效果 三维虚拟学习环境是利用三维软件和编程技术设计制作并在一般常用的p c 机上就能正 常运行的具有一定沉浸度的虚拟学习情境，这是利用虚拟技术在基础教学领域的一次尝试 用一句话概括三维虚拟环境与虚拟现实的关系，就是前者是后者的应用和衍生。从理论上讲， 虚拟现实技术可建立理想的三维虚拟学习环境但实际上在建立这种环境的过程中会受客观 现实条件的制约而很难达到真正意义上的“虚拟” 3 d 虚拟技术在教育领域的应用和发展丰富了现有教育体系中的教与学的表现形式，构 建以建构主义学习理论为理论基础的三维虚拟学习环境是本文的设计目标三维虚拟学习环 境是一个三维空问的情境教学环境，它提供知识获取工具，并支持探索学习、协同学习、经 验学习，本文试图通过对三维虚拟学习环境的概念、特性的分析研究总结出构建这样一个 环境的要求和原则。 在研究这样一个三维虚拟学习环境的过程中，本文将围绕一个具体的教学知识点设计一 个具体的案饲，该案例选材于高中地理二年级第一学期第二篇宇宙环境这一部分宇 宙环境这篇章主要涉及太阳、地球、行星等宇宙中的天体，宇宙是一个三维的立体空问， 用肉眼是看不到宇宙全貌的，所以选择这部分知识点比较合适 1 2 引入三维虚拟学习环境的优势 随着信息技术的迅猛发展，新的教学技术不断涌现多媒体教学的表现形式也越来越多 3 第1 章绪论 样化，有二维的、三维的，不同的表现形式都有各自不同的特点现实世界在空问上是三维 延伸的，人们由于受认识能力、技术手段和硬件能力的限制，对现实世界的描述基本上是基 于一种二维的形式，现有软资源也大多数是以二维的方式展现的，多数网络教学资源是原有 教学材料简单的翻版。在这种课堂式翻版的学习环境下，学习者获取知识的途径仍未摆脱机 械式学习和灌输式学习由于传统的二维描述形式与现实世界差别太大，很多情况下无法有 效地表现现实世界中的物体和现象，大大制约了人们认识世界、改造世界能力的发挥近年 来，真实感计算机图形显示技术的发展和硬件的快速发展，为人们描述现实中的三维世界带 来了很大的方便。为改变上述的状况。教学资源的组织和设计者把这种三维多媒体技术结合 到了教学环境中三维可视化在医学、机械设计、地质、矿山、环境、海洋等很多领域的应 用研究及实践早已展开 三维可视化过程通过构造出有关可视化对象的虚拟场景，并提供良好的人机交互能力， 使观察者飙不同角度和详略程度观察这些可视化对象，辅助我们分析综合信息及其信息之闻 的关系，减少理解和认知它们所需要的努力 兰维虚拟学习环境有着自身独特的优点首先立体显示在帮助人们分析空间物体特征和 理解数据方面有很大帮助。利用三维虚拟学习环境，可以为学生提供可视化的学习资源和内 容。它生成的视觉很有生动性，人机交互和谐友好，可以改变人与计算机之间枯燥、生硬和 被动的现状对传统的多媒体教学产生重大的影响，使多媒体教学从二维平面变成三维立体 交互并能构建一个虚拟的、情境逼真的教学环境 对传统学习环境有良好的兼容性，学习内容具有媒体综合特征。以虚为主，虚实并存， 根据学习者的个人喜好，既可调用传统的学习资源，又可进入虚拟学习空问进行探索学习 从而提高学习效率。 简单概括这种虚拟环境的优点。即： ( 1 ) 以三维空间向量形式表示各教学模型形体和位置相对关系： ( 2 ) 支持实时漫游功能为探索学习提供支撑； ( 3 ) 支持多媒体信息辅助主要有文字、图片、视频、音频等； ( 4 ) 提供丰富的知识理论学习，以实际教学材料为对象设计学习模块单元，为学习者 的知识获取形成意义建构 因此，把三维虚拟技术引入教育领域具有广泛的作用和影响亲身去经历、去感受比空 洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动地观看有着质的差别。所以三维虚拟学习环 境会带给我们崭新的教育思维。解决我们以前无法解决的问题，为我们的教育带来一系列的 重大变革。 但是，有一点要清楚地知道，在众多表现形式中。芝维立体可能是比较吸引人的，但任 何一种技术的应用领域都是有一定的适用范围而不是万能的，不是所有的知识点都适合运 用三维虚拟情境进行学习 1 3 “三维虚拟学习环境”概述 先看。三维”。三维”是相对。二维”而言的= 维是平面的，只具有两个维度三 4 第l 章绪论 维比二维多一个维度，具有较逼真的空间感和立体感，在表现某个具体事物时，能从上下左 右和纵深三个维度来表现其特征 如果从“虚拟”一词进行描述，“虚拟4 与真实的感知觉环境相区别，也就是与我们平常 所说的“面对面”相区别从思维的角度来理解，虚即非现实，但其。虚”的特点却来源于 客观现实，通过模拟客观现实中真实的环境，并在模拟过程中，加入一定的思维逻辑性、多 元的主观价值指导以及艺术性等综合现实的考虑，使。虚拟的真实”与真实环境相比更具吸 引力、表现力及事件结论确定性的增强。虚拟学习就是依据建构主义学习理论并以网络及 多媒体技术为依托而构建的一种在线式的学习方式。 虚拟学习环境具备以下几个特征： ( 1 ) 技术的综台性虚拟网络学习环境需要复杂多样的技术支捧，如信息编码技术， 通信技术、光纤技术等硬件技术，和数据库系统、视频会议系统和课件点插等软件技术 ( 2 ) 良好的开放性，广域性、实时性和交互性能使学习者完全不受时问、地域和资 格的限制就可进入无限大的虚拟学习空问。真正体会到这种无处不在，随手可得的杜 会性教育资源 ( 3 ) 支持发现学习和分布式合作学习学习者一旦进入虚拟学习环境 即可随心所 欲地调用各种学习资源，提出大胆的假设进行各种实验。积极地探索未知世界。 这也提高了学生自主学习的能力这一学习方法符合认知学习理论，有利于学习者的 知识建构，体现了建构主义学习环境包含的。情景”、“协商”、“会话”和“意义建构” 这四大属性，从根本上革新了传统的学习方式，极大地拓展了传统教育空间 ( 4 ) 对传统学习环境有良好的兼容性，学习内容具有媒体综合特征。以虚为主，虚 实并存。可以根据学习者的个人喜好，既可调用传统的学习资源，又可进入虚拟学习 空间进行探索学习，从而提高学习效率 ( 5 ) 更强的交互性在虚拟学习空问中，虽然教师与学生不能进行面对面交流，但是 技术的进步可以弥补这一不足教师与学生、学生与学生、学生与资源之间的交互更为 方便和多样，如可以通过e m a i l ，b b s 、视频会议等多种手段进行交流。 本文所论述的“三维虚拟学习环境”，在上述虚拟学习环境的基础上，还增加了三维虚 拟场景，强调了。三维”这个特点。但与平时所说的虚拟现实又有所区别三维虚拟学习环 境只是狭义地理解为与学习对象的真实存在楣对应的计算机数据形式存在的虚拟环境，虚拟 程度有限真实的世界是具体而复杂的，三维虚拟学习环境只能抽取真实世界的个别方面， 如学习对象的空间构成、视觉要素、运动规律等等，但虚拟学习环境却有重要意义，例如三 维的虚拟学习环境可以为学生模拟肉眼看不见的微观分子世界的运动状况等等 三维虚拟学习环境是建立在w 曲基础之上的。通过网络，学生可以随时随地地进入该 环境，在任何位置观察学习对象或是实现实时漫游 要清晰地理解三维虚拟学习环境，需要区分几个概念。 首先，三维虚拟学习环境与一般意义的三维教学动画有着很大的区别。前者强调了。环 境”，能使学习者置身于与真实环境相近的学习场景中接受真实感受而三维教学动画一般 是呈现型的，由制作者事先设计好动画的流程学习者是不能人为控制动画的呈现方式或角 度的三维虚拟学习环境与三维教学动画没有好坏或是先进不先进之分，针对不同的学习内 5 第l 章绪论 容，它们的适用范围也不同 。 其次，三维虚拟学习环境与网络课件又有什么区别和联系呢? 同络课件是指在一定的学 习理论指导下，以网络的方式向受训人员传授各类知识的课件在设计开发网络课程时，需 要将常规教学材料移植到网络环境中形成具有w e b 特色的课程体系大多数网上教学内 容都以各种形式的网上课件来体现制作高水平的网络课件，需要使用多种媒体的不同表现 形式包括：文本、图像、声音、视频、动画咀及虚拟现实9 虚拟现实是随着媒体技术的 发展而发展起来的属于后起之秀当虚拟现实技术运用于网络课件中时，从一定程度上来 说，这种网络课件也包含了三维虚拟学习环境的成份三维虚拟学习环境与网络课件相比更 加强调了一个。三维虚拟”的性质，学习者可以与三维场景中的虚拟物体进行交互，具有一 定的沉浸性和仿真性，而网络课件并不强调这一点 。祝智庭( 2 0 0 1 ) 同络教育应用教程【m 】北京：北京师范大学出版社。2 0 0 1 。9 ：9 8 - 1 1 5 6 第2 章基于虚拟现实的三维虚拟学习环境的教学应用分析 第2 章基于虚拟现实的三维虚拟学习环境的教学应用分析 2 1 国内外应用虚拟现实技术进行教学的现状 2 1 1 国外 虚拟现实技术为人们提供了一种较为理想的教学手段，目前在国外被广泛应用在军事教 学、医学实习和一些普通中学的实际教学中 早在1 9 9 2 年，在美国的东卡罗琳那大学成立了虚拟现实技术与教育实验室该实验室 的目的是研究虚拟现实技术在教育方面的应用，评价虚拟技术的软硬件。考察虚拟现实技术 对教育的影响及其在真实世界中的应用，把虚拟现实技术与其它教育媒体效果进行比较 在利用v r 技术进行教育教学方面，英国的研究也是比较领先的在n e w c a s t l e - - u p o n 聊e 中学建立了以d i m e n s i o ni n t e r n a t i o n a l 的技术为基础的v r 软件包，探索用v r 进行 外语和工业安全培训的方法。在教育和学术方面对虚拟技术进行研究和探索的还有诺丁汉大 学的v i r a r t ( v i r t u a l r e a l i t y a p p l i c a t i o n r e s e a r c h t e a m ) 项目，其目标主要是探索桌面v r 的输入设备 2 1 2 国内 目前国内的众多高校都开展了有关虚拟现实的课题研究，如北京航空航天大学在分布式 飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；哈尔滨工业大 学在人机交互方面有很好的成果；清华大学在临场感方面的研究颇具特色此外，西南交大、 上海交大、北方工业大学，西北工业大学等都有诸多科技研究项目 基于虚拟现实技术的特点，它在理工科的教学中应用最广，尤其在建筑，机械、物理， 化学、地理等学科有着质的突破 同济大学建筑学院的虚拟现实实验室，采用比较高端的设备，对建筑景观、结构进行相 关的仿真。尽管高端的设备价格昂贵，但是在建筑教学中运用先进技术，进行大胆尝试，能 让学生使用一种新的学习方式学习相关知识并且产生了良好的效果 中国科技大学运用虚拟现实技术，在物理实验方面有着丰富的经验他们已经形成了比 较成熟的产品，比如，基于本地的大学物理仿真实验软件广播电视大学物理虚拟实验，几 何光学设计实验平台等 西南交通大学在工程漫游方面的虚拟现实也很有研究，在城市规划仿真、驾驶员培训仿 真及其它交互式仿真方面取得了突出成果，并自行开发出了一系列具有国际水平的计算机仿 真和虚拟现实应用产品 中国地质大学运用虚拟现实技术在地质晶体学研究和教学应用方面颇有成效。在地质晶 体学学科里。空问格子、晶体的内部对称、硅氧骨干等郝是晶体结构教学中的重点和难点， 7 第2 章基于虚拟现实的三维虚拟学习环境的教学应用分析 同时也是研究晶体结构的重要基础，该实验室的实验人员利用虚拟现实技术演示晶伟的结丰旮 特征，直观形象，使学生加深了对晶体结构的了解 2 2 三维虚拟学习环境设计的理论基础 2 2 ，1 情境认知理论 认知主义学习理论认为，学习是一种内在发展的过程，是一种由内在和顺应交替发生作 用。从而导致生理、心理从平衡到不平衡状态的循环过程与此相对应，认知主义的教学藏 是：为学生提供一种对自身进行认知加工的特定情境和特殊过程，从而在促进学生认知结构 形成的过程中推动学生的认知发展，知识是个体通过与其环境相互作用后获得的信息及其组 织在认知活动过程中。认知主体与环境发生作用过程是动态的、主动建构的认知主体是 指体现主观能动性的主动发展、主动学习、主动探索、主动建构的人认知活动的内容是对 外在具体的事物进行某种智力操作，以便使认知主体取得对认知活动的进展- 采用虚拟现实与教育相结合的虚拟情境教学，必须从学生的认知心理出发注重学生的 具体经验和对情境的理解，使得学习者的新旧知识之间的同化顺利完成，建构起自身的认知 结构，促进认知发展。 情境认知理论强调知识必须在真实情境中呈现知识是具有情景性的，知识是活动、背 景和文化产品的一部分知识正是在活动中、在丰富的情境中、在文化中不断被运用和发展 着。 在辞海中将情境分为三类：真实的情景、想象的情景和暗含的情景 心理学研究表明，越是情境化的内容越能激发学生的学习兴趣，越能促进学生的迁移和 主动建拘相对来说，嚣们奇教室距离各种靖境较远。或者谵在教室里艰难创设恰当的情境 但是运用多媒体技术，不受时问和空同的限制，可以跨越时空，刨设情境为教学服务 依据情境认知理论，三维虚坝学习环境应包含这些特征：提供能反映知识在真实世界中 运用方式的真实馈境：提供真实的活动：支替知识的合作建构；在捻当的时亥9 提供指导和支 撑；促进反思，以便有可能形成抽象；促进清晰表述，以便使缄默知识成为清晰的知识等等 2 2 z 建掏主义理论 建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，也就是说，既强调学习者的认 知主体作用，又不忽祝教师的指导作用，教师是意义建掏的帮助者、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，而不是外舌b 刺激的被动接 受者和被灌输的对象学习者的知识是在一定情境下，借助于他人的帮助，如人与人之间的 协作、交流，利用必要的信息霉等，通过意义豹建构而获得的。理想的学习环境应当包括情 境、协作、交流和意义建构四个部分 从“情境”角度出发，学习总是与一定的社会文化背景即“情境”相联系的，在实际情 境下进行学习，可以使学习者能利用自己原有认知结构中的有关经验去同化和索引当前学习 8 第2 章基于虚拟现实的三维虚拟学习环境的教学应用分析 到的新知识，从而赋予新知识以某种意义 。 建构主义认为，学习情境是学习者可以在其中进行自由探索和自主学习的场所是一个 支持和促进学习的场所。在该情境下，学生可以利用多种工具和信息资源( 如文字、视音频、 多媒体课件以及1 i l t i c t 上的信息等) 来完成自己的学习目标在这一过程中学生不仅能得 到教师的帮助与支持，而且学生之间也可以相互协作和支持学习应当被促进和支持而不应 受到严格的控制与支配，在建构主义学习理论指导下的教学设计应是针对学习情境的设计而 非教学环境的设计 可以看出，建构主义强调了情境的创设，即创设与当前学习主题相关的、尽可能真实的 情境情境刨设分两种情况：一种是学科内容有严谨结构的情况，如致学、物理、化学等理 科内容，这时要求创设有丰富资源的学习环境，其中应包含许多不同情境的应用实例和有关 的信息资料、以便学习者根据自己的兴趣、爱好去主动发现、主动探索：另一种是学科内容 不具有严谨结构的情况，如语文、外语、历史等文科内容，这时应创设接近真实情境的学习 环境，在该环境下应能仿真实际情境，从而激发学习者参与交互式学习的积极性，在交互过 程中去完成问题的理解、知识的应用和意义的建构 认知的建构主义主要源于皮亚杰的研究它是从个人的角度接近学习和认知的，对心理 作了狭义的说明。描述的是个人方面的心理，将其范围局限于个人的头脑这一观点将学习 描述成为总结个人经验而不断重构个人的理解和知识的过程。将认知的重组看作是完成学习 过程牛的要素。这种认知的建构观点把注意力集中于个人的同时，并不否认社会性交互作用 的重要性。事实上，这一观点认为，学习者应与他们的环境( 包括物理环境和社会环境) 相 互作用在这一交互作用的过程中，学习者应实实在在地接触跟他们建构的世界知识不一致 的现象 2 2 3 布鲁纳的学习形式理论 布鲁纳指出，学习有三种基本形式：直接经验，观察以及符号系统在直接经验( 如学 生做理化操作实验) 的学习中，学习者通过“做”来学习，他与环境相互作用的过程中使大脑 形成环境的内部模式；在观察的学习( 如教师演示实验) 中，学习者通过“匹配”学习他观 察教师利用环境得到直接经验的演示，内隐地匹配教师的行为，从而获得替代的直接经验： 在符号系统的学习( 如教师讲授) 中，学生通过“受教 而学习，他对环境的认识是借助于符 号系统而间接地实现的布鲁纳认为，理想的学习是：学生应该从直接经验过渡到观察。再 到符号系统没有前两种学习方式作事实背景。学生就很难掌握符号系统 在中小学理科课程( 除数学外) 学习的过程中，所谓“环境”即是“客观世界”学生的理 科学习需要以大量的实际情境作为认知的依据，通过实际的情境，使学生建构起体系化的基 本概念，同时，通过实际情境，使学生印象深刻地形象化地认知基本原理与基本方法，然后， 再通过逻辑演绎的形式，推导出整个学科的知识系统 9 第2 章基于虚拟现实的三维虚拟学习环境的教学应用分析 2 3 三维虚拟学习环境的教学方法及组织形式 2 3 1 基于虚拟现实技术的三维虚拟学习环境的学科应用 三维立体显示在帮助人们分析空问物体特征和理解数据方面有很大帮助，三维虚拟学习 环境对教学所带来的影响主要表现在知识表达，界面与交互这几个方面相对于原先的基于 一定图标与对象进行隐语的二维图形界面而言，三维虚拟环境的三维图形界面和听觉特性 以及对学习对象操作的三维交互特性都能够比较容易令学习者产生身l 临其境的感觉 虽然现时的大多数网页都揉台了文字、图形、声音等手段，但给人的感觉还是有明显的 二维平面成分在一些特定的学科中适当引入三维技术可以帮助学习者理解和掌握知识要 点，解决教学中的重点和难点比较适合运用三维虚拟学习环境的典型学科有： ( 1 ) 建筑工程学：可以参观办公大楼、房屋模型、各地经典建筑，来寻找装饰的构 思或是建筑设计的灵感。 ( 2 ) 考古学：参观世界上很难达到的博物馆或是古墓等地方；研究珍贵的绘画和雕 塑 ( 3 ) 医学教育：可用于解剖教学、放射治疗定位、具有危险性的人体实验、预测手 术结果和远程手术系统等等 ( 4 ) 导游培训：让学生参观世界各地虚拟的风景名胜，并学习这些名胜的历史、特 点、文化内涵等 ( 5 ) 生物教育：可以观察分子模型，分析动植物体内不同部位的立体结构 ( 6 ) 化学、物理和地理教育：昂贵实验仪器的贪绍与展示，参观不可能到达的实验 空问，如分子运动空间、宇宙空间、地表岩层等。 当利用这样一个虚拟环境来辅助对某种概念或是某种现象的理解时，有两个特征无论是 对教师、设计者还是学习者都十分重要。首先，与学习的其它形式一样，有效的主动探索 而不是被动地观察，是非常重要的。其次，要获得牢固的概念知识，学生可能需要统一内容 的不同表现形式。在三维空间中对这些概念进行体验的同时，还应借助于其它更为抽象的表 示方法，例如，图示、声音、文字描述、视频等同时，理解不同表现形式之间的关联对学 生来说也是非常重要的 2 - 3 2 教学方法策略研究 教学方法，。是在教学过程中。教师和学生为实现教学目的、完成教学任务而采取的教 与学相互作用的活动方式的总称”。在三维虚拟学习环境中，虚拟性的环境特征使得一般教 学的组织与实施更加复杂既要考虑到虚拟环境中存在的问题，又要结合实际情况应用这种 虚拟性的环境，而不盲目地接受或排斥这种虚拟教学方式，那么如何选择教学方法则显得尤 为重要。影响教学方法选择的直接因素有学习目标，学习内容、学生特点、教师态度等等， 。李秉德( 2 0 0 0 ) 教学论m 北京：人民教育出版社，2 0 0 0 1 0 第2 章基于虚拟现实的三维虚拟学习环境的教学应用分析 而且各要素之间也是有联系的 ! 在影响教学方法选择的诸多因素中，学生的特点是一个很重要的方面学习是一个主动 参与的过程，是行为与能力的变化过程，是获得信息、技能与态度甚至是对原有知识的纠正 或调整的过程学生的特点包括学生的文化及社会背景、学习风格、原有技能、心理特征等 多方面因素而影响学习过程的则主要是学习风格。场依存型的学生在认知活动中，倾向于 以外部环境作为信息加工的依据。容易受外部环境的影响，通常很难从包含刺激的环境中将 刺激分辨出来。他们较依赖于学习材料的预先组织，需要明确的指导与讲授。场独立型的学 生在学习中倾向于更多地利用内在的参照作为信息加工的依据。他们比较自主，必要时能对 所提供的信息进行改组。所以。针对不同风格类型的学生，在设计虚拟环境时要充分考虑他 们的这些特点 教学方法选择的另一个影响因素是教师。在虚拟环境中，教师不仅是虚拟活动的组织者、 指导者、管理者而且还要帮助学生提高对虚拟环境中的学习内容以及自身活动的意识实 践证明，教师只有按照一定的科学依据综合考虑三维虚拟环境中的各有关因素，选取适当 的教学方法。并能合理地加以组织，才可望使教学效果达到最优化的境地否则只会适得 其反 从运用现代媒体的角度来看，美国的怀特和沃特森提出，在教学中恰当地运用现代化的 教学手段，可以促使学生在以下这些因素中发生积极的变化：( 1 ) 主动学习的意向；( 2 ) 学 习的动机；( 3 ) 学习所花费的时问；( 4 ) 学习的愉悦感：( 5 ) 教学资源的使用；( 6 ) 问题解 决能力；( 7 ) 反馈；( s ) 与其它学生的合作交流：( 9 ) 独立性；( 1 0 ) 创造性和批判性思维 实践也证明现代化教学手段的应用。不仅使学习内容更富有趣味，而且减少了教师的讲授 时间，增加了学生在多学科学习中动手操作的机会，学生由被动学习转为主动学习因此， 可以预见，科学技术的迅猛发展，必将带动教学方法朝着更为现代化的方向发展o 2 3 3 教学组织形式 教学组织形式是研究教学活动应怎样组织和进行，教学的时间和教学场所以及设备等应 如何有效地加以控制和利用的问题。教学组织形式运用得是否科学、恰当，对提高教学质量 将会有直接的影响教学组织形式的出现和发展是个历史过程，它随着社会经济和科学技术 的发展随着社会对人才培养的要求的不断变化，以及随着教学内容和教学方法、手段的变 化而不断发展变化的 虚拟环境下的学习需要通过多种组织形式来进行采用合理的教学组织形式，有利于使 教学活动多样化，满足不同学生的不同学习要求，提高学习效率 一、。分层递进”的教学组织形式 。分层递进”的教学组织形式是一种适应学生个别差异的教学组织策略形式，把。分层” 看作是使教学任务与学生学习可能性相协调的手段。把促进各层次学生在原有基础上的不断 。单美贤，李艺( 2 0 0 5 ) 虚拟实验原理与教学应用 h 】：l t y ；( ：教育科学出版杜，2 0 0 5 第2 章基于虚拟现实的三维虚拟学习环境的教学应用分析 “递进”看作是教学任务达成的基本目的。学生的发展不仅是学业水平的提高、智能的发展 而且从以人为本的观念出发，还包括情感态度、意志品质等方面的发展为此这种教学组 织形式的最大特点是。能够尊重、适应并且利用学生之问的差异。使学生充分发挥自己的潜 能。 由于学生的知识基础存在差异，如果按统一模式组织学习内容，对于基础差的学生而言 可能超前于其知识水平，学生不理解；而对基础好的学生来说，则落后于其知识水平，会觉 得没兴趣在。分层递进”教学组织形式中。学生可以根据自己的水平自主选择学习内容， 这样就不会出现有的学生。吃不饱”或是“消化不良”的问题了 二。开放式”的教学组织形式 “开放式”教学的目标应该是：充分尊重学生的主体地位让学生在获取知识的同时， 也获取自主学习的方法，提高主动参与教学实践的本领，进而获得终身受用的学习能力、创 造能力 开放式教学组织形式由学生亲自选定学习内容，处理和分析自己的学习效率把学生推 到了学习的主体位置。其组织的学习内容综合性较强，既综合了单学科的知识，又融进了相 关学科内容，让学生在自主学习的过程中有较大的思维空间和活动空间 开放式教学组织形式遵循质量第一原则和资源优化原则教学的开放并不等于放任，必 须有一定的规范对教学进行约束，加强教学管理，使开放式教学既生动活泼，又井然有序- 同时，在教学资源方面，进行最大限度的开发和利用，实现教学资源的有效利用和优化配置 三、。课题式”的教学组织形式 。课题式”教学组织形式，就是按照教学的基本要求，根据各分项教学内容的内在联系 进行有帆归类，确定相应的课题内容。 其特点是：综合性：一个课韪就是一条线，把一个个分立的内容有机联系在一起- 在 一定程度上打破了学科分类界限伸缩性：每个课题的基本内容可多可少。可根据实际情 况进行调整。探索性：在解决课题中的实际问题时，学生会不断发现问题，并寻求解决的 方法，这有利于激发其主动研究、不怕困难的探索精神启发性：在课题的启发下，学生 可以进行总结、思考，得到一些有益的启示和某些规律性的东西，从而逐渐养成独立获取知 识和创造性地运用知识的习惯 “课题式”教学组织形式的课题选择一要有适当的难度，二要培养与训练学生的创新 能力也应遵循以下原则：整体性：把课题与课程的总体目标联系起来联系性：课题 内部存在着内在联系，而且各课题之间也应存在一定的联系性 普遍性：课题的选择应使 得不同程度的学生都可以通过课题获取知识 。课题式”教学组织形式，教学中的知识点不再是孤立的。而成为方向明确、内在联系 紧密的知识系统，在培养学生的