（教育技术学专业论文）利用虚拟现实技术培养初中生几何空间能力的研究.pdf

摘要 自虚拟现实技术引入教育技术界以来，它为教育新理念的实施提供了有效的保 障。为了探讨虚拟现实技术在教育中的有效应用，本文在充分考虑它相比于其它媒 体所具有的独特媒体特性之基础上，认为它在培养学生的空间能力上存在优势。 空间能力包含一个很复杂的认知过程。本文首先就目前空间能力的相关研究进行 分析，认为空间能力应该包括空间意象的形成、空间思维、空间创造性活动三个层 次，同时抽象出了构建培养人们空间行为能力的虚拟环境系统的系统设计模型。通 过培养目标的定位和实践框架的确定，本文选取初中数学新课标中与几何空间能力 相关的内容，进行了实践研究。 实践部分首先分析了几何空间能力( 空间能力) 的发展特点、性别差异、空间任 务解决策略，以期了解人类空间行为模型。然后以初一数学“丰富的图形世界”一 章为例，分解其内容进行翔实的教学设计并依此设计了简易的虚拟几何学习系统。 在进行教学实践和心理测量之后，得出了以下结论：虚拟几何学习系统在提高初中 生的心理折叠、展开和旋转能力上存在明显的效果，在提高初中生的图形识别能力 上存在较小的效果。性别差异方面，虚拟几何学习系统在提高女生的心理旋转能力 有明显的效果，而在提高男生的心理折叠能力、展开能力有明显的效果。 同时本文综合理论和实践的研究，给出了用于培养初中生空间能力的虚拟环境系 统设计的十大原则，以期对虚拟现实技术的教育应用提供一定的参考。 关键词：虚拟现实技术、虚拟环境、空间能力、几何空间能力 a b s t r a c t i tp r o v i d e sg u a r a n t e ef o r t h ei m p l e m e n to fn e wi d e a so fe d u c a t i o na f t e rv i r t u a l r e a l i t yh a sb e e ni n t r o d u c e dt oe d u c a t i o n a lt e c h n o l o g yd o m a i n i no r d e rt om a k ei tm o r e e f f e c t i v ei nt h ee d u c a t i o na p p l i c a t i o n id i s c r e e ti t sm e d i aa t t r i b u t ev s o t h e rm e d i a sa n d s u g g e s tt h a ti tm a y b eh a v ea d v a n t a g ei nt h ec u l t i v a t i o no f s t u d e n t s s p a t i a la b i l i t y s p a t i a la b i l i t yi n v o l v e sac o m p l e xa n da b o a r dc o g n i t i o np r o c e s s i nt h i sa r t i c l e ，f i r s t l y , i a n a l y z et h el i t e r a t u r e so ns p a t i a la b i l i t y ；r e a l i z et h a ts p a t i a l a b i l i t yi n c l u d e st h r e e a d m i n i s t r a t i v el e v e l s ：t h ef o r m a t i o no fs p a t i a li m a g e ，s p a t i a lt h i n k i n g ，a n ds p a t i a lc r e a t i o n a c t i v i t y i nt h em e a n t i m e ia b s t r a c tt h e mt of o r mas y s t e md e s i g nm o d e lo fv i a u a l e n v i r o n m e n ti nw h i c hh u m a n ss p a t i a lb e h a v i o rc a l lb ec u l t i v a t e d b a s e do nc o n t e x t s ， t h e n ，ic h o o s et h ec o n t e n tc o r r e l a t i n gw i t hg e o m e t r ys p a t i a la b i l i t yi nt h en e wc u r r i c u l u m s c h e d u l eo f m a t ht op r o c e e df o rt h er e s e a r c h i nt h ep r a c t i c e ，f i r s t l y , ia n a l y z et h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r 、s e xd i f f e r e n c ea sw e l la s t h es t r a t e g yi n s e t t l i n gs p a t i a lt a s k o fg e o m e t r ys p a t i a l a b i l i t y , f o rt h es a k e o f u n d e r s t a n d i n gt h eh u m a ns p a t i a lb e h a v i o rm o d e l ，t h e n ib r e a kd o w nt h ec h a p t e r f j c h a n dc o l o r f u lw o r l do fg r a p h i c s ”i nm a t hc u r r i c u l u mo ft h ek a l e n d sf o rt h ed e t a i l e d i n s t r u c t i o nd e s i g na n db u i l du pt h es i m p l el e a r n i n ge n v i r o n m e n t - - v i r t u a lg e o m e t r y l e a r n i n gs y s t e m ( v g l s ) a f t e ru s i n gi t i nt h et e a c h i n gp r a c t i c ea n dh a v i n ga p s y c h o l o g i c a ls u r v e y , i tp r o d u c e st h ef o l l o w i n gr e s u l t ：v g l sh a ss i g n i f i c a n te f f e c ti nt h e i m p r o v e m e n to fm e n t a lf o l d 、u n f o l da sw e l la sr o t a t i o na b i l i t yo fj u n i o rh i g hs c h o o l s t u d e n t s ，w h i l en os i g n i f i c a n te f f e c ti nt h ei m p r o v e m e n to fp a t t e r nr e c o g n i t i o n ；v g l s h a ss i g n i f i c a n te f f e c ti nt h ei m p r o v e m e n to fm e n t a lr o t a t i o na b i l i t yo ff e m a l ew h i l eh a s s i g n i f i c a n te f f e c ti nt h ei m p r o v e m e n to f m e n t a lf o l d 、u n f o l da b i l i t yo f m a l e f o rt h er e f e r e n c eu s e f u l n e s s ，i p r o v i d e t e n p r i n c i p l e s i n d e s i g n i n g v i r t u a l e n v i r o n m e n ts y s t e mf o rc u l t i v a t i n gs p a t i a la b i l i t yo f t h ek 吲e n d sa c c o r d i n gt h el i t e r a a w e s o f t h e o r yo rp r a c t i c e k e y w o r d s ：v l r t u a lr e a l i t y , v i r t u a le n v i r o n m e n t , s p a t i a la b i l i t y , g e o m e t r ys p a t i a la b i l i t y 前言 在日常教学中，如何把抽象的概念、原理和过程、规律以学生能够接受的方式 传授呢? 对于学生们不能亲身经历的事物，又如何给予学生机会让他们尝试以促进 他们的学习? 不管是在教育技术发展的初期阶段还是现在，甚至于它的未来发展，都始终离 不开教学媒体的发展。在视觉教育阶段，为了给学生某些概念、原理和过程、规律 的直观印象，引入了图表、图像、实物模型等媒体表现手段；到了视听教育阶段， 录音机等听觉媒体与视觉媒体结合，提供给学生以知识内容的更加丰富完整的表现 信息；直至后来的多媒体技术的发展，集视觉、听觉和个性化操作的多媒体表现手 段为教学信息集成表现、学生学习操作以及学生的个性化教学都提供了很好的支持。 然而，从表现事物特征方面来说，不管是图表，图形还是多媒体都是基于二维的 表现方法，它们对于空间物体特征及其各组成部分的空间关系、事物过程的细节表 现方面存在不足，不利于学生对物体、过程信息的全面了解。从学生学习的心理来 说，二维的表现方法让学生对概念或过程规律的学习缺少投入，不利于学生学习兴 趣的维持和注意力的保持。 自虚拟现实技术引入教育界以来，它的三维化表现方式、空间操作性的支持让 人们觉得似乎找到了上述问题解决的“良药”。大量关于虚拟现实技术的教育应用 展望、虚拟现实技术下新的教育观以及虚拟现实系统的教学模式( 模型) 等理论研 究似雨后春笋，同时也有不少研究者开始进行虚拟现实技术各子技术在教育中的应 用研究。比如桌面虚拟现实技术( 基于图像的和基于虚拟现实建模语言：v r 札的桌 面虚拟现实技术) 的教育应用研究；立体投影系统( 主要是基于红蓝眼镜立体投影 系统和基于偏正片的立体投影系统) 的教育应用研究；立体声音产生系统的教育应 用研究等等。 作者认为虚拟现实技术的教育应用推广的一个重要影响因素在于技术方面，因 为虚拟现实高新技术的发展还需要很大的提高，技术装备的平民化也是一个漫长的 路程，但以大众化为取向的桌面虚拟现实技术的异军突起显示出了勃勃生机，本文 主要关注的是在现有技术条件下桌面虚拟现实技术在教育中的应用。目前要寻求其 教育应用的突破，在于和新教育理念结合，充分利用其特性，以达到其最大的效益。 u l 使用桌面虚拟现实技术促进学生空间能力的实践研究，可以更好地进行多元智能的 教学实践，其研究结果能够很好地为国内各相关学科借鉴使用，并且可为虚拟现实 技术其它的教育应用研究提供参考。 在媒体表现特性方面，虚拟现实技术区别于图表、图像及多媒体表现手段主要在 于它的空间表现性和空间可操作性。空间表现性是指它能表现出三维立体空间中物 体的详细全面的信息( 包括视觉、听觉等各个感觉通道的信息) ，而空间可操作性是 指它支持学生在解决空间问题时对空间物体的自然交互。空间表现随着空间操作而 实时地更新，从而让操作者更具有沉浸感，空间操作本身支持强大的自然交互，便 于操作者表达思想，更正错误，促发想象，并进行创造。所以说，虚拟现实技术的 空间表现性和空间操作性这两个特性是虚拟现实3 i ( i m m e r s i o n 、i n t e r a c t i v i t y 、 i m a g i n a t i o n ) 特性的基础。 空间能力通常指的是人们操作和变换空间图案映像以形成其它空间图案排列的 能力1 ，它存在于数学、工程绘画和制图、科学教育、物理教育、医学教育等学科当 中，受到工程师、建筑师、飞行员和科学技术教育工作者的重视。研究者对空间能 力的定义描述有很多。与空间能力( s p a t i a la b i l i t y ) 相关的概念有空间认知( s p a t i a l c o g n i t i o n ) 、空间智能( s p a t i a li n t e l l i g e n c e ) 、空间推理( s p a t i a lr e a s o n i n g ) 和空间判 断力( s p a t i a ls e n s e ) 。空间认知是指感知、存贮、回忆、创建、修改和交流空间映 像的心理过程2 。空间智能是人类七种智能的一种，是表达物体整体组织、“格式塔” 组织和非语言逻辑组织的能力3 。空间推理是指建立和操纵空间物体的心理表征、空 间物体关系和变换的认知过程4 。空间判断力是对周围世界物体的直觉，它主要包括 对物体几何关系，物体方向、方位和空间物体视图、物体形状和大小变化等的空间 技能5 。这些定义描述具有不同的概括性，从而具有不同的抽象程度。 从以上有关定义可以得出：空间能力的发展离不开两个要素的支持一完整的空 间信息表现和空间物体的可操作性。完整的空间信息支持学生对空间方位、空间物 体及其关系的把握，空间物体的可操作性则支持学生对空间物体的折叠、展开、旋 1 r b e c k s t r o m 。j w f r e n c h , h h h a r m a n , d d e r m a n , k i t o f f a c t o r - r e f e r e n e e d c o g n i t i v e t e s t s 。e d u c a t i o n a l t e s t i n g s e r v i c e , p r i n c e t o n , n j , 1 9 7 6 2g l l b e f t o l i n e , v i s u a ls c i a n e s c a l l e m 盯g l n g d i s c i p j j j 砖j o u m a l 胁g e o m e t r y a n d g r a p h i c s 2 ( 2 ) ( 1 9 9 8 ) 1 8 1 1 8 7 3 l g 趾d 蚶f r a m e s o f m i n d ：t h e t h e o r y o f m u l f i p l e i n t e u i g a n c e , b a s i c , n e w y o r k , 1 9 8 3 4d o t l g l s s h c l e m a n t s , t b m i d a 扯l , g e o m e t r y a n d 币a t i a l m 懿i n 舀i n ：d a g r o u w s 皿d ) ，i n h a n d b o o k o f r e s e a r c h o n m a t h e m a t i 铝t e a c h i n g a n d l 锄m 吕m a c m i l l a n p u b l i s h i n g , n e w y o r k , 1 9 9 2 p p 4 2 0 - - 4 6 4 5n a t i o n a l c o u n c i i o f t e a e h e a s o f m a t h e m a t i c s , c u r r i c u l u ma n d e v a l u a f i o n s t a n d a r d s f o r s c h o o l m 砒h c m m 奴 n c t m , r e s t o n , v a , 1 9 黔 转等操作以及学生空间创造能力的发展。 综合虚拟现实技术的媒体特性和空间能力结构定义的分析，作者认为虚拟现实技 术在支持学生空间能力的发展方面存在很大的优势。本文正是基于以上的认识，选 取空间能力中的一个点一几何空间能力的培养为抓手，进行培养初中生几何空间能 力的理论和实践研究。理论研究是为了总结出利用虚拟现实技术培养空间能力的一 般框架和原则；实践研究一方面是为了验证实验的效果，另一方面是为了能够发现 实践中存在的问题，为理论的实际应用提供参考。 v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意。 作者签名：习为弛 日期：0 枷舀j 石 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索； 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 本规定。 作者签名： 日期： 习鸿旭 如。6 、s 6 v r 技术与教育应用；价值和现状 第一章v r 技术与教育应用：价值和现状 虚拟现实( v r ：v i r t u a lr e a l i t y ) 技术，又称灵境技术，是9 0 年代为科学界 和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域； 为能力工程的应用提供了新的界面工具：为各类工程的大规模的数据可视化提供了 新的描述方法；同时为教育技术界的教学新理念付诸于教学实践提供了强有力的技 术保障。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为的、逼真的虚拟环境( v e ： v i r t u a le n v i r o n m e n t ) ，学生在这个虚拟环境中，除具有和现实生活中相同的学习 体验之外，还有更崭新的学习体验，无限的经验扩展和广阔的视野空间。这种技术 的应用，势必引起教育技术应用的又一次飞跃。 1 1v r 技术的主要研究方向 虚拟现实技术是多种技术的综合，其关键技术和研究内容包括以下几个方面1 ： 环境建模技术。虚拟环境的建立是v r 技术的核心内容，环境建模的目的是获取 实际三维环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚 拟环境模型。 立体声合成和立体显示技术。在虚拟现实系统中，如何消除声音的方向与学生 头部运动的相关性已成为声学专家们研究的热点。同时，虽然三维图形生成和立体 图形生成技术已经较为成熟，但复杂场景的实时显示一直是计算机图形学的重要研 究内容 触觉反馈。在虚拟现实系统中，产生身临其境效果的关键因素之一是让学生能 够直接操作虚拟物体并感觉到虚拟物体的反作用力。然而研究力学反馈装置是相当 困难的，如何解决现有高精度装置的高成本和大重量是一个需要进一步研究的问题。 交互技术。虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，三维交 互技术已经成为计算机图形学中的一个重要研究课题。此外，语音识别与语音输入 技术也是虚拟现实系统的一种重要人机交互手段。 系统集成技术。由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的 臂建趣俞志和虚拟现实的技术及其应用i 嗍清华大学出版社1 9 9 6 v r 技术与教育应用；价值和现状 集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、 数据转换技术、识别和合成技术等。 1 2v r 技术的教育应用价值 一、有利于激发学生的学习兴趣和发挥学生的主动性 1 高度的沉浸感以及自然的交互方式能有效地激发了学生的学习兴趣、强烈的 求知需要，并转化为学习动机。 学生天生都有学习的需要，但是学习的需要不一定会转化为动机。心理学认为： 需要转变为动机的条件有二：一是需要需到达一定的强度，二是需要对象( 目标) 的确定。虚拟世界中学习对象对学生操作的自然反馈完全隐藏了产生这种功能的技 术实体，让学生的学习免受干扰而更加地投入，因此也产生更加真实的沉浸感。另 外虚拟世界给予学生多感观的刺激也激发了他们的求知需要，并到达了很高的强度。 虚拟对象( 需要对象) 直接呈现在学生的面前，学生可以对它们进行操作，并能得 到操作后的及时反馈强化，这样能够进一步地激发他们的求知需要并转化为学习动 机，从而形成“学习需求一学习动机一学习活动”的良性循环。 2 学生是学习的主体，学生在学习中可以自己选择学习内容、观察角度和合作 方式等 学生的学习兴趣、动机是学生进行有效学习的保障，也是发挥学生主体性的基 础，学习动机的保持有赖于学生主体参与度。如果在激发学生的学习动机之后，不 给予学生主动学习的机会，这种学习动机将会随着学习的进程而消亡。传统c a i 中 的视频教学没有给学生足够的交互，学生的学习主体性丧失。主体性可以由交互性 完全体现，主要包含两个层次：学生可以完全自由地和学习对象交互以及学生学习 过程中由完全自由交互产生的求知和思考的投入状态。v r 建立的虚拟学习环境提供 给学生完全的自由性和自然的交互。学生在这个学习环境中可以自由地选择自己的 学习内容，并可以依据自己学习的思路去选择观察的不同角度，或到宇宙太空观看 宇宙天体的运动，或深入物体内部了解物体的结构和分子相互制约的震动。在这个 沉浸的学习环境中，学习的深入完全是学习者自己与学习对象的交互后情感发展产 生的需要。学习过程中学习主体的体现也让学生的学习更加投入而在心理上产生更 深的沉浸感。 2 v r 技术与教育应用：价值和现状 二、有利于促进学生对知识、技能的高级认知 虚拟现实提供的外部刺激不是单一的刺激，而是多种感官的综合刺激，这对于 知识的获取和保持是非常重要的。实验心理学家赤瑞特拉通过大量的实验证实：人 类获取信息8 3 来自视觉，1 1 来自听觉，3 5 来自嗅觉，1 5 来自触觉，1 来自味 觉。 人们关于知识保持即记忆持久性的结果是：人们一般能记住自己阅读内容的 1 0 ，自己听到内容的2 0 ，自己看到内容的3 0 ，自己听到和看到内容的5 0 ，在 交流过程中自己所说内容的7 0 。这就是说既能听到又能看到，再通过讨论、交流 用自己的语言表达出来，知识的保持将大大优于传统的教学效果。 传统的多媒体表现的都是二维的信息，这样就必然会丢失关于学习对象的一些 关键信息。比如建筑教学中的空间关系、机械设计中部件的制约关系、医学中器官 的复杂分布等。v r 在表现三维的空间效果有很大的优势，可以把这些空间关系精确 的表现出来，从而促进学生的空间概念建构。 三、有利于组织和管理教学资源 信息化社会为学生提供了大量有价值的学习信息，如何组织和管理学生在学习过 程中的信息对他们的有效学习有一定的影响。v r 本身就是一种集多种技术为一体的 高新技术，它和网络技术的结合产生了目前广泛应用的v r 札。如果能够利用该语言 把学校各种网络电子资源和教学资源组合起来，形成一个集教学、教务、校园生活 为一体的三维可视化网上虚拟校园，在这个虚拟校园中，学生不仅能够以多种灵活 的浏览方式，6 + 1 的自由度在虚拟校园中游览，而且可以在虚拟校园里面方便快捷 地获得各种学习信息，组织起自己的学习活动。 四、有利于培养学生的协作能力 学习要求多个学习者提供对同一问题用多种不同观点进行观察比较和分析综合 的机会，以便集思广益。这不对问题的深化理解和对知识与技能的掌握大有裨益， 而且对高级认知能力的发展、合作精神的培养和良好人际关系的形成也有明显的促 进作用。常用的协作式学习有讨论、竞争、协同、伙伴和角色扮演等多种不同模式。 五、有利于发展学生的创造能力 v r 技术与教育应用：价值和现状 科学是一个探究的过程。掌握科学的探究方法是学生的一个重要的素质。物理 化学等理工学科中的综合实验能够很好地培养学生的科学探究能力。但是往往在现 实的教学中，老师不是不想让学生去进行各种探究性实验，而是考虑到某些实验仪 器非常的贵重，某些实验的危险性比较大等因素，大大减少了学生的亲身实验探究 的机会。如果利用v r 的模拟、仿真两个特点准备各种实验仪器、实验材料，设计实 验操作的各种仿真结果，让学生根据教师给出的课题，选择不同的实验仪器和材料， 或反复观察验证实验的现象和结果，或自己设计不同的实验方案，通过虚拟实验来 验证自己的设想等。学生在这样一个开放的虚拟实验室中，不断地假设、不断地设 计、不断地观察、不断地验证、不断地反思，完成一个主体性的探究性学习活动。 1 3v r 技术的教育应用现状 1 3 1 国内研究状况 由于v r 技术的3 i 特性以及目前教育当中存在的诸如经费、地域等限制，v r 技术在 教育领域的应用已经是教育技术学科中的一大研究热点。我国从9 0 年代中期开始有 关于v r 教育应用的介绍1 ，从2 0 0 0 年初期开始有大量的理论探讨研究。通过整理相关 文献，可以发现理论探讨大部分在虚拟教育模式2 、虚拟教学法及其原则3 、远程虚拟 实验室、虚拟教学软件设计5 、虚拟学习环境设计模型6 六大方面作了初步的研究， 为v r 教育应用的推广提供了一定的参考。同时我们发现研究者们提出的v r 教育应用 的教学模式、教学法大多数基于“以教为主”的传统教学理念，在体现v r 技术特性 上似乎做的还不够，缺少朱晓鸽所强调的“综合各种传统教学模式和v r 的特点建立 一种综合教学模式”媒体优化应用的相关理论研究；在远程虚拟实验室、虚拟学习 环境设计模型方面的研究又似乎过于宏观，对模型中各个元素的分析未细化。另外， 有不少论文从理论设想上给出了论述，例如“教育观念的转变”，“教学组织形式、 教学方法的影响”，“教学内容表现方式的变化”7 等等。 中国远程教育美“虚拟现实”步入教育领域m 中国远程教育1 9 9 5 ，6 2 朱晓鸽v r 与教学模式叨开放教育研究) 1 9 9 7 , 3 3 吴先金论虚拟现实教学法【j 】江汉石油学院学报( 社科版) 2 0 0 1 年6 月第3 卷第2 期 4 商桑等v r 在网络教育中的应用【j 1 中国远程教育) 2 0 0 0 , 7 5 郓如伟中学物理虚拟现实教学软件的设计与思考0 1 中国电化教育 2 0 0 3 。4 6 陈铁医学教育应用虚拟现实学习环境的分析及模型建立【刀现代教育技术) 2 0 0 4 , 1 7 赵士滨v r 进入高校教学的研究与实现【叮电化教育研究 2 0 0 1 , 2 v r 技术与教育应用；价值和现状 在理论探讨的同时，有大量优秀的利用v r 开发的教学课件和教学支持系统。下 面以采用技术的特点，选取几个典型例子进行介绍。 一、q t v r ( q u i c k t i m ev i r t u a lr e a li t y ) 等基于静态图像的v r 技术 基于静态图像的v r 具有系统环境要求低，场数据量少、浏览无延迟，技术门槛 低的优点。用此技术开发的教育应用系统可以满足对象观察、缩放和场景游览等一 般的教学要求。以该技术为代表性的就是北京师范大学现代教育技术研究所和北京 武警医院合作开发出一个内消化道病变的诊断教学软件。该软件可以让学生沿内消 化道慢慢前进，也可以在任何地方停止下来，环绕四周观察，对于病变的地方可以 放大观察。学生对各种病变实施治疗措施，就可以看到治疗后产生的效果1 。 二、v r m l 等网络应用v r 技术 v r m l 是一种专门用于开发v r 网络应用的描述性语言。用该语言结合常用的编程 语言( 如j a v a ，c + + 等) 可以开发出功能强大的虚拟学习系统，增加学习内容的形 象性和趣味性。被广泛用于可视化的导航、学习情景的创设、自然的人机界面建立 等教学用途。 浙江杭州大学国家c a d c g 重点实验室的v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym e d i c a l l e a r n i n g ) 系统2 服务器端采用c g ia n ds e r v l e t s 技术，客户端采用浏览器、h t m l 语言和j a v a a p p l e t ，并通过h t t p 传输协议实现两者通信。该系统旨在让医学系的 学生通过对虚拟病人仿真操作熟练地掌握新近的医学技术。 图1 - 1 服务器端的服务器运行程序图1 2 头骨结构的v r m l 模型 1 余胜泉等基于静态图像的v r 及其在教育中的应用叨现代教育技术) 2 0 0 0 , 3 2j 娜i 衄g 【屿z l l i 窖瞰g p 缸a f t i l a l r 曲l i t y k a m i 雌e n v l r o n m 舶t b a s e d 帅v r 血m e d 砌 e d 啦砒i 蛆叨e 啪a c m s i c k j k a p h w 酬b s h o p o i l 咖噼g i 萱p 柑璐e d u c a t i o n 2 0 0 4 5 v r 技术与教育应用：价值和现状 三、沉浸式v r 技术 该技术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，并提供一个新的、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、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。 是一种支持成本比较高的v r 。 辽宁大连海事学院为了能够解决本科生在航海教育中的真实体验的限制，开发 了虚拟协作教学系统并总结了一系列的可视化教学策略1 。该虚拟协作系统包含桌面 多功能海事教学系统和分布式海事模拟系统，两个系统都由网络p c 机群生成图像或 视频并实时显示更新。分布式海事模拟系统还具有一套具有大屏幕实时投影系统， 该系统能够产生广阔的视角和投影出物体的真实尺寸，使训练教学情境具有很强的 真实感。在具体的教学过程中，教师首先和学生在多媒体教室通过多媒体材料学习 基本的理论和原理，接着就利用多媒体教学软件通过练习达到深入理解，为了进一 步学习，学生就可以在分布式海事模拟系统中进行更为真实的虚拟体验。 1 3 2 国外研究状况 图l 一3 实时动态g 乳家 国外从九十年代以来就开始致力于v r 应用于教育的研究。下面笔者从教学项目 内容设置的角度列出一些典型的例子，以期引发出对国内研究所缺乏的研究的思考。 一、为课程教学而设计的应用项目 在数学教育领域，目前研究最深入的就是c y b e 心江a t h 项目2 。c y b e r m a t h 是一个 基于替身的共享虚拟环境，它旨在提升数学教育的质量( 图4 、5 ) ，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。研究者通过访谈和调查问卷得 1x i e c u i , j i n y i 帆y m y o n g , l i u x i u - w e v 。u s i n g c o l l a b o r a t i v e l e a r n i n g e n v i r o n m e n t t o i m p r o v e n a v i g a t i o n e d u c a t i o n a n d t r a i n i n g e u f o g r a p h i 岱a c m s i g g r a p h w o r k s h o p o n c o m p u t e r g r a p h i c s e d u c 吐i 叽2 0 0 4 g t d c 6 na n d 丸n a c v e , ”q 七e 庙t 曲：e x p l o r i n 9 0 嘲i s 日l 嚣i n v r b a s c d l c m n i n g , ”s i g g r a p h 2 0 0 i e d l 】翻觚 p m g r a m , v 0 1 s i g g r a p h2 0 0 1 , c o a n d a p p l i c a t i o n s , p p 4 9 - 5 1 ，2 0 0 1 6 v r 技术与教育应用：价值和现状 出“学生认为即使没有特殊的加强沉浸感的硬件，他们也有很强的沉浸感”的结论。 报告分析可能是由于目前个人普通电脑上能够运行大型的三维游戏和可视化工具， 另外在虚拟环境中有学习经验的学生更加容易适应这种学习环境而没有任何的怀 疑。 4 图1 4 一般柱体展览厅 图l - 5 筒形销( c y l i n d r i c a lo p t i c s ) 展览 二、专门为学生设计的课外活动项目 b r i c k e n & b y m e 和六十位1 0 一1 5 岁的学生在一个夏令营一起生活了七个星期1 ，他 们教会学生用传统的3 d 建模工具建造学生自己的三维世界，所有的学生可以定期地 去大学的v r 实验室体验他们建立的世界。在这个过程中研究者开展了视频记录和非 正式的调查。研究发现，学生很喜欢经历虚拟现实环境，但是对于使用建模工具建 造三维世界的兴趣不怎么高，可能与接触建模工具的时间还比较短、对建模过程内 在的不适应等原因有关；研究还发现，学生在虚拟环境中容易有头昏眼花的感觉， 研究者指出这可能与v r 的特性有关，也可能与学生的个人差异有关，需要进一步的 研究。研究者在学生回答的开放问题中，发现学生对虚拟环境能够提供给他们在现 实当中无法参与的活动( 比如进入火山喷发时的火山内部，进入自己建造的世界中 等) 的性质很满意，对v r 中的屏幕分辨率、硬件中的大量缠杂的金属线、控制的精 确性以及建模软件最不满意。研究还得出结论：学生们在虚拟世界中对概念和技能 掌握地很快而且没有性别差异，学生的想象力和合作能力也大大加强了。 1 m b r i c k e na n d c b y m c , ”s u m m 日s t u d e n t s i n v i r t u a l r e a l 时：a p i l o t s n l d y o n e d u c a t i o n a l a p p l i c a t i o n s o f v r t e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n s t a x i e x p i 埘口l i o 鸣丸w e x d b l m , e d c a m 树d 韩m a c a d e m i c p 麟p r o f c s s i o o a l 1 9 9 3 v r 技术与教育应用：价值和现状 v r 教育应用的一个新趋向是教育和娱乐相结合。有代表性就是h e r i o t - w a t t 大学 数学与科学学院的e l v i s ( e - l e a r n i n g w i t hv i r t u a li n t e r a c t i v es y n t h e t i c c h a r a c t e r s ) 项目1 。项目中的t e a t r i x 软 件平台允许8 一l o 岁的儿童在三维的神 话世界中担任某些角色，一起来展开某 个故事，在故事的发展过程中智能代理 也担当部分其它的角色。儿童可以选择 某种性格和角色进入故事背景，推动故 事的发展，之后通过写作描述故事。 图1 - 6t e a t r i x 系统的一个场景 v i c t e c 贝u 致力于儿童的反欺凌道德教 育。提供给儿童一个安全的环境去亲身体验各种欺凌弱小的行为以及作为被欺凌者 后的感受。研究者得出“娱乐式的学习方式并不一定导致儿童真正的学习，技术需 要支持学生在故事、戏剧中选择某种性格或个性，并让其能够真正参与学习过程当 中进行学习”的结论。 除此之外，在华盛顿大学的人类界面技术( h u m a ni n t e r f a c et e c h n o l o 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 a n t o v a n 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们部分对虚拟现实的教育应用 进行了很好的归纳。 1 3 3 相关思考 综合比较国内外关于虚拟现实教育应用的研究，可以看出我国虚拟现实教育应 用存在以下几个特点： 从研究方法上来说，理论研究和技术研究的分水岭比较明显。理论研究一般是 从宏观上对v r 的教育应用进行论述和展望。技术的应用研究，则着重点在于技术的 实现方法和功能模块的设计，很少涉及到支持教学的系统化设计，缺少教育应用效 1 r m h a y l e t t , e l x q s - e d 脯m j n gw i l h m a l l 吼a 畸v e s y m h e s i z c d c h a r a c t e a s ：m 址h e m a f i e s a n d c o m p u t e r s e i m c e , h e r i o t - w a t t u n i v e r s i t y , l h p o r t o n e d u u d n m 衄t 2 0 0 5 e u m p e 七h i n a w o r k s h o p o n e - l e a r n i n g a n d g 锄e 2 e m a n t o v a n i , 。v r l e o m i n g ：p o t e n t i a la n d c h a l l t m g 嚣f o r t h e u s eo f 3 d e n v i r o n m e n t s i n e d u c a t i o n a n d t m i n i n 岛” i n t o w a r d s c y b e r p s y e h o l o g y ：m i n d , c o g n i t i o n sa n d s o c i e t y i n 船i n t e m d a g o , g r i v a a n d c g a l i m b e r t i e d s a m s t e r d a m ：i o sp r e s s , 2 0 0 1 8 v r 技术与教育应用：价值和现状 果的研究报告、报告分折和相荧思考。国外有关于虚攒现实教育应用的行动磷究报 告。 扶教学项目内容设计上来说，存猩单一纯现象。豳内豹教学谋件敦教学支持系 统一般是由学科教学髓求出发，比如越校的实验教学、医学教育、建筑激育等，中 小学的实验教举、生物、化学、物理课程教学等；教学内容设计丽绕学科教材内容， 在此纂础上，缀少有丰富、发展和进一步地调楚。国外教学内容设计相对来说，显 得丰窬、综合。如语吉学习1 、儿童道德教育、儿童剑造自己的生物世界2 等有趣的 内容设计。 从采用酌技术来看，基础教育和综合高校的教学一般都采用全景技术、v r m l ( 虚拟现实拇造语言) 或v i s u a lc + + 诱畜等基于桌恧式的v r ，专科高校的教学一般 会在此基础上配备高级硬件设备如数字手套、头盔、大屏幕投影屏等组成沉浸式虚 拟环境。相比嚣钤露吉，弓l 入教育领域的v r 技术比较初级。但是从国终的研究擐告 中可以看出，大部分支持学生物理上熙加地沉浸于虚拟环境中的技术对学生的学习 效采影响蒡不如想象中豹明显技术，爨此v r 教育应用不震追求硬件技术的先进，嚣 应注煎教育过程的教学设计、学习环境设计、虚拟环境智能化熏持和相关心理举方 瑟的鹾究，熬建设有效遮虚羧学习巧壤。 间时，在调研中，我们也发现国外的研究一般是崧小范围内和稍大范围内进行 君裁审止了，没有最续送聂的研究擐蠢。蓑鲻疆究握爨瓣阚题秘分辑瓣决方寨没骞 进一步验证和改善，研究缺乏系统性。 鞭筵，慧黉获先纛熬瑗实瓣教弯藏震骚突是否霹淤麸戳下足令方溪送霉： 第一、深入思考v r 每种特性的潜力，全面开展系统性的研究，包括教学内容的 设诗，学习者。理分褥，教学穷法、繁貉豹逡箨，学习环缓熬浚诗，教学效暴的分 析和评价。从全面教肖的角度拓宽教学内容的设计，从学生心理学( 学习风格、学 习繁略等) 静是疫臻究虚羧嚣境孛入豹鑫素戳优铯久瓠交互设诗，溪悉耀关教学嚣 学习的理论，建立虚拟环境开发、设计、应用、评价和教学的理论基础。 v r 翁3 黪征哥菇遴步强炼蠢空蠲表褒穗藕空瀚胃操箨穗嚣令将穗，其育该两 种特性的虚拟学习环境特别有利于学生空间能力的发展。空间能力在很多学科当中 1 h r o s ea n dm b i l l i n g h t u , a , 。z e u g o s a y u ：a n i m m e r s i v e e d u c a t i o n a l e n v i r o n m e n t f o r l e a r n i n g j a p a n , 。 u n i v 矗- s i t y o f w 缸瓤砸龇h u m m a i n t c a f a c e t e c h l o g y l a l b o r a t o 啦h i t l r e p o r t n o r - 9 5 11 9 9 5 2 蠢玉g o u s s o s , a t 翔轴s 瞻，j 。h 醯c i 确酬瞌琏c - b a m e s , 船区繁瓣豳 n i c e ：c o m b t a i 篷 c o n n s t r u c t i o n i s