（教育技术学专业论文）基于Web3D的网络虚拟学习情境的设计与实现.pdf

独鹤性声嘲 f8 8 6 ；i 1 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究威果。尽我所知，除了文 中特别加以标注和致谢的地方9 ，论文中不包含其他八已经发表或撰写过 的研究戚果，不包含本 或他人已申请学位或其他用途使用适的成果。与 我一同工作的同志对本研究所儆的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：殷& 蟊必日期 保护知 谖产权声明l 训i f 本人完全了解第四军医大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校 攻读学位期问论文工作的知识产杈单位属第四军医大学。本人保证毕业离 较后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为第四军医大学。学 校可以公布论文的全部或部分内容( 含电子版， ! i 密内容除外) ，可以采 用影印，缩印或其他复制手段保存论文。学校有权允许论文被查阅和借闻， 并在校园网上提供论文内容的浏览和下载服务。 i 文1 t 者签名：堪竣尤 导肺签名： 日期- 至丛二 夕锣 第四军医大学硕士学位论文 缩略语表 缩略语英文全称中文全称 w 曲3 d、e b3 dc o n s o n i u m网r 2 维 v r v i n _ l r 叫r e a l 姆虚拟现实 v r m lv i r h j a lr e a i 时m o d e l i n gl a l l g u a g e 虚拟现实语言 c m i c o m p u t e r - m a n a g e di n s t 八l c t i o n 计算机管理教学 c a i c o m p u t e ra i d e dt n s t r u c d 伽 计算机辅助教学 c a d c o m p u t e r a j d e dd e s i g n 计算机辅助设计 c a t c o 玎l p u f e r a i d e dt e s t i n g 计算机辅助测试 m u d m u l t i p l eu s e rd u n g e o n ，d i m e n s i o n多用户层面 a p i a p p i i c a t i o np r o g 阳m m i n gi n t e 向应用程序接口 0 0 e n g l o p e ng 怕p h i c sl b 怕r y开放的图形程序接口 d d s d i 他c l d 泡ws u f f a c e 图像压缩格式 第四军医大学硕士学位论文 基于w e b 3 d 的网络虚拟学习情境的设计与实现 硕士研究生：张跃龙 导师：李冰 第四军医大学教育技术中心，西安7 1 0 0 3 2 中文摘要 虚拟现实是当代信息技术应用的重要发展，而信息化教育这一新的教育形 态的出现使它更获得了施展功用的天地。随着我国高等教育规模由精英型向普 及型的过渡，对建设教学实践情境要求的日益紧迫，也对虚拟现实提出更多更 高的期盼。基于这些态势，我们从理性探讨和相应教学课件的开发两方面进行 研究。 虚拟现实技术与对人空间认知的研究成果的有机结合推进了虚拟现实的研 究与开发。虚拟现实技术，主要为计算机技术和其他工程技术( 相应的硬件) 。 w e b 3 d 作为虚拟现实技术的主要代表之一，在近1 0 年中异军突起，它克服了以 h t 札技术为主的限于二维空间、沉浸感不强等缺点，以良好的三维性、灵活的 交互性以及对硬件资源要求的简易性等优点而被广泛的应用，成为解决可视化 知识学习、创设虚拟情境的有效工具。在近3 0 种虚拟现实技术中，以q u i c k t i m e v r 、c u l t 3 d 、s h o c k w a v c 3 d 以及头盔显示器数据手套等相应的硬件支持为关键 技术，可分别有针对性运用于建构桌面虚拟现实、沉浸的虚拟现实和增强现实 性的虚拟现实。其中，作为较低成本上较易掌握的c u l t 3 d 更受人们的青睐。 c u l t 3 d 的内核是基于j a v a ，还可嵌入j a v a 类，利用j a v a 类增强交互和扩展， 可使开发的情境更趋人性化和条理化。 虚拟现实技术建构的虚拟现实要适应教育( 教学) 的要求，还应遵循相关 的理论：主要为智能放大理论、虚拟体验理论、行为主义学习理论和建构主义 理论。一个良好的虚拟学习情境，应是虚拟现实技术功用的充分发挥，相关的 2 第四军医大学硕士学位论文 教育( 教学) 理论充分的体现，以及所表达的教育( 教学) 内容的充分展现。 建构主义学习理论是近2 0 年来首先在美国发展起来的教育( 教学) 理论。这个 理论提出了学习环境中的四大要素，“情境”、“协作”、“会话”、和“意义建构”， 恰是虚拟现实技术最能充分体现的。就是说，建构主义学习理论与虚拟现实技 术的有机结合，将为学生的学习提供有效的促进有意义自我建构的工具。现在， 虚拟现实在军事演练、高精尖武器的操作训练、残疾儿童的康复训练、航空、 航天的心理与生理训练、仿真教学以及诸如人体手术操作训练等方面已显示的 巨大功用，这些正是理论、技术、教学内容紧密结合的结果。 如何将w e b 3 d 建构的桌面虚拟现实具体运用于教学中? 我们提出了五个方 面，或者说有五种类型。一是展示型、二是漫游型、三是过程型、四是操作型、 五是游戏型，同时对五种类型从含义、技术、导航、应用几个方面作了的分析。 我们结合卫生部龋病多媒体课件开发的课题，基于w e b 3 d 技术，在其中龋 病治疗章节加入了龋病治疗虚拟学习情境模块，目的是使学生在传统的观看实 物图片、3 d 模型、f l a s h 动画演示等媒体教学形式外，运用w e b 3 d 技术创设具 有交互性、沉浸感的虚拟学习情境，更好的发挥媒体教学的优势，使学生在实 际的动手操作中得到更深的体会。 情境教育作为今天实施素质教育的一个重要选择，有教育发展的必然因素， 也有技术发展的积极因素。利用w e b 3 d 技术进行虚拟学习情景的创设，目前相 关研究资料比较少，开发工具还不完善，许多关键技术仍没很好的解决；网络 教育中各学科中需可视化的教学内容相对比较分散，导致网络教育中应用w e b 3 d 技术广且杂。虚拟现实技术如何更好的应用于教育当中，仍值得我们去深入思 考。 关键词网络教育虚拟现实v r m lw e b 3 d 学习情境智能放大虚拟体验 第四军医大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt oj a v a ，c a na l s oi m b e dj a v a ，m a l 【eu s eo f t h eb u i l du po fj a v at oh a n d o v e rw i me a c ho m e ra n de x p a i l d ，c 粕m a k e 也es c e n a r i oo ft h ed e v e l 叩m e m 酽a m l a l l yh m l a n i z e d t ot u mw i m l o 西c a la r r a n g e m e n t w r 孤t i n gt or e t u i i lr e q u e s to f v i r t l l a lr e a l i s t i co r i e l l _ t a t i o ne d u c a t i o n ( t e a c h i n g ) o f v i r t u a lr e a l i s t i ct e c h n i q u ec o n s t r i l c t i o no rp u r c h a s e ，s h o u l df o l l o wt h er e l a t e dt h e o r i e s m a i n l ye n l a 唱et h e 也e o r i e s ，c o n j e c t i l r ee x p e r i e n c em e o r i e s ，m eb e h a v i o rd o c t r i n e s t i l d ym e o r i e sa 1 1 dc o n s 仃i l c to rp u r c h 嬲et 1 1 ed o c 打i n et h e o r i e sf o rm ei n t e l l i g e n c e a 9 0 0 dv i n u a ls t u d ys c e n 撕o ，s h o l l l db ea “r t l l a l r e a l i s t i ct c c l u l i q u ee 艉c tf u l lt o d e v e l o p ，f u l lb o d yo fr e l a t e de d u c a t i o n ( t c a c h i n g ) t h e o r i e sn ow a n d 如1 1d i s p l a yo f t 1 1 ee d u c a t i o n ( t e a c h i n g ) c o n t e n t se x p r c s s c q n s t r u c ts t u d yt l l e o r i e sa r en e a r2 0i nt 1 1 e 1 a s ty e a r sf i r s ti nm ee d u c a t i o n ( t c a c h i r 培) t l l e o r i e st h a tt h eu n i t e ds t a i e sd e v e l o p t h ee x o t e r i cp u tf o n a r df o u ro u n i n ev e g e 诅b l e sw i t l l i nt 1 1 es t u d ye n v i r o m e n t s ，” s c e n a r i o ”，”h e l pt om a k e ”，c o n v e f s a t i o 吐a n d i im e a n i n gc o n s t r l l c t i o no rp u r c h a s e ”， m ev i n u a lr e a l i s t i ct e c h i q u ej u s tm o s tf i l l lb o d yo fa b i l i t yn o wo t h a ti st osa y ， c o n s m l c t i o no rp u r c h a s et h ed o c t 血es t u d i e st l l em e o r i e sa n dc o n j e c t u r e st h e a c t u a l i t yi st e c 城c a lo r g a n i ct oc o m b i n e ，t h et o o lm a tw i l lp u r s u es t u d i e st 1 1 er a r e s t u d yt op r o v i d et op m m o t ec o n s 加虬to rp l l r c h a s em e a i l i n g f u l l ya n db yo n e so w n e b c t i v e l y n o w ，t l l ev i r t u a la c t u a l i t yp m c t i c e si n t h em i l i t a r y ，t h eh i g ha r e a o p e r a t i o no ft h es h a r pw e a p o nt r a i n ，t h ed i s a b l ea n ds i c kc h i l dr e c o v e r sf r o mi l l n e s s t l l em e n t a ls t a t ea 1 1 dp h y s i o l o g i e so ft l l e 蛐g ，a v i “o n ，a e r o s p a c et ot r a i n ，i m i 协t e t l l em l et e a c h i n ga i l d 删n l eh u g ee f r e c tm a te t c s h o wa l r e a d ys u c ha st h eh u m a n b o d ys u r g i c a io p e i a t i o n ，n l e s ea r ce x a c t l ym em e o r i e s ，t e c h n i q u e ，c o n t e n to fc o u r s e a l l i e dr c s u l t h o wt ou s a g eo fv i n u a la c t u a l 姆o fn l et a b l e st o pt h a tt h cw 曲3 dc o n s t m c to r p u r c h 觚ei nt e a c h i n g ? w bp u tf o ，a r df h ea s p e c t so rt y p e s o n ei sd i s p l a y t w oi sr o a m ， t h r e ei sp r o c e s s ，f o u ri so p e r a t i o n ，f i v ei sg a i l l e ，卸d 舶mt h em e a i l i n g ，t e c h n i q u e ，n a v i g a t e ，印p l y s e v e r a la s p e c ta n a l ”i st l l ef i v et h el y p c s 5 第四军医大学硕士学位论文 t h es u b j e c t m tw ec o m b i n et l l em u n i m e d i al e s s o nad e v e l o p m e n to fa d e c a y e dt o o t ho fd i s e a s e ，a c c o r d i n gt om et e c h m q u eo fw 曲3 d ，t k r e i nt l l ed e c a y e d t o a md i s e a s et r e a 位1 e mc h a p t e rj o i n s 也ed e c a y e dt o o t hd i s e a s et oc u r et h e c o 脚e c t l l r es t u d y s c e n 撕om o l dp i e c e ，p u r p o s ei sm a k et l l e 咖d e n ti so u t s i d e 位a d i t i o n a l l yt a k eal o o k 砒t h er e a lo b j e c tp i c t l l r e ，3 dm o d e l ，a n i m a t i o no ff l a s hp l a y s h 第四军医大学硕士学位论文 第1 章研究背景 没有驾驶过飞机的人，不知道驾机飞行的感觉：未当过宇航员的人，体会 不到太空飞行中失重的滋昧：若不是潜水员，也很难想象人在深沉大海中那神 奇眩目的景观。那么，没有亲身实践，能否获得真实感觉呢? 能，这就得靠当 前正在迅速发展的虚拟现实技术，它能创造出这样一种景观：让没有经历过某 环境的人，能完全获得进入这种环境的逼真感受。 虚拟现实又称灵境技术，英文是“v i r t u r a lr e a l i t y ”，外国有时还称为： “信息空间”、“人工现实”、“合成环境”等。关于虚拟现实的定义。我们可以 简单地理解为，人与计算机生成的虚拟环境进行交互作用的技术手段。 那么，我们为什么选取这方面的课题，并着重结合教育( 教学) 要求展开 研究呢? 1 现代教育出现信息化教育新形态 自2 0 世纪9 0 年代以来，国际教育界出现了以信息技术( i t ) 的广泛应用为 特征的发展趋向，国内学者称之为教育信息化现象。我们将教育信息化看作为 一个过程，其结果是达到一种新的教育形态一信息化教育。教育信息化的主要 特点是在教学过程中广泛应用以电脑多媒体和网络通讯为基础的现代化信息技 术，其发展势头之强，影响面之大，令许多教育者感到困惑，无所适从。什么 是教育信息化? 教育信息化究竟会对教育产生什么影响? 我国教育如何迎接教 育信息化的挑战? 这些都是中国教育者应该认真思考和面对的问题。 教育信息化的特征是什么? 我们将从技术层面和教育层面有机结合起来而 考察之。从技术上看，教育信息化的基本特点是数字化、网络化、智能化和多 媒化。数字化使得教育信息技术系统的设备简单、性能可靠和标准统一；多媒 化使得信媒设备一体化、信息表征多元化、复杂现象虚拟化；网络化使得信息 资源可共享、活动时空少限制、远程合作易实现：智能化使得系统能够做到教 第四军医大学硕士学位论文 学行为人性化、人机通讯自然化、繁杂任务代理化。 当将这些技术层面的特征渗透到教育( 教学) 中是，信息化教育具有以下 显著特点【1 l ： ( 1 ) 教材多媒化：教材多媒化就是利用多媒体，特别是超媒体技术，建立教 学内容的结构化、动态化、形象化表示。 ( 2 ) 资源全球化：利用网络，特别是i n t e r n e t ，可以使全世界的教育资源 连成一个信息海洋，供广大教育用户共享。 ( 3 ) 教学个性化：利用人工智能技术构建的智能导师系统能够根据学生的不 同个性特点和需求进行教学和提供帮助。 ( 4 ) 学习自主化：由于以学生为主体的教育思想日益得到认同，利用信息技 术支持自主学习成为必然发展趋向。 ( 5 ) 活动合作化：信息技术在支持合作学习方面可以起重要作用，其形式包 括通过计算机合作( 网上合作学习) ；在计算机面前合作( 如小组作业) ；与计算 机合作( 计算机扮演学生同伴角色) 。 ( 6 ) 管理自动化：利用计算机管理教学过程的系统叫做c m i ( 计算机管理教 学) 系统，包括计算机化测试与评分、学习问题诊断、学习任务分配等功能。 ( 7 ) 环境虚拟化：教育环境虚拟化意味着教学活动可以在很大程度上脱离物 理空间时间的限制，这是电子网络化教育的重要特征。现时代已经涌现出一系 列虚拟化的教育环境，包括虚拟教室、虚拟实验室、虚拟校园、虚拟学社、虚 拟图书馆等，由此带来的必然是虚拟教育。 第四军医大学硕士学位论文 图l 信息化学校的教育功能模式 2 网络虚拟现实技术迅速广泛应用 2 1 企业和电子商务【2 】 当顾客进行在线购物时，他们需要找到在现实购物经历中培养出来的那种 感觉：步入商店、寻找商品、关注某件商品、从各个角度观察、触摸或试穿， 然后再购买。这种“感觉”仅仅凭借2 d 图像或其他非3 d 的图像是无法达到的。 这时与现实接近的3 d 图像便显示出了威力。企业将产品发布成w e d 3 d 的形式， 顾客通过对之进行观察和互动操作对产品产生更加全而的认识和了解。这样决 定购买的概率必将大幅增加。为销售者带来更多的利润。典型的应用有商品展 示、虚拟漫游展示( 如建筑房地产) 。 2 2 娱乐游戏业 娱乐游戏业永远是一个不衰的市场。动感页面无疑较静态页面更能吸引更 多的浏览者。如今的互联网上己经不再是单静止的世界，动态h t m l ，f l a s h 动画、流式音视频的加盟使它越来越充满生机。而更加接近现实的3 d 效果的引 入，必将造成新一轮的视觉冲击，提升网页的访问量。娱乐站点可以在页面上 9 第四军医大学硕士学位论文 建立三维虚拟角色来吸引浏览者；游戏公司除了在光盘上发布3 d 游戏外，现在 可以在网络环境中运行在线三维游戏跏( 不过这一领域现在由于w e b 服务器的限 胄4 而举步维艰，因为它无力承受像d o o 硐这样受欢逸的在线3 d 游戏) 。 2 3 虚拟社区 使用w e b 3 d 实现网络上的虚拟展示，需要构建一个三维场景，人以第一视 角在其中穿行，与场景之间产生交互，从而产生身临其境的感觉，比如虚拟展 厅、建筑房地产虚拟漫游展示等，这就是所谓的“虚拟社区”。但这只是狭义的 解释。虚拟社区的概念更具划时代意义的是在交互的场景中，用户和用户的自 由交流【4 j 。我们可以想象，在一个虚拟的三维场景中，一些数字化的三维“人” 在其间交谈工作，他们可以做出各种动作、表情，可以与他人“交谈”、“接触”。 人们将告别用键盘敲打符号的日子，需要的只是一个3 d 鼠标和个话筒。 2 4 教育 现今的教学早已不再是单纯的依靠书本、教师授课的形式。前几年计算机 辅助教学( c a i ) 的引入，弥补了传统教学的某些不足，其中在讲解一些如空间立 体化知识时，采用的c a d 技术以其形象化的表现方式，使学生更容易接受和掌 握。但在通常的c a d 系统里人们只能从外部去观察模型，而现在的3 d 软件所采 用的体元建模技术可以支持物体的快速成形、体元分析、动态仿真等，特别是 允许入们沉浸到仿真建模的环境中，从而满足虚拟现实对沉浸、交互、构想的 要求。因此互动式3 d 将成为未来c a i 教学的有力工具。学生通过使用具有交互 功能的3 d 课件可以在互动操作中加深对知识的理解，而进一步采用w e b 3 d 技术 将使在线教育达到更好的效果【”。前而提到的w e b 3 d 在商业、娱乐业、虚拟社 区等方而的应用实际上都可以整合应用在教育领域中。 1 0 第四军医大学硕士学位论文 这样的规范，他选择s g i 的0 p e ni n v e n t o r 文件格式中的一些基本元素，并增 加了两个必要的具有万维网特征的节点元素( w w w a n c h o r 和w w w i n l i n e 节点) ， 在此基础上组织了一份提案。基于o p e ni n v e n t o r 的提案被选定为未来规范的 工作文档，g a v i n 在t o n y 、r i k k 等人的帮助下，很快修订并制订了v r 札1 o 【8 j 规范的草案。v r m l l 0 于1 9 9 4 年1 0 月在第二届互联网国际会议上公布。 v r m l l 0 只是一个静态的描述语言，缺少某些关键特征，如动作、交互、 行为等9 】。这意味着作者不能创建一个可与用户交互的动态的虚拟场景。 1 9 9 6 年8 月在s i g g r a p h 9 6 会议上公布了v r m l 2 o 。v r m l 2 0 在动作、交 互等特性有了很大的提高，1 9 9 7 年1 2 月v r m l 作为国际标准正式发布，1 9 9 8 年 1 月正式获得i s o 批准( i s o i e c1 4 7 7 2 1 ：1 9 9 7 ) 。v r m l 9 7 是v r m l 2 o 经编辑性 修订和少量功能性调整后的结果。作为i s o i e c 国际标准，v r m l 的稳定性得到 保证，迅速地推动了网络三维技术的应用。 另外，有不少的计算机公司推出了各种不同的w e b 3 d 实现方案，如e y e m a t i c 公司的s h o r t 3 d ，c y c o r e 公司的c u l t 3 d 等。s h o r t 3 d 采用类似v r m l 的文件格 式描述三维场景；而c u l t 3 d 则采用单独定义的文件格式，不能与其他w e b 3 d 应用兼容。s u n 公司公布的j a v a 3 d 则为w e b 3 d 提供了语言级的支持，j a v a 3 d 是 j a v a 用于三维程序编程的组a p i 。j a v a 语言面向对象和跨平台特性，使得 j a v a 3 d 特别适合网络环境上的应用。 2 2 实时三维制作软件和视觉效果发展历程 1 9 9 8 年左右，v r m l 9 7 只是建立这样一个文件格式，相关的软件和硬件刚刚 开始发展。这一时期的v r m l 场景很多是直接由代码手工产生的，比如一些场景 只由球体和立方体这样的简单几何体搭建，一些场景是由三维c a d 模型转化的， 在浏览速度和视觉效果上也没有作有效的优化。当时电脑的性能是实时三维的 一个很大的限制，图形加速a p i 如d i r e c t 3 d 和o p e n g l 在个人电脑上的应用刚 刚开始，同时的网络带宽对于传输大量的三维数据也是很大的限制m 1 。这情况 好比是h t m l 格式刚刚发布时。没有成熟的浏览器，没有成熟的网页创作软件， 第四军医大学硕士学位论文 也没有足够的合适多媒体使用的网络带宽。 虽然早期的v r m l 9 7 软件的开发停滞了，但是在v r m l 联盟提供开放源代码 的基础上，b l a x x u n 、p a r a l l e l g r a p h i c s 、o p e n w o r l d s 等公司继续开发相关软 件。可以发现，当时游戏中主要应用单纹理贴图技术和d i r e c t 3 d o p e n g l 图形 加速a p i 技术提高视觉效果，但是最终效果如何还在于制作者的水平上。 随着p c 上实时三维的视觉效果不断的发展，在使用d i r e c t 3 d o p e n g l 的 游戏中开始使用多纹理贴图。多纹理是实时三维系统中实现高级视觉效果的一 个重要基础，光影贴图、凹凸贴图、环境反射等都需要在多纹理框架下实现的。 此时的图形加速卡也开始对这些功能提供了硬件支持。 随着三维硬件和软件的发展，在v r m l 场景中可以使用更为复杂的模型和更 多的纹理贴图，这时就有必要对场景贴图进行压缩以减少下载时间、解析时间 和内存占用。场景压缩方面，开放源代码的通用压缩格式g z i p 很快成为标准的 v r m l 9 7 场景文件压缩格式，同时n u r b s 曲面也被引入到v r m l 中，这样在v r m l 9 7 中能用更少的数据来描述更复杂的图形格式。纹理压缩方面引入了d d s 纹理压 缩格式大幅度的提高了浏览速度和效果。 x 3 d 为方便的扩展、尽可能快、尽可能多的吸收更多先进的技术。例如x 3 d 的第一个版本将正式加入多纹理和n u r b s 曲面的支持，而有些公司则考虑将最 先进的顶点着色和像素阴影引入到v r m l x 3 d 中。 除了视觉效果上的发展，随着很多大公司的加入，w e b 3 d 在具体应用方面 也不断发展，能与其他网络应用进行联合，充分体现了与各种资源的整合，例 如v r m l s q l 数据库工作组实现了v r 札与s q l 数据库的结合，j a v a d i s v r m l 规范了在v r m l 9 7 中通过接口使用相应的j a v a 程序或脚本等等。在此基础上， x 3 d 中将添加新的组件功能，其中包括h a m i n ( 人性化动画方法) 、g e o v r m l ( 地 理虚拟建模语言) 。 3w e b 3 d 与传统3 d 的区别 尽管从视觉上来看，桌面虚拟现实与传统三维动画一样是建立三维场景 1 4 第四军医大学硕士学位论文 并且可以实现动态的效果，然而它们的内部机理却有着本质的区别。主要区别 如下： ( 1 ) 动画路径实现不一样。传统的三维动画创作因基于关键帧的机制，所创 作的动画只能沿着一条路径反复播放，可交互的程度低。而w e b 3 d 生成的三维 场景是“活”的。你可以以视觉的方式呈现不同的事件和功能的互动性，只要 用鼠标在3 d 产品物件上移动，就可以旋转、放大、缩小，体现真实的物体属性， 通过自己的行为改变或影响虚拟环境，就如在现实中改变自己周围的环境一样。 ( 2 ) 渲染原理不一样。传统三维动画的渲染是在动画创作过程中完成的，是 预先生成的；而w e b 3 d 场景渲染是运行时由浏览器实时解释生成的。 ( 3 ) 文件大小不一样。传统三维动画因采用非实时渲染和关键帧机制，所以 制作出的动画文件通常比较大，对网络传输的带宽要求比较高。而w e b 3 d 生成 的动画因采用文本信息描述三维场景，再由相应浏览器解释生成三维场景，故 而制作的文件比较小，对网络传输的带宽要求比较低。 ( 4 ) 可扩展性、修改性不一样。传统三维动画的制作对事先设计的要求比较 高，已经制作完成后再修改和再扩展性比较难，而且两者不能同时兼得。传统 三维动画格式没有行业的国际标准，相互间转化比较困难。而w e b 3 d 技术采用 的是基于建模的机制，交互的灵活性和模型的复杂度等都可在不断开发中逐步 完善。w e b 3 d 具有普遍接受的行业标准，多种开发软件支持( 包括传统的三维动 画开发软件) ，便于扩展和修改。 ( 5 ) 视点( v i e w p o i n t ) 设计不一样。传统三维动画的视点是固定视点的。而 w e b 3 d 视点是自由的，也就是说设计时不再只满足于从一个固定的角度来表现 空间环境，不再把环境的控制强加给使用者。 4 学习情境与虚拟学习情境 4 1 学习情境的含义与作用 情境，就其广义来理解，是指作用于学习主体并使其产生一定情感反应的 第四军医大学硕士学位论文 客观环境；狭义的理解则指教学环境中作用于学生而引起积极学习情感反应的 教学过程】。在我国相关研究文献中，“情境”和“情景”两个词常常混淆。严 格的说，情境是指一个人在进行某种行动时所处的社会环境，是社会行为产生 的具体条件。情景则是指情况和光景m l 。不同研究者所讲的“情境”有不同的 内涵。根据韦伯斯特词典所下的定义：情境是“与某一事件相关的整个情景、背 景或环境。”( i td e f i n e sc o n t e x ta s“t h ew h o l es i t u a t i o n ，b a c k g r o u n do r e n v i r o n t l e n tr e l e v a n tt oap a r t i c u l a re v e n t ) 。罗格夫( r o g o f f ) 则认为 “情境既是问题的物理结构与概念结构，也是活动的意向与问题嵌入其中的 社会环境。”目前国内研究者一般将“s i t u a t i o n ”译为“情境”，主要指定位性 场景。“c o n t e x t ”是一个有较多争议的词汇，国内学者对这一词汇的翻译主要 有“背景”、“境脉”、“境域”等，主要指具有关联性的情境。 本研究中所讨论的学习情境指的是“s i t u a t e dc o n t e x t ”，是一种情境化 脉络，它包含两层面的含义，即定位性的学习场景和关联性的学习情境。在网 络学习环境中，学习情境主要指在网络化学习过程中与学习者、问题、资源、 活动等学习要素相关联的所有情景或境域。 任何教育都是在一定的环境条件下进行的。根据教学的目的、内容而创设 学习情境是必然的要求。在本文中，所指的学习情境是与学生所学习的内容相 适切的、包含问题的事件和条件。目的在于为了帮助学生更有效地学习知识内 容。有些教师为了使教学过程看起来似乎更生动而呈现一些与教学内容无关的 情境，这种因追求表面效果而损害教学内容的做法实不足取。另一方面，学习 情境虽然以教学内容的掌握为旨归，但决非知识内容的简单重复，否则就无异 于直接向学生呈现概念、公式或原理了。学习情境的本质是生动、富有引发思 考的事件，其中包含与教学内容相应的、具有内在联系的问题，或者说，学习 情境既是事件，同时又是问题，但不是知识内容的简单呈现。 学习情境的作用大致应体现出四个方面。首先，创设情境有利于学生循着 知识产生的脉络去准确把握学习内容。如果教学中，学生直接接触现成的结论， 知识犹如横空出世一般突然呈现在学生面前，由于不知道知识是为了解决什么 1 6 第四军医大学硕士学位论文 问题，以及是如何得来的，这就给学生深刻理解学习内容带来了障碍，不利于 学生思维的发展。思维起始于问题而不是确定的结论。杜威在他的“五步思维 法”中指出，思维活动可分为五个阶段：“第一步：问题。第二步：观察。第三 步：假定。第四步：推理。第五步：检验”【1 4 】。学习情境的核心是与知识相对 应的问题，因此，创设学习情境能够模拟地回溯知识产生的过程，从而帮助学 生深刻理解教学内容，发展思维能力。其次，创设学习情境能够帮助学生顺利 实现知识的迁移和应用。通过具体情境中的学习，学生可以清晰地感知所学知 识能够解决什么类型的问题，又能从整体上把握问题依存的情境，这样，学生 就能够牢固地掌握知识应用的条件及其变式，从而灵活地迁移和应用学到的知 识。再次，创设学习情境有利于激发学生的学习兴趣。在学习情境缺失的教学 活动中，学生常常缺乏对知识应有的兴趣，因为这样的教学显得单调枯燥，常 不需要学生积极的智力活动一即使存在一些智力活动，也是按照规定的路径进 行的推理。没有问题的教学不仅不能引起学生强烈的探索和求知欲望，反而会 消减他们的学习热情。可以说，创设学习情境是激发学生内在学习兴趣不可缺 少的。最后，学习情境还能够使学生在学习中产生比较强烈的情感共鸣，增强 他们的情感体验。学习情境把抽象的知识转变成有血有肉的生活事件，而生活 事件中均包含或强烈或含蓄的情感因素。在与语文、历史、品德等课程相关的 学习情境中，感情的因素尤为显著。因此，创设、呈现学习情境，避免了单调 的认知活动，使学习成为一种包括情感体验在内的综合性活动，对于提高学习 效果具有重要的积极意义。 4 2 学习情境创设 情境创设应为学习者提取长时记忆中的相关知识、经验与表象创造有利条 件，促进知识、技能和体验的连接。在教学中创设情境，自古有之，如：以言 语、表情、姿势、动作、图片( 挂图) 、模型、实物、模拟情景和小实验等来烘 托气氛，效果也不错，但对教师的要求相当高，往往越年长的教师在这方面做 得越成功。随着现代社会的发展，现代教学已与传统教学有了极大的差异，对 第四军医大学硕士学位论文 于学习情境的质量、呈现的形式和情境创设的效率都不同程度地提出了高要求。 教学情境要能够激发学习者的认知活动、实践活动、创新活动和情感活动，并 能够提供学习的素材f 1 5 l 。这样一来，传统教学媒体就明显力不从心了。信息技 术及丰富的信息资源，使得教学情境的创设显得更为实际、简便和高效。它不 仅能够十分方便地提供文本、图形、图像、音频、视频、动画、虚拟现实等多 种形式的素材，甚至还能提供穿越时空的链接、多重交互和人工智能。然而， 事实并非如此，绝大多数教学媒体或个人制作的教学资源尚达不到要求，尚停 留在图片展示、录像片或视频剪辑( 体积较大而不便于网络传输，而且不方便编 辑和灵活运用) 、幻灯片和c a i 课件上，几乎没有交互可言。这里姑且不说高难 度技术的创作，利用我们一般掌握的现有技术进行情境创设亦是可以做到的。 4 3 虚拟学习情境的创设 如今，利用w e b 3 d 技术成为了创设真实情境的最有效工具。其通过构建事 物发展变化的虚拟环境，不仅对参与者产生视觉、听觉、触觉、嗅觉等各种感 观刺激信息，给参与者一种身临其境的感觉，沉浸到具有逼真效果的环境。而 且，在虚拟学习环境中的教师能随时采集各种媒体信息，采集学生的反馈及控 制信息，及时处理加工和演示信息，从而使教师能够及时更新改善工作策略， 创设一个更有利于帮助学习者确定学习策略、激发学生的学习兴趣和积极性、 引导学习者主动学习与进行意义建构的情境，提高教与学的效果。 基于w e b 3 d 的网络虚拟学习情境的设计能够容易实现以学生为中心的教学 环境，调动学生的参与性，能通过设计灵活多样的交互方式，采用探索法、发 现法等要求学习者主动参与同虚拟对象的互动以完成学习任务，提高学生学习 的主动性，从而，相形之下传统的媒体技术则难以实现这些要求，就创建真实 情境而言，w e b 3 d 技术则是如鱼得水，运作自如。 第四军医大学硕士学位论文 1 理论基础 第3 章w e b 3 d 技术与网络教育结合 1 1 智能放大理论 在很大程度上讲，智能放大的概念不仅仅是一个心理学上的理论，更重要 的是一种设计的目标。实际的设计一般已体现智能放大概念的很大一部分内容， 在研究模拟和虚拟现实对认知的价值中，这些设计比理论解释来的更清楚，这 从b i o c c a 整理出的图示中可以一目了然。针对媒体技术特别是v r ，智力的放 大到底是什么。 人麟，嫌舟和环境宅问的关系分戚两个阶艟：1 ) 人脑和身体的放大，2 ， 抽和身体的遘砬。 图2 人脑、媒介和环境之间的关系 图中显示了人脑、媒体和环境交互的两个阶段：( a ) 放大，即工具放大人脑； ( b ) 适应，即媒介改变人脑。它们并不仅仅是人与技术交互过程中的两个阶段， 还暗示了两种不同的理论主张。大多数技术，特别是交流媒体，都采用两个阶 1 9 第四军医大学硕士学位论文 段中的某一种。当说到媒介改变人脑，例如v r 放大智力，主张与技术接触前后， 人脑始终保持不变。而主张“适应”的一些理论学家却认为，媒介在某些方面 能改变人脑。 1 1 1 放大 放大智能可以分为三种：感觉延伸( s e n s o r i m o t o re x t e n s i o n ) ，知觉的模拟 ( s i m u l a t i o no fc o g n i t i v e ) 和语义结构的客观化( o b j e e t i f i c a ti o no fs e m a n t i cs t r u c t u r e s ) 。 a 感觉延伸 m a r s h a l lm c l u h a n ( 1 9 6 4 ，1 9 6 6 ) 开始普及媒体能“延伸感觉”说法。其实 他不知不觉的在宣传一个工程哲学中长久的说法一技术是器官的延伸 ( m i t c h a m ，1 9 9 4 ) 。这种观点现在己经被广泛地接受。 技术通过很多途径放大智能。当感觉透过空间( 如电话) ，透过时间( 如照 相) ，还有一些超越普通的感知( 如红外线搜索) 被延伸，都为人的智能提供了更 多的感觉数据和经验。这时，媒体就延伸了人的视觉和听觉。v r 扩大了媒体延 伸的范围，以更好的保真度延伸感知。另外，v r 使身体的动作与感觉以更自然 的途径紧密的结合。以前的一些老的技术虽然延伸了某些机械能力，反馈却很 贫乏。如挖掘机延伸了人手臂的挖掘能力，但视觉反馈很少。v r 系统不仅能改 进人的绩效，也能通过缩小动作和感觉之间的鸿沟，来放大人的智能，使用者 能够探究和参与远程的真实环境和纯虚拟环境。 b 知觉的模拟 一些技术通过模拟物理和智力上的过程来达到身体的延伸。智力的过程需 要智力的劳动力。假如这些劳动力被转换成一些电子机械实体，那更多的人脑 将用来完成模式识别，做决定和创造。就像b a b b a g e ( b a b b a g ec ， ( 1 7 9 2 1 8 7 1 ) ，英国人，设计了差分机和分析机，其中设计的理论非常的超前，类似于百 年后的电子计算机，特别是利用卡片输入程序和数据的设计被后人所采用，如 同当时相信数学过程能用齿轮、试管和硅片模拟，能在速度和复杂度上改进一 第四军医大学硕士学位论文 样。从这个角度上说，人的智能是能更加自由和放大的。 但是，目前设计者对于怎样更好地模拟人的智力活动对于，如何更好地利 用独一无二的v r 技术来教学、辅助或放大认知，媒介和认知技术的研究究竟存 在多少问题，目前不是很清楚。现在要做的是概念化智力模型，另外要做的是 制造工具来放大智力，然而也仅仅能做的是，引进那些用于教授个体使用图片、 电影和动画的技术。 c 语义结构的客观化 客观化智力结构能放大人的智力。语义结构的客观化对于所有的语义系统 来说很关键：使用媒体和代码，使用者能记录、存贮、交换和处理想法。利用代 码和信息客观化语义结构，能减少大脑的记忆力和注意力的负担，放大创造力 和做决定的绩效。这些对于人脑的解决，无疑是一次革命性的进步。 计算机允许使用者操作符号来产生思考的产物。符号结构的客观化通常在 一些媒体中表现为：列提纲、制表等。在做决定的过程中，可以浏览一些概念， 也可以分等级建模或因果关系建模找出相邻的关系。有证据表明：想法的空间化 和符号表征的客观化有助于放大人的智力的绩效。假如抽象化的信息被空间化， 将有助于人的智力放大，这是一切数据可视化工作的基础。 1 1 2 适应 上述的智能放大对人的智能没有任何的影响，包括认知过程和认知结构。 如起重机和挖土机能放大手臂，却改变不了手臂。而适应的概念却认为通过媒 体智力放大能改变认知的过程和结构，人脑的功能或结构会适应媒体。 当人和技术产生关系时，我们能观察到短期和长期的人的适应。明确的讲， 由于使用技术带来的适应可能是心理的、行为的和物理上的。b i o c c a 曾用鞋 作为一种简单的技术来做比喻。把城镇里穿鞋的脚和喀拉哈里沙漠没有穿鞋的 脚进行比较，长期穿鞋的脚发生了结构的变化( 脚趾挤在一起，而且脚底板老茧 很少，也比较柔软) 。 再让我们来看看认知对v r 系统的适应。长期或短期使用v r ，都有可能出 2 l 第四军医大学硕士学位论文 现认知过程的适应，v r 是一个比较新的技术，大部分的情况还是属于短期适应。 适应一直是v r 设计的中心问题。例如，1 9 9 2 年b i o c c a 曾指出由于使用v r 会 引起头晕，甚至呕吐，这种症状在一些玩在线游戏的玩家中也经常出现】。从 某种程度上说，这种症状是山于大脑无法适应v r 沉浸系统的感官冲击( 如视 觉) ，调和其与物理环境( 如本体感知) 的缘故。 v r 系统并非是完美的，它的使用是建立在知觉和本体感知能适应媒体的基 础上。1 9 9 5 年，b i o c c a 和r 0 1 1 a n d 一项研究表明：知觉系统能很快地适应v r 系 统带来的知觉的改变。手和眼的协调很快地适应视觉中虚拟环境位置的变化， 只要用户移动v r 的设备，他们手眼的协调就能很快地适应，能很快地找到位置 和忽略误差。但是必须说明的是，没有证据表明这种适应能放大人的认知绩效， 例如：长期使用v r 能放大空间感。虽然我们可以观察到人绩效的提高，但是仍 然没有有力的证据支持这