基于VR技术的虚拟教学应用研究

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1、华中师范大学 硕士学位论文 基于VR技术的虚拟教学应用研究 姓名：黄鑫 申请学位级别：硕士 专业：教育技术学 指导教师：赵呈领 20050501 硕士学位论文 M A S T E R ST H E S I S 摘要 随着信息技术的迅猛发展，新的教学媒体不断涌现，继多媒体之后，教育 技术领域又出现了一个新型教学媒体，这就是虚拟现实技术( V i r t u a lR e a l i t y ) 。 虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数 字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。 由于它生成的视觉和音效是立体的，人机交互是基于自然技能的、和

2、谐友好的， 因此虚拟现实技术将改变人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状。这将对传 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、境界逼真的教学环境。 本文将虚拟现实技术作为一种新型教育技术手段，从教育技术学的角度加 以研究，提出了教育技术学的一个新型研究领域虚拟教学。虚拟教学就是 传统教学适应信息技术和现代人才培养观的一种新型教学，是人类进入虚拟空 间进行教育的一种教学形式；是利用虚拟现实技术，构建一个虚拟学习环境， 将知识赖以产生的活生生的客观现实再现给学生，讲授知识要点，进行理论概 括，引导学生充分利用自己的视觉、听觉等感官接受信息，激发学生的

3、学习兴 趣和创新意识，启发学生发挥自己的想象能力，开展创新思维活动的一种教学 形式。 第一章绪论介绍了国内外利用V R 技术进行虚拟教学的现状和最新动态， 列举出了一些利用虚拟现实技术进行教学的成功案例。第二章虚拟现实技术概 述主要介绍了虚拟现实的基本概念、发展历史、基本特征、分类及其在各个领 域的应用。 “工欲善其事，必先利其器”，要想使虚拟现实在教学中发挥出良好的绩 效，首先必须掌握其技术和开发工具，构建进行虚拟教学所需的虚拟情景。因 此第三、四章分别对虚拟现实建模语言V R M l 和虚拟现实开发环境及开发工 具做了详细的分析和介绍。在此基础上，对虚拟教学的概念、特征及应用作了 初步的研

4、究。最后利用V R M L J a v a 技术相结合的方式设计出了一个虚拟教学应 硕士学位论文 M A S T E R7 ST H E S I S 用模式和案例。但是对硬件及其接口这里没有做介绍，这是因为许多开发工具 对硬件和接口是自动支持的。然而目前虚拟教学还有许多缺陷、技术也不太成 熟，还有许多问题亟待解决，但随着虚拟现实技术的不断发展完善，其技术必 将日趋成熟，虚拟教学的发展前景也是清晰可见的。 需要说明的是本文对虚拟教学的研究主要是侧重于P C 平台的，因为虚拟 教学要想在实际教学中普及，必须走大众化道路，而目前P c 平台符合这个要 求，这也正是虚拟现实技术今后发展的方向。 关键词

5、：虚拟现实；V R M L ：虚拟教学；虚拟情景 I I 硕士学位论文 M A S T E R l ST H E S f S A b s t r a c t W 浊t h e d e v e t o p m e m o ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h en e w t e a c h i n gm e d i a i s e m e r g i n gc o n s t a n t l y F o l l o w i n gm u l t i m e d i a ，an e w t y p et e a c h i n g

6、m e d i ah a s a p p e a r e da g a i n i nt h ef i e l do fE d u c a t i o n a l T e c h n o l o g y I t i sv i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y ( V R ) V i r t u a lr e a l i t y i s r i s i n g b r a n d n e wc o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i nt h ee

7、n do ft h e2 0 t hc e n t u r y I th a sm e r g e dl o t so fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y b r a n c h e sa s d i g i t a lp a t t e mp r o c e s s ，c o m p u t e rf i g u r es t u d y i n g ， m u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，s e n s o rt e c h n o l o g ye t c 。B e c a u s eo fh

8、a r m o n yr e s u l to f t h r e e d i m e n s i o n a lv i d e o A u d i o ，a n do fh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nb a s e dO n n a t u r a ls k i l l ，h a r m o n i o u sa n df r i e n d l y ，w i h c hv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yw i l lc h a n g e t h eu n i n t

9、e r e s t i n g ，s t i f fa n dp a s s i v ec u r r e n ts i t u a t i o no fi n t e r a c t i o nb e t w e e np e o p l e a n dc o m p u t e r I tw i l lh a v eag r e a ti m p a c to nt r a d i t i o n a lm u l t i m e d i at e a c h i n g ，w h i c h m a k em u l t i m e d i a t e a c h i n g t u r

10、 nf r o mt w o - d i m e n t i o n a ll e v e li n t ot h e t h r e e - d i m e n s i o n ，a n dC a l ls t r u c t u r eo n eV i r t u a lT e a c h i n ge n v i r o n m e n t T h ea r t i c l em a k ev i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g y a so n e n e w t y p e m e d i ao f E d u c a t i o n

11、 a lT e c h o n o g y ，i nv i e wo fs t u d y i n gi nE d u c a t i o n a lT e c h o n o g y ，h a sp u t f o r w a r dan e w t y p er e s e a r c hf i e l do ft h eE d u c a t i o n a lT e c h o n o g yw h i c hi sV i r t u a l T e a c h i n g i sak i n do fn e w - t y p et e a c h i n gt h a tt h e

12、t m d i t i o n a ! t e a c h i n gm e e t so f t h e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dm o d e m p e r s o n n e lt r a i n i n gv i e w s ，a n d t h a tt h em a n k i n d e n t e r si nv i r t u a l C y b e r s p a c e V i r t u a l T e a c h i n g i sak i n do ft e a c h i n go ft h e

13、i n n o v a t i v et h i n k i n ga c t i v i t yf o r i l l sw h i c hB a s e do nt h a ti ss t r u c t u r e daV i r t u a l E n v i r o n m e n tt h r o u g hv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yf o ri n v e n f i o na n ds t u d y ，t h er e a l o b j e c t i v er e a l i t y o nw h i c h

14、k n o w l e d g ed e p e n d se m e r g i n gt os t u d e n t s ，t e a c h e dt h e m a i n p o i n t o fk n o w l e d g e ，g e n e r a l i z e dt h e o r y ，l e ds t u d e n t st o a c c e p t n e w i n f o r m a t i o nw i t hf u l l ys u c hs e n s eo r g a n sa so n e So w nv i s i o n ，s e n s

15、eo f h e a r i n ge t c ， e x c i t e ds t u d e n t s s t u d yi n t e r e s ta n di n n o v a t i v ec o n s c i o u s n e s s ，i n s p i r a t i o ns t u d e n t s I l l 硕士学位论文 M A S T E R ST H E S I S V l m o n a r y C h a p t e r o n eo ft h ea r t i c a lh a sr e c o m m e n d e d u t i l i z

16、i n gV Rt e c h n o l o g yt oc a r r y o nt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h en e w e s tt r e n d so fV i r t u a lT e a c h i n gb o t ha th o m ea n d a b r o a d ，a n dh a v ee n u m e r a t e do u ts o m es u c c e s s f u lc a s e so fu t i l i z i n gV i r t u a lR e a l i t y t e c

17、 h n o l o g yt oc a r r yo nt e a c h i n g C h a p t e rt w oh a ss u m m e du pa n dr e c o m m e n d e d b a s i cc o n c e p t i o n ，d e v e l o p i n gh i s t o r y ，e s s e n t i a lf e a t u r e ，c l a s s i f i c a t i o n ，a p p l i c a t i o n o fV i r t u a lR e a l i t yi ne a c hf i e

18、 l dm a i n l y “O n ew a n t st od oh i sw o r kw e l l m u s tf i r s ts h a r p e nh i st o o l s ”I fy o uw a n tt o e n a b l eV i r t u a lR e a l i t yt ot h eg o o dp e r f o r m a n c ei nt e a c h i n g ，y o um u s tm a s t e ri t s t e c h n o l o g y a n d d e v e l o p i n g i n s t r u

19、 m e n ta tf i r s tw h i c ha r e s t r u c t u r i n g V i r t u a l T e a c h i n gE n v i r o n m e n t i nV i r t u a lT e a c h i n g S ot h et h i r da n df o u r t hc h a p t e rm a k e d e t a i l e d a n a l y s i s a n di n t r o d u c et oV R M La n dV i r t u a l R e a l i t yd e v e l

20、o p i n g e n v i r o n m e n ta n di n s t r u m e n ts e p a r a t e l y O nt h e s eb a s i s ，t h ea r t i c l ed o e sp r e l i m i n a r y s t u d yi nc o n c e p t ，c h a r a c t e r i s t i ca n du s i n gt o V i r t u a l T e a c h i n g a n dd e s i g n o n e v i r t u a lt e a c h i n gp

21、l a t f o r mm o d ea n dt h ei n s t a n c ew i t hV R M L J a v aw a yt h a tt h e y c o m b i n et o g e t h e r T h ea r t i c l eh a sn o td e s c r i b e dt h eh a r d w a r ea n dt h ei n t e r f a c e b e c a u s eal o to f d e v e l o p i n gi n s t r u m e n t ss u p p o r tt h et h e ma u

22、 t o m a t i c a l l y T h e nt h e r e a r eal o to fd e f e c t sa n dp r o b l e m s ，t e c h n o l o g yv e r yr i p ee i t h e ri nv i r t u a lt e a c h i n ga t p r e s e n t 黝t h e c o n s t a n td e v e l o p m e n to fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , i tw i l lb er i p e d a

23、 yb yd a y I ti sh i g h v i s i b l eo f t h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c to f v i r t u a lt e a c h i n g T h ea r t i c a lm a i n l ye m p h a s i so nP Cp l a t f o r mo nv i r t u a lt e a c h i n g ，b e c a u s ei f v i r t u a lt e a c h i n gi sb e i n gp o p u l a r i z e do na c t

24、 u a lt e a c h i n g ，i tm u s tm o v et h ep o p u l a r r o a d P Cp l a t f o r ma c c o r d sw i t ht h i sd e m a n da t p r e s e n t ，a n d i ti s e x a c t l y t h e d i r e c t i o ni nw h i c hv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yw i l lb ed e v e l o p e di nt h ef u t u r e K e

25、y w o r d ：V i r t u a lR e a l i t y ；V R M L ；V i r t u a IT e a c h i n g ；V i r t u a lS c e n e I V 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，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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。

26、 论文作者签名日期：年月目 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解华中师范大学关于收集、保存、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。 保密论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名： 日期：年月日 导师签名： 日期：年月日 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 L S 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规

27、定享 受相关权益。回壶逾塞篮奎厦进丘! 旦芏生；旦二生；旦三生苤壹。 论文作者签名： 日期：年月日 导师签名： 日期：年月日 硕士学位论文 M A S T E R3 ST H E S I S 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 研究背景 新世纪人们正经历着数字时代的剧变，现代信息技术不仅改变了人们的生 产方式，生活方式，而且正在影响着人们的思维方式和学习方式，引发了一场 世界范围内跨世纪教育改革和学习的革命。从文字到图像，从三维技术到虚拟 现实，是这个进程中的必然逻辑。随着互联网的迅猛普及，信息网络已渗入到 社会生活的各个方面，也把世界带入到网络教育的时代，虚拟现实技术和网络

28、 的结合，更是将信息化社会、数字化社会的高科技发挥到极致，更加速了教育 现代化的步伐。 所谓虚拟现实( V R ) ，即用计算机模拟出各种现实和非现实的三维场景。 计算机不但可以模拟现实世界中存在过的或正在存在的万事万物，而且可以虚 拟出可能性但现实世界中并不存在的事物。虚拟现实技术是模拟仿真和虚拟现 实的最高虽新层次。在虚拟仿真的情景中，借助于计算机硬件、网络技术、宽 带和计算机3 D 运算能力等信息技术手段，用户可实时进行人机交互，进入虚 拟现实情景。虚拟空间展示出人类无限遁想的丰富天地，人类实时交互地学习、 生活、工作、娱乐于其中，给社会和教育带来全新的感受和视野，各种各样的 人将以数字

29、式替身的方式，邀游于绚丽多彩的虚拟数字世界。无疑，虚拟现实 已成为现实中真实可触的事物，虚拟社区、虚拟家庭、虚拟生活、虚拟旅游、 虚拟语言、虚拟教学等等，虚拟数字世界的出现已是一个确凿不可忽略的 社会存在和现实。 1 1 2 研究意义 虚拟现实技术在教育教学上的应用，开创了“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。实践证明教学模拟是一种大有前途的教学手段。教学 模拟利用计算机建模和仿真技术来表现某些系统( 自然、物理、社会) 的结构 硕士学位论文 M A S T E R ST H E S I S 和动态，以便为学生提供

30、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。通过建立和描述模拟对象逻辑的、教学的或过程的模型， 在一定程度上反映出真实世界知识体系，演示出理想的知识图景。教学模拟软 件在教学中有多种不同的用法，如实验法、体验法、探索法、演示法、游戏法、 智能导师、微型世界、问题解决等等。网络虚拟学习系统可以进行实时或异时 的学习交流，处于不同地理位置的学习者能够在一个共同虚拟情景空间中交互 协作学习。虚拟情景则是利用人工智能技术和计算机模拟教师和学生的教与学 行为，以解决现实教学中的情景化、形式化不够理想的缺憾。因为在传统的课 堂教学中，实际教学情境变化太少，学习交互方式单一，缺乏生

31、动活泼的表现 力和丰富的多感官刺激，从而使学生的学习单调乏味，意义建构发生困难。而 利用虚拟技术创设的虚拟学习情景，可以提高教学效果，丰富教学手段和教学 表达力。为了创设更好的学习情景，人们还创设了虚拟教室( 简称v c ) ，在 计算机网络上利用多媒体通讯技术构造教室学习环境，不但能实现传统物理教 室的大部分功能，如实时交互，而且能实现异步通讯、异步辅导、异步讨论等。 此外虚拟教学资源是开放性的，不是封闭自足的。虚拟信息的传播与接受一律 在平等的主体间进行，打破了过去那种由教师垄断知识，掌握教学的传统格局， 教育资源高度共享。由此可见，虚拟教学在教育实践中确是个史无前例的创 造。 虚拟现实技

32、术在历史、地理、书法、阕读及理科教学中起着重要作用。大 卫特布劳提出了虚拟现实“历史室”的建议，他允许学生设计、建造并与动 态的有历史意义的虚拟系统进行交流。他把“历史室”看作是种教育环境， 可帮助学生对特定的历史人物或复杂的历史事件能更好地理解，能帮助学生看 清自身在历史的连续统一体中的位置。上地理课时，虚拟现实可把学生带到非 洲或美洲旅行，让他们飞越那些国家，观察那里的自然景色和风光。当学生积 极参与时，会产生强烈的动机。上物理课时，学生可以在虚拟世界中观察原子、 粒子，目睹物体到底是怎样相互碰撞和反弹的，加深对物理概念和物理定律的 理解。此外，学生们还可利用三维动画虚拟现实电脑，自己创造

33、降雨、水气蒸 发等自然现象。虚拟现实产生的令人兴奋的情绪和推动力，激发了有远见的教 育工作者的想象力。 2 硕士学位论文 M A S T E R ST H E S I S 教育是借助于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，在崭新的教育技术 一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 2 国内：9 1 乖l J 用v R 技术进行虚拟教

34、学的研究状况 1 2 1 国外利用V R 技术进行虚拟教学的研究状况 虚拟现实技术为人们提供了一种理想的教学手段，目前在国外已被广泛应 用在军事教学、体育训练、医学实习和一些普通中学的实际教学中。美国是 V R 的发祥地，大多数研究机构都在美国，美国V R 的研究水平基本上就代表 了国际V R 的发展，而且美国也是最早将V R 技术运用于教育的国家。 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 f V R E L ) 。该实验室目的是确认虚拟现实技术在教育方面的适合应用，评价虚拟 现实的硬件和软件，考察虚拟现实技术对教育的影响以及其在真实世界中的应 用，把虚拟现实

35、与其它教育媒体的效果进行比较。 据报道，美国华盛顿大学和美国西屋科学基金会自1 9 9 4 年1 1 月共同发起 了一项流动教学计划，把一批装有电脑三维虚拟设备的流动教学车奔驰在华盛 顿州，为中小学生提供三维动画虚拟现实教学服务。发起者希望通过虚拟现实 新技术，给中小学生们提供更直观、更形象的教学，提高他们的领悟和参与能 力。 在欧洲关于V R 开发的研究，英国是领先的。在利用V R 技术进行教育教 学方面，英国第一个广泛宣传的教育V R 工程在N e w c a s t l e U p o n T y p e 中学建 立，以D i m e n s i o nI n t e r n a t i

36、 o n a l 的技术为基础，初步确定使用D i m e n s i o n 的V R 软件包。该校探索用V R 进行外语和工业安全培训的方法。同时在教育和学术 方面对虚拟技术进行研究和探索还有诺丁汉大学的V I R A R T ( V i r t u a lR e a l i t y A p p l i c a t i o n R e s e a r c hT e a m ) 项目其目标主要在于探索桌面V R 的输入设备。 此外，V I R A R T 小组还和学校紧密合作，把桌面V R 系统用于学习上有困难和 硕士学位论文 M A S T E R ST H E S j S 身体严重残疾孩

37、子的教育上。 1 2 2 国内利用V R 技术进行虚拟教学的研究状况 国内各高校在V R 许多领域都进行了相关的课题研究。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进行的虚拟规划、虚 拟设计的应用。哈尔滨工业大学在人机交互方面有很好的成果。清华大学在临 场感的研究颇具特色。此外，西安交通：赶学、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。总之， 国内在将V R 技术用于教育方面的研究主要有以下几个方面： 1 虚拟仿真校园 众所周知，学习氛围、校园文化对教育有着巨大影响。虚拟现实技术的特 点，决定了我们可以仿真校园环境。因

38、此虚拟校园是虚拟现实技术运用于教育 之中的最早具体体现。 天津大学早在1 9 9 6 年，在S G I 硬件平台上，基于V R M L 国际标准，最早 开发了虚拟校园。 前不久，浙江大学在国家8 6 3 成果展上，展出了他们的虚拟校园。对虚拟 现实技术与教育的结合，起到了很好的推广、促进作用。 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。 中央广播电视大学远程教育学院，投入较大的人力和

39、物力，采用基于 i n t e r n e t 的游戏图形引擎。在此基础上，将网络学院具体的实际功能整合在图 形引擎中，突破了目前大多虚拟现实技术的应用仅仅停留在校园一般性浏览的 上，并作为基础平台进行大规模应用，效果非常好。 2 虚拟教学 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应有广大作 为。尤其在建筑、机械、物理、化学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 4 硕士学位论丈 M A S T E R ST H E S I S 进技术，进行大胆尝试，使学生对相关

40、知识以一种崭新的方式学习，取得了良 好的效果 西南交通大学致力于工程漫游方面的虚拟现实应用研究。在跟踪国际仿真 领域先进技术发展的同时，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，在城市规划仿真、驾驶员培训仿真及其他交互式仿真方面 取得了突出成果。 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：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；大学物理虚拟实验远程教学系统。 ( 1 ) 大学物理仿真实验( 基于局域网) 该教学软件开创了物理实验教学的新模式，它利用计算机将实验设备、教 学内容( 包

41、括理论教学) 、教师指导和学习者的思考、操作有机融合为一体。 内容包含了基本物理的测量、基本实验仪器的使用，基本实验技能的训练和基 本测量方法与误差分析、综合性实验、设计性实验等，涉及到力、热、电、光、 近代和物理各个学科。如下图所示： ( 2 ) 广播电视大学物理虚拟实验 该软件根据广播电视大学教学大纲编制而成，内容和难易程度根据广播电 视大学的要求制作，是适合全国广播电视大学物理教学的软件。通过仿真物理 实验，学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解，可以达到实 际实验难以实现的效果，实现了培养动手能力，学习实验技能，深化物理知识 的目的，同时增强了学生对物理实验的兴趣，大大提高

42、了物理实验教学水平， 硕士学位论文 M A S T E R ST H E S I S 是物理实验教学改革的有力工具。如下图所示 ( 3 ) 几何光学设计实验平台 全国第一套基于虚拟现实的教学软件。本软件将计算机辅助教学中智能化 仪器、计算机技术、虚拟现实技术与物理教学有机的结合起来，使物理教学软 件进入一个全新的领域。全部都用三维形式进行模拟，使教学内容、实验设备、 教学指导与操作者的思考等利用计算机有机的融合到了一起。系统运用了纯三 维的表现方法让学生在一个大的实验室环境下进行操作，并且通过V RG l a s s e s 表现了一个真正的三维场景，达到了桌面式的虚拟现实设计水平。 ( 4

43、) 大学物理虚拟实验远程教学系统 基于目前低速I n t e m e t 网上的远程教学版本。利用该系统，教师可以分布 在不同地点上网组织各种实时或非实时的分布式教学。学生可根据自己的时间 安排通过校园网或在家中利用电话线上网接受教师指导完成各项实验内容，并 上交实验报告。如下图所示： 随着信息技术的快速发展，网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术必将具 有更加广阔的应用领域和发展前景，在教育领域亦是如此，我们需要紧密关注， 大胆应用，才能是我们的教育技术专业充满活力，为我们的教育事业增添强大 6 硕士学位论文 M A S T E R ST H E S I S 的生命力。 1 3 本文的研究目标和

44、内容 1 3 1 研究目的 ( i ) 了解虚拟现实这一新的信息技术手段及其特征； ( 2 ) 追踪虚拟现实技术在国内外教育技术学领域的应用情况，并力图有 所创新； ( 3 ) 构建一个基于虚拟现实技术的虚拟教学理论模型和开发事例，以便 作为教师在开发虚拟教学课件时进行参考； ( 4 ) 对利用虚拟现实技术进行虚拟教学环境的建设作个尝试。利用虚拟 现实技术可以很容易的实现我们梦寐以求的交互性强、形象逼真的虚拟环境。 1 3 2 研究内容 虚拟现实技术已经在许多领域有着广泛的应用，然而在普通学校教育教学 中应用的很少，将它作为教育技术学的个研究领域的更是少见，现有的一些 相关研究也只是零散的，并

45、没有对虚拟现实技术在教学中的运用做系统而全面 的理论和技术上的研究。本文就是要将虚拟现实技术作为一种新的信息技术手 段，从教育技术学的角度作个深入而系统的研究。 第一章首先说明了本文的研究背景和意义，然后介绍并跟踪了国内外利用 V R 技术进行虚拟教学的现状和最新动态，列举出了一些利用虚拟现实技术进 行教学的成功案例。 第二章主要介绍了实施虚拟教学所必需的虚拟现实技术，虚拟现实的基本 概念、发展历史、基本特征、分类及其在各个领域的应用和发展前景。 第三章详细介绍了虚拟现实的建模技术，这里主要是虚拟现实建模标准语 言V R M L 。在虚拟教学中需要大量的虚拟情景，这些情景是实施教学的基础。 虚

46、拟情景的构建依赖于虚拟物体的建模，由于V R M L 建模方法简单适用，程 序易于开发和维护，对开发的硬软件要求低，生成情景所需的代码比较小，移 植性好，因此许多虚拟情景都可以用V R M L 来开发。本章分析了V R M L 的特 征、开发条件和文件的基本结构、V R M I _ ，场景图及用户的交互。 第四章详细分析了虚拟教学和虚拟现实技术的各种开发环境和工具。主要 硕士学位论文 M A S T E R ST H E S I S 分析了两种不同系统开发的软硬件平台几种常用的虚拟现实开发工具。利用 这些工具可以快速开发各种复杂的虚拟场景。 第五、六章对虚拟教学的概念、特征及应用作了初步的研究

47、。最后利用 V R M L J a v a 技术相结合的方式设计出了一个虚拟教学应用模式和案例。 硕士学位论文 M A S T E R ST H E S I S 第二章虚拟现实技术概述 2 1 虚拟现实的基本概念 1 与“V i r t u a lR e a l i t y ”类似的概念及意译 “V i S u a lR e a l i t y ”一词始于1 9 8 9 年，由V P LR e s e a r c h 公司的奠基人J a r o n L a n i e r 在有关杂志和报刊上使用，从此引起了公众和媒介的重视。 其实在J a r o nL a n i e r 提出V i r t

48、u a lR e a l i t y 一词之前，已有不少类似的概念。 M W K r u e g e r 曾在7 0 年代中提出了“人工现实”( A r t i f i c i a lR e a l i t y 简称A R ) 一词，它用来说明由I v a n sS u t h e r l a n d1 9 6 8 年开创的头盔式三维显示技术以来 的许多人工仿真现实。美国科幻作家W i l l i a mG i b s o n1 9 8 4 年提出了另一个词 “电脑空间”( C y b e r s p a c e ) ，它是指可以在世界范围内同时体验的人工现实。 同样的词汇还有人工环境( a

49、r t i f i c a le n v i r o n m e n t s ) ，人工合成环境( s y n t h e t i c e n v i r o n m e n t s ) ，虚拟环境( V i r t u a lE n v i r o n m e n t ) 等。 在我国英文”V i r t u a lR e a l i t y ”( 简写为”V R “) 由钱学森院士翻译为“灵境”， 灵，是指“神”，灵境乃是虚幻之所在，所以也有人译成“幻境”、“临境”，这 是一种意译。近来有人建议译成“虚拟实在”，认为“实在”在不同的条件和 场合下将展开为不同的现实。上述各种译法各有妙处，鉴于一些著名的刊物和 书籍，如1 9 9 5 年出版的比尔益茨的“未来的路”和迈克尔沙利文特雷 纳的信息高速公路透视中译本和计算机世界报等，大多数人将它译为“虚 拟现实”。 在此引申地说明，为什么“虚拟现实”一词中同时含有“虚拟”和“现实” 者两个对立的成份? 名词的创造者的用意是：以“虚拟”两个字说明，利用V R 技术所产生的局部世界并非是真实的，而是人造的，是虚构的：以“现实”两 字说明虽然这一局部世界是人造的，但它对进入这个局部世界的你来说，在 感觉上是与进入了现实的世界相同。因此“虚拟现实”这一名称在中国被广泛 应用。