（教育学原理专业论文）基于eon+studio的《电视摄像》虚拟实验研究.pdf

摘要 摘要 实验是教学活动中一个必不可少的环节，是深刻理解学科理论的重要组成部分，在 现代教育中有着非常重要的作用。传统的实验由于存在着仪器价格昂贵、灵活性差、实 验环节带有一定的风险性与危险性等特点，使得教学活动难以展开。而虚拟实验作为一 种有效的教学媒体和工具，在实验教学中的应用越来越广泛，推动了教学模式、教学方 法的深刻改革。 电视摄像作为教育技术学专业的一门必修课程，是一门理论联系实际的教学实 践课程。因此，利用虚拟现实技术开发电视摄像虚拟实验，一方面可以促使课堂环 境的情境化，提高学生的学习能动性；另一方面还可以培养学生的自学能力和操作技能， 提高学生的艺术鉴赏水平。 本文对虚拟实验的研究主要是侧重于桌面级虚拟实验。对基于e o ns t u d i o 的电视 摄像虚拟实验进行了较为深入的研究，取得了初步的成效，达到了预期的目标。 论文首先阐述了虚拟实验的发展现状以及在教学中的应用，分别从教学理论、哲学 层面、艺术层面三个视角对虚拟实验进行理论剖析，把握虚拟实验与真实实验的关系； 接着研究了虚拟实验的关键技术，分别对3 d sm a x 建模技术、e o ns t u d i o 交互技术、 v i s u a lb a s i c 控制技术进行了研究；探讨了虚拟实验的设计与开发原则，设计了电视摄 像虚拟实验系统的总体框架及其功能模块，完成了电视摄像虚拟实验的设计与开 发；最后通过调查问卷对该系统作出系统评估，对其教学实践活动进行了评价，对研究 成果进行了总结与展望，达到了课题研究的目的。 关键词：虚拟实验；e o ns t u d i o ；设计开发；教学评价 a b s t r a c t a b s t r a c t e x p e r i m e n t ，w h i c hp l a y sas i g n i f i c a n t r o l ei n t o d a y se d u c a t i o n ，i sn o to n l yt h e i n d i s p e n s a b l ep a r ti ne d u c a t i o nb u tt h ec r u c i a li n g r e d i e n to fu n d e r s t a n d i n gs c i e n t i f i ct h e o r y h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n tc a nh a r d l yb ed e v e l o p e di nt e a c h i n gi nf a c tb e c a u s et h e a p p a r a t u si st o oe x p e n s i v ea n di n f l e x i b l e ，w h i c hb r i n g sm u c hd a n g e ra n dr i s kt oe x p e r i m e n t v i r t u a le x p e r i m e n t ，a sa ne f f e c t i v em e d i u ma n dt o o l ，i sw i d e l yu s e di ne d u c a t i o na n dh a sb e e n p u s h i n gt h er e f o r mo ft e a c h i n gm o d e la n dm e t h o d p i c k - u po ft vs i g n a l , ar e q u i r e dc o u r s ew h i c h i sac o m b i n a t i o no ft h e o r ya n dp r a c t i c e ， w h i c hn o to n l yo f f e r ss t u d e n t sal i v e l yr e a lw o r l db u ta l s oc u l t i v a t e st h ea b i l i t yo fs e l f - l e a r n i n g a n ds k i l l s ，a tt h es a m et i m e ，i m p r o v e st h e i rl e v e lo fa r t sa p p r e c i a t i o n i nt h i sp a p e r , v i r t u a le x p e r i m e n tm a i n l yf o c u s e do nd e s k t o pe x p e r i m e n t p i c k - u po ft i e s i g n a lb a s e do ne o ns t u d i oh a sb e e nr e s e a r c h e di nd e p t ha n dt h ed e s i r e do b j e c t i v eo ft h e p a p e r i sa c h i e v e d e l a b o r a t et h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o no fv i r t u a le x p e r i m e n t , a n dm a k ea n i n - d e p t ha n a l y s i si nt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf r o mt h r e ep e r s p e c t i v e s ：t h eb a s i so fi n s t r u c t i o n ， p h i l o s o p h ya n da r t i c l et h e o r ys oa st og e tt h er e a lm e a n i n ga n dt h en a t u r eo fs u c he x p e r i m e n t a n a l y s et h ek e yt e c h n o l o g y a b o u tv i s u a le x p e r i m e n lr e s p e c t i v e l y i n 仃o d u c i n gt h e t e c h n o l o g i e so f3 d sm a x ，e o ns t u d i oa n dv i s u a lb a s i c e x p l o r et h ed e s i g na n dt h e d e v e l o p m e n tp r i n c i p l ea sw e l la st h et e a c h i n gm o d eo ft h ee x p e r i m e n t p u tf o r w a r dt h eo v e r a l lf r a m e w o r ka n dt h em o d u l eo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo f p i c k - u p 0 jws f g n a t ，a n df m i s ht h ed e s i g na n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ee x p e r i m e n ts ot h a tt h e o b j e c t i v eo f t h ep r o j e c ti sa c c o m p l i s h e d s y s t e m a t i c a l l ya s s e s st h ee x p e r i m e n ts y s t e ma n dc o m p o s eq u e s t i o n n a i r e s ，w h o s ed a t aa r e a n a l y s e d 、析t l ls t a t i s t i c ss ot h a tt h er e l a t e dc o n c l u s i o n sa r es h o w e d f i n a l l y , s u mu pa n df o r e s e et h ea c h i e v e m e n t so f t h ep r o j e c t k e y w o r d s ：v i r t u a le x p e r i m e n t ；e o ns t u d i o ；d e s i g na n dd e v e l o p m e n t ；a s s e s s m e n to ft e a c h i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苯人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡 签名： 文中作了明确的说明并表示谢意。 日 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 9 6 5 年，美国麻省理工学院的科学家通过传感器和计算机仿真环境的相互作用设计 了一种头盔显示器，由此诞生了一种新的仿真手段虚拟现实技术。随着计算机图形学的 发展，到了1 9 8 9 年，美国j a ml a n i e r 正式提出了 v i r t u a lr e a l i t y 一词。进入9 0 年代 以后，由于计算机硬件和软件的飞速发展，人机交互越来越频繁，出现了大量的输入输 出设备。目前虚拟现实技术领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬 件四个方面。 虚拟实验是随着网络技术、多媒体技术、计算机技术等的发展而产生的一种新兴的 实验技术。目前，虚拟实验受到了国内外学者的高度关注，在教学、培训、科研等诸多 领域有大量的课题研究。作为传统实验的补充形式，虚拟实验在教育领域中发挥着越来 越重要的作用。 实验教学环节是课程体系完整的组成部分之一，它对于学生全面掌握专业知识，将 所学知识应用于实践，培养科学的思维能力和创造力起着至关重要的作用。电视摄像 是教育技术学专业的一门必修课程，长期以来，由于受到设备资源稀缺，实验课时等限 制，实验课程受到了一定的弱化。事实上，对于该课程来说，应该以实验为基础，让学 生在拍摄过程中掌握摄像的基本要点，使其发现自身在摄像方面的不足，然后再给学生 讲解具体使用的相关理论。因此，在电视摄像课程中引进虚拟现实技术，对激发学 生学习兴趣，发挥个人潜能，培养学生探究学习的能力，都有着无可比拟的优势。 1 2 虚拟实验的概述和优势 1 2 1 虚拟实验的概述 虚拟现实技术是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新技 术形式，虚拟现实技术与传统的人机界面操作相比，在形式上有了质的飞跃，虚拟现实 技术具有三个显著特1 1 所示： 图1 - 1 虚拟实验的特征 虚拟实验是在虚拟现实技术的基础上发展而来的。所谓虚拟实验是指在计算机系统 中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成 江南大学硕士学位论文 各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的 效果【1 】。 另外，从虚拟实验室的功能这一角度表述的定义为：虚拟实验室是一个创造和引导模 拟实验的交互环境：即实验场所。它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资 料组成。用户可以通过增加新的物件、建立新的实验并把它们转化成超文本文件来扩充 实验室吲。 虽然目前学术界对于虚拟实验的定义说法不一，但是我们可以认为虚拟实验具有传 统实验无法比拟的特点和广阔的应用前景。虚拟实验的特点有【3 】： ( 1 ) 透明性。虚拟实验的软件、硬件、数据库、集成于一个系统，使用标准的统一命 令实现功能服务，这种透明的结构决定了虚拟实验的透明特征。 ( 2 ) 资源共享性。构筑虚拟实验的宗旨之一是做到资源共享，用户可以共享信息、软 件、仪器及设备等相关资源，这个特性不仅能够减少重要投资，节约成本，而且能够方 便用户提高效率。 ( 3 ) 操作互动性。用户可以操作虚拟实验环境，同时用户之间也可以交流相关信息。 1 2 2 虚拟实验的优势 虚拟实验在教育领域中之所以具有广泛的应用前景，主要是因为虚拟实验的透明 性、资源共享性、操作互动性等特征，使之具有传统实验教学无可比拟的优势 4 1 ： ( 1 ) 弥补了教学经费以及教学条件的不足 在传统实验教学过程中，由于实验设备、建设的资金投入相对不足、设备更新速度 低、教学内容陈旧等客观原因，导致某些实验难以开展，而虚拟实验本身投资小，重复 使用率高。因此，虚拟实验建立的三维模拟实验场景，可以弥补这些方面存在的不足，学 生可以从不同的视角观察实验现象，获得与真实实验一样的体会，从而加深对教学内容 的理解，提高教学质量。 ( 2 ) 打破了时间和空间对教学活动的限制 随着计算机技术以及网络技术在教育领域中的不断发展，远程教育在教育改革中发 挥了重要的作用。其特点是通过通信媒体来连接地理上相互隔离的学习群体来达到教学 资源的优化与共享。但是，传统的远程教育局限于文字、图片、视频等的说明，仿真性 和交互性相对来说比较弱，利用虚拟实验实现远程教育，是现代教育界的一大突破。学 生通过w e b 自由选择学习时间和学习内容，可以淡化学习活动和现实环境之间的关系， 打破了时间和空间对教学活动的限制。 ( 3 ) 避免真实实验所带来的危险 在学习初级阶段，利用虚拟实验来取代真实实验，既起到了很好的演示效果，还可 以避免真实实验环节中遇到的一系列危险。例如，化学实验中的氢气和氧气的反应如果 没有验纯，极易产生爆炸现象；物理实验中的电学实验如果造成线路短路，很容易造成 触电事故；医疗手术中如果对于解剖实验的步骤运用不当会触及病人伤亡，而虚拟实验 可以不受实验条件的约束，很方便地解决以上问题。 ( 4 ) 具有较高的灵活性和交互性 2 第一章绪论 虚拟实验可以解决传统实验教学中无法用文字和图像表达的教学内容，使教学内容 形象、易于理解。学习者和虚拟场景之间可以通过鼠标或其它硬件设备进行点击或者拖 曳，丰富了教学实践环节，并且学生的学习迁移能力也可以得到明显改善。 1 3 虚拟实验的研究发展现状 当前国内外有很多研究机构都在积极开展虚拟实验的研究和建设工作，进行了一系 列探索并取得了实质性的进展【5 】。特别是一些西方发达国家开发了许多虚拟实验项目， 下面简单介绍国内外虚拟实验的建设情况。 美国宇航局( n a s a ) 主要从事于对空间站操纵的实时仿真，目前己经建立了航空 维护、卫星维护、空间站维护v r 训练系统 6 1 。 日本在虚拟实验的研究与开发上主要致力于大规模v r 知识库的研究【7 】。其中，日 本东京技术学院研究了一套建立三维模型的人性界面系统。日本国际工业和商业部采用 一种利用x ，y 记录器的受力反馈装置应用于虚拟实验的游戏棒中，增强了虚拟游戏的 沉浸性。 和发达国家相比，我国的v r 技术还有一定的差距，为此，国家8 6 3 计划、国家自 然科学基金会等都把v r 技术的研究列入了资助范围，近年来取得了卓著的成绩。 北京航空航天大学计算机系主要致力于虚拟环境中物体物理特性的表示与处理的 研究，并由此在视觉接口方面开发出了部分硬件以及实现了分布式虚拟网络设计网。 哈尔滨工业大学计算机系对虚拟人的高级行为中特定人脸图像、表情和唇动的合成 等关键技术问题进行了研究，使整个系统的真实感达到了较高的水平【9 】。 西安交通大学信息工程研究所已经进行了对立体显示技术的研究【l 们。目前，已经提 出了一种基于j p e g 标准压缩编码新方案，该方案对解决图像压缩比、信噪比方面都表 现出了无可比拟的优越性。 浙江大学最近攻克了电气工程及自动化专业的学生无法解决远程实验的关键性难 题【l 。网络实验室系统通过一个现场视频服务子系统，使远程教育的学生可以观看实验 对象的实际动作，达到和在实验室里直接观看实验同样的直观感受，这一研究已引起了 国际学界的高度关注。 1 4 虚拟实验在教学中的应用 目前虚拟实验在教学中的研究日益增多，在军事、工业、农业、医学等的教育教学 方面都得到了广泛的应用。虚拟实验可以很方便的应用于以下教育领域的诸多方面【1 2 】： ( 1 ) 虚拟实验室 虚拟实验室在虚拟实验教学中应用很广泛。例如，在虚拟物理实验室里，学生可以 模拟光学、失重、惯性等实验，以增强学生对理论知识的验证、理解与记忆。在虚拟化 学实验室里，传统实验教学无法演示复杂的化学反应，达不到很好的教学效果。如钾和 水之间的化学反应由于反应瞬间变化，学生不易观察；铁在潮湿空气中的氧化相当缓慢， 这些都影响到了教学进度，而利用虚拟化学实验室可以提高教学进度，改善教学质量。 在虚拟生物实验室里，可以模拟寄生虫、微生物等的外型以及它们如何对人体进行攻击 的行为，从而便于对其进行研究，找出防治有害生物危害的措施。在虚拟医疗实验室， 3 江南大学硕士学位论文 利用虚拟医疗技术手段可以对人体进行三维重构，从而使得学生在虚拟尸体解剖环境中， 可以观察并操作解剖尸体的全过程。 ( 2 ) 特殊教育 虚拟实验有助于残疾人在语言、动作方面的训练和练习，并提供继续教育等培训帮 助。利用虚拟实验，并配上高性能的计算机及其传感器等外部设备，可以帮助语言方面 有障碍的残疾人凭借数据手套将自己的手势语翻译成语音，从而与他人进行沟通。对于 弱智儿童，虚拟实验可以利用三维图形设备帮助学生熟悉理解语言符号，图像信息，以 便于他们反复训练，增加刺激反应。而对于视障者，利用虚拟实验有助于增强视障者的 定向行动训练，通过虚拟场景提供的语音提示信息，让操作者来学习方位辨认、辨别各 种声音，从而有助于提高视障者室外行走的能力。 1 5 虚拟实验的发展方向 协作式虚拟实验是虚拟实验发展方向之一。在协作式虚拟实验中，每个学习者都可 以在特定的个人域中共享一个群域，虚拟实验可以打破时间和空间的限制，从而使远距 离的师生共处于一个虚拟场景中按照协同操作准则来完成某项任务。这样，师生之间不 但可以有效地组织交流，学生与学生之间也可以协同合作。 自适应虚拟实验的基本特征是能从环境中获取信息并能自动改善其性能，其主要体 现在两个方面【l3 】：一是该系统为学习者提供了一个自适应的虚拟实验场景并反馈其在实 验过程中存在的问题，从而通过反复训练以掌握相关知识和解决问题的技能。二是当实 验过程已知时，系统在实验设计过程中规定了一组参数来预设各种实验状态，而当实验 过程处于未知状态时，自适应虚拟实验的相关参数应当收敛到希望的参数范围内，从而 真正体现出系统的开放性和协同性。 1 6 文章内容组织 本论文共分为六章，具体的章节内容如下： 第一章，绪论。介绍了课题研究的背景与意义、虚拟实验的概述与优势、虚拟实验 的发展现状、虚拟实验在教学中的应用以及虚拟实验的发展方向。 第二章，虚拟实验中的理论基础。主要介绍了虚拟实验中的教学观、哲学观以及艺 术观。 第三章，虚拟实验的关键技术与设计开发。详细介绍了e o ns t u d i o 的特点与优势、 e o ns t u d i o 的脚本功能扩展、e o ns t u d i o 的控制平台，探讨了虚拟实验的系统构建方 法以及设计原则。 第四章，电视摄像虚拟实验的设计与实现。分析了电视摄像课程的实验对象 与教学目标，提出了该系统的功能模块，并利用3 d sm a x 技术、e o ns t u d i o 技术、v i s u a l b a s i c 技术对其进行开发实现。 第五章，电视摄像虚拟实验的评价。对该系统界面、实验操作、实验效果三方面 进行评价设计，并对该系统的稳定性作出评价，同时利用s p s s 统计软件对其进行效度分 析以及信度分析。 4 第一章绪论 第六章，总结与展望。对所做的工作进行了简要的概括，对研究取得的成果与不足 进行了总结，并对下一步的研究方向进行了展望。 江南大学硕士学位论文 第二章虚拟实验中的理论基础 随着信息技术的不断发展，实验教学所面临的教学环境以及教学手段都发生了巨大 的变化，这就意味着实验的教学过程、教学评价发生了内在的转变。对虚拟实验进行研 究有助于深刻把握虚拟实验的内涵与本质。下面主要从教学观、哲学观和艺术观来对虚 拟实验进行剖析。 2 1 虚拟实验的教学观 2 0 世纪5 0 年代开始，学习理论经历了不断的变革与发展，从行为主义到认知主义 再到建构主义。应该说，每一种学习理论都是在批判地继承前一种理论基础上发展起来 的。在信息化教育的背景下，教学内容以及教学手段也是不断地得到丰富，对实验教学 的改革起到了重要的推动作用。 2 1 1 虚拟实验与行为主义学习理论 行为主义学习理论又称刺激反应理论，是2 0 世纪初以来逐步形成的一种学习 理论【l 引。该学习理论认为学习是刺激与反应之间的联结，强调外部环境对人类学习方式 的重要影响。行为主义理论虽然忽略了学习主体的内部心理活动，但是它的强化反应学 说还是得到了广泛的认可。 按照行为主义的观点，教学媒体的选择不仅要表现教材的教学内容，而且必须与学 生的行为联系起来【15 1 。行为主义应用于虚拟实验中，其行为目标的确立主要是强调学生 具体化的学习行为以及产生行为的条件，由此使我们对行为主义理解的变化表现为： ( 1 ) 传统的行为主义的操作对象是现实中的对象，而虚拟实验建立的对象是虚拟的三 维空间，学习者的可观察行为是对虚拟对象的操作和控制，以达到对现实对象的准确操 作，从而扩展可观察行为的含义。 ( 2 ) 虚拟三维空间通过模拟现实的世界和视听觉的感受性，激发了学习者的学习兴 趣，使得学习者更容易关联现实世界与所学知识之间的联系，从而增强学习者的持久性。 ( 3 ) 设计操作的灵活性和及时合理的反馈，可以允许学习者反复训练，当学习者作出 反应后，虚拟场景提供必要的反馈信息，以此达到及时强化或及时确认。同时，为了能 够让学习者自主控制实验进程，可以根据自身的特点自定学习速度，并不断地通过强化 提高学习进程。这样一方面可以加强学生对于相关知识的高效记忆，另一方面可以增强 学生操作的熟练程度，从而减少学习者对实物操作的错误机率。本系统在行为主义学习 理论方面的具体应用为，学习者在学习了摄像机的基本结构后，可以点击该系统模型的 各个部件，各个部件就会加亮显示，并在右边的文本框中显示部件的名称，从而有利于 学习者形象直观地掌握摄像机的组成。 2 1 2 虚拟实验与认知主义学习理论 认知主义学习理论认为，学习是一个比s - r ( 刺激反应) 联结要复杂得多的过程， 人的知识是外界刺激和认知主体内部心理过程相互作用的结果【l6 。但是，该理论没有揭 示学习者在学习过程中的心理结构，忽略了非智力因素对学习过程的间接作用。 6 第二章虚拟实验中的理论基础 基于认知主义的虚拟实验，在实验设计的过程中，实验内容必须符合学习者心理以 及心理的特征，着重引导学习者寻找适合自己的学习途径去操作虚拟场景，并对虚拟场 景提供的信息进行选择性的加工，从而为学习者提供良好的分析问题和解决问题的能 力。将认知主义应用于虚拟实验教学中，使我们对认知主义学习理论的变化表现为： ( 1 ) 认知论的本体论立场是在现实的基础上来探讨认知对象、认知过程和认知本质 的。新的认知方式由认知对象从传统的与现实世界的联系变为与虚拟对象的直接交互。 其中，认知方式包括符号性认知和观察性认知，符号性认知指比如对于实验步骤、实验 原理的认知，观察性认知指对实验实物、实验演示等的认知。 ( 2 ) 虚拟实验必须从学生的认知心理出发，注重学生的具体体验和对情境的理解，学 习者可以按照自己的学习需要来控制虚拟场景的操作过程，使得学习者的新旧知识之间 的同化顺利完成，促进认知结构的发展。同时，虚拟场景应该采用直观的形式向学习者 显示实验的内容，如通过文字、音乐、图片、提示等方式来达到知识的持久性迁移。 本系统在认知主义学习理论方面的具体应用为，该系统中漫游部分加了背景音乐， 增加了虚拟实验的沉浸性，实验说明模块通过字幕的移动来增强学习者注意力，快照功 能中加入了按下按钮动作的声音，来烘托虚拟环境的真实气氛，另外，观察性认知包括 对摄像机模型部件的加亮显示、摄像机内部结构的透明显示等部分。因此，利用认知主 义理论对学生强化外界刺激和认知主体内部心理过程的相互作用具有重要的意义。 2 1 3 虚拟实验与建构主义学习理论 建构主义学习理论是行为主义到认知主义的进一步发展。建构主义学习理论认为， 学习是获取知识的过程，是学习者在与环境交互作用的过程中主动构建内部心理表征的 过程【1 7 】。因此，建构主义学习理论以学习者为中心，学习过程既是对旧信息的改组与重 构，也是对新知识的意义建构，只有当学习情境与学生的认知结构、学习兴趣、学习动 机相互作用时，学习者对知识的掌握才会持久。“情境 、“协作 、“会话”和“意义建 构”被认为是建构主义学习过程的四大要素。 基于建构主义学习理论的虚拟实验，应该充分考虑这四大要素在教学过程中的作 用。将建构主义学习理论应用于虚拟实验环境中，具体设计过程表现为g ( 1 ) 实验教学目标以问题导向为基础，建立真实化的互动式学习情境，强调学习者主 动建立对知识的意义建构。 ( 2 ) 把虚拟场景与真实场景有效联系起来，创设逼真的场景被认为是完成教学任务的 必要前提，在情境中引导学习者思考，挖掘学习潜能。 ( 3 ) 虚拟实验可以为每一个学习者提供一个虚拟对象( a v a t a r ) ，该虚拟对象具有视觉 定向、操作定向等作用。在网络环境下，所有的操作都可以通过a v a t a r 作为虚拟替身进 行相互协作，并实时控学习制以共同完成学习任务。 本系统在建构主义理论方面的具体应用为，学习者在虚拟场景中取景拍照后，通过 点击鼠标中键能够在屏幕上将图片显示在屏幕上，来培养学习者的构图创造力。通过点 击推拉键能够实现图片的推拉效果，从而完成知识的意义建构。通过调节白平衡参数来 模拟图像在不同参数条件下的变化，达到在情境中培养学习者的学习动机、学习兴趣。 7 江南大学硕士学位论文 2 1 4 多元智能理论下的虚拟实验 皮亚杰认知发展理论认为，智力是以语言和数理逻辑能力为核心而整合存在的一种 单一的，可量化的能力。1 9 8 3 年，由美国哈佛大学认知心理学专家加德纳分别从生物学、 逻辑分析学、发展心理学角度通过对人类潜能的实验研究，在智力的结构一文中首 先提出了多元智能理论【l 引。加德纳教授认为，人类具有八种智能，这些智能既相互联系 又相互独立。分别为语言智能、数理逻辑智能、视觉空间智能、身体运动智能、音乐节 奏智能、人际交往智能、自我认识智能和自然智能。多元智能理论的提出为信息化教育 改革提供了重要的指导思想，受到了世界范围内的广泛关注。 多元智能理论倡导的学习环境是一种促进学生语言智力、逻辑智力、交际智力及自 我认知智力发展的学习环境，而这种学习环境却与当前的灌输教育模式相违背。在信息 化教育改革过程中，要改变这种过于强调接受学习、机械训练的现状，就必须突出学生 的主体性，倡导学生动手参与、乐于探究的学习能力。 笔者针对传统的多媒体教学过程中存在的问题进行了反思，给出了以下一些启示： 虚拟实验应该充分利用各种信息技术手段，促进学生多元智能的全面发展。 虚拟实验要重视教学环境的设计，为学生提供多元发展的探究与创新平台。 虚拟实验要提供学生交流与协作的学习平台，引导学生树立正确的价值取向。 虚拟实验要注重学生发展过程的评价，充分尊重学生个性的差异。 应用虚拟现实进行虚拟实验可以使学生融入到虚拟学习环境中进行各种交互操作， 符合了多元智能理论关于学习情境创设与多元发展的观点。将多元智能理论应用于虚拟 实验，具体设计表现为： ( 1 ) 体现个性发展与整体发展相结合的原则 多元智能理论不仅表现了个体内多种智能之间存在的差异，同时也揭示了个体间在 智能特点上存在的差异。加德纳认为，每个人都或多或少地具有八种智力，只是其组合 和发挥的程度不刚1 9 j 。因此，在虚拟实验教学中，应该充分观察学生的个性特征，按照 学生自己的选择，并根据学生自己的优势，发挥学生的个人潜能。同时，也要注意到， 教师在教学过程中，会遇到某些学生行为上的偏差，所以要求教师采用整体性管理的方 法，维护正常的教学秩序。运用这种个性发展与整体发展相结合的教学策略，通过选择 不同的教学方式和方法，真正体现虚拟实验教学的因材施教。 ( 2 ) g , j 设良好的协作环境，强调入与环境的交互 加德纳指出智能是在“某一特定文化或特定环境 中的表现，是先天与后天共同的 产物。因此，后天智能的开发对于学生的智力发展有着巨大的作用。在信息化环境下， 利用虚拟实验不仅可以实现人与虚拟世界之间的交互，同时也有利于学生老师之间的网 络协作，为学生多元智能的发展提供了有效的智能环境。 ( 3 ) 建立多维度评价机制，促进学生全面发展 加德纳强调，人拥有多种认识世界的智能方式，每个人都有一个表现突出的智能。 所以评价要根据不同的智能类型来设计【2 们。一方面，应该正确对待学生的个体差异性， 充分挖掘学习者的智力潜能；另一方面，需要摒弃传统的单一的评价模式，建立多维度 第二章虚拟实验中的理论基础 的评价机制，从而全面评价出学生的综合素质。加德纳同时指出，测试学生的最好办法 是在最自然的环境中，观察学生解决问题或制作产品的方式。因此，在虚拟实验的设计 过程中，应该创设宽松的学习氛围，利用相互鼓励的评价机制，建立起多元化、情境化 的评价观念。 本系统在多元智能理论方面的具体应用为，学习者可以通过自动漫游或者手动漫游 的方式来控制学习者的观察速度，体验实验教学的因材施教。另外，本系统设计了在建 筑环境中来构图，符合了多元智能理论强调人与环境交互的要求，但是本系统由于时间 等原因，未实现网络版的交互系统，而多元智能理论强调的是良好的协作环境，因此， 这部分功能还需在今后系统改善中应该完备的。 2 2 虚拟实验的哲学观 虚拟实验的哲学观是随着当代信息技术的发展而产生的，是对马克思主义哲学观的 重新认识和反思。对虚拟实验进行哲学探析，有助于深刻理解虚拟实验的主体性和践行 性。 2 2 1 虚拟实验学习者的主体性 主体性是指主体在对象性活动中，运用自己的本质力量，能动地改造自然、社会和 自身的能力和特性。它包括目的性、自主性、能动创造性【2 l j 。 虚拟实验是一个由实践主体、客体和中介构成的虚拟系统。利用虚拟现实技术来构 建虚拟实验，与现实生活相比，虚拟实验的学习者从“实体身份 转向了“虚拟个性 ， 因此有必要对虚拟实验的哲学价值重新审视。 虚拟实验的学习者作为整个学习环境的主体，存在着双重身份，即现实情境的主体 与虚拟情境的主体。因此，虚拟实验教学环境与传统的多媒体教学环境相比，具有更多 的复杂性。具体表现如下： ( 1 ) 虚拟实验的“实体 与“映像” 虚拟实验是根据人类的视觉、听觉等生理或心理特点，由计算机产生的虚拟教学场 景。在这其中，虚拟实验场景中的各种信息会随着学习者的动作变化而进行实时反馈， 但是必须注意到，虚拟实验中存在的场景是针对现实场景再造就的“模型 ，是利用虚 拟现实技术创造的另外一个扩展空间，而不是现实场景中的一个“原型 。因此，虚拟 场景既是存在的，但又相对于客观世界独立 2 2 】。学习者作为虚拟场景的一部分，必须能 够准确区分现实场景中存在的“实体 和虚拟场景中存在的“映像”，一方面必须对它 们两者各自在不同世界中的属性有清楚的认识，另一方面，还必须能够准确把握它们两 者之间的关系，这对于促进学生理解知识，内化知识有着重要的科学意义。 学习者的学习效果取决于学习者的主动性，而虚拟场景“映像”的沉浸感恰为学 习者提供了一种有利于促进知识建构的学习情境。然而，虚拟实验的沉浸性并不是绝对 的，永久的，而是相对的，暂时的【2 3 】。虚拟实验不可能完全代替传统意义上的真实实验， 用户也不可能永久沉浸在虚拟场景中，必须从现实场景进入虚拟场景，再从虚拟场景回 归到现实场景，才能完成虚拟实验学习过程的二次飞跃。 ( 2 ) 虚拟实验的“独立 与“依赖” 9 江南大学硕士学位论文 所谓“独立 指的是学习者在物理空间区域中的不确定性。“依赖”指的是不同学 习者在虚拟学习环境中的相互依存性。它们的关系可以列为以下几点： 1 在虚拟实验中，学习个体、学习群体之间既存在独立场效应，又存在互动场效应。 它们之间相互依赖，相互作用，由此突出了学习个体在虚拟实验环境中的独立性以及学 习群体在虚拟实验环境中显示出的合力。 2 虚拟实验系统分布于个体中间，而每个学习个体都存在着自身的知识结构以及经 验体系，因此，学习个体之间的协作学习有利于扩大他们的知识经验，实现学习个体从 “个体学习”走向“共同学习 的飞跃。 3 情感交流是实现共同学习，创造新思维的必然途径。在交往过程中，任何个体都 是交流的主体，共同的话题使个体之间保持了相对的默契。在整个相互影响过程中，体 现了一种平等合作的关系。 4 计算机网络和虚拟现实技术为学习者的“独立 与“依赖 提供了一个平台。在 学习过程中，个体和环境之间的交流离不开良好的虚拟环境。 现实世界中人的现实性与虚拟性往往以一种对峙的状态存在，网络成为虚拟环境的 衍生物后，虚拟环境就成为了现实的避难所，从而在一定程度上缓解了现实和虚拟的对 峙。虚拟环境中的人机交互作为一种特殊的交互方式，由此形成了“虚拟人”之间的各种 非现实性的交往活动，打破了物质环境下只能通过单一的传统的实践方式，使实践的性 质发生了质和量的变化【2 4 】。不过，虚拟实验的“独立 与“依赖 也会随着虚拟实践主 体和虚拟客体的不断变化而变化，以便实践主体能够在现实环境中更好地面临复杂的社 会环境。 2 2 2 虚拟实验学习者的践行性 从历史的角度看，人类实践既是一种借助技术手段不断突破和超越现实世界的局限 性，并在此过程中不断扩展自己的认识力和实践范围的过程及其结果，也是一种不断扩 大人类生活世界的边界从而为人类开创出更新更广阔的思维空间和行动领域的过程【2 5 】。 学习者在学习活动中获得的知识来源于直接经验与间接经验，但是学习者往往在学 习过程中发现现实环境难以满足学习者的需求，这就需要利用虚拟实验的手段来仿真这 一教学过程，由此产生了虚拟实验的践行性这一特征。学习者通过虚拟践行的方式，在一 定范围内主体的认知也会由被动转化为主动，知识取得的过程也就变成了选择的过程， 从而扩大了知识领域的认知范围，个性的发展成为了新知识的源泉，使得学习者一方面 打破了原有的世界框架体系，另一方面也使学习者在探究问题的过程中降低了成本并且 避免了某些风险性操作。不过，虚拟践行并不具有实践所具有的直接现实性这一特点， 因为虚拟实验的实验设备、交互方式已从过去的以物质和能量为基础的物质实体平台转 向了以虚拟物体为基础的仿真平台，物质的客观实在变为了虚拟对象的关系实在。但是 必须注意到，虚拟实验的践行性并不是没有约束的，无条件的，而是带有一定的目的性 的，并且这种目的性往往又带有一定的随意性。因为它不需要考虑虚拟实验本身所带来 的某些负面影响，如环境问题等。这样既能像“现实中的学习者 一样能够能动地改造 虚拟场景，又不需受受动性因素的支配，使虚拟实践的行为更加符合实践主体的目的。 1 0 第二章虚拟实验中的理论基础 在虚拟践行中，网络信息以“光速 传输，实现了量子力学意义上的时间相对性， 作为一种“共在，一种“共同到时，时间的意义已非局限于经典物理学意义上的标度 时间 2 6 1 。另外，虚拟场景中对于空间的解析和重析、虚拟场景中对于空间的变化和重组 打破了原有的空间概念，网络主体可以根据自己的实际需要能动性地对场景空间进行裁 剪和整合，由此扩展了虚拟主体的创造性。 2 3 虚拟实验的艺术观 传统艺术概念认为，现实生活中的物质媒介不但直接规定着艺术的分类乃至艺术作 品的审判风格，而且也深刻影响着艺术家的思维活动f 丌。随着虚拟现实技术的出现，物 质媒介实现了由“原子”物质向数字“比特的信息置换，从而使虚拟艺术信息能够获 得与真实环境相同的感受。 虚拟实验的艺术性作为一种特殊的表现方式，除了应该遵循传统的视觉表现的基本 原则，如主体与背景、对称与均衡等。同时，虚拟实验的艺术性又有其自身的特点： 首先，虚拟实验的艺术性比传统的绘画灵感更能容易产生那种无意识性的画面的视 觉元素，有更多的余地来考虑设计的思路。其次，虚拟实验的艺术创造可以利用v r 技 术对其场景进行反复加工，从而极大地提高了虚拟实验作品的艺术表现力和感染力郾j 。 从视觉效果来讲，造型、色彩和质感是构成艺术信息的主要因素。视觉信息中的造 型作为虚拟实验的最基本构成要素，应该具备一种感召力。因此，虚拟实验的表现形式 从视觉上来看是一门艺术创作的过程，这种视觉内涵不仅展现了虚拟艺术作品的风格和 情境，另外也蕴含着创作者的表达情感。 从音频方面来说，数字化语言和音乐是虚拟实验的艺术表现手法之一f 7 1 。其中，数 字化的语言是对艺术画面的静态或动态的信息解释，而音乐则是增添艺术氛围、展现艺 术魅力的重要技法。总体上来讲，音频效果可以催化整个虚拟实验作品的表达过程，不 仅给虚拟实验作品增添了音乐细胞，也为其视觉领域开辟了一个更为广阔的发展空间。 2 4 总结 本章主要介绍了虚拟实验的教学观，哲学观以及艺术观。其中虚拟实验的教学观包 括虚拟实验与行为主义，虚拟实验与认知主义，虚拟实验与建构主义，多元智能理论下 的虚拟实验四部分内容。虚拟实验的哲学观，包括虚拟实验学习者的主体性，虚拟实验 学习者的践行性。 江南大学硕士学位论文 第三章虚拟实验的关键技术与设计开发 3 1 虚拟实验的建模与烘培 三维建模和烘培是开发虚拟实验的基础。为了营造逼真的虚拟实验环境，物理建模 在虚拟实验中具有很重要的作用，是开发虚拟实验的关键性步骤。3 d sm a x 软件是一套 比较成熟的商业化软件，易学易用，并且与虚拟现实软件有着很好的兼容性。因此，电 视摄像虚拟实验采用3 d sm a x 来构建虚拟场景。 三维模型由于处在实时渲染的引擎中，所以物理建模必须遵循以下几个原贝l j 2 9 ： ( 1 ) 模型必须是可编辑多边形物体 利用3 d sm a x 进行物理建模可以利用曲面建模、可编辑多边形建模等多种方法， 但是在模型输出的时候要转化为网格格式，并尽量减少模型之间的接缝，消除顶点错位 等现象。一般在较为复杂的场景里，理想的主体模型尽量不要超过8 0 0 个面。几何压缩 和纹理压缩两种压缩方式在保证模型质量的前提下可以对模型进行优化，极大得提高实 时渲染速度。 ( 2 ) 模型贴图的要求 为了保证贴图质量，文件格式最好采用b m p 格式，因为j p g 之类的格式贴图，如 选择了低精度的有损压缩模式将极大地损坏该贴图的画质。若要在模拟视窗中呈现 a l p h a 通道的贴图，只能采用p n g 格式。另外，为了在同一模型上使用不同的材质和贴 图，应该在不同的面上设置不同的i d 号将模型拆分，然后分别赋予各自的材质和贴图。 ( 3 ) 层次模型结构 在建立一个虚拟场景之前，应该根据虚拟场景中每个实体的几何空间位置，以及模 型之间和模型内部之间的结构关系，确定虚拟场景中所有实体模型的层次结构并确立模 型之间的约束关系，以方便实体模型的层次管理。 贴图烘焙技术也叫r e n d e rt ot e x t u r e s ，简单地说就是一种把m a x 光照信息渲染成贴 图的方式，而后把这个烘焙后的贴图再贴回到场景中去的技术。由于在烘焙前需要对场 景进行渲染，所以贴图烘焙技术对于静帧来讲意义不大，这种技术主要应用于游戏和建 筑漫游动画里面，实现了光能传递计算应用到动画中去的实时性【3 0 】。 由于3 d 模型导出后许多通道不能够被接收，因此利用贴图烘培技术对材质进行烘 培是有必要的。虚拟实验三维场景建模和烘焙的过程就是三维场景的建立的过程。其建 模和烘焙的技术路线如所示： 图3 - 1 虚拟实验建模与烘培技术路线 1 2 第三章虚拟实验的关键技术与设计开发 3 2 虚拟实验的交互技术 3 2 1v r 软件的分类 虚拟实验的交互技术是通过v r 交互软件来实现的，目前v r 软件大体可以分为三 类【3 1 】： 1 程序文件小，播放软件小并且跟系统、网页播放软件通用。 该类v r 软件包括c u l t 3 d 、v r m l 、j a v a 3 d 、v i e w p o i n t 、s h o c k w a v e 3 d 等。使用领 域最多的是简单的模型展示。 2 功能一般，但图像质量好，跟许多硬件和软件都能兼容。 这类v r 软件以国产的v r - p l a t f o r m 为典型例子。主要面对低端、而对图像要求高 的用户。在v r 功能上，v r p 没有物理特性，没有人物动作库。 3 代表目前最前沿的v r 技术，有e o n 、v i r t o o l s 。 能够实现的虚拟现实互动功能多；支持的硬件、软件众多；e o n 、v i r t o o l s 都已经 准备好了外挂的接口程序，能跟v b 、v c 、数据库等软件相连接；支持贴图格式多，如 j p g ，b m p ，p n g 等。 3 2 2e o ns t u d i o 简介 e o ns t u d i o 是美国e o nr e a l i t yi n c 公司研制开发的专业级虚拟现实软件。作为一 种创作图形化互动模拟的工具，可以大大简化开发者的流程。开发者只需输入模型后， 就可以利用e o n 视觉图型化程序接口和s c r i p t i n g 代码方便地给模型加上动作，并支持 几何压缩，可