（教育技术学专业论文）基于anark+studio的艺用人体解剖虚拟教学模型的设计与开发.pdf

基于a n a r ks t u d i o 的艺用人体解剖虚拟教学模型的设计与开发教育技术学专业研究生：刘康指导教师：黄河明教授虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ) 被认为是继多媒体技术和计算机网络技术之后，在教育教学领域出现的又一新型教学手段，有着极其广阔的应用前景。目前，国内外也都在不断加强虚拟现实技术在教学中的应用研究。任何一门新技术都需要大量的探索者，本文正是希望通过实践为虚拟现实技术在学科教学中的广泛应用探索出一条行之有效的道路。为此，本文一方面从理论上对虚拟现实技术在教学中应用的必要性和现实性进行论证：对几个重要的学习理论如建构主义学习理论、情景认知理论进行了概括，并在此基础上指出了虚拟教学模型在情景建构中的重要作用：一方面从技术角度对虚拟现实相关概念进行了归纳整理，深入比较了众多适合于教学应用的虚拟现实开发技术，对- i 7 简单高效的“非主流”v r 技术_ a n a r ks t u d i o 进行了深入研究，并将这个目前还不为广大国人所熟知的v r 开发工具应用于教学实践，设计开发了艺用人体解剖虚拟教学模型。这不仅弥补了艺用人体解剖现有教学手段的缺陷与不足，也为v r 技术在教学中的应用进行了新的尝试，同时也是在主流t l , - t t 2 _ # l , 为虚拟现实技术在教学中的广泛应用探索了一条简单有效的开发道路。最后，本文还为促进虚拟现实技术在教学中的广泛应用提出了自己的看法，同时也对本研究进行了简要总结并指出了今后发展的方向。关键词：虚拟现实技术教学应用a n a r ks t u d i o 艺用人体解剖虚拟教学模型d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f h u m a na n a t o m yv i r t u a lt e a c h i n gm o d e lb a s e do nt h ea n a r ks t u d i om a j o r ：e d u c a t i o nt e c h n o l o g yg r a d u a t es t u d e n t ：l i u k a n gs u p e r v i s o r ：h u a n gh e n h n gr i 出a r e rt h ea p p l i c a t i o no f t h em u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , v m u a lr e a h t yt e c h n o l o g y ( v r ) e z n e r g e sa st h el i r n e sr e q u i l e ，w h i c h i sa v e r y u s e f u la n d a p p l i c a b l e m e a n s i n t e a c h i n g n o w a d a y s ，r e s e a r c h e sa b o u tt h ea p p l i c a t i o no f v ra r eb l o o m e di nm a n yc o u n t r i e s a sw ea l l k n o w , s c c k a sa n e e d e d i n e a c h f i e l d o f s c i e n c e i n t h i s t h e s i s w o 时t o f i n da ne f f e c t i v e w a y s o 蠊缸唿c o u l d b e a p p l i e d i n t o o u r t e a c h i n g p r a c t i c e se x t e n s i v e l y t h e r e f o r e 1 h e t h e s i s i s o r g a n i z e d i n t w o p a r t s o n t h e o n o h a n d , w ed e m o n s t r a t e t h e o r e t i c a l l y t h e n e c e s f i t y a n d p r a c t i c a l i t y o f v ra p p l i c a t i o n i nc l a s s s e v e r a li m p o r t a n ts t u d yt h e o r i e sh a v e b e e ns u m m a r i z e d , j u s ta sc o n s l r u c t i o np r i n c i p l es t u d yt h e o r ya n dt h es o bc o g n i t i o nt h e o r ya n dt h ev i t a lr o l e o f v m u a l t e a c h i n g m o d e l h a s b e e n p o i n t e d o u t o n t h e o t h c a h a n d , w eh a v ec o n c l u d e da n dr e o r g a n i z e dd a t ar e l a t e dt ov rf r o mt h e t e c l m i c a la n g l e ,c o m p a r e dt h o r o u g h l ym a n yv i r t u a lr e a l i t yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g i e s ，l u c u b r a t e das i m p l ea n de f f e c t i v ev rt e c h n o l o g y a n a r ks t u d i o w h i c hi sn o t t h en o n - m a i l s t i e a m t h eh u m a na n a t o m yv i r t u a lt e a c h i n gm o d e li sd e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e t e c h n o l o g y n o t o n l y t h i s h a s m a d e u p t h es h o i t c o m i n g a n d i n s u f f i c i e n c y o f h u m a n m m t o m y t e a c h i n g m e t h o d s ，b u t a l s oh a sc a r r i e do nt h en e wa t t e m p tf o rt h ea p p l i c a t i o no f v ri n t ot e a c h i n g a tt h es a l t l o t i m e a s i m p l e a n d e f f e c t i v e d e v e l o p m e n t p a t h i se x p l o r e d 衙v r t o b ew i d e s p r e a di nt e a c h i n go x c 印tf o rt h em a i n s l r c a mt e c h n o l o g y f i n a l l y , i n t h i s t h e s i s w e p u t f o r w a r ds o m es u g g e s t i o n s f o r t h e w i d e s p r e a da r c a t i o no f v ri nt e a c h i n g s i m u l t a n e o u s l y , i n s u f f i c i e n c i e sa r es u m m a r i z e di n t h e r e s e a r c h a n d t h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n a r e p o i n t e d o u t f o r t h e f u t u r e k e yw o r d s ：v u l m lr e a l i t yt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ni nt e a c h i n ga n a r ks t u d i oh u m a na n a t o m yf o r a r tv m u a lt e a c h i n gm o d e l四川师范大学学位论文独创性及使用授权声明本人声明：所呈交学位论文，是本人在导p 碴壶望! ! 麴磊导下，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。本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而引起的学术声誉上的损失由本人自负。本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定：学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，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；2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。论文作者签名：疡f 嚣彬7 钙月加玎第一章绪论1 1 问题的提出随着现代信息技术的不断发展并被广泛应用于教学实践，虚拟现实技术( v t r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y ，简称玎) 成为继多媒体技术和计算机网络技术之后，在教育教学领域出现的又一具有广阔应用前景的新型教学手段。许多现代学习理论，特别是建构主义学习理论和情景认知理论都强调情景建构在个体学习中的重要作用，具有交互性、沉浸性和构想性等技术特征的虚拟现实技术，正是实现现代学习理论所强调的真实的情景建构理想而有效的手段。目前，国内外对虚拟现实技术在教学中的研究都还处于实验和探索阶段，在教学实践中进行具体应用的案例屈指可数，离广泛应用更是有很长的路要走。任何一门新技术的应用都需要有大量的探索者，本文正是希望通过实践为虚拟现实技术在学科教学中的广泛应用探索出一条行之有效的道路。在教学实践中，本文作者作为一名长期工作在教学线的普通教师，也切实感受了将虚姒现实技术应用教学实践以弥补常规教学手段的不足的必要性与迫切性。以艺用人体解剖学课程为例，在高等美术院校基础教学中，艺用人体解剖一直是一门很重要的必修课程。目前，在国内主要还是采用骨骼标本、石膏模型、幻灯片或挂图等静态教学手段对该门课程进行学习，这些教学手段存在着诸如昂贵、平面化、缺乏觥，不能动态显示结构层次等缺点，更不能适应数字时代基于网络的自主学习和远程学习的需要。这些传统教学手段存在的缺陷不仅影响了学生的学习效果，也为教师增加了不少的教学难度，本人作为一名高校美术教师，在长期的教学活动中对此也是感受至深。因此，在开始教育技术学研究生的学习后，如何将现代信息技术与艺用人体解剖课程进行整合，利用多媒体技术与仿真技术相结合的虚拟现实技术开发种经济实用的、能通过交互动态显示 体结构雠数字化的艺用人体解剖教学模型就一直是我的一个构想。1 2 研究背景近几十年来，随着科学技术的迅猛发展，在各种现代学习理论的指导下，各种现代信息技术被广泛用于教学实践，新的教学媒体和教学手段不断涌现，虚拟现实技术( v m u a lr e a l i t y t e c h n o l o g y ) 就是在继多媒体技术之后，在教育教学领域出现的又一有着广阔应用前景的新型教学手段。虚拟现实技术是利用计算机三维图形生威擞术、多传感交互技术以及商分辨显示技术，生成个逼真的三维虚拟环境，通过自然技能并使用传感设备可与之相互作用的新技术。经过n 十年的研究探索，虚拟现实技术于8 晒别蹴出实验室，开始进入实用化阶段，目前除了在航空航天、医学实习、建筑设计、军事训练、体育训练、娱乐游戏等许多领域得以广泛应用以外，在教育教学领域的应用前景也是十分广阔。如在美国国家科学基金会支持下，由n a s a j o t m s o n空间中一帅g 鲫蓼m a 咖大学共同合作开发的s d 鼬s p a c e ( 科学空间，就是个虚拟现实应用于教育的个比皎成功的例子。【i 】由于虚拟现实技术所具有的沉浸性、交互性和构想性的技术特征，它能够解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求，另外它还能弥补二维多媒体技术的一些缺陷，帮助我们解决许多在常规教学条件下无法解决的问题，因而是种非常理想的教学手段，虚拟现实技术与学科教学整合也必将成为教育技术发展的个飞跃。由于虚拟现实技术在教育教学领域有着极其广阔的应用前景，鼠此，目前我国也在不断加强虚拟现实技术在教育教学领域的应用研究，以求早日实现教育手段的现代化、信息化。1 3 文献调研i 3 1 国外的研究现状1 美国的研究现榭钟j美国是最早进行虚拟现姗究的国家，也是虚拟现实研究机构最多的国家，因此基本上代表了国际、，r 发展的最高水平。美国宇航局( n a s a ) 的a m e s 实验室一直是许多v r 技术思想的发源地。1 9 8 6 年。该实验室研制成功第一个基于h m d 及数据手套的v r 系统vi e w 。嘲该系统提供了语音、手势等交互式手既成为名副其实的虚拟现实系统。该系统对虚拟现实技术的发展产生了深远的影响。目前大多数虚拟现实系统的硬件体系结构都由vi e v a 发展而来。当前，n a s a 的研究重点是在对空间操纵的实时仿真上，他们将v r 技术应用于对航天运载器外的空间活动研究、空间站自由操纵研究和对哈勃空间维修的研究等项目中。现在n a s a 已经建立了航空、卫星维护v r 训练系统，空间站v r 训练系统，并且己经建立了可供全国使用的v r 教育系统。北卡罗来纳大学( u n c ) 的计算机系是进 亍v r 研究最早最著名的大学。他们从1 9 7 0 年就开始研究交互分子建模，他们解决了分子结构的可视化。并已用于药物和化学材料的研究。除了分子建模，u n c 的主要研究领域还有：建筑仿真、航空驾驶、外科手术仿真等。l o m au n d a 大学医学中心是一所经常从事高难度或者有争议课题的医学研究单位。d a v i dw a m e 骷和他的研究小组成功地将计算机图形及v r的设备用于探讨与神经疾病相关的问题。麻省理工学院m i t 一直以来是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是v r 技术的基础，1 9 8 5 年- m 丌成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。s r i ( s r ii n t e r n a t i o n a l ) 是个国际知名的思想库，它建立了。视觉感知计划( v i s u a lp e r c e p t i o np r o g r a m ) 。，用以研究璎确v r 技术的进步发展。s r l 主要从事定位光标、视觉显示器、光学部件、触觉与力反馈、三维输入装置及语言交互等研究。1 9 8 9 年由面mf u m e s s 色l j 办的人机界面技术实验室( h i tl a b ) 是华盛顿大学华盛顿技术中心的部分，它在v r 新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。h r r 将v f 酾f 究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。它不仅发展v r 的新技术，而且也共0 可能带来的技术与社会影响。目前，h i t l a b 已成为v r 研究的个重要中心。伊利诺斯州立大学研制出支持远程协作的分布式v r 系统来进行车辆设计，通过这一系统，不同国家、不同地区的工程9 4 珊 可以i 融童计算机网络实时协作进行设计。为了探索三维感觉沉浸式界面对提高科学教育的实用价值，在美国国家科学基金会支持下，f h n a s a j o h n s o n 空间中，e , 和g e o r g em a s o n 大学共同合作开发了s c i e n c es p a c e ( 科学空间) 。采用的硬件主要有s i l i c o ng r a p h i c sg r a p h i c so n y xr e 2 现实工具，仲d h e m l r i u sf a s t r a k 磁方向位置感觉系统和个3 _ 8 a 感觉部件吲孰焰d 鼠标) ，立体声音响和数据侉0 。s c j e n c es p a c e 充分运用人的视觉、听觉和触觉来刨造出种三维沉浸式的世界，通过三维环境下小球的运动来向学生揭示牛顿运动定律。这是虚拟现实应用于教育的个比较成功的例子。2 欧洲的研究现槲日欧洲许多国家都在积极开展对v r 技术的研究。以英国为例，到1 9 9 1 年底，英国已有六个从事v r 研究的主要中心，它们是w i n d u s t r i e s ( 工业集团公司) ，b 商s h a e n o s c e ( 英国航空公司) ，d i m e n s i o ni n t e r n a t i o n a l ，d m s i o nl t d a d v a n c e dr o b o t i c sr e s e a r c hc e n t e r 和r t u a lp r e s e n c el t d ( 主要从事v r 职产品销售) 。w i n d u s t i e s 位于l e i c e s t e r ，是国际v r 界的著名开发机构，它的v r 产品主要应用于娱乐、游戏和商业领域。b r i t i s ha e r o s p a c e ( b a e )的许多区县参与了v r ，其中最有成效的是b r o u g h 分部的工作。主要是利用v r 技术设计高级战斗机座舱，以及考察用v r 替代传统模拟器方法的潜力。d i m e n s i o ni n t e m a o o n a l 是桌面v r 的先驱，位于英国南部i 筢j a i d e r m a s o n 该公司已生产了一系列商业v r 软件包，都命名：为s u p e r s c a p e 它与电视公司合作开发了世界上第个v r 电视游戏节目c y b e 团l n e 。另外，d i m e n s i o ni n t e r n a t i o n a l 的技术和软件包还被应用- t - v v e s t d e n t o n 中学的v r教育工程。d i v i s i o n 创建于1 9 8 9 年，位予布里斯托尔。该公司率先使用了t r a n s p u t e r - t k i i 8 6 0 技术来开发：v i s i o n 、p r o v i s i o n 和s u p e r v i s i o n 系统带 央化高速图形引擎，从而避免了早期方法在生成、交互模拟世界时所产生的处理i 瓶j 玎。近来d i v i s i o n 在与i b m 合作，为r i s c 系统6 0 0 0 工作站开发v r 操作系统，u n r s ，并将其操作系统移植到s g 硬件e 。高级机器人研究有限公司( a r r l ) 是u k a d v a n c e dr o b o t i c sr e s e a r c hc e n t e 赖国贸易工业部支持下于1 9 8 7 年成立的。除高级机器 、和遥现场领域外，a r r l 在 v r 方面的研究还包括发动机设计、c a d 软件包转换、烟雾和爆炸的建模与可视化、v r多媒体集成系统、医学可视化以及纳米技术( n a n o t e c h n o l o g y ) 。而另外一家英国公司b r i s t o l 有限公司n # n 啦月j 的焦点集中在软件与整体综合技术上。在德国，位于d a m a s t a d t 的f 旧u n h o f 酹计算机图形学研究所开发了种名为“虚拟设计”的v r 组合工具，可使得图像伴随声音实时显示。德国国家4数学与计算机研究中心( g m d ) 专门成立了个部门，研究科学视算与v r 技术。研究的课题有表演、冲突检测、装订在箱子中的物体的移动、高速变换以及运动控制；g m d 的另个项目是利用二维卫星云图，对地球环境进行多维演示模型的虚拟重构；另外，他们还对声音以及其他一些八机工程学课题的作用展开研究。荷兰的v r 研究工作主要是研究般性的硬件软件结构问题、人员因素问题，以及在工业和培训中的应用。例如：荷兰应用科学研究组织( _ 刚o ) 的物理与电子实验室( f e e 洧个仿真训练组，将大家共0 的些仿真问题集中在该训练组进行研究。芬兰的e s p m 公司则在研制一种操作虚拟物体的手套式外部骨骼接口系统，这种手套的周围有支持每个手指运动的传感器，这些传感器将最多可记录手的2 0 多个自由度的弯曲伸展运动。3 亚洲的研字觋吠在亚洲，日本自勺v 嗽除了在游戏领域以外，般集中在有潜力的能够加强人柳接口能力的研究项目上。东京大学是日本进行v r 研究的重要中一c l 之一，有多个部门在开展v f 研究。其中，它的高级科学研究中心的研究重点是远程控制；原岛研究室开展了3 项研究：人类面都表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取；而广濑研究室贝螵衙究重点放在虚拟现实的可视化方面。筑波大学工程机械学院主要进行力反馈显示方法的研究：他们开发了九自由度的触觉输入器虚拟行走原型系统，步行者只要脚上穿e 全方向的滑动装置，他就能交替迈动左脚和右脚。e l 本的很多大公司也在积极开展、，f 研究。其中富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与_ v r 环境的相互作用；他们还在研究虚燕吼实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。n e c 公司计算柄和通信分部中的系统研究实验室开发了种虚拟现实系统，它能让操作者都使用”代用手”去处理三维c a d 中的形体模型，该系统通过v p l 公司的数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。，京都的先进电子通信研究所( 卢汀r ) 系统研究实验室的开发者们正在开发套系统，它将提供个更加自然的接口，而不需要操作者带e 任何特殊的设备。该系统能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。在亚洲的另一个i 丁大国印度，由于其用户一度对虚拟现实技术极其应用不够重视，因此其虚拟现实研究起步较晚。目前，从事v 嗍的公司有s l g 、f 谊删和v rr e a lt e c h n o l o g i e s 等公司。他们将简单台式虚拟现实应用于建筑设计，可以让客户在设计之初就能看至i 髅房的最终效果，还能直观、方便地了解工程的详细计划。1 3 2 我国的研究现状我国的v r 研究起步较晚，和一些发达国家相比也还存在较大差距。但近年来，在政府有关部门和科学刻门的重视和共0 下，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把、，r 列入了研究项目，各级科研机构和高等院校也都积极开展各目特色v r 的研究工作并取得了很大的成效。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行v r 研究的单位之一。他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理：在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网匕虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。另外，北航的虚拟现实与多媒体研究室已经在d 、e n 日。上开发了直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、虚拟战场环境观察器和计算机兵力生成器；完成了d v e n 日吓分布交互仿真使用的真实地形，并与多家单位联合开发t j 7 、f 2 2 、f 1 6 及单兵等虚拟仿真器。暇9 l清华大学计算柳科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了大量研究，其中有不少方案和方法都独具特色。例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中列应水平特征呈珊i 形状致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。浙江大学c a d c g 国家重点实验室开发出了套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统：该系统采用了层硅酝勤i ：i 的绘韦4 技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感者匠达到了较高的水平。另外，f 也 门还研制出了在虚拟环境中种新的快速漫游算法和种递进网格的快速生磅擤法。唧北京科技大学的虚拟现实实验室致力于开发交互式模拟驾驶培i i 系统，该系统的虚拟环境非常逼真，投 使用后效果良好，具有很高的实用价值。另外，哈尔滨工业大学计算机系、西安交通大学信息工程研究所、北方工业大学口。研究中心、中国科技开发院畹每分院、西北工业大学凹o c a m研究中心、t 海交通大学图像处理模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与住处科学系等多家单位也都在积极开展各具特色的v r 研究，并取得了丰硕的成果。1 1 1 1近年来，除了科研机构和高等院校，越来越多的非科研机构和企业也开始认识到v f 旷阔的应用前景，并投入了大量的资金、人力和物力开展v r 的研究。例如中央电视台，他们已经开始利用虚拟演播室制作节目；又如深圳的中视典数字科技有限公司在2 0 d 4 奄椎出具有完全自主知识产权的一款三维虚拟现实平台软件，给发展迅猛的l 产9 2 注入新的活力。关于注教育领域的应用研究方面，我国也是从无到有并取得了不错的成果。目前，这类应用研究主要集中在虚拟仿真校园、虚拟教学、虚拟实验，教育娱乐等方面。虚拟仿真校园方面，天津大学是我国最早进行虚拟校园开发的高等院校。早在1 9 9 6 年，天津大学在s g i 硬件平台上，基于v i i m 【眉际标准开发的虚拟校园，让没有去过天津大学的人，也能好好领略下近代史上久富盛名的大学。随着网络时代的来临，虚拟校园模式在国内些高校已经开始逐步使用并推广例如浙江大学、上海交通大学、北京大学、西南交通大学等著名高校都进行了虚拟校园的开发。i l 刁在虚拟教学方面，同济大学建筑学院就在建筑教学中对i h 进行了大胆尝试，他们运用高端的设备对建筑景观、结构进行相关的仿真，使学生对冲日关知识以种崭新的方式学习。在虚拟实验方面，中国科技大学有着丰富的经验和较高的水准。在虚拟物理实验方面他们运用虚拟现实技术开发出了懒熟的产品，例如基于本地的7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等。【1 3 】我国d 沭在教育教学领域的研究与应用状况列表如下：表1 1 我国v f l 技术在教育教学领域的研究与应用状况天津大学、北京航空航天大学、浙江大学、北京科高等院校技人学锋中国利技开发院威海分院等，西安虚拟觋窦工程技研发主体科研机构术研究中心等商业机构中央屯视台、中视典公司等个人虚拟校园天津大学、上海交大，西南交大、中国人民大学等中国科技大学几舸光学设计实验平台、广墙电视大虚拟实验学物理虚拟实验等应用范围模拟训练两南交犬t d s j d 机率驾驶模拟系统等中国地质大学地质晶体学虚拟课件、同济焉 建筑虚拟教学学院的虚拟现实教学等其他虚拟博物馆、虚拟画廊等s g i = l ：作站、苹果机、数据手套、头艋显示器、三枪高端投影仪、立体显示系统( 包括立体显示器和立体眼设备镜) 等p c 多媒体电脑、立体显示系统、三枪投影仪、多声低端道黼高端阶w 试d i b o l k 舐m 良l ：其箱等技术低端v p - m l 、c u l t b d 、0 1 s 、q 斑k 1 n e v r 薜廊用学科物理、化学、地理、外语、建筑没计、体育训练等总的来说，我国渐究主要集中在v r 硬件和软件方面，应用也主要集中在军事、航天、医学、工业、建筑等方面，在教育领域的应用主要是虚拟校园、虚拟实验等，采用价格昂贵的高端设备，实现技术的难度也比较大。就目前来看，关于注实践教学中具体匣用的研究还比较少，离大规模的推广普及更是有很长的路要走。1 4 研究内容1 、进行大量的文献调研，对国内外v r 技术研究和应用的现状进行追踪。2 、从理论e 对虚拟现实技术在教学中应用的必要性和现实性进行了论证：对几个重要的学习理论如建构主义学习理论、情景认知理论进行了归纳，并在i 吐蘑础e 指出了虚拟教学模型在情景建构中的重要作用，并从应用的角度阐述了它在教学中的作用与优势。3 、对虚拟现实技术相关概念、特征和类型进行了概括，深入比较了众多适合于教学应用的桌硅r 开发技术，对一门目前还不为广大国人所熟知的“非主流”v r 技术填n a 水l 乳u d i o 进行了深入研究。4 、为了克服传统教学手段无法解决的问题，从艺用人体解剖课程的教学需要出发，将a n a r ks t u d i o 这门新兴的、，f 毪功：应用于教学实践，设计开发了艺用人体解剖虚拟教学模型，并将其应用于教学实践，对其实用性与科学性进行了调查，以便对模型进彳亍j 嘞的改进。5 、为促进v r 技术在教学中的广泛应用的提出了自己看法。1 5 研究意义1 、艺用人体解剖虚拟教学模型的开发可以弥补艺用人体解刮课程现有教学手段的不足，在教学中具有很强的实用价值。这个虚拟 、体模型可以为学生呈现个逼真的可交互的三维数字艺用人体结构，通过鼠标点击学生不但对人体各层次的解剖结构进行任意浏览，而且还能获得与之相关的知识信息，为学习艺用人体解剖结构提供了个更加直观的数字化教学手段。2 、通过本次开发可以为v r 技术在教学中的应用提供新的尝试。目前，v r j 支术在教学中的应用研究主要集中在理工科，在美术教学中的应用还寥寥无几，因此基于a n a r ks t u d i o 的艺用人体解剖虚拟教学模型的开发也为v r 技术在教学中的应用进行了新的尝试。3 、通过本次开发，在“主流”v r 技术之外为虚拟现实技术在教学实践9中的广泛应用进行了探索：本文对一门还不为广大国人所熟知，但在教学中具有很强应用价值的v r 技术书怕r ks i e l i o 进行了深入研究，并通过实践力求推动这一新兴v r 开发工具在教学的广泛应用。1 6 本研究的创新陛“本研究的创新性主要体现在二个方面：1 ：在技术应用上。本研究运用了一门新兴的v r 开发技术响n a r ks t u d i o ，在当前“主流”v r 技术之夕 为v r 技术在教学中的应用进行了有益的探索：2 、在开发成果匕。目前基于美术教学应用的三维人体结构数字模型还非常缺乏，而且就目前来看，v r 技术在教学中的应用主要集中在理工科，在美术教学实践中的应用还寥寥无几因此艺用人懈嗌激教学模型的开发不但弥补了艺用人体解剖教学软件的不足，也为v r 技术在美术教学中的应用提供了个新的实例。1 7 论文的组织第一章，绪论。阐述了本文的研究背景、研究内容、研究意义、创新性以及国内外的研究现状，并指出了本研究对推动虚拟现实技术在学科教学中的广泛应用所起的积极作用。第二章，主要阐述了开展嘘拟教学模型开发的理论基础和技术支持，从理论t 对虚拟现实技术以及虚拟教学模型在教学中应用的必要性和现实性进行了论证。第三章，以专门的章节对本次开发的关键技术a n a r ks t u d 蝴了深入全面的研究和介绍。第四章，详细阐述了艺用人体虚拟教学模型的设计与开发过程。第五章，对本次开发的艺用人体虚拟教学模型进行了测试并在小范围内进行了试用调查，以检验其是否达到预期的设计一第六章，总结与展望。总结了本研究的成果与不足：从促进v r 技术在教学中广泛应用的角度提出了自己的些看法；指出了以后发展的方向。0第二章理论基础与关键技术2 1 相关概念的界定1 、艺用人体解剖艺用人体解剖学是s 憷型艺术的需要出发，研究人体比例、骨骼、肌肉、体表形态以及人体动态等的一门科学。它和造型艺术诸多门类紧密相关，主要应用于绘画、雕塑等学科，尤其是对人物的描绘或塑造，有着非常重要的作用。艺用 、体解剖和医用人体解剖有相通之处，但由于它们应用目的和领域的不同，因此也具有完全不同的研究重点：艺用人体解剖重点研究的是人体骨骼和肌肉的位置、形状以及它们之间的穿插关系，也就是人体的形体结构，学习目的是要掌握人体的形体特点和造型规律。而医用解剖则侧重于研究的人的生理和病理结构，形体结构不是它研究的重点。2 、虚拟教学模型这是相对于常规的实物教学模型提出的个概念，是虚拟现实教学软件中的种。是指种根据教学目标设计开发的，表现特定的教学内容的，基于v r 技术开发的满足或部分满足沉浸性、构想性和自然交互性特征的教学软件。3 、艺用人体解剖虚拟教学模型在本研究中是指一种基于计算机三维图形技术和虚拟现实技术开发的，对艺用人体解剖结构进行模拟的虚拟现实教学软件。它不是个简单静态的三维数字化模型，它具有或部分具有虚拟现实的技术特征并具有多种功能：学习者可以自由地对模型进行全方位多层次的浏览；它也能展现人体特定部位的运动，如下颌骨的张合等：它还能适时地显示人体各部位结构的相关知识信息。2 1 理论基础2 z 1 媒体教学理论根据美国教育家爱德加戴尔( e d g e rd a l e ) 1 9 4 6 年所著的视听教学法( a u d i o - v i s u a lm e t h o d si nl e a m i n g ) 一书中提出的“经验之塔”( c o n eo fe x p e 眙n c e ) 理论，人们获得知识与能力的各种经验可分为三类十个层次。第一类经验，是通过对事物的亲身接触与实践去获得事物的信息；第二类经验，是通过观察事物和载有事物意鼠的媒体去间接获得事物的信息：第三类经验，是通过抽象符号的媒体去获得事物的信息。人的经验( 信息的获得)从低到高分为：做的经验，观察的经验和抽象的经验。所谓的高低，是指人获得信息或经验的累积程度，也就是说，人首先是从傲中学习的，随着经验的累积，通过平时观察和看到的事物或事情，即可获得一定的经验，即使自己没有亲手参与，但也能够在大脑中形成记忆因此，“教育应从具体经验入手，逐步过渡到抽象。有效的教育方法，应该给学生提供丰富的具体经验。” 川而利用虚拟现实技术可以营造出基于多维感官和自然交互式的逼真的虚拟学习环境，就自蝌习者带来逼真的观察的经验和“做”的经验。这种呈现多维度信息的虚拟学习和培训练环境，将为学习者以最直观、最有效的方式掌握一门新知识，新技能提供前所未有的新途径。在本研究中基于v r技术开发的艺用人体解剖虚拟教学模型给学习者提供了们酲真的交互式三维数字人体结构，学习者通过鼠标点击可以对模型进行任意角度的测览，也可以使模型动态h 嘘示其内部结构，还可以随时获取人体结构相关的知识信息。这些都可以让学习者更好的地通过观察的经验去学习艺用 体解剖知识，从而获得较好的学习效果。2 1 2 建构主义学习理论建构主2 学 - - j 理论中的情景学习理论是虚拟现实技术应用于学科教学的最重要的理论支持。建构主义学习理论是行为主义发展至拟知主义以后的进步发展，建构主义对学习的理解是：学习是获取知识的过程，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其1 2他人( 包括教师和学习伙伴) 的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。“情景”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素和四大属性。弧”情境学习环境中的情境必须有利于学生对所学内容的意义建构。协作协作发生在学习过程的始终。协作对学习资料的搜集与分析、假设的提出与验证、学习成果的评价直至意义的最终建构均有重要作用。会话会话是协作学习过程必不可少的环节。学习小组成员之间必须通过会话商讨如何完成规定的学习任务和计划；通过氧举潲习者的思维成果会被整个群体所共享。意义建构这是整个学习过程的最终目标。所要建构的意义是指：事物的性质、规律以及事物之间的内在联系。从e 述建构主义的“学习”含义可知，学习者获得知识的多少取决于学习者根据自身经验去建构有关知识的意义的能力，而不取决于学习者记f 乙和背诵教师讲授内容的能力。具有的沉浸性、构想性和自然交互性技术特征的虚拟现实技术特别适合实现建构主义学习环境，换句话说，它可以作为“建构主义”学习环境的理想认知工具，能有效地促进学生的认知发展。情境币闶多媒体技术和仿真技术相结合的虚拟现实技术，可以生成任意逼真的交互式虚拟人工世界，使置身于其中的学习者产生种身临其境的境界，从而解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求，达到建构主义学习理论所强调的真实的情景建构。协商与会话基于网络应用的桌面虚拟现实技术w 曲3 d ，将为超越时空和地域的协作学习和自主学习创造了良好的条件；意义建构建构主义学习理论认为，意义建构是学习的目的，它要靠学生自觉、主动去完成。虚拟现实技术可以提供基于自然技能的交互环境和视觉、听觉、嗅觉、触觉等多重感官刺激，有利于学生主动探索、发现、发展联想思维。”1，建构主义学习理论强调创设真实情景，把创设情景看作意义建构的必要前提，并作为教学设计的重要内容。多媒体技术就是创设真实隋景的有效工具，如今在课堂教学中已经得到普遍使用并取得了良好的效果。如果把新兴的虚拟现实技术应用于课堂教学，则能产生更为真实的虚拟情境和身临其境的逼真感受，也能带来更好的教学效果。2 1 3 情景认知理论情境认知与学习( s i l u a t e dc o c j n i l i o na n dl e a m i n g ) ；黾当代西方学习理论领域研究的热点。情境( s i t u a t i o n ) ，指个 、在进行某种活动时所处的环境，麦克莱伦认为情景可以是：真实的工作场景：高度的真实，或真实的工作环境的虚拟的代用品；种可停留的环境；如影像或多媒体程序。情境认知理论认为学习是个体与社会的、物理的场景交互作用的过程，不能脱离具体的情景而产生。“知识具有情境性，而且是被利用的文化背景及活动的部分产物，知识是在情境中通过活动而产生的。”慨哪情景认知理论认为，知识必须在真实情境中呈 乳即在以规范方式包含知识的真实场景和应用中呈现，以激发学习者的认知需要。学习要在一定的情景或文化中发生才有效。这样的学习有利于提高学生解决问题的能力，而脱离情景的学习则无此效果。因此，真实活动是学习者进行有意义、有目的学习的重要途径，对学习者知识的获得十分重要，应当成为学习的中心。咖以上学习理论都强调情景建构在个体学习中的重要作用，然而，在实际教学过程中，很多真实的教学晴景很难在课堂甚至现实世界里实现而基于虚拟现实技术的多媒体教学软件可以帮助我们克服这些困难，它可以生成任意逼真的交互式虚拟学习环境，使置身于其中的学习者产生种身临其境的境界，从而解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求，达到现代学习理论所强调的真实的情景建构。以本研究开发的虚拟 体模型为例，它为学生呈现了们琶真的可交互的三维数字化 、体结构，学习者通过鼠标点击就能对人体的各种结构模型进行任意浏览，还能动态地呈现人体各种层次的解剖结构，如将人的皮肤“扒”开观察肌肉或骨骼的构造显然，这种数字化的教学手段就比常规教学手段更利于表达艺用 、体解剖的知识信息，更利于给学生建构一个真实的学习场景，能够更好地帮助他们完成对所学知识的意义建构。42 1 4 虚拟教学模型在教学中的作用与优势虚拟现实技术是继多媒体之后教育技术领域出现的又新型教学手段，将虚拟现实技术与学科教学进行整合，将促使教学手段向科学化、高效益方向发展。而本研究中的虚拟教学模型正是利用v r 技术开发的，它与传统多媒体技术和三维图形技术等数字化教学手段相比，同样具有独特的技术优势，现将它与其他数字化教学手段的对比列表如下：表z1 虚拟封呜粑与其他数字化教辫段的对比对比类别优势与影视教育片相比具有三维、交互的优势与二维多媒体技术相比具有三维与三维动画或三维模型相比具有交互性的优势与三维游戏或三维教学软件相比具有沉浸性、构想性和自然交互性的技7 僦由于虚拟现实技术独特的技术优势，在教学实践中，基于v r 技术的虚拟教学模型将在如下几个方面的发挥其重要的作用：( 1 ) 提高学习效率。在本研究中利用虚拟现实技术仓啦龟出基于多维感官和三维交互的较为逼真的虚拟解剖人体，将给学习者带来全新体验与感受。通过鼠标点击，学习者就能与虚拟环境中的各种对象进行交互作用，从而最大地获得控制和操作整个数字化模型的自由度。这种呈现多维度信息的三维数字化教等铡，将为学习者以最直观、最有效的方式掌握艺用人体解剖知识提t 卜个新的途径。而当学习者通过i 塞种种具有高度真实感的数字化教学模型中进行学习的时候，不但能激起他们强烈的学习兴趣，也将使他们更容易获得做的经验和观察的经验，这对调动学习者的学习积极性，突破教学的重点、难点都将起到积极的作用。( 2 ) 节省教学成本。在教学中有时往往会因为一些教学模型、教具过于昂贵或易损坏，使得教学成本过高，让些教学无淄| 厦j 利开展。而利用数字化教学模型正好可以弥补这方面的不足，我们可以用计算机模拟许多昂贵的教学模型或教具，让学生利用数字化的教学模型进行学习。这些模型不仅成本低，而且可以无限期使用而没有任何损耗，这样就极大地降低教学成本。如目前在高等美术院校的艺用人体解剖教学中，通常是采用骨骼标本、石膏模型或幻灯挂图等教学手防拄行教学，尽管骨骼标本和石膏模型更加立体与直观，教学效果也更加突出，但骨骼标本过于昂贵，而石膏模型不仅笨重，也容易损坏。利用艺用人体解剖虚拟教学模型就可以很好地莹6 碎h 这些常规教学手段的缺陷，它不仅开发成本低，而且可以广范围、无限期的使用，应该说是最为经济的教学手段之一。( 3 ) 突破时、空限制。在课堂上，很多知识学习者都不能亲自实践，所谓“眼见为实”，形象的知识很难准确地用语言来表达，这就在很大程度上影响了学习者学习效率和习得知识的准确性。而基于虚拟现实技术的数字化教学模型不仅可以对现实世界中的事物进行模拟，也可以对过去、未来甚至构想中的事物进行模拟。在虚拟技术构建的虚拟模型里，学习者可以打破空间限制