摘 要：在教育领域，虚拟现实技术具有广泛的作用和影响。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力。主动的去交互与被动的观看，有质的差别。由于虚拟现实技术的特点,它在实际教学过程中将有广大作为。 A Research of virtual learning situation Based on the Web3D Zhang Yue-long Web3D （网上三维），作为一种桌面级虚拟现实技术，在娱乐、电子商务、培训，特别在网络三维广告方面，取得了一些令人瞩目的成就。在教育领域，国外的理论研究和应用开发已有一段时间，我国则刚刚起步。教育作为被Web3D组织列出的21世纪虚拟现实技术的四大应用领域之一，把虚拟现实技术应用于教育领域将是一个很重要的研究课题。 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，都采用两个阶段中的某一种。当说到媒介改变人脑，例如VR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。当然也有一部分理论专家认为，是放大的阶段引起认知的适应。 参考文献：
关键词：虚拟 情境 Web3D
The Center of Educational Technology of the Fourth Military Medical University Shanxi•Xian 710032
Abstract: At educate the realm , the virtual realistic technique has the extensive function and influences. Go to experience personally and go to feel the ratio personally empty abstract of preachment even have the conviction. Hand over actively with each other with take a look at passively , there is the difference of the quality. Because of realistic technical characteristics of conjecture, it at actual the teaching process lieutenant general contain large conduct and actions.
Key words: Virtual Situation Web3D
1、当代信息化教育呈现的特征及主要发展趋势
自20世纪90年代以来，国际教育界出现了以信息技术（IT）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---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。那么教育信息化的特征是什么？[1]
我们把教育信息化看作为是一个追求信息化教育的过程，信息化教育具有以下显著特点：
（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。已经有越来越多的教材和工具书变成多媒体化，它们不但包含文字和图形，还能呈现声音、动画、录像以及模拟的三维景象。
（2）资源全球化：利用网络，特别是Internet，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。网上的教育资源有许多类型，包括教育网站、电子书刊、虚拟图书馆、虚拟软件库、新闻组等。
（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。为了做到这一点，学生个性的测定，特别是认知方式的检测，将成为教育研究的重要研究课题。
（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。事实上，超文本/超媒体之类的电子教材已经为自主学习提供了极其便利的条件。
（5）活动合作化：通过合作方式进行学习活动也是当前国际教育的发展方向。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CMI（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。最近的发展趋向是建立电子学档（Learning Portfolio），其中包含学生身份信息、活动记录、评价信息、电子作品等。利用电子学档可以支持教学评价的改革，实现面向学习过程的评价。
（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。虚拟教育可分为校内模式和校外模式。校内模式是利用局域网开展网上教育，校外模式是指利用广域网进行远程教育。
2、基于Web3D的网络虚拟学习情境概述
2．1 什么是Web3D
Web3D也就是网上三维有时也称网络三维，它是指基于Internet的、依靠软件技术实现的桌面级虚拟现实技术。
借用伯亚第（G•Burder）的虚拟现实3I定义来分析Web3D的特点。（1）沉浸度（Immersion）。指参与者在纯自然的状态下，借助交互设备和自身的感知觉系统，对虚拟环境的投入程度。（2）交互性（Interaction ）。指参与者通过使用专门的输入和输出设备，用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度。（3）想象力（Imagination）指借助虚拟现实技术，使抽象概念具体化的程度。
2．2 虚拟现实技术与网络教育结合的理论基础
（1）智能放大理论[2]
计算机专家和小部分心理学家提出：类似于VR机器有放大智力的作用。智能放大的概念到底是什么?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。实际的设计已体现智能放大概念的很大一部分，理论上的假定，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。借用Biocca整理出的图示，针对媒体技术特别是VR，探究智力放大到底是什么。
（2）虚拟体验理论
随着交互技术的提高，Web3D在电子商务领域的应用迅猛发展。富媒体广告以具有更好的影音效果和交互性，使旗帜广告市场份额下降30%。 Web3D广告的巨大影响力，推动了基于一系列试验基础的全新虚拟体验理论的形成。
Klein（1998）最早使用虚拟体验这个概念。Li, Daugherty和Biocca（2001）三位学者从电子商务的角度，将虚拟体验定义为消费者在网络环境下与三维视觉化产品交互时的心理状态。他们认为，消费者与虚拟产品交互，能产生一种如临实地的临场感，这种现场感能增强消费者的认知、改变消费者的行为并产生心理控制感。也就是说用户使用互联网时的各种体验能够产生影响认知行为和情感行为的心理状态，这种新的体验类型即是虚拟体验。他们（2002,2003）对此定义做出了修正，并且具体研究了虚拟体验与产品类型、产品功效和现场感等概念之间的联系，以及它对品牌认知、品牌态度和购买注意力的影响。学习者网上操作Web3D对象与消费者操作虚拟产品，有很大的相似性，所以研究虚拟体验理论，并使之符合教育规律，对于Web3D教学设计有很大的借鉴意义。
2．3 学习情境与虚拟学习情境
（1）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。随着社会各方面的发展，现代教学已与传统教学有了极大的差异，对于学习情境的质量、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。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，绝大多数商家提供或个人制作的教学资源均达不到要求，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CAI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，利用我们手边现有技术进行情境创设是十分必要的。
（2）虚拟学习情境的创设
如今，利用Web3D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。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。[3]
基于Web3D的网络虚拟学习情境的设计容易实现以学生为中心的教学环境，调动学生的参与性。基于Web3D的三维学习情境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。传统的媒体技术一直难以解决网络教育环境下真实情境的创建问题，Web3D技术正好可以解决这一难题。所谓真实的情境，并不是现实世界中的真实物理情景，只需达到让学生经历与现实世界情景相似的认知过程即可。要达到这一点并不难。首先，学习者是带着一定先前经验来学习的，物理环境的部分细节缺失不影响学习者对环境的认同感；其次，物理环境的部分缺失有助于引导学生集中注意力到所学的知识层面上，不受周围无关细节千扰。基于Web3D的虚拟现实通过建构可视化的场景，直观形象的向学生讲解事物的概念，使学生更容易理解事物的性质、规律。更重要的是，学生通过与虚拟对象的主动交互，有利于建立先前经验，加强所学知识与将来运用该知识情景之间的联系，达到学习的意义建构。
2．4 Web3D技术在情境建构中的应用
由于能使人亲身去经历、亲身去感受、主动去交互，虚拟现实技术从产生开始便受到教育界的关注与青睐，从情境教学的要求来看桌面虚拟现实、沉浸的虚拟现实、增强现实性的虚拟现实足以支持“实习场”类情境建构，分布式虚拟现实更有利于“实践共同体”类的情境建构。但由于成本的问题，一般的教育单位不可能购买昂贵的虚拟支持设备，因而促使了桌面虚拟现实在教育中广泛运用。
3、 创设网络虚拟学习情境的关键技术
3．1 具代表性的web3D技术
日前有Viewpoint， Cu1t3D， Pulsc3D， Shout3D，Blaxxun， Shockwavc3D等近30种Web3D格式软件，这里我们主要看一下Cult3D。
Cult3D由两部分组成：一部分用于编写3D素材，另一部分用于解读这些3D素材。但最值得注意的是，Cult3D使用的是Java，这使得它容易被Web设计者理解，也能够被现有的浏览器识别。
Web设计者可以使用Kinetx公司的3D Studio Max的Web设计软件中附带的Cult3D输出接口程序来转换由其他软件制作出来的图像。该输出接口程序的最大优势在于它可以无缝地嵌入HTML文档中，这可是Web设计者的一大福音，因为他们不必去适应新技术。这体现了Cult3D的设计理念，也就是使用己有的平台并易于与流行的实现手段结合。
对使用者而言，Cult3D容易下载且下载速度很快，更具有自动安装的优势。同时，Cult3D支持所有的主流浏览器产品。与其他3D产品不同的是，它还支持Macintosh用户。在木文讨论的所有3D解决方案中，Cult3D也许是离它的日标最近的当然也是在Web上应用得最为广泛的解决方案。[4]
3．2 模型创建
三维复杂模型的实时建模与动态显示是虚拟现实技术的基础。目前，三维复杂模型的实时建模与动态显示技术可以分为两类。一是基于几何模型的实时建模与动态显示；二是基于图像的实时建模与动态显示。
（1）基于几何模型的实时建模与动态显示技术
在计算机中建立起三维几何模型，一般均用多边形表示。在给定观察点和观察方向以后，使用计算机的硬件功能，实现消隐、光照及投影这一绘制的全过程，从而产生几何模型的图像。这种基于几何模型的建模与实时动态显示技术的主要优点是观察点和观察方向可以随意改变，不受限制，允许人们能够沉浸到仿真建模的环境中，充分发挥想象力，而不是只能从外部去观察建模结果。因此，它基本上能够满足虚拟现实技术的3I即“沉浸”、“交互”和“想象”的要求。
（2）基于图像的建模技术
在建立三维场景时，选定某一观察点设置摄像机。你旋转一定的角度，便摄入一幅图像，并将其存储在计算机中。在此基础上实现图像的拼接，即将物体空间中同一点在相邻图像中对应的象素点对准。对拼接好的图像实行切割及压缩存储，形成全景图。
（3）三维扫描成型技术
三维扫描成型技术是用庞大的三维扫描仪来获取实物的三维信息，其优点是准确性高，但这样的扫描设备十分昂贵，对十VR的普通用户来说这似乎又遥不可及了。
3．3 交互式设计
Web3D与3D电影的最大不同在于前者在保证观赏性的同时更着重于交互性，其目的是把观看选择权让给观众，观众可以控制观看的角度、动画的进展和结局。所以设置交互是Web3D制作的核心，是各种开发工具的主要部分。简单的交互操作有些软件能够自动生成，复杂的交互需求有可能需要专门的编程人员。
（1）简单交互的实现
传感器节点，就是指一些能感知用户各种操作的节点，它是靠感知用户的输入装置而产生反应的，最简单的输入装置是鼠标。当用户的鼠标移动到(或单击或拖动)装有传感器的实验对象时，传感器可以感应到鼠标的动作，并产生一个事件输出，这些输出经路由语句可被路由到场景中的任意节点，进而改变场景中的实验对象，实现人机交互。
（2）复杂交互的实现
VRML97标准提供了扩展VRML并和外部程序实现连接的机制，即script节点。VRML中的script节点是一个可以描述由用户自定义制作的传感器和插补器的节点，通过自定义的传感器和插补器它可以定义和改变场景中的对象，实现简单的交互。此外script节点还可包含一个程序脚本(常称为script程序，一般用Java语言编写)，该脚本当script节点初始化时被调用，这样一方面script节点可以将事件从VRM传递到Java程序中，而另一方面，反过来Java程序又可以将命令从Java程序传递到VRML中。[5]
3．4 实时渲染引擎
实时渲染引擎的作用是：解释并翻译实施场景模型文件的语法，实时渲染从服务器端传来的场景模型文件，在网页访问者的客户端逐帧、实时的显示3D图形。把实时渲染引擎做成一个插件，在观看前先要下载并安装在IE浏览器上，这是互联网3D图形软件厂商目前的通常做法。显然，实时渲染引擎是实施互联网3D图形的关键技术，它的文件大小、图形渲染质量、渲染速度、以及它能提供的交互性都直接反映其解决方案的优劣。
文件的大小：目前大多数1MB左右，如微软的VRML渲染引擎是1.2M、blaxxun公司的Contact是4.2M、而最小的基于JAVA技术的只有58k。当然，渲染引擎越大，渲染的图像质量就越好，功能就越强大。但下载一个4.2M的插件才能在网上观看3D图形，在目前的网络速度下，仍然是不现实的。
图形渲染质量：目前图形质量较好的渲染引擎应该属于cult3D和viewpoint（它们的文件尺寸分别是1.4M和7.9M），使用专用的文件格式。既有较好的图形质量而下载文件尺寸也不大的应该是Parallelgraphics公司的CortonaVRML(1.33M)。
渲染速度：支持openGL或微软的Direct3D是提高渲染速度和图形质量的关键，在这一点上互联网3D图形与本地3D图形没有区别。
交互性：交互性是互联网3D图形的最大特色，只有实时渲染才能提供这种交互性，本地3D图形的预渲染不能提供这种至关重要的灵活性。交互性是指3D图形的观看者控制和操纵虚拟场景及其中3D对象的能力，比如：你可以随时改变在虚拟场景中漫游的方向和速度，你可以打开虚拟场景中的门等等。
[1] 基础教育信息化资源开发和教育改革的有效性研究
[2] 胡维华，潘志庚.虚拟多媒体教室的设计和实现.计算机辅助设计与图形学学报[J]，2004.16
[3] 罗绮霞，虚拟现实技术与建构主义学习环境的创设，华南师范大学学报 [J]，1999.2
[4] 阿新，任我虚拟，北京希望电子出版社[M]，2002.7
[5] 梁保恩 徐冬梅 莫琳，基于VRML的网上三维虚拟实验室的研究，计算机时代 [J]，2003.11
作者简介：
张跃龙，男，1978年生，第四军医大学教育技术学专业2003级硕士研究生，导师为李冰教授。Email：aerodragon@sohu.com。联系电话：029-84774700
