基于虛擬現實技術的網絡課件寫作系統24-文庫吧

【正文】 ，因而將使學習者對知識的意義建構發生困難。⑶ 強調“協作學習”對意義建構的關鍵作用[1]建構主義認為，學習者與周圍環境的交互作用，對于學習內容的理解(即對知識意義的建構)起著關鍵性的作用。這是建構主義的核心概念之一。學生們在教師的組織和引導下一起討論和交流，共同建立起學習群體并成為其中的一員。在這樣的群體中，共同批判地考察各種理論、觀點、信仰和假說；進行協商和辯論，先內部協商(即和自身爭辯到底哪一種觀點正確)，然后再相互協商(即對當前問題擺出各自的看法、論據及有關材料并對別人的觀點作出分析和評論)。通過這樣的協作學習環境，學習者群體(包括教師和每位學生)的思維與智慧就可以被整個群體所共享，即整個學習群體共同完成對所學知識的意義建構，而不是其中的某一位或某幾位學生完成意義建構。⑷ 強調對學習環境(而非教學環境)的設計[1]建構主義認為，學習環境是學習者可以在其中進行自由探索和自主學習的場所。在此環境中學生可以利用各種工具和信息資源(如文字材料、書籍、音像資料、CAI與多媒體課件以及Internet上的信息等)來達到自己的學習目標。在這一過程中學生不僅能得到教師的幫助與支持，而且學生之間也可以相互協作和支持。按照這種觀念，學習應當被促進和支持而不應受到嚴格的控制與支配；學習環境則是一個支持和促進學習的場所。在建構主義學習理論指導下的教學設計應是針對學習環境的設計而非教學環境的設計。這是因為，教學意味著更多的控制與支配，而學習則意味著更多的主動與自由。⑸ 強調利用各種信息資源來支持“學”(而非支持“教”)[1]為了支持學習者的主動探索和完成意義建構，在學習過程中要為學習者提供各種信息資源(包括各種類型的教學媒體和教學資料)。但是必須明確：這里利用這些媒體和資料并非用于輔助教師的講解和演示，而是用于支持學生的自主學習和協作式探索。因此對傳統教學設計中有關“教學媒體的選擇與設計”這一部分，將有全新的處理方式。例如在傳統教學設計中，對媒體的呈現要根據學生的認知心理和年齡特征作精心的設計。現在由于把媒體的選擇、使用與控制的權力交給了學生，這種設計就完全沒有必要了。反之，對于信息資源應如何獲取、從哪里獲取，以及如何有效地加以利用等問題，則成為主動探索過程中迫切需要教師提供幫助的內容。顯然，這些問題在傳統教學設計中是不會碰到或是很少碰到的，而在以“學”為中心的建構主義學習環境下，則成為急待解決的普遍性問題。⑹ 強調學習過程的最終目的是完成意義建構(而非完成教學目標)[1]在傳統教學設計中，教學目標是高于一切的，它既是教學過程的出發點，又是教學過程的歸宿。通過教學目標分析可以確定所需的教學內容；教學目標還是檢查最終教學效果和進行教學評估的依據。但是在以“學”為中心的建構主義學習環境中，由于強調學生是認知主體、是意義的主動建構者，所以是把學生對知識的意義建構作為整個學習過程的最終目的。在這樣的學習環境中，教學設計通常不是從分析教學目標開始，而是從如何創設有利于學生意義建構的情境開始，整個教學設計過程緊緊圍繞“意義建構”這個中心而展開，不論是學生的獨立探索、協作學習還是教師輔導，總之，學習過程中的一切活動都要從屬于這一中心，都要有利于完成和深化對所學知識的意義建構。在學習過程中強調對知識的意義建構，這一點無疑是正確的。但是，在當前建構主義學習環境的教學設計中，往往看不到教學目標分析這類字眼，“教學目標”被“意義建構”所取代，似乎在建構主義學習環境下完全沒有必要進行教學目標分析。這種看法則是片面的，不應該把二者對立起來。因為“意義建構”是指對當前所學知識的意義進行建構，而“當前所學知識”這一概念是含糊的、籠統的。某一節的課文內容顯然是當前所要學習的知識，但是一節課總是由若干知識點組成的，而各個知識點的重要性是不相同的：有的屬于基本概念、基本原理(是教學目標要求必須“掌握”的內容)；有的則屬于一般的事實性知識或當前學習階段只需要知道還無需掌握的知識(對這類知識教學目標只要求“了解”)。可見，對當前所學內容不加區分、一律要求對其完成“意義建構”(即達到較深刻的理解與掌握)是不適當的。正確的作法應該是：在進行教學目標分析的基礎上選出當前所學知識中的基本概念、基本原理、基本方法和基本過程作為當前所學知識的“主題”(或曰“基本內容”)，然后再圍繞這個主題進行意義建構。這樣建構的“意義”才是真正有意義的，才是符合教學要求的。2）認知靈活性理論認知靈活性理論（Cognitive Flexibility Theory，CFT）提出：復雜的知識通過在新的實例情景中的靈活應用，可以學習的更好。這些情景包括以下幾個要素：⑴ 運用多種知識的表示形式；⑵ 將抽象的概念融于具體實例之中；⑶ 將復雜知識的概念間的網狀聯系表示出來；⑷ 強調知識的聚合而不是重復性記憶；⑸ 較早地引入概念的復雜性與學科領域的復雜性；3）情景認知理論情景認知理論（Situated Cognition Theory，SCT）認為認知過程基本上是建立在活動情景之中的。SCT十分重視活動的性質和參與者在真實情景中有意義有目的的行為。在學習中建構認知情景可以從以下幾個方面著手：⑴ 在真實活動中建模知識；⑵ 通過臺架或教練來引導學生完成任務；⑶ 讓學生連接、組織其零散的知識并區分無效的策略與錯誤的觀念；⑷ 逐漸減少幫助，以培養學生能力；4）主動學習環境主動學習環境（Action Learning Environment，ALE）正是在認知理論的基礎上提出的。ALE給學生一個提供一個明確的任務，創造一種情景讓學生來完成這個任務，在此期間提供指導以幫助學生獲得成功。二、虛擬現實技術綜述1．虛擬現實及其基本特征虛擬現實（簡稱VR：Virtual Reality），又稱臨境技術，是最近幾年得到迅速發展的技術。“虛擬現實”一詞是由美國VPL Research ，它通常是指用立體眼鏡的傳感手套等一系列傳感輔助設施來實現的一種三維現實，人們通過這些設施以自然的方式（如頭的轉動、身體的運動等）向計算機送入各種動作信息，并且通過視覺、聽覺以及觸覺設施使人們得到三維的視覺、聽覺及觸覺等感覺世界。隨著人們不同的動作，這些感覺也隨之改變。目前，與虛擬現實相關的內容已經擴大到了與之相關的許多方面，像“人工現實（Artificial Reality）”、“遙現”（Telepresence）、“虛擬環境”（Virtual Environment）、“賽伯空間”（Cyberspace）等，都可以認為是虛擬現實的不同術語或形式。事實上，虛擬實現技術不僅僅是指那些戴著頭盔和手套的技術，而且還應該包括一切與之有關的具有自然模擬、逼真體驗的技術與方法。它要創建一個酷似客觀環境又超越客觀時空、能沉浸其中又能駕馭其一的和諧人機環境，也就是由多維信息所構成的可操縱的空間。它的最重要的目標就是真實的體驗和方便自然的人機交互，能夠達到或者部分達到這樣目標的系統就稱為虛擬現實系統。虛擬現實系統就是要利用各種先進的硬件技術及軟件工具，設計出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統生成的虛擬世界。從概念上講，任何一個虛擬現實系統都可以用三個“I”來描述其特性[18]，這就是“沉浸（Immersion）”、“交互（Interaction）”和“想象（Imagination）”，如下圖所示：虛擬現實的基本特征這三個“I”反映了虛擬現實系統的關鍵特性，就是系統與人的充分交互，它強調人在虛擬現實環境中的主導作用。虛擬現實系統的設計要達到以下目標：第一，要使參與者有“真實”的體驗。這種體驗就是“沉浸”或“投入”，即全心地進入，簡單地說就是產生在虛擬世界中的幻覺。理想的虛擬環境應達到用戶難以分辯真假的程度，甚至比真的還“真”。這種沉浸感的意義在于可以使用戶集中注意力。為了達到這個目標，就必須具有多感知的能力，理想的虛擬現實系統應具備人類所具有的一切感知能力，包括視覺、聽覺、觸覺，甚至味覺和嗅覺。第二，系統要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機交互手段。這些手段使得參與者能夠對虛擬環境進行實時的操縱，能從虛擬環境中得到反饋信息，也能便系統了解參與者的關鍵部位的位置、狀態、變形等各種系統需要知道的數據。實時性是非常重要的，如果在交互時存在較大的延遲，與人的心理經驗不一致，就談不上以自然技能的交互，也很難獲得沉浸感。為達到這個目標，高速計算和處理就必不可少。參與者在虛擬環境中的活動或者經歷有兩種形式，一種是主觀參與（Firstperson activities），另一種是客觀參與（Secondperson activities）。主觀參與時，參與者是整個經歷的中心，一切圍繞參與者進行；客觀參與時參與者則可以在虛擬環境中看到他自己與其它物體的交互。交互和沉浸是任何虛擬現實經歷的兩個實質性的特征，因此，根據虛擬現實應用的不同，即沉浸的程度，它可以分成不同的類別。早期的虛擬現實系統可能只有部分虛擬現實的特性，例如環幕電影或立體電影。有的應用也不需要完全的沉浸和投入，例如增強現實系統。在實際應用中，不同虛擬現實系統設計的側重點和所受約束各不相同。例如，受資金限制裝備不上最先進的硬件設備，或是硬件本身性能達不到要求，這樣系統的計算速度、交互手段可能要受到影響，此時只能從軟件上著手彌補缺陷，產生了許多基于軟件的技術，例如基于靜態圖像的虛擬現實系統、虛擬仿真等。由于虛擬現實本身并不限制使用的技術范圍，只要能達到目標，可以把各種技術有效地集成起來設計出一個成功的虛擬現實系統。2．虛擬現實系統類型的劃分VR最本質的特征用戶對虛擬場景的沉浸，根據用戶參與VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我們可以把各種類型的虛擬現實技術劃分四類：1) 桌面級的虛擬現實桌面虛擬現實利用個人計算機和低級工作站進行仿真，計算機的屏幕用來作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，各種外部設備一般用來駕馭虛擬境界，并且有助于操縱在虛擬情景中的各種物體。這些外部設備包括鼠標，追蹤球，力矩球等。它要求參與者使用位置跟蹤器和另一個手控輸入設備，如鼠標，追蹤球等，坐在監視器前，通過計算機屏幕觀察360度范圍內的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者并沒有完全投入，因為它仍然會受到周圍現實環境的干擾。桌面級的虛擬現實最大特點是缺乏完全投入的功能，但是成本也相對低一些，因而，應用面比較廣。常見桌面虛擬現實技術有：基于靜態圖像的虛擬現實技術：這種技術不采用傳統的利用計算機生成圖像的方式，而采用連續拍攝的的圖像和視頻，在計算機中拼接以建立的實景化虛擬空間，這使得高度復雜和高度逼真的虛擬場景能夠以很小的計算代價得到，從而使得虛擬現實技術可能在PC平臺上實現。VRML（虛擬現實造型語言）：它是一種在Internet網上應用極具前景的技術，它采用描述性的文本語言描述基本的三維物體的造型，通過一定的控制，將這些基本的三維造型組合成虛擬場景，當瀏覽器瀏覽這些文本描述信息時，在本地進行解釋執行，生成虛擬的三維場景。VRML的最大特點在于利用文本描述三維空間，大大減少了在Internet網上傳輸的數據量，從而使得需要大量數據的虛擬現實得以在Internet網上實現。桌面CAD系統：利用Open GL、DirectDraw等桌面三維圖形繪制技術對虛擬世界進行建模，通過計算機的顯示器進行觀察，并有能自由地控制的視點和視角。這種技術在某種意義上來說也是一種虛擬現實技術，它通過計算機計算來生成三維模型，模型的復雜度和真實感受桌面計算機計算能力的限制。2) 投入的虛擬現實高級虛擬現實系統提供完全投入的功能，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數據手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產生一種身在虛擬環境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統有：基于頭盔式顯示器的系統：在這種系統中，參與虛擬體驗者要戴上一個頭盔式顯示器，視聽覺與外界隔絕，根據應用的不同，系統將提供能隨頭部轉動而隨之產生的立體視覺、三維空間。通過語音識別、數據手套、數據服裝等先進的接口設備，從而使參與者以自然的方式與虛擬世界進行交互，如同現實世界一樣。這是目前沉浸度最高的一種虛擬現實系統。投影式虛擬現實系統：它可以讓參與者從一個屏幕上看到他本身在虛擬境界中的形象，為此，使用中電視技術中的“鍵控”的技術，參與者站在某一純色（通常為蘭色）背景下，架在參與者前面的攝像機捕捉參與者的形象，并通過連接電纜，將圖像數據傳送給后臺處理的計算機，計算機將參與者的形象與純色背景分開，換成一個虛擬空間，與計算機相連的視頻投影儀將參與者的形象和虛擬境界本身一起投射到參與者觀看的屏幕上，這樣，參與者就可以看到他自己在虛擬空間中的活動情況。參與者還可以與虛擬空間進行實時的交互，計算機可識別參與者的動作，并根據用戶的動作改變虛擬空間，比如來回拍一個虛擬的球或走動等，這可使得參與者感覺就象是在真實空間中一樣。遠程存在系統：遠程存在系統是一種虛擬現實與機器人控制技術相結合的系統，當某處的參與者操縱一個虛擬現實系統時，其結果卻在另一個地方發生，參與者通過立體顯示器獲得深度感，顯示器與遠地的攝像機相連；通過運動跟蹤與反饋裝置跟蹤操作員的運動，反饋遠地的運動過程（如阻尼、碰撞等），并把動作傳送到遠地完成。3) 增強現實性的虛擬現實增強現實性的虛擬現實不僅是利用虛擬現實技術來模擬現實世界、仿真現實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環境的感受，也就是增強現實中無法感知或不方便感知感受。這種類型虛擬現實典型的實例是戰機飛