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摘要：介绍了基于Web3D技术的虚拟现实技术在教育中的应用。
关键词：Web3D 建构主义 虚拟教育环境
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1002－2422(2008)04－0031－02
1 Web3D技术应用于教育中的理论基础
基于Web3D的学习环境是建构主义思想的体现。建构主义理论的核心观点是：人作为认知主体对知识的获取不是被动地接受，而是主动加工建构的，即学习知识是“认知主体”的内部心理过程，而不再是“刺激一反应”的行为过程，并把学习者看作是“信息加工主体”，而不是对外部刺激做出被动反应的“知识灌输对象”。“以学生为中心，老师为指导”的教育理论，强调了学生是知识建构的主体，强调学生对知识的主动探索、主动发现以及主动建构知识、整合知识。教师只是学生的指导者，是帮助学生积极主动完成知识建构的领路人。建构主义学习理论的重要原则之一，是为学生创设一个有利于其学习的能够进行真实活动的情境，引导学生进入这个情境。能否提供高度互动体验，是虚拟环境(VES)的一个最有价值的特征。
由于许多的知识或教学情景是在现实教学中不易或者不允许出现的，例如，遥远的太空、生物机体和器官的内部、微小的分子等等，因此，在传统的教学中，就会限制学生的联想思维，致使学生对知识的意义建构发生困难。Web3D技术是创立“情境”的好方法，VES常常被看作体现建构主义的理想学习环境。
2 Web3D技术在教育中的应用
(1)加强教学和研究的媒体。在简单的VRML1.0中，VRML本质上是一个图形表现，任何课本和课程材料可得益于VRML。如果课程要求多个三维物体或空间时，VILML能起很好的辅助作用，促进学生理解，帮助学生记忆。
(2)虚拟环境。Web3D能提供一种近似真实的环境，可应用于技能训练上，如医学解剖、飞行驾驶以及军事上的训练模拟和作战模拟。在远程教学中，利用Web3D构建虚拟的学习空间，能获得真实的经验和知识。在自然博物馆的网点上，学生可穿过人体细胞的三维内部构成模型。未来的虚拟教室则是由风、温度、压力、振动、立体、色彩等构成的完全的模拟环境。
(3)新的研究主题。新技术(例如，多媒体和计算机图形学)为职业培训和课程建设提供了基础。同样，如果为了社会使用或数据可视化目的，功能完整的Web3D技术将为虚拟空间设计和现实中的课程建设提供机会。对于这样的课程，需要懂得几种重要的技术，如3D建模、Internet以及相关的工具。也需要特别的设计技术，例如，人与空间的关系，要理解合作性、多用户空间就需要具备社会学和心理学知识。
(4)一种合作空间。通信技术允许学生和老师参与分布式的会议、讨论、指导。在虚拟课堂上，虽然学生和教师、学生和学生相隔千里，但每个人都有身临其境的感觉，可以互相讨论、交流、游戏，如同在一间教室中一样。随着网络教育的兴起，Web3D技术能减轻一些远距离教学带来的孤独感，学生不仅能使用课程材料，而且能在社会空间中与其他学生和老师进行虚拟会晤。
3 Web3D技术在教育中应用的优点
(1)发展了课堂教学。利用Web3D技术，可以彻底打破空间的限制，例如，学生可进入虚拟实验室，观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对世界，从而更形象地获取知识，激发思维；Web3D技术还可以突破时间的限制，例如，学生可以跨越时空观摩历史城堡，体验历史人物的生活，寓教于乐。
(2)能弥补教学条件的不足。在传统的教学中，常常会因为实验仪器、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用Web3D技术，可弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。并且，虚拟实验仪器设备和原材料可以自动复原无限使用，大大降低了实验成本。
(3)避免真实实验或操作所带来的各种潜在危险。以前对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，这样学生无法直接参与实验，无法获得感性认识。利用Web3D技术进行虚拟实验，则可免除这种顾虑。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。例如，虚拟的手术，学生再也不用担心因为误操作，而造成“病人”死亡的医疗事故了。
(4)可以虚拟人物形象。虚拟现实系统可以虚拟历史上的伟人、名人、教师、学生等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境，使学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。例如，在虚拟的课堂学习气氛中，学生可以与虚拟的教师一起探讨学习中的各种问题，进行协作化学习。
(5)可以培养学生的创新能力。利用Web3D技术，学生可以进行物理实验设计、电路设计、建筑设计、服装设计、室内装潢等多方面的探索学习，从而找出规律，设计出自己满意的作品。利用Web3D技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。
4 Web3D技术在教育中应用的局限性
(1)是在所有的虚拟环境(VES)中经常遇见的，例如，在进行3D交互中的导航问题，用户往往很难想去哪里就去哪里，很容易迷失方向，不知道怎样到达一个特定的位置或角度。既然这种教育环境面对的大多是普通用户，那么运动和认知空间就应该设置得比较简单。虽然虚拟环境可以给用户提供身临其境的感觉，但一些教育虚拟环境通过交互界面给用户提供的选择很难理解和使用。
(2)教师缺乏经验和在课堂上使用时存在困难。基于Web3D的职业培训是先让学生在虚拟环境下进行学习和训练，熟练后再让学生在真实的环境下使用。由于虚拟教育环境(EVES)的主要目的是培养学生主动地进行知识发现和建构，教师的角色也从知识的解答者向学习伙伴或指导者转变，因此课程结构的设置也需要进行一系列相应的变化。
(3)用户的期望过高会对学习产生负面影响。如果学习者认为VES是对现实的真实模仿，就会产生很高的期望，但是当VES稍微与现实有些不一样，学习者的学习过程就会出现偏离。然而，VES通常会用简单有效的抽象任务，并不是完全再现真实的任务，只是简单地获取必要技能。例如，医学上用VES来模拟的人体器官，并不是完全真实的再现器官，只能是用相似的几何形体来表现它。
(4)是与使用沉浸式虚拟硬件相关的。虽然沉浸式环境比桌面环境更有效，但是当用户戴上头盔显示器和数据手套，处在一个虚拟山洞中时，因为不能记笔记，或者不能完全记下问题，所以跟不上老师的解释。此外，文字指令和信息可能更容易存在问题。
必须指出的是目前Web3D技术，并不能通过硬件和特殊外部设备提供一个方便、灵活的身临其境的环境，Web3D的研究人员正在努力克服这种局限性，例如，Soares和Zuf-fo(2004)正在研究开发一种在普通计算机和沉浸式硬件上运行的X-3D浏览器。
5 结束语
在对EVES进行设计时既要考虑到建构主义理论知识，还要考虑到可用性问题。
Web3D技术在网络教学中已经发挥了越来越大的作用，由于其在技术上得天独厚的优势，因此，在有关专业和有关方面取得了良好的教学效果。
关键词：Web3D 建构主义 虚拟教育环境
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1002－2422(2008)04－0031－02
1 Web3D技术应用于教育中的理论基础
基于Web3D的学习环境是建构主义思想的体现。建构主义理论的核心观点是：人作为认知主体对知识的获取不是被动地接受，而是主动加工建构的，即学习知识是“认知主体”的内部心理过程，而不再是“刺激一反应”的行为过程，并把学习者看作是“信息加工主体”，而不是对外部刺激做出被动反应的“知识灌输对象”。“以学生为中心，老师为指导”的教育理论，强调了学生是知识建构的主体，强调学生对知识的主动探索、主动发现以及主动建构知识、整合知识。教师只是学生的指导者，是帮助学生积极主动完成知识建构的领路人。建构主义学习理论的重要原则之一，是为学生创设一个有利于其学习的能够进行真实活动的情境，引导学生进入这个情境。能否提供高度互动体验，是虚拟环境(VES)的一个最有价值的特征。
由于许多的知识或教学情景是在现实教学中不易或者不允许出现的，例如，遥远的太空、生物机体和器官的内部、微小的分子等等，因此，在传统的教学中，就会限制学生的联想思维，致使学生对知识的意义建构发生困难。Web3D技术是创立“情境”的好方法，VES常常被看作体现建构主义的理想学习环境。
2 Web3D技术在教育中的应用
(1)加强教学和研究的媒体。在简单的VRML1.0中，VRML本质上是一个图形表现，任何课本和课程材料可得益于VRML。如果课程要求多个三维物体或空间时，VILML能起很好的辅助作用，促进学生理解，帮助学生记忆。
(2)虚拟环境。Web3D能提供一种近似真实的环境，可应用于技能训练上，如医学解剖、飞行驾驶以及军事上的训练模拟和作战模拟。在远程教学中，利用Web3D构建虚拟的学习空间，能获得真实的经验和知识。在自然博物馆的网点上，学生可穿过人体细胞的三维内部构成模型。未来的虚拟教室则是由风、温度、压力、振动、立体、色彩等构成的完全的模拟环境。
(3)新的研究主题。新技术(例如，多媒体和计算机图形学)为职业培训和课程建设提供了基础。同样，如果为了社会使用或数据可视化目的，功能完整的Web3D技术将为虚拟空间设计和现实中的课程建设提供机会。对于这样的课程，需要懂得几种重要的技术，如3D建模、Internet以及相关的工具。也需要特别的设计技术，例如，人与空间的关系，要理解合作性、多用户空间就需要具备社会学和心理学知识。
(4)一种合作空间。通信技术允许学生和老师参与分布式的会议、讨论、指导。在虚拟课堂上，虽然学生和教师、学生和学生相隔千里，但每个人都有身临其境的感觉，可以互相讨论、交流、游戏，如同在一间教室中一样。随着网络教育的兴起，Web3D技术能减轻一些远距离教学带来的孤独感，学生不仅能使用课程材料，而且能在社会空间中与其他学生和老师进行虚拟会晤。
3 Web3D技术在教育中应用的优点
(1)发展了课堂教学。利用Web3D技术，可以彻底打破空间的限制，例如，学生可进入虚拟实验室，观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对世界，从而更形象地获取知识，激发思维；Web3D技术还可以突破时间的限制，例如，学生可以跨越时空观摩历史城堡，体验历史人物的生活，寓教于乐。
(2)能弥补教学条件的不足。在传统的教学中，常常会因为实验仪器、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用Web3D技术，可弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。并且，虚拟实验仪器设备和原材料可以自动复原无限使用，大大降低了实验成本。
(3)避免真实实验或操作所带来的各种潜在危险。以前对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，这样学生无法直接参与实验，无法获得感性认识。利用Web3D技术进行虚拟实验，则可免除这种顾虑。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。例如，虚拟的手术，学生再也不用担心因为误操作，而造成“病人”死亡的医疗事故了。
(4)可以虚拟人物形象。虚拟现实系统可以虚拟历史上的伟人、名人、教师、学生等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境，使学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。例如，在虚拟的课堂学习气氛中，学生可以与虚拟的教师一起探讨学习中的各种问题，进行协作化学习。
(5)可以培养学生的创新能力。利用Web3D技术，学生可以进行物理实验设计、电路设计、建筑设计、服装设计、室内装潢等多方面的探索学习，从而找出规律，设计出自己满意的作品。利用Web3D技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。
4 Web3D技术在教育中应用的局限性
(1)是在所有的虚拟环境(VES)中经常遇见的，例如，在进行3D交互中的导航问题，用户往往很难想去哪里就去哪里，很容易迷失方向，不知道怎样到达一个特定的位置或角度。既然这种教育环境面对的大多是普通用户，那么运动和认知空间就应该设置得比较简单。虽然虚拟环境可以给用户提供身临其境的感觉，但一些教育虚拟环境通过交互界面给用户提供的选择很难理解和使用。
(2)教师缺乏经验和在课堂上使用时存在困难。基于Web3D的职业培训是先让学生在虚拟环境下进行学习和训练，熟练后再让学生在真实的环境下使用。由于虚拟教育环境(EVES)的主要目的是培养学生主动地进行知识发现和建构，教师的角色也从知识的解答者向学习伙伴或指导者转变，因此课程结构的设置也需要进行一系列相应的变化。
(3)用户的期望过高会对学习产生负面影响。如果学习者认为VES是对现实的真实模仿，就会产生很高的期望，但是当VES稍微与现实有些不一样，学习者的学习过程就会出现偏离。然而，VES通常会用简单有效的抽象任务，并不是完全再现真实的任务，只是简单地获取必要技能。例如，医学上用VES来模拟的人体器官，并不是完全真实的再现器官，只能是用相似的几何形体来表现它。
(4)是与使用沉浸式虚拟硬件相关的。虽然沉浸式环境比桌面环境更有效，但是当用户戴上头盔显示器和数据手套，处在一个虚拟山洞中时，因为不能记笔记，或者不能完全记下问题，所以跟不上老师的解释。此外，文字指令和信息可能更容易存在问题。
必须指出的是目前Web3D技术，并不能通过硬件和特殊外部设备提供一个方便、灵活的身临其境的环境，Web3D的研究人员正在努力克服这种局限性，例如，Soares和Zuf-fo(2004)正在研究开发一种在普通计算机和沉浸式硬件上运行的X-3D浏览器。
5 结束语
在对EVES进行设计时既要考虑到建构主义理论知识，还要考虑到可用性问题。
Web3D技术在网络教学中已经发挥了越来越大的作用，由于其在技术上得天独厚的优势，因此，在有关专业和有关方面取得了良好的教学效果。