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桌面三维虚拟学习环境的设计与实现

作　者: 羌红
导　师: 李欣
学　校: 浙江师范大学
专　业: 教育技术学
关键词: 虚拟现实三维虚拟学习环境天文学 Virtools 三维交互
分类号: G633.98
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 152次
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内容摘要

天文学主题是初中科学课程一个重要的组成部分,也是科学学习中比较抽象的内容之一。目前,有关天文主题的课件主要还是以文本、静态图像,或简单的动画模拟为主,缺乏情境导入,学习者与教学内容的交互性不足。其结果是导致学生学习兴趣缺失,教学效果并不理想。本文针对上述存在的问题,运用虚拟现实和网络技术,以初中《科学》课程中的“天文”单元作为研究的切入点,旨在创设真实的学习情境,把天文教学中的抽象概念原理、真实的运动过程等形象生动地重现出来,帮助学生把握天文现象的实质,完成相关知识的自我建构。首先,笔者通过阅读大量国内外相关参考文献,在分析其它桌面虚拟现实系统架构方案的基础上确定了在3DS Max中建模、在Virtools中完成交互设定的系统架构方案；其次,深入研究了相关学习理论对虚拟环境架构的指导意义,并以“隐喻投射”为基础,提出了场景层、学习层、导航层以及交互层的设计方法；第三,在确定了天文主题虚拟学习环境功能模块的基础上,研究了三维建模技术、材质贴图技术,实现了虚拟学习场景和虚拟天体模型构建；研究了导航、交互技术,实现了对虚拟环境的漫游和虚拟天体的交互操作。最后,综合以上研究工作,设计并实现了“太阳系与星际航行”虚拟学习系统,并对虚拟环境的使用效果进行了初步的调查。调查结果表明：真实的太空学习情境激发了学习者的学习兴趣,引导的发现学习策略引导学生进行探究,提供发现式的学习思维轨迹,培养学生高层次的思维技能,使学生对难以理解的天文知识掌握地更透彻、更牢固。下一步工作,我们将进一步充实源知识的内容,完善交互功能,以及实时聊天室的设计,使得虚拟学习环境的相关功能更趋完善。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-9
图目录  9-10
表目录  10-11
1 绪论  11-19
  1.1 研究背景  11-12
    1.1.1 新技术的引入对教育理念的影响  11
    1.1.2 桌面虚拟现实技术发展日渐成熟  11
    1.1.3 天文主题教学手段有待改进  11-12
  1.2 研究的目的及意义  12-13
  1.3 相关概念界定  13-15
    1.3.1 三维虚拟学习环境  13-15
    1.3.2 与其他相近概念的区别  15
  1.4 国内外研究现状  15-17
    1.4.1 国外研究现状  15-17
    1.4.2 国内研究现状  17
  1.5 研究的主要内容及研究方法  17-19
    1.5.1 研究主要内容  17-18
    1.5.2 研究方法  18-19
2 天文主题的教学现状及需求分析  19-22
  2.1 学科特征和教学需求  19
    2.1.1 强调对于运动过程的理解  19
    2.1.2 对学生空间认知和想象力有较高的要求  19
  2.2 教学现状及问题  19-20
    2.2.1 教学媒体有待改进  20
    2.2.2 现有资源难以与课程有效整合  20
  2.3 虚拟现实技术应用于天文主题教学的优势  20-21
  2.4 最需要应用虚拟现实技术的教学内容调查  21-22
3 理论基础  22-24
  3.1 建构主义理论对虚拟学习环境设计的启示  22-23
  3.2 认知主义理论对虚拟学习环境设计的启示  23
  3.3 行为主义理论对虚拟学习环境设计的启示  23-24
4 三维虚拟学习环境的构建方法  24-34
  4.1 基于"隐喻投射"的系统组织结构  24-25
  4.2 场景层设计  25-26
    4.2.1 虚拟场景架构  26
    4.2.2 界面布局  26
  4.3 学习层设计  26-31
    4.3.1 教学目标的确定  27
    4.3.2 学习内容的组织  27-28
    4.3.3 教学策略的设计  28-29
    4.3.4 教学情境创设  29-30
    4.3.5 学习活动类型的选择  30-31
  4.4 导航层设计  31-32
    4.4.1 场景按钮导航  31
    4.4.2 视点切换导航  31
    4.4.3 自动漫游  31-32
    4.4.4 自由漫游  32
  4.5 交互层设计  32-34
5 天文主题三维虚拟学习环境的架构  34-41
  5.1 环境的体系结构  34-35
  5.2 环境的学习设计  35-36
  5.3 环境的场景设定及功能模块划分  36-39
    5.3.1 场景"太阳系与星际航行"  37-38
    5.3.2 场景"月相"  38-39
  5.4 环境功能实现的关键环节  39-41
    5.4.1 真实性场景架构  39
    5.4.2 导航和交互设置  39-41
6 天文主题三维虚拟学习环境的具体实现  41-65
  6.1 开发平台的选择  41-42
    6.1.1 可用于开发桌面三维虚拟学习环境的相关软件  41
    6.1.2 本文选择的开发平台  41-42
  6.2 开发流程  42-43
  6.3 3DS Max中天体模型的构建  43-51
    6.3.1 建模  44-48
    6.3.2 赋予模型材质和纹理  48-50
    6.3.3 模型场景的合并(merge)  50
    6.3.4 模型的优化  50
    6.3.5 导出  50-51
  6.4 Virtools中导航交互功能实现  51-65
    6.4.1 开启并汇入三维场景  51-52
    6.4.2 真实场景的模拟  52-55
    6.4.3 趣味场景的模拟  55-57
    6.4.4 导航设计  57-59
    6.4.5 交互设计  59-61
    6.4.6 其他辅助模块的设计  61-64
    6.4.7 输出虚拟场景文件  64-65
7 实现效果  65-68
8 教学应用效果评价及反思  68-72
  8.1 总体评价  68-69
    8.1.1 教师试用评价  68-69
    8.1.2 学生试用评价  69
  8.2 反思:虚拟学习环境如何与真实教学环境互补互融  69-72
9 总结与展望  72-74
参考文献  74-77
附录1 前期的访谈问卷  77-79
附录2 多媒体课件评价标准  79-80
攻读学位期间取得的研究成果  80-81
致谢  81-82

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