三维虚拟教室的开发及教学应用研究

摘要

虚拟教室是一种采用虚拟现实、多媒体和网络等技术开发的新型教学平台。基于虚拟教室的教与学，其无论在内容、时空，还是学习方法和手段上，都突破了原有的条条框框，促进了教学改革的发展和教学质量的提高。但目前已经开发的虚拟教室大多存在着难以创设逼真的教学情景，教师与学生、学生与学生之间实时交互比较困难，以及学习同伴之间的协同支持学习难以建立等问题。
　　 本文针对以上问题，主要研究了三维虚拟教室的设计与开发，并且初步阐述了三维虚拟教室的教学应用情况。笔者通过阅读大量国内外相关参考文献，深入地研究了三维建模技术、模型优化技术、贴图烘焙技术以及交互设计过程中的碰撞检测技术等，在此基础上，确定了利用3Ds Max平台构建模型，并结合Virtools平台创建交互功能的架构方案。
　　 首先，对课题的研究背景和意义进行了初步探讨，然后在分析了国内外研究现状的基础上，提出了本文的研究内容及研究方法;其次，对虚拟教室构建过程中涉及到的相关概念做了介绍，并对虚拟教学与相关学习理论之间的关系进行了研究;再次，在相关学习理论的指导下对三维虚拟教室进行了整体设计与开发，具体包括系统设计目标、系统体系结构、开发平台的选择、系统开发原则、开发流程以及开发的关键环节等；然后，详细介绍了三维虚拟教室场景和虚拟人模型的创建、虚拟教学场景的漫游和交互设计以及虚拟教室系统的发布等环节的具体实现，并初步展示了虚拟教室的教学应用情况；最后，在对虚拟教室系统试用的基础上，设计相关调查问卷，对系统的使用效果进行了初步评估，并且对收到的反馈意见进行分析采纳，为进一步改进系统的使用效果做好准备。调查结果显示：场景逼真性和交互性方面基本达到预期目标，而系统的运行速度和学习者的交流协作功能需要进一步改进。
　　 这种方法也可以应用于虚拟实验室、虚拟学习环境等项目的开发。我们下一步的任务主要是教学资源库的扩展和协作功能的开发，从而使虚拟教室的功能更加完善。

目录

文摘

英文文摘

图目录

表目录

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 课题的研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容及研究方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

2 虚拟教室及其相关概念

2.1 虚拟现实

2.1.1 虚拟现实的涵义

2.1.2 虚拟现实的特征

2.1.3 虚拟现实系统的分类

2.2 虚拟教学

2.2.1 虚拟教学的涵义

2.2.2 虚拟教学的特征

2.2.3 虚拟教学的原则及意义

2.3 虚拟教室

2.3.1 虚拟教室的涵义

2.3.2 虚拟教室的分类

2.3.3 虚拟教室的优缺点

3 三维虚拟教室构建的理论基础

3.1 虚拟教学与认知主义

3.1.1 认知主义的基本观点

3.1.2 对虚拟教学的启示

3.2 虚拟教学与建构主义

3.2.1 建构主义基本观点

3.2.2 对虚拟教学的启示

3.3 虚拟教学与人本主义

3.3.1 人本主义基本观点

3.3.2 对虚拟教学的启示

3.4 虚拟教学与生态学习理论

3.4.1 生态学习理论基本观点

3.4.2 对虚拟教学的启示

4 三维虚拟教室系统的设计与开发

4.1 三维虚拟教室系统概述

4.1.1 系统设计目标

4.1.2 系统特征

4.1.3 系统体系结构

4.1.4 系统相关界面

4.2 三维虚拟教室系统的开发方法

4.2.1 开发平台的选择

4.2.2 开发原则

4.2.3 开发流程

4.2.4 关键环节

5 三维虚拟教室系统的技术实现

5.1 三维虚拟教室环境构建

5.1.1 素材的采集和处理

5.1.2 虚拟教室模型构建

5.1.3 虚拟教室的烘焙

5.1.4 虚拟教室模型的导出

5.2 虚拟人对象的模型创建

5.2.1 虚拟人对象的建模

5.2.2 虚拟人对象的贴图与烘焙

5.2.3 虚拟人模型的导出

5.3 虚拟教学场景的导入及漫游

5.3.1 虚拟教室资源库的创建

5.3.2 基础属性设置

5.3.3 场景漫游

5.4 虚拟教室的教学交互功能设置

5.4.1 虚拟化身的特殊动作设置

5.4.2 虚拟课堂的录像设置

5.4.3 虚拟化身的交互设置

5.4.4 文件的上传与下载

5.4.5 问题答案实时响应设置

5.5 三维虚拟教室系统的发布

5.6 虚拟教室系统的应用案例分析

5.6.1 自然科学方面的应用

5.6.2 人文历史方面的应用

5.6.3 体育科学方面的应用

5.6.4 医疗科学方面的应用

5.6.5 计算机技能方面-的应用

6 三维虚拟教室系统的应用效果评估

6.1 对虚拟教学的了解

6.2 三维虚拟教室系统使用效果

6.3 影响虚拟教学的因素

6.4 意见反馈

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.1.1 相关工作回顾

7.1.2 存在的问题

7.2 展望

参考文献

附录 A:调查问卷

致谢

攻读学位期间发表的学术论文