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基于虚拟现实技术的网络课件写作系统姚顾波北京师范大学现代教育技术研究所导师：何克抗教授论文展示[摘要]QuickTimeVR是QuickTimeVirtualReality的简称。是一种基于静态图象处理的，在微机平台上能够实现的初级的桌面虚拟现实技术，具有图片级的细节分辨率，真实性很强。它不需要数据手套、头盔式显示器等特殊的硬件设备，它的出现使得以往专业实验室中成本昂贵的虚拟现实技术在教育领域的普及和应用有了广阔的前景。Internet作为一条连接世界的信息高速公路，具有其他任何媒体不可比拟的资源优势。根据教学设计的理论将虚拟现实技术有机地融入到教学软件的设计中，可以创建真实的情景学习环境，具有巨大的应用潜力。[关键词]教学设计、建构主义、情景认知、认知灵活性、主动学习环境、QuickTime，QuickTimeVR，虚拟现实、交互、沉浸。目录一、理论基础1．基于Internet的远距离教学2．当前的课件写作系统概述3.以“学”为中心的ID理论二、虚拟现实技术综述1．虚拟现实及其基本特征2．虚拟现实系统类型的划分3．问题的提出和研究的方向三、国内、外在该领域的研究成果概述1．国外情况2．国内情况四、QuickTimeVR技术开发与研究的技术基础1．QuickTime基础2．QuickTimeVR的基本概念及其产品的基本开发流程五、系统的设计与实现1．系统研究的目标2．研究过程参考文献一理论基础1．基于Internet的远距离教育在人类文明发展历史长河的最近几千年内，信息技术跨越了好几个台阶。从数千年前烽火台上的狼烟传递信息到秦皇朝的快马驿路；从百年前出现的有线电报到今天四通八达的电话传真；到20世纪的最后十年内，人类已经大踏步地跨进了以计算机网络技术为依托的时代，我们把它称为信息时代。信息时代的特征之一就是计算机技术的广泛应用。计算机网络就是计算机信息储存、加工和传递等技术的协同产物。作为信息技术基础的计算机网络，是当今信息社会建设和发展的主要物质基础，是近年来发展最快的高技术产业之一。国际互连网络棗Internet就是计算机网络发展的最新高度。世界信息化的进程给人类社会的再一次腾飞带来了新的机遇，由于Internet本身就是在教育科技领域内首先发展起来的，它反过来当然对教育系统也会产生巨大的影响。国际上教育比较发达的国家，如美国，千千万万中学和小学都建立了校园网络系统并连接到互连网络上。其中的K-12计划，就是将全美国教育系统无论大小学校的教育改革的情况都放在网上进行交流，及时学习先进的教育思想，收到很好的效果。这种方式的教育给人类带来了一个极好的机会，那就是，以现代信息计算机互连网络的技术向教育界锐意改革的人们提供了一个从传统应试教育模式向现代的、更合理、更全面、更有效的教育模式转化的途径。抓住了这个机会，就有可能将我们的教育事业推向一个新的高度；否则，将会使得我们与先进的教育思想的差距进一步拉大。在传统的远距离教育中，我们大多通过邮政系统投递学习材料，或者通过电视广播播放函授教材。这种远距离教学模式的最大缺点是缺乏教学过程中的实时交互。在通过邮政系统实现的远距离教育中，可以实现一些交互性，但时间长，手续繁琐，费时费力，而在电视广播中，学生则处于无可选择的被动接收之中。由于传统远距离教育模式的诸多局限性，从而造成教学效率低下，学员的学习积极性不高。如何帮助学员解决疑难问题，提高学员的学习积极性，是我们远距离教育系统中急需解决的问题之一。由于Internet具有影响范围广，能够方便快捷的传递信息，具有近乎实时的交互性，本身又是一个巨大无比的信息库等诸多优点。利用Internet作为远距离教育的新型手段，为我们解决传统远距离教育模式中存在的问题带来了希望。基于Internet的远距离教育是最近在Internet网上高速发展的一个领域。在Internet上实现远距离教育，就是以计算机网络为基础，教师通过网络把教学信息传给每个学员，学生通过连网的计算机来进行学习和接受信息。利用远距离的高速数字通信线路，我们可以在计算机网络上运行五种典型的教学方式：双向式授课、协作学习、个别化学习、网上答疑和试题库。利用Internet，可以在诸多学校之间共享优秀的教师资源，实现优势互补，缩短由于地区经济发展的先后而引起的教育水平的差异。利用Internet来进行远程教学，与传统远距离教育模式相比，有如下优势：1)极大的增强了教师和学生、学生和学生之间的交互性、打破了教师和学生、学生和学生之间的相对孤立状态。这种交互性是近乎实时的、而且可以利用多种渠道实现，比如：电子邮件，BBS，WWW，基于网络的协作学习系统，网上在线交谈等等。2)学习的异步性：利用网络进行远距离教育，可全天24小时进行，每个学员都可以根据自己的实际情况来确定学习时间、内容和进度，可随时在网上下载相关学习内容或向老师和同学请教。3)学习信息的广泛性：网络同多媒体技术、虚拟现实技术相结合，可实现虚拟图书馆、，虚拟实验室、虚拟课堂等；可为学生提供多层次、全方位的学习资源，可引导学生由被动式学习向主动式学习转变。4)评价的及时性：在传统的远距离教育中，对学生进行评价是件非常困难的事，要耗费大量的人力和物力，而学习过程中的形成性评价是提高学习效率的有效途径。通过网络上的电子题库和自动评价系统，可使学生及时得到有关自己学习过程的反馈及有针对性的诊断，使得学生能够及时调整自己的学习。利用Internet进行远距离教育的上述优良特性，克服了传统远距离教育的局限性，它将形成一种主动的、协作的、开放的学习模式，并充分考虑双向教学环境，采取有提问、有反馈、有交流的教学方法，既保留了传统电教中的生动形象性和不受时间空间限制等优点，又有相互访问，双向交流，学习资源、学习内容广泛等优良特性，它可以适用于学校教育、成人教育、继续教育等各类远距离教育的需要。它必将在我国和世界范围内的远距离教育领域起越来越重要的影。2．当前的课件写作系统概述1）交互式可视化多媒体集成环境CAI课件最初是用通用程序设计语言直接编写的，这些语言有VisualBasic、Delphi、VisualC++等。程序设计语言有较强的计算功能、逻辑判断、图形和字符处理功能，控制灵活、代码的执行效率比较高，但是这种开发方式费事费力、开发的周期长、成本高，而且不能有效地将教学设计的思想方便地应用于开发过程中。因此，课件开发成为计算机辅助教育的瓶颈。写作系统是个非编程的课件生成系统，通常分为两类，样板型写作系统和集成型写作系统。前者依据某种教学策略提供样板结构，写作者根据系统提示填入适当的信息，系统自动形成可使用的课件，如天津大学开发的CACAS中文有声课件写作系统。集成型写作系统同时提供写作语言和丰富的样板给作者，既有方便性，又有充分的灵活性，如美国Online公司的OASYS系统。随着微机系统性能的不断提高与多媒体技术的发展，以及形象直观的图形用户界面的普及，出现了一些优秀的交互式多媒体著作系统，其中比较著名的有：Hppercard、Authorware、Director、ToolBook等，它们都能够集成文字、图形、声音、动画、视频等多媒体信息，实现各种信息的超文本链接，对部分媒体提供可视化的编辑环境。此外，它们还支持写作语言，为课件写作者更加精确、灵活地控制课件的运行方式提供了条件。这类多媒体写作工具是目前使用的最为广泛的，它们大体可以分为四个主要的类别：基于页面（框面、卡片、帧）的，基于流程线（图标）的，基于时序的和基于脚本的。国外一些通用的多媒体集成工具在价格、功能等方面与国内的课件开发需求还有很大的差距。于是国内的有识之士纷纷着手研制适合我们自己需要的课件写作系统，诞生了一批有特色的写作系统。①方正奥思方正奥思是由北京大学计算机研究所开发的一个可视化的交互式多媒体集成环境。它具有很强的文字、图形编辑功能，支持丰富的媒体播放方式和动态特技效果，能实现灵活的交互方式，能以层次结构组织信息并支持超文本链接。它具有以下特点：采用基于树形结构的信息组织方法，支持超文本链接；采用基于时间描述的多层次多媒体同步模型，充分支持页内多个媒体对象的同步，协调播放要求；它提供了七种组对象，分别是串行、串接、并行、并接、并先、选择、动画，实现了七种预定的同步关系；提供了目标确定的路径动画和路径确定的路径动画这两种运动方式；具有方便的、开放的数据库管理功能，支持多媒体数据的存储和检索。②JBMT多媒体课件写作工具JBMT是北大青鸟软件公司开发的一个多媒体课件写作工具。除具备常见的多媒体写作工具的基本功能外，它还提供多种做练习的方式、判题、评分、记分及反馈处理的方法，具有丰富的数学处理能力，包括表达式自动排版和直观显示、数值计算、符号演算、函数绘图等。它支持写作语言，提供了比较齐全的语句。③积件管理系统积件是由教师和学生根据教学需要自己组合多媒体教学信息资源的教学软件系统。它是积件库和积件组合平台的有机结合，其中积件库包括多媒体教学资源库、微教学单元库、资料呈现方式库、教与学策略库、网上环境积件资源库，为师生利用积件组合平台制作教学软件提供了充足的素材来源和多种有效途径；灵活易用的积件组合平台则是充分发挥师生创造力的有力工具。积件思想是对多媒体教学信息资源和教学过程进行准备、检索、设计、组合、使用、管理、评价的理论与实践的高度概括，其内核主要体现在积件的基元性和可积性。第一代教学软件（课件）是事先由教学设计确定的有固定程序的、定型情节的、模式化的、封闭的、整体的，不适应于千变万化的现实课堂教学。积件思想是继第一代教学软件棗课件之后的新一代的教学软件系统模式和教学媒体理论。2）Internet环境下的写作工具Internet的广泛使用，极大地改变了信息资源的组织方式与传递形式，同时也影响了人们的工作、生活、学习方式。由于WWW的信息管理和通信方式与单机的巨大差别，可视化多媒体集成环境已经不能使用Internet网上应用的要求，新的适用于网络运行的编程语言便产生了。WWW技术的主要组成部分之一就是HTML语言（HyperTextMarkupLanguage），它实现了WWW上信息的超文本联接。Java是一种支持Internet网上编程的独立于平台的程序设计语言，它能够充分利用分布在网上的学习环境，具有良好的跨平台性、面向对象性，而且简单易学。Javaapplets用来产生动画，图象和声音，管理运行数据，能够被用户从网上下载并通过浏览器来运行，它扩展了HTML的功能，因此它可以被认为是Internet网上的多媒体写作工具。VRML（VirtualRealityModelingLanguage）的推出改变了信息局限于二维空间的历史，它允许人们通过浏览器操纵三维空间的虚拟现实环境和对象。IMCAS（InternetMultimediaCoursewareAuthoringsystem）是美国犹他洲（Utah）洲立大学研制的一个写作平台，它与上述写作平台的明显不同就是，它运用Java语言进行设计，运行与Internet的Web服务器和客户机上。它包括一个网上教学发送工具（IIDT）、网上写作工具（IIAT）和四个知识/数据库。IIAT是个典型的网上课件写作工具。用它开发一个课件需要三个步骤：知识获取、课程构建（curriculumconstruction）和教学策略形成。知识获取包括让写作者提供内容知识然后以帧的形式存放在知识库中，产生问题并存储于问题库中，确定媒体表现形式并将相应媒体形式存于资源库中。课程构建包括设置预定学习者的特征，设定学习目标，选择教学内容，形成课件结构，决定教学序列。3．以“学”为中心的ID理论1）认知建构主义[1]建构主义学习理论和学习环境强调以学生为中心，不仅要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者；而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者。可见在建构主义学习环境下，教师和学生的地位、作用和传统教学相比已发生很大变化。这就意味着教师应当在教学过程