【正文】 作工具（IIAT）和四個(gè)知識(shí)/數(shù)據(jù)庫。以“學(xué)”為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)理論正是順應(yīng)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境的上述要求而提出來的，因而很自然地，建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論就成為以“學(xué)”為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)[1]。在傳統(tǒng)的課堂講授中，由于不能提供實(shí)際情境所具有的生動(dòng)性、豐富性，因而將使學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)發(fā)生困難。在這一過程中學(xué)生不僅能得到教師的幫助與支持，而且學(xué)生之間也可以相互協(xié)作和支持?，F(xiàn)在由于把媒體的選擇、使用與控制的權(quán)力交給了學(xué)生，這種設(shè)計(jì)就完全沒有必要了。但是，在當(dāng)前建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境的教學(xué)設(shè)計(jì)中，往往看不到教學(xué)目標(biāo)分析這類字眼，“教學(xué)目標(biāo)”被“意義建構(gòu)”所取代，似乎在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下完全沒有必要進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)分析。這些情景包括以下幾個(gè)要素：⑴ 運(yùn)用多種知識(shí)的表示形式；⑵ 將抽象的概念融于具體實(shí)例之中；⑶ 將復(fù)雜知識(shí)的概念間的網(wǎng)狀聯(lián)系表示出來；⑷ 強(qiáng)調(diào)知識(shí)的聚合而不是重復(fù)性記憶；⑸ 較早地引入概念的復(fù)雜性與學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜性；3）情景認(rèn)知理論情景認(rèn)知理論（Situated Cognition Theory，SCT）認(rèn)為認(rèn)知過程基本上是建立在活動(dòng)情景之中的。事實(shí)上，虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)不僅僅是指那些戴著頭盔和手套的技術(shù)，而且還應(yīng)該包括一切與之有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗(yàn)的技術(shù)與方法。這種沉浸感的意義在于可以使用戶集中注意力。交互和沉浸是任何虛擬現(xiàn)實(shí)經(jīng)歷的兩個(gè)實(shí)質(zhì)性的特征，因此，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的不同，即沉浸的程度，它可以分成不同的類別。它要求參與者使用位置跟蹤器和另一個(gè)手控輸入設(shè)備，如鼠標(biāo)，追蹤球等，坐在監(jiān)視器前，通過計(jì)算機(jī)屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時(shí)參與者并沒有完全投入，因?yàn)樗匀粫?huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺。這種類型虛擬現(xiàn)實(shí)典型的實(shí)例是戰(zhàn)機(jī)飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機(jī)和導(dǎo)航偏差。在這一過程中學(xué)生不僅能得到教師的幫助與支持，而且學(xué)生之間也可以相互協(xié)作和支持。教育是一個(gè)傳授知識(shí)的過程，通過親身經(jīng)歷能加速這一過程和鞏固所傳授的知識(shí)，為此而設(shè)計(jì)的很多方法中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是最有效的，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著不可替代的、令人鼓舞的應(yīng)用前景，因?yàn)樗试S學(xué)生與現(xiàn)有的各種信息發(fā)生交互作用，學(xué)生可以在仿真過程中經(jīng)歷不同的時(shí)間和空間、可以與各種仿真物體接觸、還可以與虛擬境界的各個(gè)部分接觸。利用該系統(tǒng)，實(shí)習(xí)者可以感受由計(jì)算機(jī)仿真產(chǎn)生的各種傷病員的危險(xiǎn)癥狀，可從系統(tǒng)中選擇某種操作規(guī)程對(duì)當(dāng)前的傷病情況進(jìn)行處理，并可立即看到這種處理所產(chǎn)生的后果。這些昂貴的設(shè)備是普通單位難以企及的。 數(shù)字化（掃描）224。1978年，MIT的媒體實(shí)驗(yàn)開發(fā)了一個(gè)稱為Aspen Movie Map的項(xiàng)目，首次利用了實(shí)景，通過開車穿行ASPEN這個(gè)小城市的街道，四架攝像機(jī)同時(shí)拍攝了四個(gè)方位的照片，將這些照片連接起來，然后裝入到模擬的視盤中，并在每個(gè)街道的路口加入了分支的交互手段。它把環(huán)繞一若干張邊緣稍有重疊的照片圖象，利用軟件將它們粘結(jié)在一起，組合成一張無平滑的360度全景圖象，它通過超文本系統(tǒng)HyperCard來制作熱點(diǎn)，將不同視點(diǎn)的全景圖象進(jìn)行連接。目前，國(guó)外對(duì)于基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)QuickTime VR的應(yīng)用還僅僅停留在游戲開發(fā)領(lǐng)域和風(fēng)景介紹領(lǐng)域。四、QuickTime VR技術(shù)開發(fā)與研究的技術(shù)基礎(chǔ)1．QuickTime基礎(chǔ)QuickTime是蘋果公司提供的系統(tǒng)級(jí)代碼的壓縮包，它擁有C和Pascal的編程界面，更高級(jí)的軟件可以用它來控制時(shí)基信號(hào)。隨后的每個(gè)原子都包含在其中并且包含數(shù)據(jù)和其它原子。這些數(shù)據(jù)索引組成了軌道的媒體結(jié)構(gòu)。應(yīng)用已存在的組件可以創(chuàng)建新的組件。為了控制影片的時(shí)間維，QuickTime定義了時(shí)間坐標(biāo)系統(tǒng)，使影片和媒體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都使用共同的現(xiàn)實(shí)時(shí)間系統(tǒng)。每個(gè)媒體結(jié)構(gòu)都有自己的時(shí)間尺度。圖 QuickTime播放影片① 影片工具箱應(yīng)用軟件通過調(diào)用在影片工具箱中的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)QuickTime的功能。QuickTime影片中包含的一系列圖象，需要許多倍這樣的空間。(1)數(shù)據(jù)處理器：包括有影片控制器組件、圖象壓縮組件、圖象轉(zhuǎn)換組件、視頻數(shù)字化組件、數(shù)據(jù)交換組件、聲音處理組件、效果轉(zhuǎn)換組件、預(yù)覽組件等。在觀察時(shí)。用戶可以在全景中在360度的范圍內(nèi)任意切換視線，也可以在一個(gè)視線上改變視角，來取得接近或遠(yuǎn)離的效果。①造型特點(diǎn)三維復(fù)雜模型的實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示是飛行模擬、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，需要具有較強(qiáng)計(jì)算能力和圖形功能的工作站，而這有時(shí)是辦不到的。每旋轉(zhuǎn)一定的角度，便攝入一幅圖像，并將其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。為了解決圖像鑲嵌技術(shù)中只能在原圖像攝取點(diǎn)進(jìn)行漫游這一問題，可以在不同圖像之間進(jìn)行插值或在不同視圖之間進(jìn)行插值，以生成新的視圖的方法。在某一個(gè)角度進(jìn)行觀察時(shí)，用戶可實(shí)現(xiàn)放大或縮小觀察效果，類似于攝像機(jī)的推拉鏡頭，也類似于觀察者觀察視點(diǎn)向前或向后移的效果。QuickTime VR提供了觀察場(chǎng)景的正確透視，使用戶有身臨其境左右環(huán)視的感覺，又可以使用戶可以在場(chǎng)景中從各個(gè)角度觀察一個(gè)真實(shí)物體，從而提供了最大限度的VR體驗(yàn)。與傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的比較：QuickTime VR不需要特殊的硬件和附屬設(shè)備，在普通的PC機(jī)或Macintosh機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的效果。3）物體電影播放器：物體電影文件不同與一般的視頻文件，它有自己獨(dú)特的文件格式，因此我們需要有一個(gè)專門的功能模塊對(duì)它進(jìn)行實(shí)時(shí)播放。將它應(yīng)用于教學(xué)并取得良好的教學(xué)效果，我們還必須借助于其他傳統(tǒng)的多媒體來彌補(bǔ)它的不足，例如：圖像、聲音、文本、視頻等。7）瀏覽器插件：目前，市場(chǎng)流行的各種瀏覽器還不能直接支持QTVR文件的播放。QuickTime VR影片播放軟件的開發(fā)，它分為兩個(gè)部分，首先開發(fā)一個(gè)獨(dú)立的QuickTime VR影片播放軟件，包括全景電影播放器和物體電影播放器。電影的過度是否平滑關(guān)系到能不能有效地將QuickTime VR技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)過程中去。 Carl Argila，《Case Studies in Object Oriented Analysis amp。John ，《VRML資源手冊(cè)》， 電子工業(yè)出版社，1996年； 29. Wilf Lalonde amp。尋求一種方法，使得QuickTime VR電影之間的熱點(diǎn)跳變變得平滑。目前這一階段的工件已經(jīng)基本完成。6）課件預(yù)攬器：本系統(tǒng)的全稱是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)課件寫作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)地構(gòu)造一個(gè)虛擬的全景信息空間，在這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)信息空間中，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的不同掌握程度，在這個(gè)虛擬的現(xiàn)實(shí)空間中進(jìn)行探索，選擇自己感興趣的學(xué)習(xí)內(nèi)容?！』谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)課件寫作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖各部份的主要功能分別是：1）腳本編輯器：它是一個(gè)圖形化的編輯系統(tǒng)，用于設(shè)置各個(gè)多媒體元素之間的超連接關(guān)系，并據(jù)此生成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)課件的拓?fù)鋱D。制作簡(jiǎn)單：相對(duì)于其它虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而言，QuickTime VR的制作相對(duì)簡(jiǎn)單，的制作周期比較短，制作的可控制性也很強(qiáng)。兼容性好：QuickTime VR場(chǎng)景可運(yùn)行于普通微機(jī)，無需運(yùn)行于高速工作站。這些問題都是QuickTime VR所需進(jìn)一步研究的方向。這種三維空間，只能在所設(shè)定的觀察點(diǎn)的位置上對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行漫游。對(duì)于這樣復(fù)雜的三維模型，再逐個(gè)物體、逐個(gè)面片地進(jìn)行繪制是也是沒有必要的。首先，在計(jì)算機(jī)中建立起三維幾何模型，一般均用多邊形表示。在QuickTime VR場(chǎng)景中，用戶可以在很多全景圖象或?qū)ο箅娪爸新?，可以以從全景圖象到全景圖象、從全景圖象到對(duì)象電影、從對(duì)象電影到對(duì)象電影、從對(duì)象電影到全景圖象等多種他們?cè)敢獾姆绞絹砺?。QuickTime VR是在下列核心概念的基礎(chǔ)之上組成的。QuickTime VR屬于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的一種。大多數(shù)情形下，通過調(diào)用影片工具箱函數(shù)或顯示壓縮圖象來避開直接調(diào)用圖象壓縮管理器。影片工具箱也提供了編輯影片的函數(shù)。每個(gè)動(dòng)畫圖象都有屬性，這些屬性用來描述某個(gè)時(shí)刻圖象的位置和外表。也就是26時(shí)間尺度是每秒中包含26個(gè)時(shí)間單位或者每個(gè)時(shí)間單位是1/26秒。組件管理器使你可以定義和登記組件并可以通過使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的界面來和組件進(jìn)行聯(lián)系。許多QuickTime服務(wù)，例如壓縮和解壓都是組件來提供的。QuickTime影片可以按同樣的方法構(gòu)建，但它不需要這樣做：QuickTime影片可以由取自不同來源的數(shù)據(jù)流組成，例如模擬視頻、存在CDROM上的靜止圖象和MIDI音樂。它可以使任何應(yīng)用程序中都充滿各種各樣的媒體。將基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的研究還剛剛開始，尤其是在教學(xué)軟件中直接使用基于實(shí)景照片的QuickTime VR技術(shù)。QuickTime VR的寫作工具運(yùn)行在Macintosh微機(jī)上。1991年，Apple公司的人機(jī)接口實(shí)驗(yàn)組(ATG)建立了一個(gè)基于實(shí)景的成象環(huán)境，(Navigable Movie)，接口稱為航行電影播放機(jī)(Player)，通過他們用戶能進(jìn)人虛擬空間。因此利用本課件寫作系統(tǒng)開發(fā)的多媒體教學(xué)軟件，還可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)向全世界發(fā)布。它在技術(shù)上有它自己獨(dú)特的特色，它在三個(gè)方面優(yōu)于普通意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：首先，在環(huán)境要求上，普通意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要特殊的專用設(shè)備，如頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、高性能的圖形工作站等，價(jià)格昂貴難以普及，而本系統(tǒng)對(duì)硬件沒有特殊要求，在普通微機(jī)上便可實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，它的成本極低，能夠得到廣泛的應(yīng)用。北卡羅萊納大學(xué)的科學(xué)家們研制了一種可以讓用戶用手操縱分子運(yùn)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用戶戴上頭盔并通過數(shù)據(jù)手套進(jìn)行控制，可以使分子按某種方式結(jié)合在一起，這種不僅在教學(xué)上很有效，而且在科研上也有重大價(jià)值，因?yàn)榘葱路绞浇Y(jié)合在一起的分子結(jié)構(gòu)很可能成為治療某種疾病的新藥或工業(yè)上所需的特殊材料。在物理課上，學(xué)生可以參與一種科學(xué)可視化，使得他（她）可以在一個(gè)虛擬境界內(nèi)去發(fā)現(xiàn)各個(gè)物理定律；在文學(xué)課上，學(xué)生可以接受虛擬的莎士比亞的拜訪，而且，這位虛擬的莎士比亞可以親自對(duì)他講解他的話劇。情景認(rèn)知理論（Situated Cognition Theory，SCT）認(rèn)為認(rèn)知過程基本上是建立在活動(dòng)情景之中的。SIMNET由坦克仿真器(Cab類型的)通過網(wǎng)絡(luò)連接而成，用于部隊(duì)的聯(lián)合訓(xùn)練。投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：它可以讓參與者從一個(gè)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(shù)中的“鍵控”的技術(shù)，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(jī)捕捉參與者的形象，并通過連接電纜，將圖像數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)處理的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將參與者的形象與純色背景分開，換成一個(gè)虛擬空間，與計(jì)算機(jī)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(dòng)情況。VRML的最大特點(diǎn)在于利用文本描述三維空間，大大減少了在Internet網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而使得需要大量數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實(shí)得以在Internet網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)。例如，受資金限制裝備不上最先進(jìn)的硬件設(shè)備，或是硬件本身性能達(dá)不到要求，這樣系統(tǒng)的計(jì)算速度、交互手段可能要受到影響，此時(shí)只能從軟件上著手彌補(bǔ)缺陷，產(chǎn)生了許多基于軟件的技術(shù)，例如基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、虛擬仿真等。實(shí)時(shí)性是非常重要的，如果在交互時(shí)存在較大的延遲，與人的心理經(jīng)驗(yàn)不一致，就談不上以自然技能的交互，也很難獲得沉浸感。從概念上講，任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都可以用三個(gè)“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(xiàn)實(shí)的基本特征這三個(gè)“I”反映了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，就是系統(tǒng)與人的充分交互，它強(qiáng)調(diào)人在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的主導(dǎo)作用。二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜述1．虛擬現(xiàn)實(shí)及其基本特征虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱VR：Virtual Reality），又稱臨境技術(shù)，是最近幾年得到迅速發(fā)展的技術(shù)?？梢?，對(duì)當(dāng)前所學(xué)內(nèi)容不加區(qū)分、一律要求對(duì)其完成“意義建構(gòu)”(即達(dá)到較深刻的理解與掌握)是不適當(dāng)?shù)摹Ｍㄟ^教學(xué)目標(biāo)分析可以確定所需的教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)目標(biāo)還是檢查最終教學(xué)效果和進(jìn)行教學(xué)評(píng)估的依據(jù)。⑸ 強(qiáng)調(diào)利用各種信息資源來支持“學(xué)”(而非支持“教”)[1]為了支持學(xué)習(xí)者的主動(dòng)探索和完成意義建構(gòu)，在學(xué)習(xí)過程中要為學(xué)習(xí)者提供各種信息資源(包括各種類型的教學(xué)媒體和教學(xué)資料)。在這樣的群體中，共同批判地考察各種理論、觀點(diǎn)、信仰和假說；進(jìn)行協(xié)商和辯論，先內(nèi)部協(xié)商(即和自身爭(zhēng)辯到底哪一種觀點(diǎn)正確)，然后再相互協(xié)商(即對(duì)當(dāng)前問題擺出各自的看法、論據(jù)及有關(guān)材料并對(duì)別人的觀點(diǎn)作出分析和評(píng)論)。但是在個(gè)別化的學(xué)習(xí)中，按這種理論設(shè)計(jì)的教學(xué)系統(tǒng)中學(xué)生的主動(dòng)性、積極性往往受到一定的限制，難以充分體現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知主體作用。課程構(gòu)建包括設(shè)置預(yù)定學(xué)習(xí)者的特征，設(shè)定學(xué)習(xí)目標(biāo)，選擇教學(xué)內(nèi)容，形成課件結(jié)構(gòu)，決定教學(xué)序列。Java是一種支持Internet網(wǎng)上編程的獨(dú)立于平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)語言，它能夠充分利用分布在網(wǎng)上的學(xué)習(xí)環(huán)境，具有良好的跨平臺(tái)性、面向?qū)ο笮裕液?jiǎn)單易學(xué)。③積件管理系統(tǒng)積件是由教師和學(xué)生根據(jù)教學(xué)需要自己組合多媒體教學(xué)信息資源的教學(xué)軟件系統(tǒng)。國(guó)外一些通用的多媒體集成工具在價(jià)格、功能等方面與國(guó)內(nèi)的課件開發(fā)需求還有很大的差距。程序設(shè)計(jì)語言有較強(qiáng)的計(jì)算功能、邏輯判斷、圖形和字