医学虚拟学习情境的设计与实现

论文摘要

虚拟现实技术是当代信息技术应用的重要发展,而信息化教育这一新的教育形态的出现更使它获得了施展功用的新天地。随着我国高等教育规模由精英型向普及型的过渡,对建设教学实践情境的要求日益紧迫,也对虚拟现实提出更多更高的期盼。基于这些态势,我们从理性探讨和相应教学课件的开发两方面进行了研究。资料显示,虚拟现实技术从其萌芽到今天的日渐成熟已经走过了相当长的一段风雨历程。随着计算机技术和网络技术的飞速发展,计算机三维运算能力和网络带宽大大提高,虚拟现实在生产生活中的应用日益广泛,已逐渐应用到了航空、军事、医学、教育、工程设计、商业经营等各个领域。它的兴起,为人机交互界面的发展开创了新的研究领域;为智能工程的应用提供了新的界面工具;为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于,计算机产生一种人为的虚拟环境,这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间,或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用,改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式,尤其是在进行处理大量抽象数据时。虚拟现实技术建构的虚拟现实要适应教育教学的要求,还应遵循相关的理论:主要为智能放大理论、虚拟体验理论、行为主义学习理论和建构主义理论。一个良好的虚拟学习情境,应是虚拟现实技术功用的充分发挥,相关的教育教学理论充分的体现,以及所表达的教育教学内容的充分展现。建构主义学习理论是近20年来首先在美国发展起来的教育教学理论。这个理论提出了学习环境中的四大要素,“情境”、“协作”、“会话”、和“意义建构”,恰是虚拟现实技术最能充分体现的。就是说,建构主义学习理论与虚拟现实技术的有机结合,将为学生的学习提供有效的促进有意义自我建构的工具。现在,虚拟现实在军事演练,高精尖武器的操作训练,航空、航天的心理与生理训练,残疾儿童的康复训练,仿真教学以及诸如人体手术操作训练等方面已显示出巨大功用,这些正是理论、技术、教学内容紧密结合的结果。如何将虚拟现实建构的虚拟环境具体运用于教学中呢?我们结合基础医学《人体解剖学》的教学过程,基于虚拟现实技术,使用VR Platform虚拟现实平台在其中骨总论骨各论章节加入了附肢骨骼教学虚拟学习情境模块,目的是使学生在传统的观看实物图片、模型、Flash动画演示等媒体教学形式外,运用虚拟现实技术创设具有交互性、沉浸感的虚拟学习情境,更好地发挥媒体教学的优势,使学生在实际的动手操作中得到更深的体会。情境教育作为今天实施素质教育的一个重要选择,有教育发展的必然因素,也有技术发展的积极因素。利用虚拟现实技术进行虚拟学习情景的创设,目前相关研究资料有一些,开发工具还不是很完善,许多关键技术仍没有较好的解决;具体教学过程中,需可视化的教学内容相对比较分散,导致教育中应用虚拟现实技术零散且繁杂。虚拟现实技术如何更好地应用于教育当中,仍值得我们深入思考。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 正文
• 第1章 研究背景
• 1 信息化教育新形态逐渐形成
• 2 迅速广泛应用的虚拟现实技术
• 2.1 虚拟现实技术在Web3d/产品/静物展示中的应用
• 2.2 虚拟现实在游戏中的应用
• 2.3 虚拟现实在虚拟演播室中的应用
• 2.4 虚拟现实在教育中的应用
• 3 创设培养高素质人才教学情境的要求日益紧迫
• 第2章 基于虚拟现实技术的虚拟学习情境概述
• 1 什么是虚拟现实
• 2 虚拟现实的分类
• 2.1 沉浸型虚拟现实系统
• 2.2 简易型虚拟现实系统
• 2.3 共享型虚拟现实系统
• 3 虚拟现实的演变及其发展
• 3.1 美国的研究现状
• 3.1.1 虚拟现实技术思想的产生
• 3.1.2 虚拟现实技术初步发展
• 3.1.3 虚拟现实技术的日趋完善
• 3.2 虚拟现实在欧洲的研究开发
• 3.2.1 VR在英国的研究与开发
• 3.2.2 欧洲其它国家VR的研究状况
• 3.3 虚拟现实在国内研究成果
• 4 虚拟现实与传统三维动画的区别
• 5 学习情境与虚拟学习情境
• 5.1 学习情境的含义与作用
• 5.2 学习情境的创设
• 5.3 虚拟学习情境的创设
• 第3章 虚拟现实技术与教育教学结合
• 1 理论基础
• 1.1 智能放大理论
• 1.1.1 放大
• 1.1.2 适应
• 1.2 虚拟体验理论
• 1.2.1 虚拟功效
• 1.2.2 交互性和丰富度
• 1.2.3 临场感
• 1.2.4 虚拟体验
• 1.3 行为主义学习理论
• 1.4 建构主义的学习理论
• 1.4.1 关于真实情境的有效创设
• 1.4.2 有利于事先学习过程中的协作与会话
• 1.4.3 有助于实现有效的意义建构
• 2 人的空间认知与虚拟现实技术
• 3 虚拟现实技术在教学中的呈现形式
• 3.1 概念掌握
• 3.2 互动合作学习
• 3.3 技能训练
• 第4章 创设虚拟学习情境的相关技术
• 1 三维模型的创建
• 1.1 基于几何模型的实时建模与动态显示技术
• 1.2 基于图像的建模技术
• 1.3 三维扫描成型技术
• 2 人机交互的设计
• 2.1 简单交互
• 2.2 复杂交互
• 3 实时渲染引擎
• 第5章 “附肢骨骼”课件虚拟学习情境的创设
• 1 我们需要什么样的虚拟现实环境
• 2 制作开发工具
• 2.1 三维模型的创建
• 2.2 创建交互的虚拟情境
• 3 课件的制作和功能简介
• 3.1 三维模型导出至VRP-BUILDER
• 3.2 交互脚本的编写
• 3.3 虚拟学习情境的功能简介
• 4 开发中注意问题
• 小结
• 参考文献
• 个人简历和研究成果
• 致谢