基于虚拟现实技术的网络课件写作系统.docx
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基于虚拟现实技术的网络课件写作系统
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中采用全新的教学模式（彻底摒弃以教师为中心、强调知识传授、把学生当作知识灌输对象的传统教学模式）、全新的教学方法和全新的教学设计思想。
以“学”为中心的教学设计理论正是顺应建构主义学习环境的上述要求而提出来的，因而很自然地，建构主义的学习理论就成为以“学”为中心的教学设计的理论基础[1]。
⑴强调以学生为中心[1]
传统的ID理论是以“教”为中心的，强调教师的“教”。
其教学设计的目的是如何帮助教师把课备好、教好，而很少考虑学生“如何学”的问题。
它有利于教师主导作用的发挥，有利于按教学目标的要求来组织教学。
但是在个别化的学习中，按这种理论设计的教学系统中学生的主动性、积极性往往受到一定的限制，难以充分体现学生的认知主体作用。
建构主义强调充分发挥学生的认知主体作用，重视学生在学习中的首创精神。
[1]
⑵强调“情境”对意义建构的重要作用[1]
建构主义认为，学习总是与一定的社会文化背景即“情境”相联系的，在实际情境下进行学习，可以使学习者能利用自己原有认知结构中的有关经验去同化当前学习到的新知识，从而赋予新知识以某种意义；如果原有经验不能同化新知识，则要引起“顺应”过程，即对原有认知结构进行改造与重组。
总之，通过“同化”与“顺应”才能达到对新知识意义的建构。
在传统的课堂讲授中，由于不能提供实际情境所具有的生动性、丰富性，因而将使学习者对知识的意义建构发生困难。
⑶强调“协作学习”对意义建构的关键作用[1]
建构主义认为，学习者与周围环境的交互作用，对于学习内容的理解（即对知识意义的建构）起着关键性的作用。
这是建构主义的核心概念之一。
学生们在教师的组织和引导下一起讨论和交流，共同建立起学习群体并成为其中的一员。
在这样的群体中，共同批判地考察各种理论、观点、信仰和假说；进行协商和辩论，先内部协商（即和自身争辩到底哪一种观点正确），然后再相互协商（即对当前问题摆出各自的看法、论据及有关材料并对别人的观点作出分析和评论）。
通过这样的协作学习环境，学习者群体（包括教师和每位学生）的思维与智慧就可以被整个群体所共享，即整个学习群体共同完成对所学知识的意义建构，而不是其中的某一位或某几位学生完成意义建构。
⑷强调对学习环境（而非教学环境）的设计[1]
建构主义认为，学习环境是学习者可以在其中进行自由探索和自主学习的场所。
在此环境中学生可以利用各种工具和信息资源（如文字材料、书籍、音像资料、CAI与多媒体课件以及Internet上的信息等）来达到自己的学习目标。
在这一过程中学生不仅能得到教师的帮助与支持，而且学生之间也可以相互协作和支持。
按照这种观念，学习应当被促进和支持而不应受到严格的控制与支配；学习环境则是一个支持和促进学习的场所。
在建构主义学习理论指导下的教学设计应是针对学习环境的设计而非教学环境的设计。
这是因为，教学意味着更多的控制与支配，而学习则意味着更多的主动与自由。
⑸强调利用各种信息资源来支持“学”（而非支持“教”）[1]
为了支持学习者的主动探索和完成意义建构，在学习过程中要为学习者提供各种信息资源（包括各种类型的教学媒体和教学资料）。
但是必须明确：
这里利用这些媒体和资料并非用于辅助教师的讲解和演示，而是用于支持学生的自主学习和协作式探索。
因此对传统教学设计中有关“教学媒体的选择与设计”这一部分，将有全新的处理方式。
例如在传统教学设计中，对媒体的呈现要根据学生的认知心理和年龄特征作精心的设计。
现在由于把媒体的选择、使用与控制的权力交给了学生，这种设计就完全没有必要了。
反之，对于信息资源应如何获取、从哪里获取，以及如何有效地加以利用等问题，则成为主动探索过程中迫切需要教师提供帮助的内容。
显然，这些问题在传统教学设计中是不会碰到或是很少碰到的，而在以“学”为中心的建构主义学习环境下，则成为急待解决的普遍性问题。
⑹强调学习过程的最终目的是完成意义建构（而非完成教学目标）[1]
在传统教学设计中，教学目标是高于一切的，它既是教学过程的出发点，又是教学过程的归宿。
通过教学目标分析可以确定所需的教学内容；教学目标还是检查最终教学效果和进行教学评估的依据。
但是在以“学”为中心的建构主义学习环境中，由于强调学生是认知主体、是意义的主动建构者，所以是把学生对知识的意义建构作为整个学习过程的最终目的。
在这样的学习环境中，教学设计通常不是从分析教学目标开始，而是从如何创设有利于学生意义建构的情境开始，整个教学设计过程紧紧围绕“意义建构”这个中心而展开，不论是学生的独立探索、协作学习还是教师辅导，总之，学习过程中的一切活动都要从属于这一中心，都要有利于完成和深化对所学知识的意义建构。
在学习过程中强调对知识的意义建构，这一点无疑是正确的。
但是，在当前建构主义学习环境的教学设计中，往往看不到教学目标分析这类字眼，“教学目标”被“意义建构”所取代，似乎在建构主义学习环境下完全没有必要进行教学目标分析。
这种看法则是片面的，不应该把二者对立起来。
因为“意义建构”是指对当前所学知识的意义进行建构，而“当前所学知识”这一概念是含糊的、笼统的。
某一节的课文内容显然是当前所要学习的知识，但是一节课总是由若干知识点组成的，而各个知识点的重要性是不相同的：
有的属于基本概念、基本原理（是教学目标要求必须“掌握”的内容）；有的则属于一般的事实性知识或当前学习阶段只需要知道还无需掌握的知识（对这类知识教学目标只要求“了解”）。
可见，对当前所学内容不加区分、一律要求对其完成“意义建构”（即达到较深刻的理解与掌握）是不适当的。
正确的作法应该是：
在进行教学目标分析的基础上选出当前所学知识中的基本概念、基本原理、基本方法和基本过程作为当前所学知识的“主题”（或曰“基本内容”），然后再围绕这个主题进行意义建构。
这样建构的“意义”才是真正有意义的，才是符合教学要求的。
2）认知灵活性理论
认知灵活性理论（CognitiveFlexibilityTheory，CFT）提出：
复杂的知识通过在新的实例情景中的灵活应用，可以学习的更好。
这些情景包括以下几个要素：
⑴运用多种知识的表示形式；
⑵将抽象的概念融于具体实例之中；
⑶将复杂知识的概念间的网状联系表示出来；
⑷强调知识的聚合而不是重复性记忆；
⑸较早地引入概念的复杂性与学科领域的复杂性；
3）情景认知理论
情景认知理论（SituatedCognitionTheory，SCT）认为认知过程基本上是建立在活动情景之中的。
SCT十分重视活动的性质和参与者在真实情景中有意义有目的的行为。
在学习中建构认知情景可以从以下几个方面着手：
⑴在真实活动中建模知识；
⑵通过台架或教练来引导学生完成任务；
⑶让学生连接、组织其零散的知识并区分无效的策略与错误的观念；
⑷逐渐减少帮助，以培养学生能力；
4）主动学习环境
主动学习环境（ActionLearningEnvironment，ALE）正是在认知理论的基础上提出的。
ALE给学生一个提供一个明确的任务，创造一种情景让学生来完成这个任务，在此期间提供指导以帮助学生获得成功。
二、虚拟现实技术综述
1．虚拟现实及其基本特征
虚拟现实（简称VR：
VirtualReality），又称临境技术，是最近几年得到迅速发展的技术。
“虚拟现实”一词是由美国VPLResearchInc公司的J.Lanier在1989年所创造的一个词，它通常是指用立体眼镜的传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实，人们通过这些设施以自然的方式（如头的转动、身体的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界。
随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。
目前，与虚拟现实相关的内容已经扩大到了与之相关的许多方面，像“人工现实（ArtificialReality）”、“遥现”（Telepresence）、“虚拟环境”（VirtualEnvironment）、“赛伯空间”（Cyberspace）等，都可以认为是虚拟现实的不同术语或形式。
事实上，虚拟实现技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套的技术，而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法。
它要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其一的和谐人机环境，也就是由多维信息所构成的可操纵的空间。
它的最重要的目标就是真实的体验和方便自然的人机交互，能够达到或者部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统。
虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界。
从概念上讲，任何一个虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特性[18]，这就是“沉浸（Immersion）”、“交互（Interaction）”和“想象（Imagination）”，如下图所示：
虚拟现实的基本特征
这三个“I”反映了虚拟现实系统的关键特性，就是系统与人的充分交互，它强调人在虚拟现实环境中的主导作用。
虚拟现实系统的设计要达到以下目标：
第一，要使参与者有“真实”的体验。
这种体验就是“沉浸”或“投入”，即全心地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。
理想的虚拟环境应达到用户难以分辩真假的程度，甚至比真的还“真”。
这种沉浸感的意义在于可以使用户集中注意力。
为了达到这个目标，就必须具有多感知的能力，理想的虚拟现实系统应具备人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至味觉和嗅觉。
第二，系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。
这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，能从虚拟环境中得到反馈信息，也能便系统了解参与者的关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。
实时性是非常重要的，如果在交互时存在较大的延迟，与人的心理经验不一致，就谈不上以自然技能的交互，也很难获得沉浸感。
为达到这个目标，高速计算和处理就必不可少。
参与者在虚拟环境中的活动或者经历有两种形式，一种是主观参与（First-personactivities），另一种是客观参与（Second-personactivities）。
主观参与时，参与者是整个经历的中心，一切围绕参与者进行；客观参与时参与者则可以在虚拟环境中看到他自己与其它物体的交互。
交互和沉浸是任何虚拟现实经历的两个实质性的特征，因此，根据虚拟现实应用的不同，即沉浸的程度，它可以分成不同的类别。
早期的虚拟现实系统可能只有部分虚拟现实的特性，例如环幕电影或立体电影。
有的应用也不需要完全的沉浸和投入，例如增强现实系统。
在实际应用中，不同虚拟现实系统设计的侧重点和所受约束各不相同。
例如，受资金限制装备不上最先进的硬件设备，或是硬件本身性能达不到要求，这样系统的计算速度、交互手段可能要受到影响，此时只能从软件上着手弥补缺陷，产生了许多基于软件的技术，例如基于静态图像的虚拟现实系统、虚拟仿真等。
由于虚拟现实本身并不限制使用的技术范围，只要能达到目标，可以把各种技术有效地集成起来设计出一个成功的虚拟现实系统。
2．虚拟现实系统类型的划分
VR最本质的特征用户对虚拟场景的沉浸，根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我们可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类：
1）桌面级的虚拟现实
桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，计算机的屏幕用来作为用户观察虚拟境界的一个窗口，各种外部设备一般用来驾驭虚拟境界，并且有助于操纵在虚拟情景中的各种物体。
这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩球等。
它要求参与者使用位置跟
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