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| | 基于VRML的学习环境及其应用 |
［摘 要］ 新兴的VRML语言将改变我们目前用HTML语言建立的万维网，同时也改变我们的教学环境。本文从学习理论和教学设计的角度初步论述了基于VRML学习环境的特点及其理论支持，并探讨了VRML技术在网络教学中的应用。
［关键词］ VRML，学习环境，经验之塔，建构主义，网络教学，应用
目前，虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、工程技术、建筑设计、医学实习、军事训练、艺术等许多领域。在发达国家，虚拟现实技术已应用于远程教育及课堂教学。虚拟现实领域中的VRML技术的出现，无疑将对网络教学产生深远的影响。
一、VRML技术简介
VRML(Virtual Reality Modeling Language—虚拟现实建模语言)是一种在WWW中描述虚拟技术（VR）的工具，是一项和多媒体通讯、因特网、虚拟现实等领域密切相关的新技术。其基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，号称为第二代Web建模语言。它的主要特征有三维性、交互性、动态性、实时性等，并且能够在Internet或局域网上快速传递。该语言于94年开始酝酿，95年建立了VRML1.0规范，97年建立了VRML2.0（ISO/IEC/DIS/4722）规范国际标准，98年1月被正式批准为国际标准（ISO/IEC14772-1:1997,通常称为VRML97）,创立了标准化进程近18个月的ISO/IEC记录，它还是第一个用HTML发布的国际标准。
基于VRML的虚拟现实技术与常规的虚拟现实技术有所不同。典型的虚拟现实意味着可借助复杂设备（例如头盔式显示器、数据手套）进入虚幻境界，获得沉浸式体验。VRML与设备无关，既不强求沉浸感，也不排斥沉浸感，而是作为一种描述虚拟境界的语言独立存在，以VRML为基础可以建立不同档次的系统实现，这是VRML得以快速发展的动力之一。
由于VRML能与Web紧密的结合，故由VRML所建造的模型、场景，都可容易在Internet上传送，未来的远程教育及合作学习，也可以由VRML来完成。利用VRML建造的模型，基本上是放置于Web Server上，使用者则是透过一般网页浏览器或虚拟实境浏览器来取得虚拟实境模型。利用VRML技术建构的学习环境，将会是建构未来网络化教学环境的新模式。
二、基于VRML学习环境的特点
利用VRML技术建构的网络学习环境，具有以下的特点：
1.协作性
首先基于VRML的学习环境是一个基于网络的环境，具有网络化学习环境的特点。最突出的一点是协作性，由于网络技术使资源可以自由共享，因此网络化学习环境中的学习者可以进行协作化和竞争性的学习，可以形成合作小组互相帮助，共同学习，不仅在知识的量上有所提高，而且可以增强学习者的合作精神和竞争意识。我们提倡素质教育就是不仅要传授知识，而且要培养学生个体在各方面全面发展。网络化教学环境可以对此提供很好的条件。
2.存在感
VRML技术为Web世界提供了三维的空间，改变了以往文本加图像的二维画面，主页的显示变成了实物场景，主页间的链接是一些物体或一扇门。上网就像在真正的网际空间中遨游，感觉就像到了另一个五彩缤纷的虚幻世界一样。学习者作为主角存在于模拟的场景中，在这样的场景中学习的学习者犹如进入了知识的宝库大门，感觉非常真实。这样的教学环境引起学习者的好奇心和求知欲，大大提高了教学和学习的质量和效率。
3.交互性
VRML结合了多媒体技术、虚拟现实技术和网络技术，因此学习者通过鼠标可以在网上畅游，实现人机交互，只不过与计算机的交互不再是简单的文字和图片链接，而是一些具有真实感和现场感的物体。它的交互性有利于个别化学习，学习者可以根据自己的学习情况来使学习的进度按照自己的步调来进行，同时教师的负担减轻了。
4.易普及性
应用VRML并不难，类似HTML语言一样，它也是一种标准语言，不需要安装专门的开发工具，甚至用Windows自带的记事本即可编写。另外，以目前一般的电脑设备，足以用来呈现VRML的世界。VRML也不需要添加昂贵的外部设备，只需安装专门的浏览器即可。比如Cortona，Cosmo Player，微软VRML 2.0Viewer，Browser Plug-ins，Worldview等。
三、基于VRML的教学环境的理论支持
随着网络教育研究的不断深入，原有的教育理论有了新的发展。一些教育理论被引入网络教育中，并转化为教育行为。
1.戴尔的“经验之塔”理论
戴尔的“经验之塔”，把人们获得知识与能力的各种经验，分为三类十个层次。
(１)做的经验。包含：有目的直接的经验，设计的经验，参与演戏。
(２)观察的经验。包含：观摩示范，野外旅行，参观展览，电影电视，广播录音与照片幻灯。
(３)抽象的经验。包含：视觉符号，言语符号。
第一类经验，是通过亲身对事物的接触与实践去获得事物的信息；第二类经验，是通过观察事物和载有事物信息的媒体去间接获得事物的信息；第三类经验，是通过抽象符号的媒体去获得事物的信息。人的经验（信息的获得）从低到高分为：做的经验，观察的经验和抽象的经验。所谓的高低，是指人获得信息或经验的累积程度，也就是说，人首先是从做中学习的，随着经验的累积，通过平时观察和看到的事物或事情，即可获得一定的经验，即使自己没有亲手参与，但也能够在大脑中形成记忆。
利用VRML技术构建起的网络化教学环境可以给学习者提供虚拟情境，非常容易帮助学习者获得做的经验和观察的经验，而某些经验的获取在费用太昂贵或危险性极高的条件下难以实现时，VRML技术可以轻松解决这个困境，而且学习者在原有的认知基础上，还可以获得思维的经验。
2.皮亚杰建构主义学习理论
可以说皮亚杰是建构主义学习理论的鼻祖。他的理论的核心观点：人的各种内部因素（如同化和顺应功能），是按照一种先天决定的发展顺序，与影响认知结构发生变化的各种环境因素共同作用的。因此，他强调个体在认知生长过程的积极作用，同时建议为儿童提供最佳学习环境。因此，学习环境的创设是极其重要的。
网络教育强调培养学生的能力、素质与创造性,要求学生能灵活地掌握知识,其教育理论和学习理论应建立在建构主义基础上，强调以学生为中心的教学模式。要在学习进程中充分发挥学生的主动性,要能体现出学生的主体精神。要求学生有多种机会在不同的情境下去应用他们所学的知识。要让学生能根据自身行动的反馈信息来形成对客观事物的认识和解决实际问题的方案。发挥主体精神、将知识外化和实现自我反馈可以说是体现以学生为中心的三个要素,是培养现代人才的必备条件。
目前，信息技术的发展使学习环境的创设发生了很大变革，比如网络化教室、多媒体物理教室、多媒体生物教室等等，除了这些硬环境之外，学习环境还应包括软环境（各种各样的资源），它们的建设也有了很大改观。鉴于以往在教育改革中的教训，只重视硬环境的建设，忽视了软环境的建设，造成了极大的浪费，现在国家各级各类学校大力发展资源建设，使得这种情况已大为改观。而基于VRML的网络化学习环境比前面提到的一般网络学习环境更人本化，更接近人的认知发展过程，因此在不久的将来，会是一种新型的学习环境。
3.基于VRML的学习环境设计
基于VRML的学习环境所包括的要素主要有：学习者、教育者、模拟探究情境、教学设计、学习任务。
学习者：在基于VRML的学习环境下的学习者有不同的特征，因此必须考虑不同类型学习者的特征，以便教育者调整学习任务，创设模拟探究情境，进行教学设计，从而为学习者完成学习任务创设良好的学习环境。学习者特征包括学习者的先天品质和习得的特征。先天品质往往由遗传决定，学习并不是为了改变这些特征。在学习中后天习得的特征对学习有重要影响，包括智能技能、认知策略、言语信息、态度和动作技能，在设计学习环境的过程中，大多数情况下（除了超常儿童和有缺陷的儿童），应主要考虑这些习得的特征。
教育者：建构主义学习理论支持的基于VRML学习环境里的教育者，不应该只是知识的传授者，而更应是学习者在学习过程中的帮助者、指导者，他还要设计学习任务，创设模拟探究情景，进行教学设计。当然，教育者除了应具有教育传播技术，包括使用多种媒体的技术、教学设计技术、语言传播和非语言传播技术，还应具备高尚的品德，宽容的情怀，高雅的气质，这些甚至会在潜移默化中影响学习者的一生。
教学设计：在基于VRML的学习环境中，教学设计就是教育者要依据学习任务，鉴别学生的起点行为（学生开始接受学习任务时所需要的初始技能）和学习者特征，利用VRML技术提供的模拟化情景进行设计。网络教育对VRML技术教学环境设计提出了5条要求:
①满足以自主学习为中心的学习者网络自学的要求(自定步调、自定内容、自定学习程序、自定时间等)；
②满足学习者掌握知识，并进行思维、想象、知识迁移等训练的要求；
③满足学生的交互活动及学习指导的要求；
④满足学生对自测及自我评价的要求；
⑤满足多种媒体组合对网络教学的要求。
模拟探究情境：模拟化探究情境是在VRML技术的基础上建立的，由教育者创设，为学习者完成学习任务服务。学习者在学习时可以根据学习的任务，在虚拟网际空间中，寻求完成任务的方法，大大提高了学习者自主学习、自我探究的能力，还给学习者带来了深刻的感受力和领悟力。
学习任务：学习任务的制定是以学习目的为依据，而学习目的是以学习者为核心的。因此，制定学习任务，要根据学习目的，分析学习的类型。按照加涅的学习类型分析，分为智能技能、认知策略、言语信息、态度和动作技能五类。同时还要分析学习者，选择相应的媒体来制定学习任务。基于VRML的学习环境也许不适用于某些学习任务，但对于某些需要多感官体验的，学习者的经验尚处于做和观察经验阶段的儿童，这种学习环境将给予最大和最经济的支持。
四、基于VRML的学习环境应用
基于VRML虚拟现实技术能够为学习者提供生动、逼真的学习环境，学习者能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对激发学习者的学习兴趣，调动学习者的学习积极性，提高学习者的想象力和创造力，突破教学的重点、难点，培养学生的综合技能都将起到积极的作用。VRML虚拟现实技术在网络教学中的应用主要有以下两大方面。
1.探究学习与素质培养
应用虚拟现实技术教学，可使复杂的教学内容、抽象的概念简单化，直观化、形象化，方便学生对学习内容的理解和掌握。例如，天文的、数学的空间概念，许多人类无法感应到的抽象信息，这些都可以通过计算机虚拟将它做的更具体，或将之转换成其它的知觉感受，使学生更易于学习及了解。再如，在外语教学中，可以通过计算机虚拟学生到国外旅游的情境，让学生与人交谈，达到训练学生口语的目的。
应用虚拟现实学习系统，可再现实际生活中无法观察或体验到的自然现象及事物的变化过程，为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点。例如，通过虚拟现实系统，让学生了解认识地震、雷电等自然现象。又如，通过虚拟现实系统，向学生展现如分子的构造、原子核裂变、基因的结构等复杂的现象，供学生观察学习，掌握知识。
应用虚拟现实技术，教师可以提供各种学习情境，也可以制造某一事件，然后由学生去了解整个过程，进而分析这事件整个因果关系，以训练学生思考、判断分析与解决问题的能力。
利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间、时间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察探索。一些需要长期才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，几个月甚至几年的生物成长过程以几分钟的计算机虚拟来呈现。虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。利用虚拟技术，学生还可以进行生态环境、电路设计、建筑设计等方面的探索学习，从而研究出生态环境对人类的影响，或设计出新的电路、新的建筑物。利用虚拟现实技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。
２.虚拟实验与技能训练
利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，进行虚拟实验。在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。对于学习过程过于危险，甚至根本无法安排实际的学习情境，可通过虚拟实验完成。虚拟系统代表真实的世界，学生经由与系统的互动来练习下决定、探究假说，而不必承受在真实世界中因错误策略所导致的危险，而且虚拟系统也较为便宜、简单、省时又方便。利用基于VRML虚拟现实技术进行虚拟实验，学生可以直接参与实验，获得感性认识，还可以免除这种顾虑。例如，在虚拟的生物实验里，可以做各种解剖实验。在虚拟的化学实验室里，可以做各种不同的化学实验。虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误，而造成“病人”死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。
虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。利用虚拟现实技术，可以做各种各样的技能训练。例如军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、电器维修技能等各种职业技能的训练。由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。
五、结束语
目前，尽管虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，虚拟现实技术尚未能普及。VRML技术存在的一些问题（如VRML的文件格式问题，VRML扩展接口问题，以及VRML还没有一种象JAVA那样成熟的内置语言等）有待解决。但随着国际互联网络的普及，网络技术和硬件设施的飞速发展，VRML技术的不断完善和发展，虚拟现实技术将成为今后网络多媒体发展方向的主流。VRML技术作为一种ISO国际标准在网络教育中将得到越来越广泛的应用。
［1］黄铁军，柳健.VRML国际标准与应用指南［M］.北京：电子工业出版社，1999.
［2］南国农，李运林.电化教育学［M］.北京：高等教育出版社，1998.
［3］林思卫. VRML在有机化学网络教学中的应用［DB/OL］. http://61.132.64.91/edupioneer/xdsj/wz2.htm.
［4］郭建才.虚拟现实技术及其在远程教学中的应用［J］.中国电大教育，1999，（6）. |
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