Ｗｅｂ３Ｄ技術在教育中的應用

摘要：介紹了基于Web3D技術的虛擬現實技術在教育中的應用。

關鍵詞：Web3D 建構主義 虛擬教育環境

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1002－2422(2008)04－0031－02

1 Web3D技術應用于教育中的理論基礎

基于Web3D的學習環境是建構主義思想的體現。建構主義理論的核心觀點是：人作為認知主體對知識的獲取不是被動地接受，而是主動加工建構的，即學習知識是“認知主體”的內部心理過程，而不再是“刺激一反應”的行為過程，并把學習者看作是“信息加工主體”，而不是對外部刺激做出被動反應的“知識灌輸對象”。“以學生為中心，老師為指導”的教育理論，強調了學生是知識建構的主體，強調學生對知識的主動探索、主動發現以及主動建構知識、整合知識。教師只是學生的指導者，是幫助學生積極主動完成知識建構的領路人。建構主義學習理論的重要原則之一，是為學生創設一個有利于其學習的能夠進行真實活動的情境，引導學生進入這個情境。能否提供高度互動體驗，是虛擬環境(VES)的一個最有價值的特征。

由于許多的知識或教學情景是在現實教學中不易或者不允許出現的，例如，遙遠的太空、生物機體和器官的內部、微小的分子等等，因此，在傳統的教學中，就會限制學生的聯想思維，致使學生對知識的意義建構發生困難。Web3D技術是創立“情境”的好方法，VES常常被看作體現建構主義的理想學習環境。

2 Web3D技術在教育中的應用

(1)加強教學和研究的媒體。在簡單的VRML1.0中，VRML本質上是一個圖形表現，任何課本和課程材料可得益于VRML。如果課程要求多個三維物體或空間時，VILML能起很好的輔助作用，促進學生理解，幫助學生記憶。

(2)虛擬環境。Web3D能提供一種近似真實的環境，可應用于技能訓練上，如醫學解剖、飛行駕駛以及軍事上的訓練模擬和作戰模擬。在遠程教學中，利用Web3D構建虛擬的學習空間，能獲得真實的經驗和知識。在自然博物館的網點上，學生可穿過人體細胞的三維內部構成模型。未來的虛擬教室則是由風、溫度、壓力、振動、立體、色彩等構成的完全的模擬環境。

(3)新的研究主題。新技術(例如，多媒體和計算機圖形學)為職業培訓和課程建設提供了基礎。同樣，如果為了社會使用或數據可視化目的，功能完整的Web3D技術將為虛擬空間設計和現實中的課程建設提供機會。對于這樣的課程，需要懂得幾種重要的技術，如3D建模、Internet以及相關的工具。也需要特別的設計技術，例如，人與空間的關系，要理解合作性、多用戶空間就需要具備社會學和心理學知識。

(4)一種合作空間。通信技術允許學生和老師參與分布式的會議、討論、指導。在虛擬課堂上，雖然學生和教師、學生和學生相隔千里，但每個人都有身臨其境的感覺，可以互相討論、交流、游戲，如同在一間教室中一樣。隨著網絡教育的興起，Web3D技術能減輕一些遠距離教學帶來的孤獨感，學生不僅能使用課程材料，而且能在社會空間中與其他學生和老師進行虛擬會晤。

3 Web3D技術在教育中應用的優點

(1)發展了課堂教學。利用Web3D技術，可以徹底打破空間的限制，例如，學生可進入虛擬實驗室，觀察電子的運動軌跡和體驗愛因斯坦的相對世界，從而更形象地獲取知識，激發思維；Web3D技術還可以突破時間的限制，例如，學生可以跨越時空觀摩歷史城堡，體驗歷史人物的生活，寓教于樂。

(2)能彌補教學條件的不足。在傳統的教學中，常常會因為實驗儀器、實驗場地、教學經費等方面的原因，而使一些應該開設的教學實驗無法進行。利用Web3D技術，可彌補這些方面的不足，學生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。并且，虛擬實驗儀器設備和原材料可以自動復原無限使用，大大降低了實驗成本。

(3)避免真實實驗或操作所帶來的各種潛在危險。以前對于危險的或對人體健康有危害的實驗，一般采用電視錄像的方式來取代實驗，這樣學生無法直接參與實驗，無法獲得感性認識。利用Web3D技術進行虛擬實驗，則可免除這種顧慮。學生在虛擬實驗環境中，可以放心地去做各種危險的或危害人體的實驗。例如，虛擬的手術，學生再也不用擔心因為誤操作，而造成“病人”死亡的醫療事故了。

(4)可以虛擬人物形象。虛擬現實系統可以虛擬歷史上的偉人、名人、教師、學生等各種人物形象，創設一個人性化的學習環境，使學生能夠在自然、親切的氣氛中進行學習。例如，在虛擬的課堂學習氣氛中，學生可以與虛擬的教師一起探討學習中的各種問題，進行協作化學習。

(5)可以培養學生的創新能力。利用Web3D技術，學生可以進行物理實驗設計、電路設計、建筑設計、服裝設計、室內裝潢等多方面的探索學習，從而找出規律，設計出自己滿意的作品。利用Web3D技術進行探索學習，有利于激發學生的創造性思維，培養學生的創新能力。

4 Web3D技術在教育中應用的局限性

(1)是在所有的虛擬環境(VES)中經常遇見的，例如，在進行3D交互中的導航問題，用戶往往很難想去哪里就去哪里，很容易迷失方向，不知道怎樣到達一個特定的位置或角度。既然這種教育環境面對的大多是普通用戶，那么運動和認知空間就應該設置得比較簡單。雖然虛擬環境可以給用戶提供身臨其境的感覺，但一些教育虛擬環境通過交互界面給用戶提供的選擇很難理解和使用。

(2)教師缺乏經驗和在課堂上使用時存在困難。基于Web3D的職業培訓是先讓學生在虛擬環境下進行學習和訓練，熟練后再讓學生在真實的環境下使用。由于虛擬教育環境(EVES)的主要目的是培養學生主動地進行知識發現和建構，教師的角色也從知識的解答者向學習伙伴或指導者轉變，因此課程結構的設置也需要進行一系列相應的變化。

(3)用戶的期望過高會對學習產生負面影響。如果學習者認為VES是對現實的真實模仿，就會產生很高的期望，但是當VES稍微與現實有些不一樣，學習者的學習過程就會出現偏離。然而，VES通常會用簡單有效的抽象任務，并不是完全再現真實的任務，只是簡單地獲取必要技能。例如，醫學上用VES來模擬的人體器官，并不是完全真實的再現器官，只能是用相似的幾何形體來表現它。

(4)是與使用沉浸式虛擬硬件相關的。雖然沉浸式環境比桌面環境更有效，但是當用戶戴上頭盔顯示器和數據手套，處在一個虛擬山洞中時，因為不能記筆記，或者不能完全記下問題，所以跟不上老師的解釋。此外，文字指令和信息可能更容易存在問題。

必須指出的是目前Web3D技術，并不能通過硬件和特殊外部設備提供一個方便、靈活的身臨其境的環境，Web3D的研究人員正在努力克服這種局限性，例如，Soares和Zuf-fo(2004)正在研究開發一種在普通計算機和沉浸式硬件上運行的X-3D瀏覽器。

5 結束語

在對EVES進行設計時既要考慮到建構主義理論知識，還要考慮到可用性問題。

Web3D技術在網絡教學中已經發揮了越來越大的作用，由于其在技術上得天獨厚的優勢，因此，在有關專業和有關方面取得了良好的教學效果。