虚拟教学系统中三维交互技术研究
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................. 1
§1.1 课题简介 ............................................................................................................. 1
§1.1.1 研究背景 ...................................................................................................... 1
§1.1.2 课题的主要内容及意义 .............................................................................. 3
§1.2 国内外发展现状 ................................................................................................. 6
§1.2.1 人机交互技术国内外的发展现状 .............................................................. 6
§1.2.2 在虚拟教学中的发展现状 .......................................................................... 8
§1.3 本文的主要研究内容 ......................................................................................... 9
§1.3.1 研究内容 ...................................................................................................... 9
§1.3.2 本文组织结构 ............................................................................................ 10
§1.4 本章小结 ............................................................................................................ 11
第二章 虚拟教学系统中三维交互总体架构 .............................................................. 13
§2.1 教学方式理论基础 ........................................................................................... 13
§2.2 基于建构主义的教学交互模式 ....................................................................... 14
§2.2.1 功能概述 .................................................................................................... 14
§2.2.2 结构模型 .................................................................................................... 16
§2.3 技术框架 ........................................................................................................... 18
§2.4 本章小结 ........................................................................................................... 19
第三章 人机交互输入技术 .......................................................................................... 21
§3.1 多通道人机交互技术 ....................................................................................... 21
§3.2 触摸感应输入手段选择 ................................................................................... 22
§3.3 红外感应屏实现原理与技术剖析 ................................................................... 22
§3.4 工作过程设计 ................................................................................................... 24
§3.4.1 确定触摸点位置 ........................................................................................ 26
§3.4.2 扫描信号执行流程 .................................................................................... 27
§3.4.3 电路组织结构 ............................................................................................ 31
§3.4.4 PC 机数据分析与处理 .............................................................................. 35
§3.5 电子器件选择及检测电路设计 ....................................................................... 36
§3.5.1 重要元器件的选择与实验 ........................................................................ 36
§3.5.2 信号检测与整形电路设计 ........................................................................ 38
§3.6 软件实现 ........................................................................................................... 39
§3.6.1 扫描检测部分软件设计 ............................................................................ 39
§3.6.2 PC 机软件实现 .......................................................................................... 41
§3.7 本章小结 ........................................................................................................... 46
第四章 虚拟课件中三维交互技术 .............................................................................. 47
§4.1 三维交互在虚拟课件中需求分析 ................................................................... 47
§4.2 三维交互实现方法 ........................................................................................... 48
§4.3 基于 VRML 的虚拟课件中三维交互技术 ...................................................... 50
§4.3.1 软件配置与浏览器选择 ............................................................................ 50
§4.3.2 虚拟可交互模型建立与优化处理 ............................................................ 51
§4.3.3 交互功能实现与扩展 ................................................................................ 57
§4.4 本章小结 ........................................................................................................... 62
第五章 三维可交互汽车变速器虚拟教学系统开发 .................................................. 63
§5.1 引言 ................................................................................................................... 63
§5.2 70 英寸红外感应屏 .......................................................................................... 63
§5.2.1 硬件配置 .................................................................................................... 63
§5.2.2 软件开发环境配置 .................................................................................... 64
§5.2.3 感应屏信号扫描效率 ................................................................................ 64
§5.3 变速器三维模型建立与实时操控性 ............................................................... 65
§5.3.1 变速器模型的建立 .................................................................................... 65
§5.3.2 变速器实时操控功能 ................................................................................ 66
§5.4 立体视觉显示 ................................................................................................... 67
§5.5 本章小结 ........................................................................................................... 68
第六章 总结与展望 ...................................................................................................... 69
§6.1 全文总结 ........................................................................................................... 69
§6.2 展望 ................................................................................................................... 69
参考文献 ........................................................................................................................ 71
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 75
致谢 ................................................................................................................................ 77
第一章绪论
1
第一章 绪 论
§0.1 课题简介
在传统教学方式中，教师可以随时板书，吸引学生注意力并与学生互动，授
课效果好。但是需要花费很长时间，大大地降低了上课效率，同时，粉笔灰尘对
教师和学生身体健康产生了极大的危害。
随着计算机技术的发展，多媒体教学已经越来越广泛地应用于课堂教学。教
师课前做好电子课件，课堂上只要通过电脑设备，投影机，投影幕和音响设备用
图、文、声、像和动态视频等方式把传统教学方式下难以表述的现象与过程生动
而形象地显现出来[1]，节约了大量的板书时间，有效地扩展了课时容量，提高了教
学效率。
但随着近几年现代化教学的应用，普通多媒体教学系统的弊端就暴露无遗：
（1）在讲课时，教师必须站在电脑旁通过鼠标或键盘操作课件，大大降低了
教学的灵活性，拉远了教师与学生的距离。
（2）课堂讲解只能以已有电子文档为基础，不能随时在其基础上更改或者实
时做出批注进行更加详细的说明，大大限制了教师、黑板与学生之间的交互性。
（3）目前的多媒体教学一般采用正投技术，当教师需要站在投影幕前讲解时
身体会遮挡住一部分投影画面，而且投影机的光线对教师视网膜会产生严重伤害。
（4）教学课件为二维显示，对于很多需要进入结构体内部的立体显示场合，
无法满足学生对三维信息的需要。
本课题主要针对目前课堂教学过程中遇到的以上问题，提出了新的虚拟教学
系统教学模式，并着重研究了其中的若干重要技术。
§0.1.1 研究背景
教育是国家发展的基石，少年强则国强，这些年来世界各国都非常重视教育
的发展，一直在教学方法、思想和技术手段上谋求进步，以适应不同时期科技发
展、社会进步的要求，社会的进步和科技的发展也为教学手段的改进注入了新的
活力。
以微电子技术为代表的新技术革命, 正在引起经济和社会各方面的变化。其势
如潮涌,方兴未艾。世界各国在这场新技术革命中进行着激烈的竞争。谁能赢得这
场竞争的胜利, 谁就能跨入世界先进国家的行列。这场竞争的实质是科学技术的
竞争、人才的竞争, 归根结底还是教育的竞争[2]。
虚拟教学系统中三维交互技术研究
2
21世纪人类正以惊人的速度步入信息时代，信息时代的到来不仅极大地改变着
人们的生产方式和生活方式，而且极大地改变着人们的思维和学习方式，从文字
到图像，从三维技术到虚拟现实，是这个进程中的必然逻辑，学校教育越来越走
向网络化、虚拟化、国际化和个性化[3]。
当代科学技术的进步, 大大丰富了教学内容, 主要体现在各学科知识, 特别
是边缘学科、交叉学科的迅猛发展, 知识量的激剧增加, 新旧知识的迅速交替。
这就要求教学内容在深度和广度上有较大幅度的增加[4]。日益增加的知识范围和有
限的修学年限之间的矛盾越来越尖锐。怎样才能使学生在较短的时间内学到更广、
更深的知识, 怎样才能改变传统教育单纯地致力于传递和储存知识的局面, 而更
着眼于教育学生寻求获取知识的新方法、开拓学生智能, 实现教育的现代化, 是
当前教育界的一个紧迫问题。
面对这种日新月异的数字化生存环境，如何学与教关系到新世纪创新人才的
培养，关系到教育能否跟上信息时代的发展步伐，能否与世界发达国家的教育相
接轨的大问题[5]。信息社会的高度发展要求教学方式必须改革以满足培养面向信息
化社会创新人才的要求，同时，信息社会计算机技术、网络技术、虚拟现实技术
等先进科学技术的发展也为这种改革提供了良好的环境和技术条件。
这需要我们对“教什么”和“怎么教”两个问题作出科学而有效的回答，解决
前者的途径即建设能够支持信息技术环境下的教与学的优质教育教学资源，后者
也就是要实现教育教学理论、模式和方法的创新，以及通过培养一批能够适应和
实施信息时代教育教学理念和方式的师资队伍，使新理念、新方法、新技术能够
真正为培养 21 世纪的优秀人才服务，真正发挥信息化设施与优质教育教学资源的
潜在优势。
但目前我国的教学方式主要是黑板加简单电子课件的模式，如下图 1-1 所示。
目前教学系统中存在着许多弊端，主要表现为以下几点：
（1）粉笔灰尘对于老师和学生身体键的影响。
（2）实体模型等教学工具制作困难，资源有限。特别是在几何学习、机械或者
医学教学过程中老师需要拿实际三维模型或者教具演示以讲解结构、运动关联等
问题，往往面临着教具单一，更新速度慢，样式少等问题，远远不能满足学生的
学习要求。
（3）正面投影不利于老师在课件前的指示讲解。目前所使用的投影方式绝大多
数为正面投影显示，当老师需要走到课件前指示讲解时往往会遮挡一部份的投影
光线，投影机光线照在老师的眼睛、身体上不仅使老师感觉不适，还会使学生的
观看受到影响。
第一章绪论
3
（4）课件表现形式单一，不利于启发学生思考、激发学生上课积极性。目前课
件只是用静态的文字、图片和视频来表达所要讲解的内容，老师讲解过程很多时
候是照本宣科，不能很好的讲解复杂问题。
（5）课堂上对鼠标和键盘操作限制了老师讲解的自由，由于受它们的约束而不
能与学生很好的交流互动。
（6）学生上课需要花很大功夫去记录课堂笔记以至于无法集中精力听课，不能
在老师的引导下去理解问题。虽然可以借阅老师的课件课下复习，但是一些板书
内容必须靠课堂上及时“抄写”才能保留。
§0.1.2 课题的主要内容及意义
虚拟教学环境是指利用计算机设备，创造出一个可以感知的，和现实教学环
境相似的，具备现实教学环境基本功能和大多数延伸功能的，运用虚拟现实技术
表现的一种教学环境[6]。
本课题以《2020年中国教育发展纲要》和《国家教育事业发展“十一五”规
划纲要》为指导，以构建现代教育创新体系、培养创新性人才为牵引，融合现代
图 1-1 目前教学互动模式
虚拟教学系统中三维交互技术研究
4
教育理念，突破目前教育教学环境建设中的共性关键技术，研发集实物仿真、创
新设计、智能指导和教学管理于一体，具有良好自主性、交互性、可扩展性和安
全性的虚拟教学系统，以汽车设计教学资源建设为应用示范，实现在虚拟教学中
交互技术的原始创新上有突破、关键技术上有创新。
课题的主要内容
本课题以解决我国目前课堂教学环节中老师、学生、内容三要素交互模式的
不足、提高学生的创新能力和上课积极性、启发学生思考为目的， 课题主要包括
以下内容：
（1）现状调查
首先是调查了目前教学系统中老师、学生、学习内容三者的交互方式，总结出
该方式存在的问题，然后查阅国内外交互技术的发展情况和在虚拟教学系统中的
应用情况。
（2）虚拟教学系统中交互功能需求分析
根据调查结果，提出虚拟教学过程中实时、分时实现友好、智能交互的功能需
求。分析各个阶段教学中典型学科的教学特点和教学过程中的共性问题，分析了
交互功能在其中的需求和实现价值。
（3）多通道人机交互技术探讨和红外感应技术研究
根据教学过程中老师需要与虚拟课件系统精确交互（比如需要绘制示意图，板
书，重点表示等）或者与虚拟课件进行较远距离简单交互的不同要求，通过多通
道人机交互技术实现了多种形式的人机交互，重点研究了红外感应屏作为传感设
备实现操作者与课件精确交互，突破了键盘和鼠标的约束，给操作者提供了更加
人性化，方便和自由的控制手段。
（4）交互技术在虚拟教学系统中的实现
根据以上的需求分析，并考虑到虚拟教学系统中交互功能的实现难度和可扩展
性，本课题中的虚拟课件交互功能主要是通过虚拟现实建模语言（virtual reality
modeling language ,VRML）实现，同时根据需要结合其它建模软件或者动画制作
软件和高级编程语言设计结构清楚，交互方便实现的三维虚拟课件，使老师的讲
解过程表现形式多样化，对复杂的问题进行模拟演示更加容易使学生领悟，同时
提高学生上课的积极性。
（5）记录讲课过程
采用屏幕智能捕捉软件，将老师的课件、课堂上与课件的交互过程、实时板书
内容全程记录，作为学生课下复习的“笔记”。
第一章绪论
5
课题的意义
根据我国国民教育的发展现状和未来十五年的发展需求，以教育信息化带动教
育现代化已经成为教育改革的重要内容，同时如何推进教学内容和教学模式的改
革和创新，提高学生的学习积极性、分析问题和解决问题能力已经成为提高教育
质量的关键[7]。
虚拟教学系统中多通道人机交互方式给老师的上课方式更多自由，交互式课件
能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生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，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难
点，培养学生的技能都将起到积极的作用。可交互的虚拟课件根据触发动作的不
同可以产生不同的反馈信号，有利于引导学生的思考和激发学生学习的兴趣和热
情。
优化教育教学过程是实施素质教育的核心。计算机辅助教学(CAI)和计算机管
理教学(CMI)已成为世界范围的教育研究领域和未来教学的发展趋势。由虚拟教学
系统创设的可交互、智能化学习环境，是学生智力、能力、心理发展的一种理想
环境[8]。
虚拟现实技术在教育教学上的应用，开创了“虚拟教学”的崭新领域，而虚
拟教学系统中的交互技术更是教育高科技的展示和体现，也是教育手段现代化、
信息化的标志之一，有着极其广阔的应用前景，对于教学手段的改革具有重大的
应用价值。虚拟教学利用计算机建模和虚拟现实技术来表现某些系统(自然、物理，
社会)的结构和动态，以便为学生提供一种可供体验和观测的环境，显现知识的意
义和结构，达到掌握知识的目的。通过建立和描述模拟对象逻辑的、教学的或过
程的模型，在一定程度上反映出真实世界知识体系，演示出理想的知识图景。虚
拟教学软件在教学中有多种不同的用法，如实验法、体验法、探索法、演示法、
游戏法、智能导师、微型世界、问题解决等等。解决现实教学中的情景化、形式
化不够理想的缺憾，因为在传统的课堂教学中，实际教学情境变化太少，学习交
互方式单一，缺乏生动活泼的表现力和丰富的多感官刺激，从而使学生的学习单
调乏味，意义建构发生困难。而利用虚拟技术创设的虚拟学习情景，可以提高教
学效果，丰富教学手段和教学表达力。
虚拟教学系统中采用多样化，智能友好交互手段是适应社会和科技发展，适
应现代化教学要求的新型教学模式，是教学方法发展的趋势，对于推动我国的教
育事业发展和创新型人才的培养将起到重要作用。
虚拟教学系统中三维交互技术研究
6
§0.2 国内外发展现状
§0.2.1 人机交互技术国内外的发展现状
人机交互(Human-Computer Interaction ,HCD)是关于设计、评价和实现供人们
使用的交互式计算机系统，且围绕这些方面的主要现象进行研究的科学[9]，它是一
门交叉性、边缘性、综合性的学科。狭义地讲，人机交互技术主要是研究人与计
算机之间的信息交换，主要包括人到计算机和计算机到人的信息交换两部分，实
现了人与系统之间的信息传输。人机交互设计的目的是在设计过程中引入可用性，
从实际用户的角度开发易用、有效且令人满意的交互式产品，以便更安全、更高
效地完成所需的任务。
交互技术是当前信息产业竞争的一个焦点,世界各国都将它作为重点研究的
一项关键技术。美国总统信息技术顾问委员会的“21世纪的信息技术报告”中将
“人机交互和信息管理”列为新世纪4 项重点发展的信息技术之一,它的目标是研
制“能听、能说、能理解人类语言的计算机”[10]。以虚拟现实为代表的计算机系
统的拟人化和以手持电脑、智能手机为代表的计算机的微型化、随身化、嵌入化,
是当前计算机的两个重要的发展趋势，而以鼠标和键盘为代表的GUI 技术是影响
它们发展的瓶颈。利用人的多种感觉通道和动作通道(如语音、手写、姿势、视线、
表情等输入),以并行、非精确的方式与(可见或不可见的)计算机环境进行交互,可
以提高人机交互的自然性和高效性[11]。
在人机交互领域,ISO已正式发布了许多的国际标准[12] ,下面列出其中几项:
(1) ISO 1007521991 人类工效学与心理负荷相关的术语(国标GB/ T
1524121994 等效采用)
(2) ISO 638521981 工作系统设计的人类工效学原则(国标GB/ T 1625121996
等效采用)
(3) ISO/IEC 1074121995 信息技术——系统用户界面-交互对话
(4) ISO/IEC 1158122000 信息技术——系统用户界面- 图标符号及功能
(5) ISO 134062(199922001) 使用平板视觉显示器工作的人类工效学要求
(6)ISO 92412(199222000) 使用视觉显示终端办公的人类工效学要求(VDTs)
(7) ISO 1340721999 以人为中心的交互系统设计过程
这些标准的实施对于提高企业软硬件的设计和开发水平、提高系统产品的使
用质量、增强高新技术产业的市场竞争力具有重要的意义。
多通道交互(Multi-Modal Interaction ,MMI) 是近年来迅速发展的一种人机交
摘要：
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2025-01-09 21
作者：陈辉
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：75 页
大小：1.24MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
