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1、密 级： 学校代码：10075 分类号： 学 号：20091122 理学硕士学位论文 基于 X3D 的初中生物探究式 虚拟实验设计研究 以“人体内物质的运输”为例 学 位 申 请 人 ：李 琨 指 导 教 师： 郑颖立 副教授 学 位 类 别： 理学硕士 学 科 专 业： 教育技术学 授 予 单 位： 河北大学 答 辩 日 期： 二一二年六月 Classified Index： CODE：10075 U.D.C： NO：20091122 A Dissertation for the Degree of Master Science Design and Development of Inqui
2、ring Virtual Biology Experiment in the Junior High School -AS an Biology Example of“ The transport of substances in the human body“ in the Junior High School Candidate： Li Kun Supervisor： Vice-Prof. Zheng Yingli Academic Degree Applied for： Master of Science Specialty： Educational Technology Univers
3、ity： Hebei University Date of Oral Examination： June，2012 摘 要 I 摘 要 在计算机技术和多媒体技术飞速发展过程中，虚拟现实技术在众多领域得到广泛应 用。其中在教育领域，虚拟现实技术也被越来越广泛的投入到实践应用中，尤其是在虚 拟实验方面， X3D 技术的崛起给虚拟实验在教育领域中的应用带来了前所未有的发展契 机，它使用可扩展的标记语言 XML 表达，使用严格一致的数据编码格式，它具有组件 化结构，强大的网络功能、多媒体功能、人工智能和动画设计等多种高级功能来进行开 发和设计，给我们带来了崭新的教育思维和一系列变革。 生物学是一门实验
4、科学，实验教学是初中生物课程的重点、难点，它突出了学生学 习的探究性和体验性， 对于类似于 “人体内物质的运输” 等学习内容的信息承载和表达， 传统教学媒体就有些力不从心了。将教学内容特别是实验教学和虚拟现实技术进行整 合，通过先进的 X3D 技术规范标准创建相关模型，提供学习者与实验对象的人机交互， 从而使抽象知识形象化，改善教学效果。 本研究以建构主义理论、探究性学习理论为基础，从 X3D 技术的建模、交互等基础 功能出发设计开发初中“人体内物质的运输”学习内容的相关虚拟实验，通过 SCORM 和 MOODLE 等学习工具和平台研究适合的教学模式和策略， 来辅助初中生物实验教学， 提高教学
5、质量。 关键词 X3D 初中生物 虚拟实验 Abstract II Abstract In the process of rapid development of computer technology and multimedia technology, virtual reality technology has been widely used in many fields. In the field of education, virtual reality technology is more widely put into practical application. Especi
6、ally in the term of virtual experiments, the rise of the X3D technology to the application of virtual experiments in the field of education has brought unprecedented opportunity for development. It uses the Extensible Markup Language (XML) expression, using strict and consistent data encoding format
7、, it has variety of advanced features for the development and design, such as strong network functions, multimedia functions, artificial intelligence, and animation, it brought us a new educational thinking and a series of changes. Biology is an experimental science, experimental teaching is the key
8、 and difficult points of junior high school biology curriculum, it highlights the students learn to explore and experience. For information loading and expression of the learning content similar to “the transport of substances in the human body “, the traditional teaching media bloated. It integrate
9、 the teaching content, especially the experimental teaching with virtual reality technology, create a relevant model with advanced X3D technology standards to provide human-computer interaction for the learners with the experimental object, and it will visualize abstract knowledge to improve teachin
10、g effectiveness. The study, it based on the constructivist learning theory and inquiry learning theory. It design and develop the virtual experiment related to the content of “the transport of substances in human body“ with modeling, interactive and other basic functions of X3D technology. The study
11、 use the learning tools and Platform Such as SCORM and MOODLE to research the teaching model and strategies to assist the junior high school biology experiment teaching and improving teaching quality. Keywords X3D Junior High School Biology Virtual Experiment 目 录 III 目 录 摘 要.I Abstract II 目 录III 第 1
12、 章 研究概述1 1.1 选题的缘由1 1.1.1 学习环境信息化1 1.1.2 虚拟现实教育应用1 1.1.3 虚拟实验开发的必要性2 1.1.4 虚拟实验开发的可行性3 1.2 本课题国内外研究现状4 1.2.1 虚拟现实技术研究4 1.2.2 虚拟现实在教育领域的研究与应用5 1.2.3 探究性学习的研究现状7 1.2.4 SCORM的国内外研究现状分析8 1.3 研究内容和方法9 1.3.1 研究内容9 1.3.2 研究方法9 1.4 研究目的与意义9 1.4.1 研究目的10 1.4.2 研究意义10 第 2 章 探究性虚拟实验的基本理论与技术选择11 2.1 基本概念界定11 2.
13、1.1 虚拟现实技术11 2.1.2 X3D11 2.1.3 虚拟实验11 2.2 探究性学习理论11 目 录 IV 2.2.1 探究性学习的概念12 2.2.2 探究性学习的特点12 2.3 X3D技术概述13 2.3.1 虚拟现实技术的定义及特征13 2.3.2 虚拟现实技术的类型13 2.3.3 X3D技术的内涵与特点13 2.3.4 X3D的体系结构14 2.3.5 X3D的语法结构15 2.3.6 X3D的开发流程17 2.3.7 X3D的开发环境20 2.3.8 X3D的运行环境20 第 3 章 初中生物探究性虚拟实验的教学设计23 3.1 初中生物课程的特点分析23 3.2 初中
14、学习者特征分析24 3.2.1 初中学习者心理特点24 3.2.2 初中学习者认知结构25 3.3 探究式实验教学设计25 3.3.1 设计思路25 3.3.2 教学内容分析26 3.3.3 教学目标设计26 3.3.4 教学过程与方法27 第 4 章 “人体内物质的运输”探究式虚拟实验设计28 4.1 虚拟实验功能模块的呈现28 4.1.1 实验器材模块29 4.1.2 实验材料模块29 4.1.3 交互控制模块29 4.1.4 实验结果展示模块29 4.2 探究工具设计30 目 录 V 第 5 章 “人体内物质的运输”探究式虚拟实验的技术实现32 5.1 总体开发思路32 5.1.1 建立
15、场景32 5.1.2 打包封装33 5.1.3 运行调试38 5.2 开发过程39 5.2.1 虚拟实验模型建立39 5.2.2 交互控制39 5.2.3 SCORM打包封装40 5.2.4 LMS部署40 5.3 场景关键节点设计41 5.3.1 模型节点41 5.3.2 效果节点42 5.3.3 智能节点43 5.3.4 其他节点43 5.4 开发模型的实现与效果43 5.5 封装效果46 第 6 章 总结与不足48 6.1 本研究总结48 6.2 本研究的不足48 6.2.1 建模和动画实现需要团队力量48 6.2.2 可借鉴的经验和案例较少48 参考文献49 致 谢53 第 1 章 研
16、究概述 1 第 1 章 研究概述 1.1 选题的缘由 1.1.1 学习环境信息化 建构主义和探究学习理论强调学习者的主动性和学习情境的创设， 认为学生是 在与情境相互作用的过程中完成意义建构的。在教育信息化过程中，以多媒体技 术为基础的多媒体教学能够提供友好的显示界面和交互的学习环境，有利于激发 学习者的学习兴趣，促进学习者自主发现、探索和建立新旧知识之间的联系，通 过协商、会话等活动，实现知识的意义建构。传统的教学媒体，如文字、图片、 动画等在学习情境创设方面都有各自的局限性，最突出的是缺乏交互性和自主探 究性。为了能使学习者更好地完成意义建构，我们需要为学习创建更加真实的学 习情境。 1.1.2 虚拟现实教育应用 在计算机技术和多媒体技术飞速发展过程中， 虚拟现实技术在众多领域得到广泛应 用。其中在教育领域，虚拟现实技术也被越来越广泛的投入到实践应用中
