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1、基于虚拟现实的培训系统： 技术和案例技术和案例詹詹青龙青龙 博士博士20102010- -1111- -1313 天津天津培训与教育培训与教育一、培训与教育一、培训与教育1. 1. 培训与教育：有何不同培训与教育：有何不同教育提高人的素质教育提高人的素质， 奠定未来工作的基础培训提升人的技能， 适应当前的工作岗位适应当前的工作岗位2. 2. 培训与教育：培训与教育：VRVR取向的差异取向的差异教育培训焦点概念和原理的理解技能习得的程序和操作焦点概和原的解技能得的程序和操作形式比较中学、思中学观中学、做中学知识正式的内容和课程行业及其操作经验目标事实、概念、原理和价值观具体岗位的技能学习智力模型
2、建构和决策动作和技术步骤程序非重复性：解释、图示可重复性：命令、指令反馈综合性、推论性具体性、直接性协作多用户单用户协作多用户单用户导航生成性预设性行为大致性准确性行为大致性准确性媒体模拟性真实性二技术使能的培训变迁二技术使能的培训变迁二、技术使能的培训变迁二、技术使能的培训变迁1.1.师传徒受师传徒受在师傅的指导下在师傅的指导下通通在师傅的指导下在师傅的指导下，通通 过具体实践掌握技能过具体实践掌握技能能利用已有的设备和 技术，培训效果好能利用已有的设备和 技术，培训效果好偏重技术操作方面偏重技术操作方面 的训练的训练在理论学在理论学的训练的训练，在理论学在理论学 习上显得不足习上显得不足2
3、.2.传统的课堂式培训传统的课堂式培训培训者讲，学员听培训者讲，学员听培训成本低，培训培训成本低，培训 效率高效率高效率高效率高脱情境脱情境，迁移性差迁移性差脱情境脱情境迁移性差迁移性差3.3.计算机辅助的课堂式培训计算机辅助的课堂式培训培训者讲，学员听培训者讲，学员听部分地呈现多媒体 信息部分地呈现多媒体 信息4.4.基于计算机的培训基于计算机的培训学员利用计算机呈学员利用计算机呈 现的培训内容进行现的培训内容进行现的培训内容进行现的培训内容进行 学习学习培训内容通过培训内容通过CD培训内容通过培训内容通过CD- ROM传递传递培训内容具有媒体丰培训内容具有媒体丰学员自定学习进度学员自定学习
4、进度培训内容具有媒体丰培训内容具有媒体丰 富性和交互性富性和交互性学员自定学习进度学员自定学习进度培训内容不易更新培训内容不易更新学员具有孤独感学员具有孤独感5.5.基于网络的培训基于网络的培训学员利用网络进行学员利用网络进行 学习学习学习学习学习内容易更新学习内容易更新存在着多向互动存在着多向互动以自我导向的学习 为主以自我导向的学习 为主6.6.虚拟培训虚拟培训虚拟培训是指学员通过多虚拟培训是指学员通过多虚拟培训是指学员通过多虚拟培训是指学员通过多 种交互设备来驾驭VR环境种交互设备来驾驭VR环境 和操作各种对象和操作各种对象，从而掌从而掌和操作各种对象和操作各种对象，从而掌从而掌 握各种
5、知识或技能握各种知识或技能虚拟培训能使学员在培训虚拟培训能使学员在培训虚拟培训能使学员在培训虚拟培训能使学员在培训 中获得感性知识和实际经中获得感性知识和实际经 验验验验三虚拟现实强大的培训工具三虚拟现实强大的培训工具三、虚拟现实：强大的培训工具三、虚拟现实：强大的培训工具1.1.何谓何谓VRVR技术观 VR通常是高级计算机技术部件和设备集成的HCI系VR通常是高级计算机技术部件和设备集成的HCI系 统，例如计算机、可视化设备、动作感知数据手套、跟 踪系统等。踪系统等。 功能观 VR是用户与计算机实时交互的工具，通过计算机 形的动态户能与境中的虚拟对象信息图形的动态显示，用户能与VR环境中的虚
6、拟对象和信息 交互。 实验心理观实验心理观 VR是用户体验远程临场（tele-presence）的工 具，远程临场是指个体在计算机环境和物理环境中感受具，远程临场是指个体在计算机环境和物理环境中感受 到自己存在的程度。1.1.何谓何谓VRVRVR是允许用户与计算机集成环境交互的技术，基本思想是允许用户与计算机集成环境交互的技术，基本思想 是计算机能从数值化数据中产生三维图形环境。这种环境可 以是真实的，也可以是构造的。是计算机能从数值化数据中产生三维图形环境。这种环境可 以是真实的，也可以是构造的。 利用视觉和听觉设备利用视觉和听觉设备人们能体验堪比真实环境的世界人们能体验堪比真实环境的世界利
7、用视觉和听觉设备利用视觉和听觉设备，人们能体验堪比真实环境的世界人们能体验堪比真实环境的世界。 计算机产生的这种世界，可以是真实世界对象的模型，也可。 计算机产生的这种世界，可以是真实世界对象的模型，也可 以是人类可以理解的以是人类可以理解的、非真实感的抽象世界非真实感的抽象世界，还可以是完全还可以是完全以是人类可以理解的以是人类可以理解的、非真实感的抽象世界非真实感的抽象世界，还可以是完全还可以是完全 想象的科幻世界。想象的科幻世界。2.VR2.VR的系统结构的系统结构2.VR2.VR的连续统一体的连续统一体3.AR3.ARAR是借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中 不存在的虚拟对象
8、并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确放置 在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一 体，并呈现给使用者感官效果真实的新环境。体，并呈现给使用者感官效果真实的新环境。虚拟对象与真实场景混合虚拟对象与真实场景混合虚拟对象与真实场景混合虚拟对象与真实场景混合实时、交互、3D实时、交互、3D跟踪 +渲染 + 显示跟踪 +渲染 + 显示3.AR3.AR3.AR3.AR：系统构成：系统构成4.4.虚拟现实设备虚拟现实设备5.5. VRVR培训的优势培训的优势5.5. VRVR培训的优势：节省时间培训的优势：节省时间5.5. VRVR培训的优势：学员
9、地理上分布培训的优势：学员地理上分布5.5. VRVR培训的优势：提高培训质量培训的优势：提高培训质量5.5. VRVR培训的优势：超越危险环境的实践培训的优势：超越危险环境的实践5.5.实例：计算机安装虚拟培训实例：计算机安装虚拟培训5.5.实例：计算机安装虚拟培训实例：计算机安装虚拟培训6. 6. 实例：实例：BMWBMW的的ARAR型培训型培训使用AR技师会接收到他正在维修的发使用AR，技师会接收到他正在维修的发 动机的三维信息，例如帮助技师诊断和解决 故障除了真实的环境外通过装有耳机的故障。除了真实的环境外，通过装有耳机的 数据眼镜，技师能看到虚拟的动画部件，需 要使用的工具和听到每个
10、工作步骤的指令要使用的工具和听到每个工作步骤的指令。四虚拟培训系统的教学设计四虚拟培训系统的教学设计四、虚拟培训系统的教学设计四、虚拟培训系统的教学设计1. 4C/ID1. 4C/ID教学设计模型教学设计模型4C/ID模型比较适用于复杂性技能领域的教 学设计。模型比较适用于复杂性技能领域的教 学设计。van Merrinboer（2002）认为：）认为：复杂性技能存在着层级结构复杂性技能存在着层级结构由简单到复杂由简单到复杂复杂性技能由若干个子技能构成复杂性技能由若干个子技能构成复杂性技能存在着层级结构复杂性技能存在着层级结构，由简单到复杂由简单到复杂相互关联的技能形成相互关联的技能形成一一个
11、技能簇个技能簇（skill cluster）相互关联的技能形成个技能簇相互关联的技能形成个技能簇（skill cluster）复杂性技能包括重用性技能和非重用性技能复杂性技能包括重用性技能和非重用性技能1. 4C/ID1. 4C/ID教学设计模型教学设计模型4C/ID4C/ID模型的要素：学习任务模型的要素：学习任务具体的具体的、真实的真实的、整、整体性的任务体性的任务经验经验具体的具体的真实的真实的体性的任务体性的任务按照从简单到复杂的任务类别来组织按照从简单到复杂的任务类别来组织对同类别的第对同类别的第1个学习任务提供较多的学习支持， 并逐渐减少该类别其他学习任务的学习支持个学习任务提供较
12、多的学习支持， 并逐渐减少该类别其他学习任务的学习支持同一类别的学习任务具有一定的变化性同一类别的学习任务具有一定的变化性4C/ID4C/ID模型的要素：支持性信息模型的要素：支持性信息支持性信息说明了某个任务领域是如何组织的，并支持性信息说明了某个任务领域是如何组织的，并 对任务的行为提供认知反馈对任务的行为提供认知反馈对任务的行为提供认知反馈对任务的行为提供认知反馈支持非重复性技能的学习支持非重复性技能的学习主要由智力模式、认知策略和认知反馈组成主要由智力模式、认知策略和认知反馈组成指向具体的任务类别指向具体的任务类别学习者随时可以利用学习者随时可以利用指向具体的任务类别指向具体的任务类别
13、学习者随时可以利用学习者随时可以利用4C/ID4C/ID模型的要素：程序性信息模型的要素：程序性信息程序性信息提供了完成任务的步骤说明程序性信息提供了完成任务的步骤说明是重复性技能或实践项目学习的必备条件是重复性技能或实践项目学习的必备条件程序性信息提供了完成任务的步骤说明程序性信息提供了完成任务的步骤说明由信息显示、技能演示、实例和纠正性反馈组成由信息显示、技能演示、实例和纠正性反馈组成指向具体的重复性技能指向具体的重复性技能当学习者需要时呈现，在获得学习专家型经验时迅当学习者需要时呈现，在获得学习专家型经验时迅 速消失速消失指向具体的重复性技能指向具体的重复性技能速消失速消失4C/ID4C
14、/ID模型的要素：分任务练习模型的要素：分任务练习为了达到所需的自动化水平为了达到所需的自动化水平，对选择的重复性提供对选择的重复性提供为了达到所需的自动化水平为了达到所需的自动化水平，对选择的重复性提供对选择的重复性提供 额外的实践额外的实践按一个个分任务来组织实践按一个个分任务来组织实践按一个个分任务来组织实践按一个个分任务来组织实践复杂的规则集可采用滚雪球的方式来组织复杂的规则集可采用滚雪球的方式来组织基本的规则可以支持多种情境的实践项目基本的规则可以支持多种情境的实践项目2. 4C/ID2. 4C/ID教学设计模型的实施步骤教学设计模型的实施步骤 五虚拟培训系统的结构五虚拟培训系统的结
15、构五、虚拟培训系统的结构五、虚拟培训系统的结构1. 1. 软件结构软件结构1. 1. 软件结构软件结构OpenGL（Open Graphics Library）是一个开放的三维图）是一个开放的三维图 形软件包形软件包独立于操作系统独立于操作系统以它为基础开发的应用程序以它为基础开发的应用程序形软件包形软件包，独立于操作系统独立于操作系统，以它为基础开发的应用程序以它为基础开发的应用程序 可以方便地移植到各种平台。主要功能包括建模、变换、可以方便地移植到各种平台。主要功能包括建模、变换、 颜色模式设置颜色模式设置、光照和材质设置光照和材质设置、纹理映射纹理映射。颜色模式设置颜色模式设置、光照和材
16、质设置光照和材质设置、纹理映射纹理映射。OpenAL（Open Audio Library）是开源的跨平台音效）是开源的跨平台音效 API。OSG（Open Scene Graph）是一款开源的高性能）是一款开源的高性能3D图图 形开发库形开发库，它使用标准的它使用标准的C+和和OpenGL编写而成编写而成，广广形开发库形开发库，它使用标准的它使用标准的C+和和OpenGL编写而成编写而成，广广 泛应用于可视化仿真、游戏、虚拟现实、高端技术研 发以及建模等领域。泛应用于可视化仿真、游戏、虚拟现实、高端技术研 发以及建模等领域。1. 1. 软件结构软件结构Bullet Physics是一款开源的实时物理引擎，也是世界是一款开源的实时物理引擎，也是世界 上三大物理模拟引擎之上三大物理模拟引擎之（另外两种是另外两种是和和上三大物理模拟引擎之上三
