基于virtools的起管柱交互式演练系统的实现及其在教学中的应用研究.docx
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基于virtools的起管柱交互式演练系统的实现及其在教学中的应用研究
第1章概述
1.1系统设计背景
随着科技的发展，人们对教学的高效性和安全性的要求在不断提高，尤其是在像油田生产作业的这种操作性特别强的岗前教学当中对安全性的要求更高。
因为有些教学只有通过学习者亲自现场操作才能达到更好的效果，而在此操作过程中往往存在着风险。
加之油田作业人员的不断增多，油井数目不断增加，职工的素质直接影响到石油企业的效益及安全生产状况，因此，企业对职工的技术要求越来越严格。
但是相对于职工数量的增加，技术人员的培养也显得日益重要和沉重，普通的培训方法无法满足已有的需求，因此，就需要一种成本低廉，效果明显并可以大范围使用的培训系统。
因此，开发一个基于3DSmax和Virtools的油田虚拟培训系统是必要的。
它把整个采油厂的油井作业过程采用虚拟现实的手法表现出来，并且利用Virtools脚本进行编辑，使其可以与用户进行互动，以达到培训的效果。
作为培训教学系统，一方面可以实现任何人、任何地方、任何时间的培训学习，大大降低培训成本；另一方面还可以实现素材库资源共享，避免重复投资、重复建设等。
因此，采用虚拟仿真技术研究构建一个符合油田采油生产培训需求的虚拟仿真教学系统，可以有效地解决油田重要设备及工艺操作训练中的成本、安全和效果问题。
该系统的研发有着切实的应用价值，不仅有助于用户及时找到目标井位，而且能够为用户形象、直观的展示油井信息。
具有空间性、集成性、实时性、交互性、模型化、可视化的特征。
因此，三维可视化技术以及其软件系统的研究对建设“数字油田”、提高我国油田信息化水平有着实际的重要意义。
在钻井作业中，钻井工序操作的标准化是减少事故发生的关键因素。
对钻井作业相关人员进行岗前培训是增强标准化安全作业的必要手段，然而大量的文字培训资料枯燥无味，不直观形象，交互性、适应性差，满足不了学习者的学习要求。
无法引起培训人员的学习兴趣，尤其是新上岗人员对实际操作没有直观的印象，直接进行文字资料的培训会更加显得空洞，从而造成学习培训效率低下，为实际操作埋下了安全隐患。
因此，以建构主义、情景认知学习理论为指导，以虚拟现实技术为手段，创建交互式数字化教学环境，提高学习环境的可感知性和真实性，是应对这些问题的一条有效途径。
本系统就是这种情况下产生的，对于油厂的起管柱过程以及注意事项通过3D技术直观形象的通过演练培训系统表现出来，通过油田工人的交互性操作达到培训的效果。
本系统是整个油田培训系统中的一个操作规程——起管柱操作工序的交互演练系统的设计与实现。
1.2教学研究背景
理论上，以建构主义理论、情景认知理论为代表的学习理论给本研究提供了坚实的理论支持。
建构主义学习理论认为，知识是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助学习过程中其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。
建构主义学习理论认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素。
建构主义强调意义建构，认为世界是可观的，对世界的理解，对知识的赋予意义是由个体决定的，个体根据自己的知识经验来建构和解释。
学习是在一定的情景下发生的，知识只有在一定的情景下才有意义。
学习不是被动的接受信息，而是主动的建构知识的意义。
只有从合适的环境出发，通过意义联系，才能促进知识的获取和建构。
建构主义强调学生是学习的主体，反对“灌输式”的教学。
强调学习环境的作用，认为学习是人与周围环境相互作用的过程，学习环境对学习有重要意义。
建构主义特别强调“协作”式学习环境在意义建构中有重要作用，通过竞争、协同、建立伙伴或小组，进行角色扮演等方式可以显著促进学习的进行。
情景认知学习理论认为，知识是指一种活动，而不是一个具体的对象；知识总是基于情境的，而不是抽象的知识是个体与环境交互过程中建构的，不是客观决定的，也不是主观产生的；知识是交互的一种状态，不是事实[1]。
情境认知强调，知识必须在真实情境中呈现，即在以规范方式包含知识的真实场景和应用中呈现，以激发学习者的认知需要。
同时，学习还需要社会性的交互作用和合作。
情境可以是：
真实的工作场景；高度的真实，或真实的工作环境的“虚拟”的代用品；一种可仪的环境，如：
影像或多媒体程序[2]。
最好的学习方法是到现实世界的真实环境中去感受、去体验，而不仅仅聆听别人（如教师）先于经验的介绍和讲解。
技术上，现代计算机技术、网络技术、3D技术、虚拟现实技术。
虚拟现实（VirtualReality，简称VR），又称临境技术，是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术；VR技术可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，同时提供视、听、触等多种直观而又自然的实时感知[3]。
一个典型的虚拟现实系统主要由5大部分组成:
虚拟世界、计算机、虚拟现实软件、输入设备和输出设备。
美国科学家BurdeaG．和PhilippeCoiffet在1994年世界电子年会上发表的“VirtualRealitySystemsand Applications”一文中揭示了虚拟现实技术具有3个最突出的特征：
交互性（Interactivity）、沉浸感（Immersion）和构想性（Imagination）。
普通意义上的虚拟现实需要大型计算机、头盔式显示器、数据手套、洞穴式投影、密封仓等昂贵设备，资金不足严重制约着教育领域对虚拟现实的研究和应用。
随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样化的发展趋势。
根据“沉浸”程度的高低，可以划分出四种类型的虚拟现实系统：
[4]分布式虚拟现实系统（DistributedVR，简称DVR），沉浸式虚拟现实系统（ImmersiveVR），桌面式虚拟现实系统（DesktopVR），增强现实性的虚拟现实系统。
其中，桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口，通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互。
这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。
它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体。
参与者会由于受到周围现实环境的干扰而缺少完全的沉浸，但成本相对较低，因而应用比较广泛。
常见的桌面虚拟现实技术是一种通过软件来实现三维图形技术。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外现状
1.3.2国内现状
1.4本人的工作及研究意义
本课题源于大庆试油试采公司内部实际的教学培训需要，是针对实际应用的需求进行开发的。
系统通过对钻井施工现场用3D模型的真实模拟，以及用Virtools4.0编写脚本对整个操作流程的控制来满足教学培训的需求。
本人从整个规程的接手到完成，主要经历一下几方面：
1.对规程文档的重新编排，包括从文档中提取所要建模的物体、设定动画的表现形式；
2.根据文档提取出来的物体去现场调研，包括拍摄建模物体的照片、对整个操作规程的操作过程录像；
3.对调研信息作进一步的整理，根据调研信息建立物体模型；
4.将三维模型导入到Virtools中，按照文档和调研录像制作交互式动画。
由于本系统是以虚拟现实技术作为背景的一个教学培训系统，该技术
系统通过钻井施工场景中的全部3D模型使用Virtools4.0进行编写脚本流程图，使得其成为数字化的拥有计算机图形结构的3D交互式学习和考评系统。
对于虚拟现实技术，具有真实感的模型的建立是十分必要的，建模是本系统的核心，它定义物体的形式、属性和外观。
多模式VR的一个重要的技术难点是设计开发物体表示、仿真和绘制（RSR）技术。
它支持实时与VR的视听触觉交互[6]。
第2章系统设计的理论基础
2.1多媒体教学理论
20世纪30年代至50年代，是视听教育在美国广泛开展的时期，美国教育家爱德加·戴尔（Edgar·Dale）在其出版《AudioVisualMethodsInTeaching》（《视听教育》）一书中提出了著名的“经验之塔”理论，成为当时视听教育的主要理论依据。
戴尔认为人类学习主要通过两个途径来获得知识，一是由自身的直接经验获得，二是通过间接经验获得。
他提出的“经验之塔”理论把人类学习的经验依据抽象程度的不同分成三类十个层次[5]。
戴尔“经验之塔”理论的主要观点可以归纳成如下几点：
（1）“塔”中最底层的经验，是最直接最具体的经验，越往上升则越趋于抽象。
它根据不同教材和方法所提供经验的具体程度将它们分类，是教师根据学生需求和能力、根据教学任务性质选择合适媒体的理论指南。
（2）“塔”的分类基础——具体或抽象的程度与学习的难易无关；各类学习经验是相互联系、相互渗透的。
教学中应充分利用各种学习途径，使学习者的直接经验与间接经验产生有机联系。
（3）教学应从具体入手，逐步过渡到抽象。
学习间接经验尽可能以直接经验作为基础。
但在教学中也不能过分地强调直接经验，要引导学生向抽象思维发展，因为概念是思维推理的工具，它使探求知识的智力过程大为简化。
（4）每个人的经历都受时空限制，每个人都有许多难以获得的直接经验。
位于塔中层的视听教学媒体能为学习者提供较具体和易于理解的替代经验，有助于突破时空限制，弥补各种直接经验的不足。
视听媒体的学习经验比语言和视觉符号具体形象，与所代表的事物有相似之处，便于学习者感知学习对象，但比直接学习经验抽象、概括，使得具体的事物与抽象的概念产生联系，起到了中介作用。
替代学习经验的思想是教学媒体应用于教学过程的主要理论依据。
“经验之塔”理论对我们应如何合理开发和利用教育媒体也起着重要的指导作用，戴尔明确地提出“从经验中学习⋯让感觉可以充分参与”。
基于virtools的虚拟交互演练系统正是在这种思想指导下，对现实实验环境进行三维模拟，具有很强的真实感。
学习者通过计算机即可参与到三维的虚拟实验环境当中，可以观察操作现场，可以进行交互性操作练习，从而比较容易获得学习过程中的做的经验和观察的经验。
运用虚拟现实技术构造沉浸式的虚拟教学环境，精心设计的教学思想、教学内容、教学策略都潜移默化在这个虚拟环境中。
学习者置身于这样的环境中能够以极自然的方式与环境甚至其他学习者或教师进行实时的交互，全身心投入到学习中去，更有利于获得做的经验和观察的经验。
特别是当某些经验的获取在费用太昂贵或危险性极高或基于其他客观条件难以实现时，虚拟现实技术可以轻松地解决这个困境。
2.2建构主义学习理论[6][7][8]
2.2.1建构主义的由来和发展
建构主义（constructivism）也译作结构主义，其最早提出者可追溯至瑞士的皮亚杰（J.Piaget）。
皮亚杰是认知发展领域最有影响的一位心理学家，他坚持从内因和外因相互作用的观点来研究儿童的认知发展。
他认为，儿童是在与周围环境相互作用的过程中，逐步建构起关于外部世界的知识，从而使自身认知结构得到发展。
儿童与环境的相互作用涉及两个基本过程：
“同化”与“顺应”。
同化是指把外部环境中的有关信息吸收进来并结合到儿童已有的认知结构（也称“图式”）中，即个体把外界刺激所提供的信息整合到自己原有认知结构内的过程；顺应是指外部环境发生变化，而原有认知结构无法同化新环境提供的信息时所引起的儿童认知结构发生重组与改造的过程，即个体的认知结构因外部刺激的影响而发生改变的过程。
认知个体（儿童）就是通过同化与顺应这两种形式来达到与周围环境的平衡：
当儿童能用现有图式去同化新信息时，他是处于一种平衡的认知状态：
而当现有图式不能同化新信息时，平衡即被破坏，而修改或创造新图式（即顺应）的过程就是寻找新的平衡的过程。
儿童的认知结构就是通过同化与顺应过程逐步建构起来，并在“平衡--不平衡--新的平衡”的循环中得到不断的丰富、提高和发展。
这就是皮亚杰关于建构主义的基本观点。
在皮亚杰的上述理论的基础上，科尔伯格在认知结构的性质与认知结构的发展条件等方面作了进一步的研究。
斯腾伯格和卡茨等人强调个体的主动性在建构认知结构过程中的关键作用，并对认知过程中如何发挥个体的主动性作了认真的探索。
维果斯基创立的“文化历史发展理论”强调认知过程中学习者所处社会文化历史背景的作用，在此基础上以维果斯基为首的维列鲁学派深入地研究了“活动”和“社会交往”在人的高级心理机能发展中的重要作用。
所有这些研究都使建构主义理论得到进一步的丰富和完善，为实际应用于教学过程创造了条件。
2.2.2建构主义学习理论
在建构主义思想指导下可以形成一套新的比较有效的认知学习理论，并在此基础上实现较理想的建构主义学习环境。
可以从“学习的含义”（即关于“什么是学习”）与“学习的方法”（即关于“如何进行学习”）这两个方面简要说明建构主义学习理论的基本内容。
关于学习的含义。
建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境下，借助他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得的。
“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素。
获得知识的多少取决于学习者根据自身经验去建构有关知识的意义的能力，而不取决于学习者记忆和背诵教师讲授内容的能力。
关于学习的方法。
建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习。
教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者。
学生是信息加工的主体，是意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。
学生要成为意义的主动建构者，就要求学生在学习过程中从这几个方面发挥主体作用：
1.要用探索法、发现法去建构知识的意义；2.在建构意义过程中要求学生主动去搜集并分析有关的信息和资料，对所学习的问题要提出各种假设并努力加以验证；3.要把当前学习内容所反映的事物尽量和自己己经知道的事物相联系，并对这种联系加以认真的思考。
教师要成为学生建构意义的帮助者，就要求教师在教学过程中从这几个面发挥指导作用：
1.激发学生的学习兴趣，帮助学生形成学习动机；2.通过创设符合教学内容要求的情境和提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生建构当前所学知识的意义；3.教师应在可能的条件下组织协作学习（开展讨论与交流），并对协作学习过程进行引导使之朝有利于意义建构的方向发展。
2.2.3建构主义的教学模式
教学模式是指在一定的教育思想、教学理论和学习理论指导下的、在某种环境中展开的教学活动进程的稳定结构形式。
建构主义学习理论提倡的学习方法是教师指导下的、以学生为中心的学习；建构主义学习环境包含情境、协作、会话和意义建构等四大要素。
与建构主义学习理论以及建构主义学习环境相适应的教学模式可以概括为：
“以学习者为中心，在整个教学过程中由教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。
”
在建构主义的教学模式中，学生是知识意义的主动建构者；教师是教学过程的组织者、指导者、意义建构的帮助者、促进者；教材所提供的知识不再是教师传授的内容，而是学生主动建构意义的对象；媒体也不再是帮助教师传授知识的手段、方法，而是用来创设情境、进行协作学习和会话交流即作为学生主动学习、协作式探索的认知工具。
2.2.4建构主义学习环境下的教学设计
我国教育技术界的权威、北师大现代教育技术研究所的何克抗教授提出了建构主义学习环境下教学设计的方法与步骤：
教学目标分析。
对整门课程及各教学单元进行教学目标分析，以确定当前所学知识的“主题”，即与基本概念、基本原理、基本方法或基本过程有关的知识内容。
常用的教学目标分析法有归类分析法、层级分析法、信息加工分析法和解释结构模型法（ism分析法）等多种。
情景创设。
创设与当前学习主题相关的、尽可能真实的情境。
情境创设分两种情况：
一种是学科内容有严谨结构的情况，如数学、物理、化学等理科内容，这时要求创设有丰富资源的学习环境，其中应包含许多不同情境的应用实例和有关的信息资料、以便学习者根据自己的兴趣、爱好去主动发现、主动探索；另一种是学科内容不具有严谨结构的情况，如语文、外语、历史等文科内容，这时应创设接近真实情境的学习环境，在该环境下应能仿真实际情境，从而激发学习者参与交互式学习的积极性，在交互过程中去完成问题的理解、知识的应用和意义的建构。
信息资源设计。
指确定学习本主题所需信息资源的种类和每种资源在学习本主题过程中所起的作用。
对于应从何处获取有关的信息资源，如何去获取，用何种手段、方法去获取以及如何有效地利用这些资源等问题，如果学生确实有困难，教师应及时给以帮助。
自主学习设计。
这是整个“以学为中心”教学设计的核心内容。
在“以学为中心”的建构主义学习环境中常用的教学方法有“支架式教学法”、“抛锚式教学法”和“随机进入教学法”等。
根据所选择的不同教学方法，对学生的自主学习应作不同的设计：
（1）如果是支架式教学，则围绕事先确定的学习主题建立一个相类的概念框架。
框架的建立应遵循维果斯基的“最邻近发展区”理论，且要因人而异，以便通过概念框架把学生的智力发展从一个水平引导到另一个更高的水平，就像沿着脚手架那样一步步向上攀升。
（2）如果是抛锚式教学，则根据事先确定的学习主题在相关的实际情境中去选定某个典型的真实事件或真实问题，即“抛锚”。
然后围绕该问题展开进一步的学习:
对给定问题进行假设，通过查询各种信息资料和逻辑推理对假设进行论证，根据论证的结果制定解决问题的行动计划，实施该计划并根据实施过程中的反馈，补充和完善原有认识。
（3）如果是随机进入教学，则要创设能从不同侧面、不同角度表现学习主题的多种情境，以便供学生在自主探索过程中随意进入其中任一种情境去学习。
不管是用何种教学方法在“自主学习设计”中均应认真考虑三方面的问题:
1.要在学习过程中充分发挥学生的主动性，要能体现出学生的首创精神；
2.要让学生有多种机会在不同的情境下去应用他们所学的知识，即将知识“外化”；
3.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，即实现自我反馈。
发挥首创精神、将知识外化和实现自我反馈是体现学生自主学习的三个要素。
协作学习环境设计。
目的是为了在个人自主学习的基础上，通过小组讨论、协商，以进一步完善和深化对主题的意义建构。
学习效果评价设计。
包括小组对个人的评价和学生本人的自我评价。
强化练习设计。
根据小组评价和自我评价的结果，为学生设计出一套可供选择并有一定针对性的补充学习材料和强化练习，以便通过强化练习纠正原有的错误理解或片面认识，最终达到符合要求的意义建构。
2.3情境认知理论[6][9][10][11]
2.3.1情境认知理论的由来
关于情境认知的理论研究可以划分为三个主要阶段:
萌芽阶段、理论体系初步形成阶段、理论体系发展完善阶段。
对情境认知理论的最早研究可追溯至19世纪。
1899年，美国实用主义教育家杜威在其所著《学校与社会》一书中对当时的学校提出了批判，指出：
生活是真正的教育家，从生活本身学起，创造人人都愿从生存过程中学习的生活条件。
1922年，阿尔佛雷德·诺斯坏德海（AlfredNorthWhitehead）在其著作《教育的目的》（TheAimsofEducation）提出，学生在学校中学习知识的方式导致了“惰性知识”（inertknowledge）的产生，学生在校所学的知识仅仅是为考试做准备，不能解决生活中的实际问题。
20世纪80年代至90年代初期是情境认知理论的初步形成阶段。
1987年至1989年，美国教育家瑞兹尼克〔Resnick）先后发表文章《学校内外的学习》（LearninginSchoolandOut），《教育与学习的思考》（EducationandLearningtoThink）,《知识，学习与教育》（Knowing，LearningandInstruction），《对课程的思考：
当前的认识研究》（Towardthethinkingcurriculum:
currentcognitiveresearch）等，推动了情境认知理论研究的发展。
1989年，JohnSeelyBrown、AllanCollins和PaulDuguid发表论文《情景认知与学习文化）（SituatedCognitionandtheCultureofLearning），系统完整地阐述了情景认知与学习理论。
他们认为，知识是具有情景性的，知识是活动、背景和文化产品的一部分，知识正是在活动中、在丰富的情境中、在文化中不断被运用和发展着。
这一时期，以莱夫（Lave）为代表的人类学家从人类学的视角对情景认知与学习进行了研究。
她在在对利比亚Vai和Gola两地裁缝的认知学徒的研究中，提出了著名的论断“情境学习：
合法的边缘性参与”。
与此同时，在教育实践领域对情境认知理论的实践研究与应用也在进行着。
比较典型的是温特贝尔特大学的认知与技术小组在1990年启动的贾斯帕系列等。
20世纪90年代中期至今是情境认知理论的发展完善阶段。
1993年3月，美国权威杂志《EducationTechnology》开辟专栏对情景认知与学习进行了探讨，一直持续到次年10月。
期间发表的论文以《情境认知的观点》（SituatedLearningPerspectives）为题集在1996年出版，使情境认知理论在原有框架中得到了进一步完善和发展。
之后的时间，有关情境认知的理论和实践研究渗透到教育研究的各个领域，一些新的观点相继被引入到情境认知中来，出版了大量的有关情境认知的论著，开辟了相关的专题网站。
情境学习作为一种获得知识的一般理论和正在形成中的教学模式，以其丰富的多样性和良好的成长性引起了研究者广泛的注意，对教育思考产生了重要影响，成为教育设计领域中的一个热点，对以数字化学习为基础的教学设计具有重要的启迪。
2.3.2情境认知的关键特征
情境,英文为situation，指一个人在进行某种活动时所处的环境。
情景有多种分类方式，在《辞海》中将情境分为三类：
真实的情景、想象的情景和暗含的情景。
《MIT认知科学百科全书》把情境分为：
物理的或基于任务的情景、环境的或生态的情景、社会的或互动的情景。
麦克莱伦认为情景可以是：
真实的工作场景；高度的真实，或真实的工作环境的虚拟的代用品；一种可停留的环境：
如影像或多媒体程序。
情境认知从研究传统的学徒学习活动入手，揭示了这种在职业训练活动中行之有效的学习活动的基本特征：
通过将观察、指导和实践联合一起的学习方式去获得知识、技能与相应的体验，对学习者能创造心智模式、知识架构并逐渐增强学习者的自信。
情境认知理论强调，知识必须在真实情境中呈现，即在以规范方式包含知识的真实场景和应用中呈现，以激发学习者的认知需要：
同时，学习还需要社会性的交互作用和合作，这既是情境学习的重要组成成分，又是情境学习环境产生的重要前提。
真正的、完整的知识（即学什么和如何学、如何用的结合）是在真实的学习情境中获得的。
因此，情境学习的关键特征是：
1.提供能反映知识在真实中的运用方式的真实情境；
2.提供真实的活动；
3.提供接近专家作业和过程模式化的通路，提供多样化的角色和前景；
4.支持知识的合作建构；
5.在临界时刻提供指导和支撑；
6.促进反思，以便有可能形成抽象；
7.促进清晰表述，以便使缄默知识成为清晰的知识；
8.在完成任务时，提供对学习的整体评价。
2.3.3情境认知的典型教学方法
2.3.3.1支架式教学（ScaffoldingInstruction）
支架式教学被定义为：
“支架式教学应当为学习者建构对知识的理解提供一种概念框架（conceptualframework）。
这种框架中的概念是为发展学习者对问题的进一步理解所需要的，为此，事先要把复杂的学习任务加以分解，以便于把学习者的理解逐步引向深入。
”
支架式教学由以下几个环节组成:
（1）搭脚手架——围绕当前学习主题，按“最邻近发展区”的要求建立概念框架。
（2）进入情境——将学生引入一定的问题情境（概念框架
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