三维虚拟学习社区构建技术比较研究

2010-12-14□安红王毅

中国远程教育 2010年4期

□ 安红王毅

三维虚拟学习社区构建技术比较研究

□ 安红王毅

随着高速网络通信技术、高性能服务器等相关软硬件的快速发展，Second Life、Project Wonderland等三维虚拟社区开发技术广泛应用于教育或培训领域，为三维虚拟学习社区的构建提供了有效的技术支持。这些开发技术具有不同的功能特性，如何根据其特征选择最合适的开发技术构建适合学习者特征与实际学习需求的三维虚拟学习社区已成为当前研究者和开发者共同关注的重要问题。本文首先对三维虚拟学习社区的特征进行分析，然后从技术特征和技术应用两个方面对当前常用的三维虚拟学习社区开发技术进行比较分析，最后通过实际案例探讨三维虚拟学习社区的应用及其构建过程中应注意的相关问题。

三维虚拟社区；构建技术；技术特征；应用案例

一、引言

随着数字化学习成为一种新的学习模式，基于网络的虚拟学习社区因其协作性、交互性、灵活性和开放性等特征逐渐成为广大远程学习者一种常用的学习平台，它不仅为社区成员创造了广阔的学习空间，而且对传统的教学方式与学习模式产生了重要的影响与冲击[1]。目前常见的虚拟学习社区，如台湾海洋大学构建的虚拟英语学习社区（http://english.ntou.edu.tw）和首都师范大学虚拟学习社区（http://www.etkeylab.com:8081）/等都是主要以基于B/S架构的二维虚拟社区为主，虽然在一定程度上满足了远程学习者协作学习、思想交流、资源共享的需求，但信息呈现方式单一、缺乏个性化的交互及高度逼真的学习情境，导致学习者容易疲劳、积极性不高。

3D计算机图形技术和虚拟现实技术的快速发展及其在教育领域的广泛应用，促使三维虚拟学习社区逐渐成为远程学习、远程培训、网上协作学习等数字化学习用户选择的一种新型交互式网络学习平台。当前可使用的三维虚拟学习社区开发技术种类繁多、特性各异，选择适合学习者特征和平台构建者技术水平的开发技术，方便快捷地构建满足数字化学习时代学习需求的三维虚拟学习社区，已成为广大教师和数字学习平台开发者共同关注的一个重要问题。本文在分析三维虚拟学习社区基本特征的基础上，对当前流行的几种三维虚拟学习社区开发技术进行比较分析。

二、三维虚拟学习社区的基本特征

三维虚拟学习社区是在网络虚拟学习社区设计与构建理论指导下，综合运用三维虚拟现实技术、虚拟学习环境构建技术等，为学习者的协作学习、远程培训、探究学习、社区活动等构建的一种三维交互式虚拟空间，它将学习活动的区域扩展到了包含虚拟学习对象和学习场景的三维虚拟世界[2]。在三维虚拟学习社区中，用户可以为自己制作一个具有真实感的虚拟化身，创作虚拟的活动来模拟他们在真实世界的学习活动。与当前的虚拟学习社区相比，它主要具有以下几个方面的特征。

1.可创建具有真实感的交互式虚拟学习环境

情境学习理论认为，知识是在频繁的交互活动中、在丰富的情境中不断被运用和发展着的[3]。三维虚拟学习社区提供了逼真的虚拟学习环境和类似于真实社会的各种交互活动，学习者在虚拟空间中可以与其他学习者进行面对面的交流、观察和模仿他人的学习活动、与他人一起开展协作学习等。学习者在这种身临其境的虚拟情景下开展交互式学习，会更容易激发学习者的创造性和学习积极性。

2.适用于多种学习活动

三维虚拟学习社区不仅适合开展实验类、语言类、艺术类、工程类等课程的教学活动，而且适合学习者在网络进行虚拟展示、虚拟实验等协作学习活动。例如，对于实验类课程的学习，学习者可以在教师创设的虚拟空间中做化学反应、物理仿真等实验；对于英语、汉语等语言类课程的学习，学习者可以加入某种语言学习的虚拟空间进行身临其境的交流与对话，在真实语境中提高自身的语言运用能力。这样，既能够减少对资源的消耗以及对环境造成的污染，又能突破时空的局限，与异地的学习者一起参与课程学习或实验合作。

3.信息呈现方式多样化

三维虚拟学习社区中的信息除了文本、图片、音频、视频等传统的呈现方式之外，还可通过三维虚拟人物的肢体动作或表情来表现。这些多维的信息呈现方式与真实世界极为相似，既能扩展学习者在虚拟环境中的学习体验，又能激发和维持学习者参与虚拟学习开展各种学习和交流活动的主动性与积极性。

4.可激发学习者的创造性思维

三维虚拟社区提供了一些可供学习者灵活使用的创作工具，学习者可以利用这些工具方便地创造各种物体和场景，如学习建筑专业的学生可以利用虚拟学习社区中的虚拟建筑工具和虚拟建筑材料设计并构建各种虚拟建筑物，而且可以充分发挥自己的创造力和丰富的想象力，不断改变建筑结构，以达到最理想的效果，而这在真实世界中几乎是不可能的[4]。

三、三维虚拟学习社区开发技术比较

在众多三维虚拟社区开发技术中，目前常用的有 SecondLife（中文为“第二人生”），Vivaty Scenes，Project Wonderland和Cult3D等。其中，Second Life是美国林登实验室（Linden Lab）研发的一个集虚拟现实技术和网络通信技术为一体的三维虚拟社区构建平台，每一个注册用户都可在该平台上付费申请特定大小的空间，然后在该空间内根据分配的权限利用脚本语言和三维模型构建系统进行二次开发[5]。Vivaty Scenes是继Second Life之后又一款基于网络的三维虚拟社区构建平台，它可为用户提供一种基于Web浏览器的完整三维体验，每一个虚拟环境都有一个常规网址，用户可以通过网址访问所有的虚拟空间，并可对自己的虚拟空间进行各种管理和设置[6]。Project Wonderland是Sun公司支持开发的一种用于创建三维虚拟世界的开源软件工具包，用户可以利用Project Wonderland创建高度互动的三维虚拟学习环境，添加各种新的应用程序和功能[7]。在利用Project Wonderland技术构建的三维虚拟学习社区中，师生以及生生之间可以很方便地进行协作与交流，还可以利用虚拟空间中的各种多媒体工具身临其境地开展学习活动。Cult3D是瑞典Cycore公司推出的一种Web3D技术，其基本思想是利用现有的网络技术和强大的3D引擎在网页上建立互动的三维对象，并在已建立的虚拟对象上增加动画、声音、链接、可点击的区域和可控制的移动等交互[8]。以上四种开发技术均可通过开放的架构为学习者构建具有真实感的三维虚拟学习社区，但它们在技术特征和技术应用等方面存在一定的差异。

1.技术特征比较

（1）系统结构和开发语言

Second Life在系统结构上采用C/S结构，需下载独立的客户端，开发语言是一种类似于C语言的林登脚本语言（LSL语言）。Vivaty Scenes采用B/S架构，可利用X3D三维图像标记语言对虚拟场景进行开发。Project Wonderland采用C/S架构并且完全基于Java语言，对其进行二次开发也需要在Java平台下。Cult3D采用B/S结构，可通过编写Java类扩展其功能。

（2）开发难度和功能扩展

Second Life对开发者的计算机能力要求并不是很高，凡是具有一定计算机基础的教师都可以在该平台上开发各种三维虚拟学习社区并扩展其功能。Vivaty Scenes允许用户将网上的资源添加到虚拟场景中，也允许用户使用免费的可视化场景编辑工具Vivaty Studio创建情景教学所需的各种场景，或通过Vivaty Scenes Editor等工具在已有的学习场景中进行添加、修改和删除等操作[9]。利用Project Wonderland进行开发需要对Java语言和Java开发平台有较深入的了解，但由于其是完全开放的体系架构，开发人员和图形美工师可以在其基础上扩展新功能或开发虚拟道具和虚拟人物的新行为，扩展功能远远超过了另外三种技术。Cult3D软件采用可视化的操作界面可以使开发者轻松掌握，但功能扩展仅限于在模型中添加各种交互。

（3）界面效果和数据流量

在界面效果方面，Second Life中的许多场景都是由三维模型组成且模型的细腻程度较高，画面效果接近于真实环境，但高质量的画面也带来较大的网络数据流量，在使用过程中对网速和电脑硬件的要求相对较高。由于Vivaty Scenes在场景创建时对模型分辨率和纹理均有一定限制，其追求的是一种质量和效率的平衡，但随着压缩技术的不断提高和网速的不断改善，Vivaty Scenes也可以较小的数据流量达到与Second Life相似的界面效果。Project Wonderland的模型纹理比较粗糙，在界面显示上不及Second Life和Vivaty Scenes，但整个场景的数据流量也很低，完全可以在主流配置的个人电脑上流畅地运行。Cult3D采用32位的高视觉渲染方式使其具有较高的渲染质量，通过特殊的压缩方式使得文件数据量很小。因此，Cult3D在拥有高质量画面的同时，也适合低带传输。

表1 常用三维虚拟学习社区开发技术特征比较

2.技术应用比较

（1）学习资源获取方式及其类型

在基于Second Life技术的虚拟学习社区中，教师对教学活动所需的学习资源可通过自行开发、林登币（Second Life专用的虚拟币，可兑换真实货币）购买、网上下载或链接虚拟社区外部资源等方式获取，可用资源包括社区内的各种模型、装饰品以及社区内外的音频、视频、图片等。Vivaty Scenes虚拟学习社区用户可以使用Vivaty Studio、Google Sketchup、Maya等工具创建模型资源，也可从其他网站上获取大量数字化的学习资源，如从Flickr和Facebook提取照片或者从YouTube提取视频或音频，然后将它们显示在虚拟社区中的屏幕上等[10]。在利用Project Wonderland开发的三维虚拟学习社区中，绝大部分学习资源需教师独立开发，可使用的学习资源类型主要包括开展学习活动所需要的各种传统资源，如高质量的音频、视频、图片等，也包括常用的应用程序，如电子表格、Web浏览器、网络教育游戏等。在运用Cult3D技术开发的三维虚拟学习社区中，教师需将从网上获取的或根据教学活动需要制作的文本、声音、动画等学习资源添加到3DS Max、Maya等主流三维建模软件创建的三维模型中，以实现各种交互操作。

（2）应用成本和适用情境

在基于Second Life技术开发的三维虚拟学习社区中，从事教育应用需购买虚拟教学场地，也可向林登实验室申请免费的实验场地，教师可以在虚拟学习社区中模拟现实社会进行社会学类、语言学类、艺术类和工程类等课程的教学。Vivaty Scenes属于免费的三维虚拟社区构建平台，学生可在虚拟社区中开展各种工程类、实践类、探索类的课程学习活动，也可结合现有的虚拟学习社区，将大量的学习资源整合到二维网页上。Project Wonderland开源工具包可免费下载，但需花费一定的费用开发学习场景和相关资源。由于Project Wonderland优秀的可扩展性，常被用于电子商务、虚拟实验等探究性学科的学习活动。Cult3D属于商业软件，价格较高，但通过Cult3D强大的交互功能可以很真实地表现实验现象，非常适合各种虚拟实验性课程的学习。

（3）相关应用案例

Second Life在教育领域的应用案例很多，如哈佛大学、新加坡国立大学、西顿霍尔大学、布拉德利大学等都在其上创建了自己的三维虚拟学习社区。学习者在Second Life虚拟社区中可以组建虚拟团队参加各种学习活动，如在虚拟教室上课、在空中飞行搜索学习资源等，这不仅突破了时空的限制，而且大大激发了学习者的学习兴趣和热情，使得学习活动更富有弹性[11]。Vivaty Scenes和配套的开发工具均刚刚进入公测阶段，暂时还未发现相关案例。Project Wonderland主要被用作开展沉浸式实验学习，如物理学教授创建一个虚拟的宇宙来说明行星或恒星之间引力的相互影响，学化学的学生可以混合虚拟化合物、脂肪酸和气体。这样，既可以充分发挥学习者的创造性，又不会因为错误的实验操作而带来危险[12]。Cult3D技术主要应用于虚拟实验方面，如浙江师范大学开发的虚拟化学实验室[13]、呼伦贝尔学院开发的大学物理虚拟实验室[14]等。这种低损耗、无危险的虚拟实验室不仅保证了实验的真实感和交互性，而且可以给学习者身临其境的视听体验。

表2 常用三维虚拟学习社区开发技术特征比较

四、三维虚拟学习社区的构建

三维虚拟学习社区在国外已有许多成功的案例，这里以笔者曾经参与俄亥俄州立大学（Ohio University）虚拟学习社区进行远程协作学习为例，探讨三维虚拟学习社区的构建及其过程中应注意的问题。俄亥俄州立大学使用Second Life三维构建技术开展仿真教学，在Second Life中拥有2个大陆和1个少年区，其目的在于利用Second Life提供的安全灵活的虚拟学习环境更好地为广大学生提供一个广阔的学习与交流空间，并促进学习者实际能力的不断提高。Ohio University基于Second Life平台构建的三维虚拟学习社区的系统结构如图1所示，从系统架构的角度来看，该虚拟学习社区的构建主要涉及学习情境创设、三维模型构建、网络三维交互等。他们利用Second Life提供的仿真、模拟、参与等功能完成三维虚拟学习环境的构建，借助常用三维建模工具创设各种具有真实感的教学场景、道具和虚拟角色，通过LSL脚本语言设置各种学习情景活动的运行逻辑，但复杂的学习活动运行逻辑需要用程序接口在外部完成[15]。

在Ohio University三维虚拟学习社区（http://slurl.com/secondlife/ohio%20university/20/36/24/）中，教师可以不受时空限制，向在线学习者展示各种学习情境和活动，如图2所示，教师正通过PPT和辅助网页对学生进行远程教学，图3所示导师社区学习者在课余时间通过语音或文字进行讨论和交流，这些学习者置身于这些虚拟学习情景中，可以通过"亲身"感受来获得直接经验和相关知识，通过角色扮演来体会真实世界中的相关场景及其活动，加深对相关知识和意义建构及其创新。

三维虚拟学习社区为数字化学习提供了一个丰富且实用的技术支撑平台，通过对国内外三维虚拟学习社区构建技术应用案例的深入分析，我们认为在利用相关技术构建三维虚拟学习社区的过程中需注意以下几个方面的问题：

1.系统运行平台的性能

三维虚拟学习社区对系统运行平台的性能提出了更高的要求，不同的三维虚拟学习社区开发技术对系统运行平台的性能要求也各不相同。因此，在选择相应的开发技术之前，应当充分考虑系统的配置和性能等各种影响系统运行的因素，如系统的硬件配置能否流畅地支持虚拟社区庞大的程序、网络的传输速度能否满足虚拟环境庞大的数据流量以及系统最终能否稳定可靠的运行等问题。

2.虚拟对象的真实感

三维虚拟学习社区需要学习者在社区中具有较高的社交真实感，这样才能增强学习者的社区归属感，提高学习者在虚拟社区中进行学习活动的持久性[16]。当前的三维虚拟学习社区虽然给师生提供了逼真的活动场景，但在人物形象个性化方面却有待改进，如在Second Life中，许多可供选择的替身均是以西方人物为主，并且各个角色的外部形象也比较相似，在三维虚拟学习社区中往往需要在替身旁边显示姓名作为区别。因此，在系统配置能够达到相关要求的情况下，需要考虑提高虚拟对象（包括虚拟角色和道具）的真实感和系统的交互性，如采用三维激光扫描仪等设备为社区成员和各种学习工具制作具有高度真实感的三维虚拟学习者、学习道具、学习场景等，将这些逼真的三维模型导入虚拟学习社区后，就可以虽小虚拟学习环境与真实学习环境的差距，学习者可以很容易地找到自己的学习伙伴，并使用自己熟悉的各种学习工具进行各种学习和交流活动，从而提高学习者的社区归属感和协作水平。

3.应用服务支持

NMC（新媒体中心）2008年关于学习者在虚拟世界中最主要的活动的调查显示，有86%的学习者在虚拟世界中只是到处逛逛[17]。许多学习者在虚拟场景中不明确自己要完成的学习任务，缺乏相应的学习资源或得不到及时有效的指导。因此，在构建三维虚拟学习社区时应充分考虑平台的易用性，如学习者是否具有操作三维虚拟学习社区的基础技能，如何为学习者提供更丰富的学习资源，以便学习者围绕自己的学习目标进行学习和探究，并及时对他们遇到的各种问题进行有效的反馈，通过提供优质的服务提高三维虚拟学习社区的利用率及使用效果。

五、总结与展望

本文在对三维虚拟学习社区主要特征进行分析的基础上，比较了当前几种主流的三维虚拟学习社区开发技术，并通过三维虚拟学习社区构建案例探究三维虚拟学习社区构建过程中应注意的相关问题，为三维虚拟社区设计者、开发者及其相关教师构建高质量的三维虚拟学习社区奠定了一定的基础。但如何根据实际教学与学习的需求，通过增加虚拟学习场景及其相关活动的真实感构建更加逼真的实用型三维虚拟学习社区，仍需我们进一步探索。

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[7][12]Project Wonderland[EB/OL].http://developers.sun.com.cn/Java/project_wonderland.html.

[8]Cult 3D[EB/OL].http://www.hudong.com/wiki/Cult+3D.

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