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沉浸式学习——从背景、方法到典型案例

作译者：骆岩林,王晶,顾培蒂

出版时间：2022-03 千字数：282 版次：01-01 页数：172

开本：16开装帧： I S B N ：9787121445170

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纸质书定价：￥89.0

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CHAPTER 01
物理的沉浸式学习
1.1?背景  / 2
1.2?方法  / 3
1.2.1?“运动之律”的场景搭建  / 3
1.2.2?基于Unity3D物理引擎的动画模拟  / 15
1.2.3?力反馈功能的实现  / 20
1.2.4?3D音效的添加  / 22
1.3?系统介绍  / 25
1.3.1?功能介绍  / 26
1.3.2?工程结构  / 26
1.4?操作步骤  / 27
CHAPTER 02
数学的沉浸式学习
2.1?背景  / 30
2.2?方法  / 31
2.2.1?“数学之魅”的场景搭建  / 31
2.2.2?基于数学思维的交互设计  / 37
2.2.3?数学知识的导学功能  / 43
2.3?系统介绍  / 45
2.3.1?功能介绍  / 45
2.3.2?工程结构  / 45
2.4?操作步骤  / 46
CHAPTER 03
生物的沉浸式学习
3.1?背景  / 49
3.2?方法  / 50
3.2.1?“神经系统”的场景搭建  / 50
3.2.2?手柄交互功能  / 63
3.2.3?自动语音讲解功能  / 68
3.3?系统介绍  / 69
3.3.1?功能介绍  / 69
3.3.2?工程结构  / 69
3.4?操作步骤  / 70
CHAPTER 04
医学的沉浸式学习
4.1?背景  / 72
4.2?方法  / 72
4.2.1?鼻-颅的模型构建  / 74
4.2.2?鼻腔软组织的材质设计  / 80
4.2.3?“鼻-颅解剖结构”的场景搭建  / 85
4.2.4?交互设计  / 93
4.3?系统介绍  / 106
4.3.1?功能介绍  / 106
4.3.2?工程结构  / 107
4.4?操作步骤  / 108
CHAPTER 05
历史的沉浸式学习
5.1?背景  / 111
5.2?方法  / 111
5.2.1?“克利特岛”的场景搭建  / 111
5.2.2?场景漫游实现  / 116
5.2.3?导览交互功能  / 121
5.3?系统介绍  / 127
5.3.1?功能介绍  / 127
5.3.2?工程结构  / 127
5.4?操作步骤  / 128
附录A　HTC Vive设备  / 130
附录Ｂ　Unity3D  / 132
附录Ｃ　基于物理的渲染  / 133
附录D　Unity高清渲染管线  / 135
附录E　Unity创建高清VR工程  / 137
附录F　Geomagic Touch力反馈设备  / 152
附录G　物理的沉浸式学习系统评价实验及结果分析  / 155
附录H　数学的沉浸式学习系统评价实验及结果分析  / 158
附录I 　生物的沉浸式学习系统评价实验及结果分析  / 160
附录J　基于阈值的CT/MRI三维重建  / 163
参考文献  / 166

前  言
20世纪80年代，虚拟现实（Virtual Reality，VR）被提出。虚拟现实是一种通过计算机创建虚拟情境和交互的技术，作用于用户视觉、听觉、力/触觉，使其“沉浸”其中。VR以其沉浸性、交互性和想象性（Immersion、Interaction、Imagination，简称为3I）对教育产生深远的影响。与此同时，增强现实（Augmented Reality，AR）、混合现实（Mixed Reality，MR）被广泛关注。AR就是在真实空间里植入虚拟内容，把虚拟信息（如模型、图片、视频、声音等）映射在现实环境中。MR可直接视为VR和AR的结合体，指合并现实和虚拟环境后产生的新可视化环境。从VR的广义概念上讲，AR、MR是VR的延伸，本书统称VR。
沉浸感，指人们基于视觉、听觉、力/触觉等感觉的全神贯注。人类获取信息中的70%～80%来自视觉感知。听觉感知是仅次于视觉感知的第2个感知通道，起到补充视野之外信息的作用。触觉“Haptics”一词源于希腊语“Haptikos”，在虚拟现实环境里通过力/触觉、动知觉等感知三维虚拟物体的形状、重量、表面纹理等属性信息，使现实世界与虚拟环境之间的界限变得模糊，从而增强真实感和沉浸感。目前，力觉的反馈技术相对触觉更加成熟，因此，大部分研究和应用主要集中于力感模拟。新的其他感知通道，如嗅/味觉、温/湿感等，有的刚起步，有的尚未涉足。
沉浸式VR技术，主要利用沉浸式显示设备（如头盔显示器HTC Vive）、力/触觉交互设备（如Phantom）等，向学习者提供沉浸式感知体验。沉浸式学习（Immersive Learning）通常指通过沉浸式VR技术创造更具操作性、高体验和直观交互等特点的学习活动，以激发学习者的主动性和探究欲，从而提高学习成效。
本书共5章，包括物理、数学、生物、医学、历史等沉浸式学习的典型案例，部分参考了中国科学技术馆的科普实体展项，如物理沉浸式学习中的惯性定律、作用力和反作用力，生物沉浸式学习中的神经细胞，数学沉浸式学习中的滚出的直线、莫比乌斯环、立体四子棋等。神经系统参考了K12生物课标，鼻-颅医学数据来自北京大学第三医院。为了有效进行互动性沉浸式学习，除视觉沉浸感外，基于手柄的三维交互允许用户通过抓握、移动、组装、行动等方式对虚拟模型进行操作。力反馈用于第1章“物理的沉浸式学习”中，学习者通过控制力反馈设备，观察在力的作用下虚拟物体的运动规律，获得直观而深刻的体验，从而加深对物理概念和定律的理解，一定程度上增强物理学习的沉浸感。最后，本书还提供物理、数学、生物的沉浸式学习系统评价实验及结果分析，参见附录G、H、I，医学、历史相关内容的沉浸式学习系统评价方法类似，故省略。
本书旨在通过背景、方法、系统介绍与操作步骤等内容，推动教学过程或内容可视化，强调案例学习，具有以下特色：
① 可操作性强。用大量图示直观说明方法，指导学习者循序渐进地学习。
② 良好的可扩展性。每章提供典型案例，方便学习者进行扩展学习。
③ 配套资源丰富。本书配套源代码等相关资源，读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费下载。
本书提供案例的硬件环境：CPU Intel Core?10875H（8核，16线程）；内存为16GB，显卡为NVIDIA GTX 1660TI（显存6GB）；硬盘为SSD（1TB）；HTC Vive头戴式设备的单眼分辨率为1080×1200px，刷新率为90Hz，视场角为110°；HTC Vive操控手柄采用约3.5m×3.5m空间定位追踪；力反馈设备为Geomagic Touch；软件环境为Windows 10（64bit），3ds Max 2021，SketchUp 2018，Blender 2.93.6，ZBrush 2018，Substance Painter 7.2.2，Unity 2020.2.7f1c1（64bit），开发语言为C#。
本书由骆岩林、王晶、顾培蒂及指导的研究生共同撰写，其中李文静参与第1章和第3章、叶心怡参与第2章、韩靖参与第4章、吴迪参与第5章。另外，本书由国家自然科学基金（No.12126508 和 No.61977063）支持出版。
尽管我们希望本书能够呈现全面、系统的典型案例，但由于时间和水平有限，书中必然存在不少疏漏和欠缺，期待在以后的新版中进一步完善，如基于5G+VR实现跨越时空沉浸式学习等内容。欢迎读者提出宝贵意见，可发邮件到：luoyl@bnu.edu.cn。

作??者

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