作者：梁森山
出版社：人民邮电出版社
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![3D教育蓝皮书[精品]](http://img61.ddimg.cn/digital/product/46/75/1900784675_ii_cover.jpg)
3D教育蓝皮书[精品]试读：
内容提要
本书概要性地介绍了3D技术在教育领域的应用现状和发展趋势，并对目前3D与VR（Virtual Reality，虚拟现实）技术在教育领域应用的新进展进行了分析。
全书主要内容包括两部分。首先，通过对相关文献的查阅，本书梳理了3D技术在教育领域的研究及应用现状，并通过对文献的数量与主题的分析研究了应用热点的转移，描述出了3D技术与教育整合的发展历史及趋势。其次，基于现阶段的3D技术设备供应环节，本书整合了相关硬件方案和软件方案，并介绍了对3D技术厂商和用户的问卷调研情况。
本书适合从事3D技术与教育领域结合应用的研发人士，或者希望在教育领域引入3D技术的教育装备工作者阅读。
序言
3D教学作为一种崭新的教育形式，具有更加形象、更容易引发学生关注并激发学生兴趣等优势。这一新兴的教学形式，已经在欧美发达国家引起了教育工作者的重视。英国将3D技术应用于教育教学的研究起步比较早，水平比较高；印度3D相关的公司也有较高的水平；匈牙利、西班牙等国家的3D公司也有跟进；美国公司（以Cyber Science和Z-space两家公司为代表）结合好莱坞3D电影产业，在3D人机交互和用户体验等方面大胆创新，大有后来者居上之势。
3D教育是教育信息化的明珠，是教育教学未来的发展趋势，也是未来教育的直观体现。
国内也有相关公司跟进3D教育前沿，但由于3D教育产业在人力、物力和财务上投入巨大，相关公司大都在小规模尝试，目前3D相关产品无法形成有效应用和资源共享，企业在市场上也难以获得回报。
3D教育资源是3D教育的基础，是3D教育最核心的要素之一。3D教育的发展离不开3D教育资源的配合与支持。长期以来，国内3D教育相关公司与单位在3D教育资源建设方面可以用“杂”“乱”“差”3个字来概括：“杂”是指学科出处多，主要是科研院所的科研结题成果展示；“乱”是指没能和现有的教材体系结合到一起，都是零碎的知识点，不成系统，缺乏规范，不利于共建共享；“差”是指3D教育资源的品质和质量不如国外，3D教育资源与建模水平整体需要提升。
3D教育装备为3D教育提供物质保障，为3D教学的开展提供底层支持。在3D教育装备方面，国内的相关公司虽然具有产品优势（3D投影、裸眼3D、3D眼镜和大型环幕），产品线也比较齐全，但是3D硬件企业仍普遍存在缺乏3D软件和3D资源支持的困境，各硬件企业之间也缺乏有效的整合，缺乏装备化思想和实践，难以形成具有优势的3D系统应用。3D教育三要素
3D教学活动的开展是3D教育的灵魂。3D教学的水平直接决定3D教育的发展水平。
3D教育资源、3D教育装备和3D教学共同构成了3D教育的三要素。
3D教育是一个庞大的系统工程，企业单打独斗是没有发展前景的。零星琐碎的3D片段和资源建设也难成气候，无法有效推动3D教育快速进校园、进教室和进课堂。3D教育行业要发展，就需要做好统筹工作，3D硬件企业、3D资源供应商、平台方案商和3D系统集成商要紧密合作，广泛联系3D教育相关方搭建一个交流、沟通和合作的开放平台，同时为学生提供自主学习的空间和渠道，为教师提供快速的搭建、组织和实施3D教学的手段和方法，营建一个良性的3D教育生态圈。
解决国内3D教育与装备的发展问题，需要一个有效的公共沟通交流的平台。这里就需要相关教育主管部门来牵这个头，做好3D教育行业的组织工作，有效推进3D教育行业的发展。
中国系统仿真学会3D教育与装备专业委员会的成立就是这种尝试，就是要建设一个能够涵盖上述各方的公共3D教育平台，营造一个3D教育生态圈，做好相关的统筹工作，做好3D教育行业的规划和组织协调工作，制定相关政策和标准，共谋发展，有效推进3D教育的健康发展，为我国的教育教学改革提供有益的技术支撑。
3D教学作为一种崭新的教育信息化形式，是视听教育的未来发展方向，它将开创一个全新教学模式，无论是国内还是国外都投入了大量的人力、物力和财力进行这方面的前期准备。
国内3D教育要紧跟国际步伐，需要早作准备。第1章3D教育概述
媒介大师麦克·卢汉曾说过：“任何技术都倾向于创造一个全新的人类环境”。20世纪40年代，信息论创立后，被很快地应用于社会生活，其影响力之大以至于人们用这一技术来命名一个时代—信息时代。3D和VR（Virtual Reality，虚拟现实）作为20世纪后期继计算机技术、人工智能技术和多媒体技术之后，与社交网络并行交叉而兴起的新型信息技术，同样必将对人类的生存环境产生重大的影响。1.1 3D文化与教育
人类历史上曾有过无数革命性的技术，并对人类日常生活的方方面面产生了深远的影响，但能够直接为教育服务的技术却是凤毛麟角。电子信息技术，特别是互联网技术，则是自印刷术发明以来对教育最具革命性影响的技术。基于互联网技术的移动学习或泛在学习，使得学生们可以在任何地点、任何时间通过虚拟的方式获得所需要的教育信息，学生和教师也在经历各种全新的教育体验。教育信息化无疑是当今世界各国教育工作和主管部门的主要工作对象。
3D教育离不开大的3D社会文化背景和教育信息化背景。在互联网和教育信息化的大背景下，3D技术和VR技术正在改变传统的教育教学形态。因此，探讨以3D技术和VR技术为代表的新技术与教育结合的理论依据，无论是对教育信息化的发展，还是对3D技术和VR技术自身的发展都是必要的，也有其现实需求。
在当今全球教育创新的改革中，3D和VR教学已成为一个不容忽视的发展趋势。3D和VR教学作为一种崭新的教育信息化形式，是视听教育的未来发展方向，将开创一个全新的教学模式，无论国内还是国外都投入了大量的人力、物力和财力进行着前期储备。1.1.1 3D文化
3D技术在电影、游戏、博物馆、展览馆和科技馆等文化娱乐行业的广泛应用为3D教育做了良好的科学普及工作，为3D教学活动进校园、进班级和进课堂打下了良好的基础，为师生应用3D技术树立了信心。
1.1.1.1 3D电影
1.起点·2008
3D电影在国内大范围上映实际上始于2008年初的《地心历险记》，近在咫尺的细微生物、呼啸而过的珍奇异兽、过山车般身临其境的美妙感觉，让该片在当时全国仅有80块3D银幕的情况下，放映了27周，票房达6700万元，平均每块银幕票房80万元。而同期上映的《赤壁（上）》每块银幕票房只有8万多元，3D电影平均银幕票房收益是2D影片的10倍。
随后一系列引进的3D大片掀起了3D热潮，国内众多影院纷纷扩建、更新放映设备，力推3D电影。到2008年暑期《冰河世纪3》上映之时，中国的3D银幕数量已经迅速地发展到了350块。《阿凡达》上映之时，中国的3D银幕数量突破了600块，成为紧随美国之后的全球第二大3D电影市场。
2.3D元年·2009
2009年上映的《阿凡达》，把3D电影事业带入了“3D元年”，点燃了全球影迷对3D影片的热情，3D成了电影的标准配置，3D电影的制作及观影方式时成为了主流，就像有声电影取代无声电影、彩色电影取代黑白电影一样。在《阿凡达》巨大成功的影响下，国内导演也纷纷开始积极尝试3D立体电影这种新的创作方式。
3D电影给我们带来了前所未有的视觉震撼，同时也让我们对电影的本质多了一些思考。难道仅仅依靠3D技术就能拯救电影业吗？好莱坞“编剧教父”罗伯特·麦基的一句话或许能给出答案——“没有故事，再好的3D也只是技术”。
3.大圣归来·2015
2015年夏天，《西游记之大圣归来》（以下简称《大圣归来》）还未上映，预告片就已经在弹幕视频网站上引发大量关注，并且将火热势头蔓延至微博、QQ空间等网络社交平台；正式上映后，微信朋友圈里不断涌现出大批“自来水”军刷屏力推。《大圣归来》快散场时，一个孩子问他的妈妈：“妈妈，为什么大人也来看动画片哪？”妈妈说：“因为在那些大人还是孩子的时候就在等大圣回来啊！”图1.1 《西游记之大圣归来》海报《大圣归来》为国产3D动画创下了全新的票房纪录——9.56亿元，给予了国产3D动画一个巨大的想象空间，同时也给无数3D动画电影人带来了信心。
4. 片源为王
在《阿凡达》之后，3D电影不管是在质量方面，还是在数量方面，都一时难以赶上观众挑剔眼光的发展。在缺失了片源这一内容支持的情况下，3D电影确实难有作为。但是到了2014年，这一情况已经大有改观，中国已经成为了3D电影增长最快的市场， 2014年一季度，总票房为67.23亿元，其中3D影片的票房贡献超过50%，成为影院吸金大户。图1.2 中国3D电影上映情况（本图引自万维家电网）
随着3D电影市场的快速发展，中国观众也逐渐养成了“非3D，无大片”的观影标准。片源内容已经不再是3D电视在消费者客厅里大展拳脚的拦路虎。
1.1.1.2 3D网游
3D网游是指在3D影像基础上而开发的网络互动游戏，通过人与人之间的互动达到交流、娱乐和休闲的目的。相比2D游戏，因其采用了3D空间的概念，所以画面更显真实，而且玩家在3D空间操作的随意性也较强，因为在游戏中人物的视角可以随意变动，比如，能近距离看以往2D游戏无法看到的自建角色正面。表1.1 2D、3D、2.5D定义
1. 第Ⅰ代3D网游
第Ⅰ代3D网游又称“2.5D网游”，或“假3D网游”，从游戏体验上来说，它并不比2D即时制网游强多少。仅仅是在2D即时制网游的基础上对于场景贴图使用了3D效果，部分网游有游戏人物和动物模型的翻转效果。对体验者而言，第Ⅰ代3D网游跟2D网游几乎无差别，但从其技术上来说，第Ⅰ代3D网游已经说明其开发实力进入3D时代了。可以这样认为，第Ⅰ代3D网游属于网游开发商在进入3D时代的垫脚石。
2. 第Ⅱ代3D网游
从体验效果上来说，第Ⅱ代3D网游已经算是正式步入了3D时代。玩家可以自由翻转视角，技能效果出现了“面向错误”的判断，出现了真实的、可供攀爬的山坡，甚至因为设计的原因，玩家能被“卡”在地洞里面。而因为第Ⅴ代3D网游依然采用2D点对点的算法模式，所以在动作表现上依然不尽如人意。
3. 第Ⅲ代3D网游
第Ⅲ代网游现在可以被称为“动作3D网游”，又称“真3D网游”，现阶段的第Ⅲ代网游基本是动作网游，如《RUSH冲锋》。它比第Ⅱ代3D网游有了更好的体验效果，带入了载体理论，让网游的战斗效果更加具有真实感。玩家放出的远程技能不再是必中目标，也不再会无视性地穿过第三者的身体，甚至近身战斗也变成因为动作轨迹造成群体命中判定。
4. 镀金时代
2003年，网络游戏进入中国后，中国游戏产业进入了长达10年的经济快速增长的“镀金时代”。据中国产业调研网发布的《2015年版中国网络游戏行业深度调研及市场前景分析报告》显示，2014年，中国网络游戏市场规模同比增长24.3%，首次突破千亿大关，达到1108.1亿元，网络游戏规模扩大主要得益于移动游戏的高速增长。游戏已经成为中国人民最普遍的文化娱乐方式之一。
5. 严肃游戏
教育游戏是严肃游戏的一种，是专门针对特定教育目的而开发的游戏，具有教育性和娱乐性并重的特点，是以游戏作为教育的手段，设计游戏的时候，以成熟的教育理论作为理论支撑，取得教育性和游戏性的平衡，从而通过游戏的方式来完成教育过程的产品实现。
3D教育游戏既是3D技术在教学领域重要的应用方向之一，也为VR技术的快速发展起到了巨大的需求牵引作用。尽管存在众多的技术难题，VR技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。从最初的文字游戏，到2D游戏、3D游戏，再到3D网络游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。我们相信，随着3D技术的快速发展和软、硬件技术的不断进步，在不远的将来，真正意义上的实时交互式3D游戏必将为人们文化、娱乐、教育和经济发展做出新的贡献。图1.3 2011—2018年中国网络游戏市场规模
1.1.1.3 数字博物馆
数字博物馆是运用3D显示技术、VR技术、互联网、3D显示系统、互动娱乐技术和特种视效等技术，将现实存在的实体博物馆以3D的方式完整呈现于网络上的博物馆。数字博物馆就是将整个博物馆环境制成3D模型，参观者能在虚拟的博物馆中随意游览，观看馆内各种藏品的3D仿真展示，查看各种藏品的相关信息、资料。通过数据库可以查阅馆内各类藏品的统计信息。
与实体博物馆相比较，“数字博物馆具有信息实体虚拟化、信息资源数字化、信息传递网络化、信息利用共享化、信息提供智能化、信息展示多样化等特点”。在这里，最为关键的特点是实体虚拟化，即数字博物馆的一切活动，都是对实体博物馆工作职能的虚拟体现，都是以实体博物馆为依托，同时又反过来作用于实体博物馆，是对实体博物馆职能的拓展和延伸。
数字博物馆提高了参观者和学习者掌握知识和技能的效率和积极性，达到优化参观过程、个性化参观、针对性讲解，提高参观质量的目的，从而解决传统博物馆无法解决的问题。随着3D和VR技术的飞速发展，数字博物馆系统具有广泛的应用前景，它将成为21世纪博物馆参观必不可少的补充。图1.4 数字博物馆1.1.2 教育信息化
自20世纪90年代以来，国际教育界出现了以信息技术的广泛应用为特征的发展趋向，国内学者称之为“教育信息化现象”。我们将教育信息化看作一个过程，其结果是达到一种新的教育形态——信息化教育。
当前，我国教育改革和发展正面临着前所未有的机遇和挑战。以教育信息化带动教育现代化，破解制约我国教育发展的难题，促进教育的创新与变革，是加快从教育大国向教育强国迈进的重大战略抉择。
2012年初，教育部组织编制并印发的《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》（以下简称《规划》）倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学，帮助学生学会学习。激发学生好奇心，培养学生的多种爱好，营造独立思考、自由探索、勇于创新的良好环境。《规划》还指出：适应经济社会发展和科技进步的要求，推进课程改革，充分发挥现代信息技术的作用，促进优质教学资源共享。当今改革需要各种优质的教学资源，需要各种灵活的教学手段，需要教师提供学生喜欢的、合适的教学媒体，各种新技术手段引入教学中将为教学环境注入新鲜血液，也增加了优质教学资源。
当前的教育信息化已经步入加快推进的黄金期，也是关键期。在教育教学领域，3D和VR技术的应用可以创设自然、直观的学习情景，有效提高教育教学质量，具有美好的前景。这种学习方式激发了学生的求知欲和好奇心，有助于培养学生的想象力和深度思考的学习能力，使3D学科教室和3D综合教室成为学校调整教学装备和改变教学方式的优先方案之一。
1.1.2.1 全民科学素质纲要
2016年2月25日，国务院办公厅印发了《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016—2020年）的通知》（国办发〔2016〕10号）：
科学素质决定公民的思维方式和行为方式，是实现美好生活的前提，是实施创新驱动发展战略的基础，是国家综合国力的体现。进一步加强公民科学素质建设，不断提升人力资源质量，对于增强自主创新能力，推动大众创业、万众创新，引领经济社会发展新常态，注入发展新动能，助力创新型国家建设和全面建成小康社会具有重要的战略意义。
实施科普基础设施工程。
……创新完善现代科技馆体系。突出信息化、时代化、体验化、标准化、体系化、普惠化、社会化，推动由数量与规模增长的外延式发展模式向提升科普能力与水平的内涵式发展模式转变，进一步建立完善以实体科技馆为龙头和基础，流动科技馆、科普大篷车、虚拟现实科技馆、农村中学科技馆、数字科技馆为拓展和延伸，辐射基层科普设施的中国特色现代科技馆体系。发挥自然博物馆和专业行业类科技馆等场馆以及中国数字科技馆的科普资源集散与服务平台的作用。大力推动虚拟现实等技术在科技馆展览教育中的应用，以“超现实体验、多感知互动、跨时空创想”为核心理念，研发可复制、可推广的虚拟现实科技馆，生动展现科技前沿。推动中西部地市级科技馆、专题行业科技馆建设。推动建立科普标准化组织，完善科技馆行业国家标准体系以及相关标准规范，开展科技馆评级与分级评估。建立健全科技馆免费开放制度，提高科技馆公共服务质量和水平。
1.1.2.2 教育信息化“十三五”规划
2016年6月7日，教育部发布了关于印发《教育信息化“十三五”规划》的通知（教技〔2016〕2号）：
发展目标：
到2020年，基本建成“人人皆学、处处能学、时时可学”、与国家教育现代化发展目标相适应的教育信息化体系；基本实现教育信息化对学生全面发展的促进作用、对深化教育领域综合改革的支撑作用和对教育创新发展、均衡发展、优质发展的提升作用；基本形成具有国际先进水平、信息技术与教育融合创新发展的中国特色教育信息化发展道路。
深化信息技术与教育教学的融合发展，从服务教育教学拓展为服务育人全过程。
要依托信息技术营造信息化教学环境，促进教学理念、教学模式和教学内容改革，推进信息技术在日常教学中的深入、广泛应用，适应信息时代对培养高素质人才的需求。有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用。面向未来培养高素质人才，教师能力是关键。要建立健全教师信息技术应用能力标准，将信息化教学能力培养纳入师范生培养课程体系，列入高校和中小学办学水平评估、校长考评的指标体系，将教师信息技术应用能力纳入教师培训必修学时（学分），将能力提升与学科教学培训紧密结合，有针对性地开展以深度融合信息技术为特点的课例和教学法的培训，培养教师利用信息技术开展学情分析与个性化教学的能力，增强教师在信息化环境下创新教育教学的能力，使信息化教学真正成为教师教学活动的常态。
1.1.2.3 教育部关于做好装备工作的意见
2016年7月13日，教育部印发《教育部关于新形势下进一步做好普通中小学装备工作的意见》（教基一〔2016〕3号）：
为深入贯彻党的十八大和十八届三中、四中、五中全会精神，落实“四个全面”战略布局，明确“十三五”期间中小学装备改革发展任务，提升基础教育质量，加快推进实现教育现代化，现就新形势下加强普通中小学装备（以下简称“装备”）工作提出如下意见：当前，我国已进入全面建成小康社会的决定性阶段。以“互联网+”和“中国制造2025”战略为引领的新型城镇化、工业化、信息化建设进入关键时期，为装备工作改革发展提供了新的机遇、新挑战。迅猛发展的信息技术，丰富了装备的品种，优化了装备的结构，极大地提升了装备的品质。以云计算、物联网、虚拟现实及大数据等为代表的新兴信息技术在教育中广泛应用，促进了教育模式、教学方法和办学方式的转变。
1.1.2.4 教育部教育装备研究与发展中心2016年工作要点
2016年3月3日，教育部教育装备研究与发展中心印发《教育部教育装备与发展中心2016年工作要点》的函（装备中心〔2016〕7号）：
探索“未来学校”建设研究。结合“互联网+”、云计算、物联网、虚拟技术及大数据发展，以培养学生核心素养为出发点和落脚点，深入研究“未来学校”发展趋势，适时打造未来学校试点，不断完善相关教育装备技术标准和装备规范。
深化移动学习终端研究。制定移动学习终端的硬件、软件、资源和服务相关标准，探索规范移动学习终端的研发、生产、销售、使用、服务等各环节。深化基于移动学习终端的教学资源、课堂教学模式和教学效果研究。
加强创新创造教育研究。贯彻国家“双创”要求，为创客教育、“STEAM课程”提供教育装备支撑，探索将新的教育装备融入课堂，培养学生的创新能力、综合设计能力和动手实践能力。1.2 概念
3D是英文“3 Dimensions”的缩写，中文语义可以指：立体、立体的，三维、三维的， 3D空间、3D空间的，或3D坐标。3D即指长、宽、高或者X、Y、Z坐标轴，换句话说， 3D就是立体。3D是一个相对概念，相对于只有长和宽的2D平面而言。图1.5 3D概念图
在百度词条中检索“3D”，会给出以下检索结果：表1.2 在百度词条中检索“3D”给出的检索结果续表
教育相关的3D技术是未来值得关注的新技术，将带来教学、学习和研究领域的创新。3D在教育教学上的应用具有美好的前景，如何有效地将其应用到学习领域，为用户提供学习支持，还有待深入研究。1.2.1 3D教育
3D教育是以可视化的3D建模为基础，通过项目学习的方式，综合应用3D影像、AR、MR、VR、3D打印等3D技术，实现“从创意到实现”完整的学习与认知过程，鼓励“手脑并用”，培养学生的跨学科学习能力、团队协作能力和数字表达能力的一种创新教育。
3D建模是3D教育的基础和精髓。3D教育是3D建模、3D影像、AR、MR、VR、3D打印等3D技术、方法和思想应用于教育教学领域的总和，是3D建模、3D影像、AR、MR、VR、3D打印等3D技术在教育行业的具体应用。这是3D教育的一个方向，这个方向是站在3D技术的角度看教育需求，看行业应用。
只有把3D教育下沉到建模和建模思维的训练，才能体现3D教育的创造力，纷繁芜杂的3D技术才能找到共同的根基。
把3D教育下沉到3D建模之后，3D教学的内容和目标也会更加清晰，建模思维的培养才是3D教育的目标和方向。图1.6图1.7
简单来说，3D教育就是3D技术在教育中的应用。3D教育主要研究内容之一就是如何让3D技术成为教育信息化的助推器。图1.8 3D技术看教育
3D教育的另一个方向是从教育需求看3D技术（3D建模、3D影像、AR、MR、VR、3D打印等），基于教育教学中实际需求向3D技术寻求解决问题的思路和方法。图1.9 教育寻求3D技术支持
3D教学就是利用3D技术模拟难以讲解的教学场景，把在现实生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，以及一些不可能出现的场景（如金字塔是如何建成的、晶体的内部结构、天体形成等）在3D教室呈现，为学生创设一个情景化的学习环境，多维度呈现学习内容，调动学生视觉、听觉、动觉等多感官参与，让学生们感受到极强的逼真感，使抽象的概念和理论更加直观化、形象化。并且在3D教室中，学生可以放心地进行各种学习中（如物理、化学等）的实验（如爆炸、化学反应、青蛙解剖等），不必担心操作的失误所带来的各种危险。
按照时间和空间的维度，从宏观和微观的角度，可以把3D教育需求分为：（1）时间尺度上的宏观教育需求；（2）时间尺度上的微观教育需求；（3）空间尺度上的宏观教育需求；（4）空间尺度上的微观教育需求。图1.10
3D教育可以解决传统教育教学中的难点部分，这些难点可以分为以下几个方面：图1.11 3D教育需求（1）从时间尺度看，有时间跨度极大的宇宙演化过程，也存在极短时间内发生的不易观察的光电效应等；（2）从空间角度看，有宏观上星云形成过程，也有微观上原子、分子的构成和蛋白质四级结构等知识；（3）一些抽象的概念，超出了日常生活经验的范畴，很难通过想象认识清楚，只靠教师单纯的讲授，效果欠佳，学生理解困难；（4）对于一直强调的高效的课堂目标，依靠传统教学手段已到天花板，教学效率难以进一步提高；（5）传统教育教学难以突破以知识为导向，以分数论英雄的局限，迫切需要评价的新手段、新思路。
解决以上这些传统教育的难点正是3D教育的优势所在，3D教育形象、直观、可交互性强、评价多元化等特点能够满足上述教育需求。3D教育以3D建模和3D影像为内核，再以VR技术、AR技术、MR技术和3D打印为外延，构成了教育难题在技术上的具体实现路径。图1.12 3D技术的内涵与外延
3D教育的实施不可或缺的要素：3D资源、3D装备和3D教学，简称“3D教育三要素”。3D资源是3D教育的“精神食粮”，没有3D资源，3D教育就难为“无米之炊”；3D装备是3D教育的基础，为3D教育提供物质保障；3D教学是3D教育的灵魂，3D教学的水平直接决定3D教育水平的高低。
3D教育作为一种新兴的教育形式，其核心内容就是3D显示技术、VR技术和仿真等技术在教育教学领域的应用，这是3D教育的内涵。而其他相关技术应用则构成了3D教育的外延部分。1.2.2 3D技术
与3D教育相关的技术统称为“3D教育技术”，包括3D建模和3D影像，这两者构成了3D教育技术的核心，为3D教育提供基础性和特征性支撑，决定了3D教育的主要形态，是3D教育技术的内涵部分。图1.13 3D技术图解
同时3D教育技术又不仅限于上述两种特征技术，VR技术、AR技术、MR技术和3D打印技术是对3D教育技术必不可少的补充，构成了3D教育技术的外延。
3D教育技术的内涵和外延靠3D建模实现有效连接。3D打印和3D影像只是3D建模的不同输出和呈现方式，3D打印以实物的方式呈现3D建模的结果，而3D影像则是计算机3D视觉表达。此外，还有其他的呈现方式和显示方式，如3D全息显示等。图1.14 3D教育外延与内涵的联系
3D打印、VR技术、AR技术和MR技术目前与教育的关系最为密切，研究最多、影响最大的也当属这几大技术，它们构成了3D教育技术的内涵。AR技术把虚拟世界套在现实世界并进行互动，又与VR技术相关。3D打印在教育应用中，突出要求学生建模能力、空间想象力，也是3D教育技术的重要方向。图1.15 3D教育的技术支撑图1.16 信息技术
3D打印、3D影像、VR、AR、MR和3D建模之间有没有关系？直观上的感觉是有关系、有关联的。那么它们之间到底是什么关系？是大小关系？VR比3D的范畴大？还是3D比VR的范畴大？如果不是大小关系，那是什么关系？对这个问题的探讨还会持续一段时间，但目前来看，有个关系是确定的—不管是3D打印、3D影像、VR、AR、MR，还是3D建模都有一个共同的上位词：信息技术（Information Technology，简称“IT”）。1.3 内涵
3D建模和3D影像在教育行业的具体应用构成了3D教育的内涵。1.3.1 3D建模
建模就是建立模型，就是为了理解事物而对事物做出的一种抽象描述，是对事物的一种无歧义的书面描述。建立模型的过程，又称“模型化”。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。图1.17 3D教育内涵
1.3.1.1 为什么要建模
为了对复杂系统事物进行深入的分析和研究，并得到直观而有说服力的结果，需要利用模型，即建立模型。
为什么在构建某些事物之前首先要建模？或许不需要。比如简单的事物就不需要建模：做一份西红柿炒鸡蛋、给小狗搭一间小屋。这样的项目具有下列全部或大部分特点：
问题域很清楚，相对来说易于构建解决方案；
需要很少的人进行协作来构建或使用该解决方案（通常只有一个人）；
该解决方案需要最少量的持续维护，未来需要的范围不会有实质性的扩大。
但是如果假设这些特点都不具备呢？为什么一些专业人员要费心去创建模型呢？为什么他们不直接构建具体事物呢？答案在于复杂性和风险，并且最初的专业人员并不是一直适合开发任务，甚至根本不能完成任务。
建模能够可视化整个系统，评估不同选择，并且更清晰地交流设计，从而避免了技术风险、财务风险或实际的构建风险。如果不先创建一项设计、一个蓝图或者另一个抽象表示，就直接构建某种复杂系统，在技术上是不明智的，在经济上也是行不通的。尽管专业建筑师无需设计图就可以建造一间犬舍，但是如果他们不首先开发一批计划方案、图和某种可视化实物模型，那么就不能建造一幢15层的办公大楼。
1.3.1.2 数学建模
数学是自然科学的基础，是一切科技发明的基本工具。而数学学习与研究的核心问题是数学的建模与用模问题。2003年，教育部颁布的《普通高中数学课程标准（实验）》突出强调了数学探究、数学建模、数学文化的价值。数学建模作为一种数学学习方式，是培养学生应用数学的意识，培养学生数学素养的一种形式。积极有效地开展数学建模工作对学生掌握数学知识，形成应用数学的意识有很好的作用。学生的数学学习活动不应只限于接受、记忆、模仿和练习，数学课程还应倡导自主探索、动手实践、合作交流、阅读自学等学习数学的方式，这些方式有助于发挥学生学习的主动性，使学生的学习过程成为在教师引导下的“再创造”过程，同时数学课程设计、数学探究、数学建模等学习活动，为学生形成积极主动的、多样的学习方式进一步创造了条件，能够激发学生的数学学习兴趣，鼓励学生在学习过程中，培养独立思考、积极探索的习惯。
目前，对数学模型还没有一个统一的、准确的定义，因为站在不同的角度可以有不同的定义。不过我们可以给出如下说明：“数学模型是关于部分现实世界和为一种特殊目的而做的一个抽象的、简化的结构。”具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数学及其他数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图像、框图等描述客观事物的特征及其内在联系的数学结构表达式。
数学建模属于一门应用数学，是CAD制图和参数化3D建模的基础，学习数学建模要求我们学会如何将实际问题经过分析、简化转化为一个数学问题，然后用适当的数学方法去解决。
1.3.1.3 建模思想
数学建模是一种数学的思考方法，是运用数学的语言和方法，通过抽象、简化建立能近似刻画并解决实际问题的一种强有力的数学手段。数学建模思想，本质上是要培养学生灵活运用数学知识解决实际中的问题的能力。在这一过程中，可以培养学生的抽象思维、简化思维、批判性思维等数学能力。图1.18 建模思维
1. 抽象思维
分析模型的建立与求解过程，我们可以发现，解决问题时，离不开抽象思维，离不开对数学基本概念的深入理解和透彻分析。
把纷繁芜杂的实际问题，归结到数学的相关概念和定义之中，利用定义找到计算公式，从而建立数学模型。在这种层层分析的过程中，抽象思维起到了关键性作用。正是这种层层分析，才使得复杂问题得以解决。所以说，数学建模需要抽象思维。
2. 简化思维
所谓简化思维，就是把复杂问题进行简化，进而使本质凸显。就像进行X光透视一样，祛除血肉，只剩骨架。只有迅速抓住主要矛盾，舍弃次要因素，找到问题的本质，才能看透问题的本质。
这种简化思维具有深刻性的特点，它并不是天生就具有的，但可以经过精心培养而形成，经过刻苦锻炼而强化。在数学的教学过程中，需要培养学生的这种深层次的洞察能力。
3. 批判性思维
在数学模型建立、求解完成后，需要对所得的结果进行分析，还需要对所建立的数学模型进行评价，并及时对模型进行改进，以取得最佳结果。同时，我们还要指出所建模型的实际意义，并努力加以推广。这些环节，都需要良好的批判性思维。
在数学的教学过程中，我们需要培养学生的批判性思维。在每道题解完后，我们都要进行这种解后反思的训练，不断地提问：结果对吗?符合实际吗?该解法的优、缺点在哪里?还有更好的解法吗?如何改进?能够推广吗?……在这种训练的过程中，学生的批判性思维将得到强化和提高。
1.3.1.4 3D建模
3D建模通俗来讲就是用3D制作软件通过虚拟3D空间构建出具有3D数据的模型。3D建模是3D技术的核心，也是3D教育的核心内容。
3D建模离不开数学建模，必须以必要的数学建模和几何建模为基础。目前物体的建模方法，大体上有3种：第一种是利用3D软件建模，第二种是通过仪器设备测量建模，第三种是利用图像或者视频来建模。
1. 软件建模
目前，在市场上可以看到许多优秀建模软件，比较知名的有3DMAX、SoftImage、SolidWorks、Maya、3DS Max、Pro/E、UG、Blender、SketchUp、Tinkercad、Inventor、中望3Done以及AutoCAD等。它们的共同特点是利用一些基本的几何元素，如立方体、球体等，通过一系列几何操作，如平移、旋转、拉伸以及布尔运算等来构建复杂的几何场景。利用建模构建3D模型主要包括几何建模（Geometric Modeling）、行为建模（Kinematic Modeling）、物理建模（Physical Modeling）、对象特性建模（Object Behavior）以及模型切分（Model Segmentation）等。其中，几何建模的创建与描述是虚拟场景造型的重点。
2. 扫描建模
3D扫描仪（3D Scanner）又称为3D数字化仪（3D Digitizer）。它是当前使用的对实际物体3D建模的重要工具之一。它能快速方便地将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。它与传统的平面扫描仪、摄像机、图形采集卡相比有很大不同：首先，其扫描对象不是平面图案，而是立体的实物。其次，通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的3D空间坐标，彩色扫描还可以获得每个采样点的色彩。某些扫描设备甚至可以获得物体内部的结构数据。而摄像机只能拍摄物体的某一个侧面，且会丢失大量的深度信息。最后，它输出的不是2D图像，而是包含物体表面每个采样点的3D空间坐标和色彩的数字模型文件。
3. IBMR
基于图像的建模和绘制（Image-Based Modeling and Rendering，IBMR）是当前计算机图形学界一个极其活跃的研究领域。同传统的基于几何的建模和绘制相比，IBMR技术具有许多独特的优点。基于图像的建模和绘制技术给我们提供了获得照片真实感的一种最自然的方式，采用IBMR技术，建模变得更快、更方便，可以获得很高的绘制速度和高度的真实感。IBMR的最新研究进展已经取得了许多丰硕的成果，并有可能从根本上改变我们对计算机图形学的认识和理念。由于图像本身包含着丰富的场景信息，自然容易从图像中获得照片般逼真的场景模型。基于图像的建模主要目的是由2D图像恢复景物的3D几何结构。由2D图像恢复景物的3D形体原先属于计算机图形学和计算机视觉方面的内容。由于它的应用前景广阔，如今计算机图形学和计算机视觉方面的研究人员都对这一领域充满兴趣。与传统的利用建模软件或者3D扫描仪得到立体模型的方法相比，基于图像建模的方法成本低廉、真实感强、自动化程度高，因而具有广泛的应用前景。
1.3.1.5 建模与仿真
人类在科学和工程技术上所做的研究就是努力理解真实世界，并掌握与真实世界发生联系的形式。而建模与仿真则是认识世界和改造世界的重要手段，已成为现代科学技术研究的重要内容。建模和仿真技术已渗透到各个学科和工程技术领域，如生物领域、航空航天领域、社会经济领域等。图1.19
系统、模型、仿真三者之间的关系：系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是对模型的实验。
在建模方面，除了传统的基于物理学、化学、生物学、社会学等的基本定律及系统辨识的方法外，现代仿真技术提出了用仿真的方法建立系统的数学模型。例如，根据某系统在实验中得到的输入/输出数据，在计算机上进行仿真实验，确定模型的结构参数。
1.3.1.6 教育应用
培养学生的创新精神和解决问题的能力是当前教育的重点，而在当前基础教育STEM教学过程中，学生却不能灵活运用所学的知识解决问题。究其原因，是建模能力有欠缺， STEM学科学习离不开模型，基础教育STEM学科学得好坏在一定程度上取决于对模型的掌握情况以及建模能力的大小，教师在教学中要有意识地培养学生建模能力。
建模与仿真在教育行业的应用包括：理论教学、实验、实训等，特别是职业技能鉴定实训，是展示仿真技术的最佳平台，根据不同时间、需求，我们寻找仿真实训与实操实训时间比，以达到最佳效果，实现教学目标。
建模与仿真技术应用于教学，为教育带来新的活力：
1. 激发学习热情
仿真系统在功能上有些是现场实验和生产实习无法实现的。如：对操作过程的主要工艺参数进行修改；学生的操作情况可以自动跟踪、记录，并作出评判，打出分数，学生从得到的分数可以主动去找原因，积极动手反复修正，使自己的操作结果得到满意的成绩；学生的操作结果还可汇总成表打印出来，客观、公正地反映其操作情况。智能系统还可以帮助学生分析原因，学生既可以自己动手，又能看到操作结果，更不能敷衍了事，大大地提高了学生的学习兴趣，激发了学习的主动性和积极性。
2. 提高教学质量
仿真操作得人手一机，人人亲自动手，熟悉正常的开、停车操作，改变某些主要的工艺参数，了解其对过程的影响。教师还可以设定一些事故，让学生通过现场的现象进行分析、判断、找出原因，并加以处理。训练过程中，学生还可自行设计事故、观察现象、进行处理，摆脱对教师的依赖，增强他们的独立性，大大地提高了教学质量。
3. 相对成本优势
相对于动则上百万的实际生产装置或设备的建设投资，建立一套相应的仿真教学系统的投资要小得多，通常仿真教学系统的投资是实际系统投资的几十分之一；仿真系统通常是以软件的形式在计算机上运行，其使用的材料、能耗都很低，而且几乎不用维修。
4. 提高教学效率
仿真教学软件运行在普通台式计算机上，可以多台同时运行，网络化运行，让每一个学生都能亲自动手进行操作。这种模式非常适合学校的集中教学方式，适合我国的国情。应用仿真系统进行教学与技能训练要比采用实际装置或设备教学效率更高，特别是在职业教育实习初期。
5. 内容教学丰富
仿真教学系统通常具有记录和追忆功能，使得教学可以在某一个中间过程或局部重复多次进行，有利于解决教学中的重点和难点问题。仿真技术与多媒体的有机结合使得仿真系统更形象、生动，比实际系统更逼真。其丰富生动的界面对学生具有极强的吸引力，学生的学习兴趣和主动性更高。
6. 自动智能测评
仿真教学系统具有对学生每一步操作的跟踪记录功能，并能依据操作要求科学地自动评价学生的操作过程。这也使得教学的组织与管理更加方便、容易。仿真教学系统也更加适合个体教学与集中教学的有机结合。
7. 教学应用广泛
从高度危险或制造难度很大的系统到一般的流程都可以进行仿真，学生可以自主学习或辅助教学，许多操作现象是在现实中是无法实现的，而利用仿真软件可以得心应手。目前在我国的电力和石油化工等行业已经将仿真技术产品用于在岗工人的技术等级鉴定（技能鉴定）中，仿真技术已经成为其实际操作技能的主要考核手段。1.3.2 3D影像
如果3D是人类与生俱来感知世界的能力，为什么我们不能回归到以最原始、最自然的方式去看这个世界的人、事和物呢？我们的世界不是平面的。——许培桢
从最早人类学会在岩壁的洞穴中以绘画记录事物开始，人们对立体、真实的画面的追求就从未停止过。今天，我们从“成像”的角度梳理一下，从2D成像、3D成像到裸眼3D，人们都经历了哪些过程。
1.3.2.1 2D成像
15世纪，“暗箱”投射技术开启成像启蒙。绘画在相当长的一段时间内，作为重要的记录工具存在着。风景、静物、人像，尤其是文艺复兴时期，绘画创作达到了顶峰。当时，所有画家都需要用暗箱来辅助绘画创作，光线通过暗箱的小孔，在墙面投射成像，这种技术后来成为了相机的前身，与成像启蒙有着密切的关系。图1.20
1826年，暗箱拍摄出世界第一张照片；1837年，银版摄影法让静物照片更富立体感。最早用银版摄影法拍摄的静物照片，由法国巴黎著名剧院首席布景画家达盖尔拍摄于1837年，窗口的自然光，令照片画面更富立体感。这种摄影法在世界各地广为流传，更一度成为主流摄影方法。图1.21图1.22
1861年，第一张彩色照片诞生。1861年，物理学家麦克斯韦在皇家研究所做的有关色彩理论的讲座中，展示了经由三色叠加原理所拍摄的世界上第一张彩色照片。照片中是带有花呢格纹的缎带。
柯达于1975年开发了世界第一部数码相机，胶片冲印的照片从此逐步被数码照片所替代。人们可以在计算上查看电子版照片。图1.23
2D成像发展至此已经奠定了日后影像技术的基调。但这并不是成像的终结，真实、立体，一直是人们追求的目标。图1.24
1.3.2.2 3D成像
3D成像是靠人两眼的视觉差产生的。人的两眼之间一般会有8cm左右的距离。要让人看到3D影像，就必须让左眼和右眼看到不同的影像，使两幅画面产生一定差距，也就是模拟实际人眼观看时的情况。3D的立体感觉就是如此由来的。3D立体画在20世纪90年代曾风靡一时。图1.25 3D立体画
实际上，早在1903年，科学家就发现了“视差创造立体”的原理，碍于种种限制， 3D成像仍然没有进展。直到1924年，电视发明出来，占据了人们大部分的闲暇时间，科学家开始不吝于尝试将当时所有的3D技术都应用到影视上面。
1.3.2.3 3D电影
1839年，英国科学家查理·惠斯顿爵士根据“人类两只眼睛的成像是不同的”发明了一种立体眼镜，让人们的左眼和右眼在看同样图像时产生不同效果，这就是今天3D眼镜的原理。
1922年，世界上第一部3D电影是《爱情的力量》，遗憾的是，影片很早之前就已经遗失了。早期的3D电影都是以“炫技”——展示3D效果为主，片中常以指向观众的枪、扔向观众的物体为噱头。
1952年，讲述非洲探险的《非洲历险记》被认定为是史上第一部真正的3D影片。该片的口号是“狮子在你腿上，爱人在你怀里”。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]