基于偏振式3D的立體虛擬現(xiàn)實(shí)課件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)*
——以“計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程”為例

邱飛岳，李瑞星，陳宏

（浙江工業(yè)大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310023）

基于偏振式3D的立體虛擬現(xiàn)實(shí)課件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)*
——以“計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程”為例

邱飛岳，李瑞星，陳宏

（浙江工業(yè)大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310023）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸被人們重視,基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)資源設(shè)計(jì)開(kāi)始成為職業(yè)教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)資源設(shè)計(jì)可以模擬并構(gòu)建實(shí)物的三維模型，卻不能有效地體現(xiàn)教學(xué)資源在空間層次上的沉浸感和交互性。文章將偏振式3D立體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)院校計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程的課件設(shè)計(jì)過(guò)程中，介紹了利用Unity3D軟件配合偏振顯示屏開(kāi)發(fā)3D立體教學(xué)資源的方法，給出了相應(yīng)的技術(shù)選型方案和開(kāi)發(fā)流程，將3D立體教學(xué)視頻和3D立體教學(xué)實(shí)驗(yàn)以課件的形式整合到一塊，對(duì)視頻教學(xué)和實(shí)踐操作進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合。

偏振式3D；虛擬現(xiàn)實(shí)；教學(xué)資源

一、引言

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》提出要深入推進(jìn)中等職業(yè)教育改革創(chuàng)新，加快培養(yǎng)高素質(zhì)勞動(dòng)者和技能型人才，這也對(duì)職業(yè)院校學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力提出了要求。因此，能否提高職業(yè)院校學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力成為職業(yè)教育教學(xué)急需解決的重點(diǎn)問(wèn)題之一，而設(shè)計(jì)一種具有較強(qiáng)交互特征的學(xué)習(xí)資源是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。由于3D立體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供一種實(shí)時(shí)的三維立體虛擬環(huán)境，使學(xué)習(xí)者可以完全沉浸在虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生空間上的感知，因此將3D立體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)院校教學(xué)資源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，能夠增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生參與度和實(shí)踐、創(chuàng)新能力，極大滿足了職業(yè)院校學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)需求，且與當(dāng)前職業(yè)教育教學(xué)中注重學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的觀點(diǎn)兼容,具有較大的理論研究?jī)r(jià)值和社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。

目前3D立體效果的實(shí)現(xiàn)方式主要有紅藍(lán)眼鏡、主動(dòng)式3D和偏振式3D三種。其中，紅藍(lán)眼鏡成本低廉，但由于其呈現(xiàn)色彩有限，因此畫(huà)面色彩還原度不高，不能滿足一般用戶的需求。主動(dòng)式3D是透過(guò)眼鏡本身的主動(dòng)運(yùn)作來(lái)達(dá)成3D立體效果，其優(yōu)勢(shì)是可以完全還原圖像的分辨率，但是需要配套設(shè)備的支持，成本昂貴且會(huì)出現(xiàn)畫(huà)面閃爍等問(wèn)題，增加用戶眼睛負(fù)荷。偏振式3D技術(shù)可以很好的解決紅藍(lán)眼鏡無(wú)法重現(xiàn)原本圖像色彩的缺點(diǎn)，同時(shí)隨著偏振顯示器技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格不斷下降，成本也得到了有效控制。為了還原圖像原本的色彩，減少設(shè)備成本以及降低教學(xué)資源制作的難度等，本文以職業(yè)院校計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程為例，采用基于偏振式3D立體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)將現(xiàn)實(shí)環(huán)境編制到計(jì)算機(jī)中構(gòu)成三維空間，并通過(guò)多種專(zhuān)用設(shè)備使得用戶在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)等多種感官上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺(jué)[1]。

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了一定的發(fā)展。王金崗對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)涵及特征進(jìn)行深入分析,提出虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)的5個(gè)步驟,優(yōu)化了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的環(huán)境,提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效益,拓展了頂崗實(shí)習(xí)的空間,促進(jìn)了學(xué)生全面發(fā)展[2]。劉穎針對(duì)電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)職業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)職業(yè)教育，提高了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的需要[3]。林康等人結(jié)合工學(xué)的教學(xué)特點(diǎn)，探討了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)環(huán)境的途徑[4]。M.Travassos Valdez等人將桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用在遠(yuǎn)程教育當(dāng)中，為學(xué)生提供了足夠的學(xué)習(xí)空間，并使他們能更好的與設(shè)備進(jìn)行交互[5]。徐素寧等人提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)景圖像虛擬旅游系統(tǒng)，避開(kāi)復(fù)雜的場(chǎng)景建模與繪制，實(shí)現(xiàn)了自然風(fēng)景的虛擬觀光旅游[6]。M.Karkoub等人提出一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)管道檢測(cè)系統(tǒng),使學(xué)生能夠識(shí)別管道的不同類(lèi)型缺陷，降低實(shí)驗(yàn)成本，提高學(xué)習(xí)效率[7]。Joseph Psotka將沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育培訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，加速學(xué)生技能學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力[8]。Joel C.Adams等人將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課堂上，并有效激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力和想象力[9]。

設(shè)計(jì)優(yōu)良的教學(xué)資源對(duì)于職業(yè)教育教學(xué)的提高具有至關(guān)重要的作用，而具有良好交互性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以極大滿足職業(yè)院校學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中的交互性學(xué)習(xí)需求[10]，因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)教育教學(xué)資源設(shè)計(jì)研究中，有利于進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。徐智仕等人利用虛擬技術(shù)建設(shè)三維實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，模擬了教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象[11]。饒躍東將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)之中，使傳統(tǒng)的教學(xué)資源利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更加形象化、真實(shí)化地展示給學(xué)習(xí)者，使之能夠在虛擬世界中得到更佳的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[12]。王波等人提出立體視覺(jué)課堂輔助教學(xué)模型和四種適用于學(xué)校3D教學(xué)資源的建設(shè)方案，改進(jìn)了教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[13]。A.Z.Sampaio等人將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到建筑工程土木專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)中，以可視化的形式輔助學(xué)生實(shí)現(xiàn)更好的分析監(jiān)控[14]。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究的分析，我們發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)資源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還處于三維仿真、模擬階段，沒(méi)有引入立體視差的概念，無(wú)法為學(xué)生提供一種空間感知的環(huán)境，學(xué)生對(duì)虛擬環(huán)境中模型的距離沒(méi)有感官上的刺激，不能很好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，目前基于虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)資源在設(shè)計(jì)上偏向于視覺(jué)呈現(xiàn)方面，在知識(shí)點(diǎn)整合與操作交互方面還有所欠缺。

為了解決這些問(wèn)題，本文將偏振式3D立體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入職業(yè)教育教學(xué)資源設(shè)計(jì)中，解決學(xué)習(xí)資源在立體空間交互上的不足，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)將教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)材料與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境有機(jī)融合，使學(xué)生從知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)到動(dòng)手操作可以一步到位。

三、偏振式3D立體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.偏振式3D立體成像原理

偏振式3D立體是根據(jù)光線的“振動(dòng)方向”原理來(lái)組織原始圖像，利用偏振顯示屏，向觀看者輸送兩幅偏振方向不同的圖像。當(dāng)圖像通過(guò)偏振眼鏡時(shí)，每只鏡片只能接受一個(gè)偏振方向的圖像，因此，人的左右眼就能接收兩組具有視差的圖像，再經(jīng)過(guò)大腦合成，達(dá)到立體影像的效果[15]，如圖1所示。

圖1 偏振式3D立體成像原理

2.立體視差生成算法

對(duì)于立體視差的生成，本研究采用雙中心投影法，雙中心投影法在計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)位置的時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生垂直視差，立體窗口是共面的，不會(huì)發(fā)生扭曲，并且最大水平視差是有界的，因此該方法的效果最為理想[16]。其原理是在顯示屏上選取兩個(gè)中心點(diǎn)，一個(gè)中心點(diǎn)Le對(duì)應(yīng)左眼視圖，另一個(gè)中心點(diǎn)Re對(duì)應(yīng)右眼視圖。如圖2所示。

圖2 雙中心投影法

Le與Re之間相差距離為E，投影的平面垂直于XZ平面，并且位于距離Z軸坐標(biāo)D處。Le的坐標(biāo)是（-E/2，0，0），Re的坐標(biāo)為（E/2，0，0），可以得出P點(diǎn)的坐標(biāo)（X0，Y0，Z0）的左右眼在立體窗口中的投影坐標(biāo)分別是：

四、基于偏振式3D立體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)資源設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

在眾多教學(xué)資源的表現(xiàn)形式中，多媒體課件以其直觀性、靈活性、實(shí)時(shí)性、立體化的特點(diǎn)發(fā)揮著其他教學(xué)資源所無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)[17]。本文以職業(yè)院校計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程為背景，針對(duì)計(jì)算機(jī)組裝與拆卸和計(jì)算機(jī)故障排查這兩個(gè)實(shí)訓(xùn)部分的內(nèi)容，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于偏振式3D立體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多媒體課件。

1.偏振式3D立體教學(xué)課件設(shè)計(jì)

課件設(shè)計(jì)是對(duì)課件內(nèi)容、呈現(xiàn)方式、教學(xué)理論以及課件使用技術(shù)等各方面的整體規(guī)劃。課件設(shè)計(jì)需要符合科學(xué)性、程序性、教學(xué)性、藝術(shù)性等原則，并遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律與教學(xué)規(guī)律，因此課件設(shè)計(jì)是課程開(kāi)發(fā)的首要任務(wù)[18]。本文的課件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 3D立體課件結(jié)構(gòu)

（1）以演示為主的非交互式立體教學(xué)視頻

主要是錄制專(zhuān)業(yè)教師講解基礎(chǔ)知識(shí)信息的3D立體視頻，包括計(jì)算機(jī)組件的功能介紹、教師操作如何組裝的演示過(guò)程、計(jì)算機(jī)故障演示、計(jì)算機(jī)故障排除等。錄制的視頻經(jīng)過(guò)后期的加工剪輯之后形成完整的3D立體技能教學(xué)微視頻。

（2）以操作為主的交互式立體教學(xué)模擬操作實(shí)驗(yàn)

交互模塊主要包括計(jì)算機(jī)組件辨識(shí)模擬實(shí)訓(xùn)、計(jì)算機(jī)組裝與拆卸模擬實(shí)訓(xùn)和計(jì)算機(jī)故障排查模擬實(shí)訓(xùn)，目的是通過(guò)互動(dòng)的方式引起學(xué)生興趣，提高學(xué)生的投入度，并通過(guò)虛擬環(huán)境的模擬增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

計(jì)算機(jī)組件辨識(shí)模擬實(shí)訓(xùn)部分，主要是讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)組件。學(xué)生可以通過(guò)鼠標(biāo)多角度觀察屏幕上的組件及其詳細(xì)介紹，加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組件的認(rèn)識(shí)。計(jì)算機(jī)組裝與拆卸模擬實(shí)訓(xùn)部分，主要是讓學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)去操作移動(dòng)虛擬環(huán)境里的計(jì)算機(jī)組件，模擬計(jì)算機(jī)組裝與拆卸的過(guò)程。而計(jì)算機(jī)故障排查模擬實(shí)訓(xùn)部分，主要是在虛擬環(huán)境中模擬計(jì)算機(jī)的故障狀態(tài)，學(xué)生通過(guò)聽(tīng)聲音和模擬檢測(cè)，最終排查正確故障。

2.偏振式立體3D課件開(kāi)發(fā)

基于偏振式立體3D的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)課件開(kāi)發(fā)主要分為非交互模塊開(kāi)發(fā)和交互模塊開(kāi)發(fā)，其實(shí)驗(yàn)工具如下：

硬件設(shè)備：臺(tái)式機(jī)及其配套組件，臺(tái)式機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)ENOVO THINKSTATION E32 VT；3D攝像機(jī)一臺(tái)，型號(hào)為HDC-TMT750GK；三腳架，型號(hào)為百諾A1682TB0。

軟件：PhotoshopCS4，AdobePremierCS4，3DMAX_2012, Unity3D_4.6.1f1。

圖4 3D立體課件開(kāi)發(fā)流程

3D攝像機(jī)主要用來(lái)錄制教師講解的3D立體視頻，Photoshop用來(lái)處理采集的圖像信息，3DMAX通過(guò)對(duì)實(shí)物的建模最后導(dǎo)出可被Unity3D識(shí)別的模型格式，Premier用來(lái)處理采集的視頻信息，最后利用Unity3D進(jìn)行最后的集成并實(shí)現(xiàn)交互。其開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

（1）非交互模塊的開(kāi)發(fā)

非交互模塊的內(nèi)容主要通過(guò)3D攝像機(jī)拍攝完成。本研究所需的視頻素材主要包含專(zhuān)業(yè)教師教授的計(jì)算機(jī)硬件介紹、計(jì)算機(jī)組裝過(guò)程、計(jì)算機(jī)拆卸過(guò)程、計(jì)算機(jī)故障排查過(guò)程等。多媒體人員采集視頻素材后，利用視頻編輯軟件Premier進(jìn)行后期剪輯。最后由技術(shù)人員通過(guò)Unity3D將處理好的視頻資料整合到課件中。

（2）交互模塊的開(kāi)發(fā)

交互模塊包含計(jì)算機(jī)的組裝、故障排除、組件辨別等功能，主要涉及對(duì)實(shí)物的三維建模，行為腳本代碼的編寫(xiě)，最后通過(guò)Unity3D控制立體視差的生成，形成一個(gè)完整的3D立體教學(xué)課件。

①三維實(shí)物的建模

建模的主要對(duì)象包含計(jì)算機(jī)主板、計(jì)算機(jī)各組件、實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景及配套設(shè)施，本文依據(jù)華碩P6TSE主板及其對(duì)應(yīng)配件為原型進(jìn)行建模和后期渲染。

②腳本代碼的編寫(xiě)

技術(shù)人員根據(jù)建模情況，為每個(gè)計(jì)算機(jī)組件編寫(xiě)腳本代碼，包括計(jì)算機(jī)主板模型分層OnTriggerEnter事件，主板插槽與目標(biāo)組件的碰撞事件等。以下代碼為內(nèi)存條插槽的碰撞檢測(cè)代碼，主要是為目標(biāo)添加碰撞檢測(cè)器，檢測(cè)目標(biāo)是否發(fā)生碰撞需要。

③通過(guò)Unity3D控制視差生成

根據(jù)偏振3D原理，立體視差的實(shí)現(xiàn)需要模擬人左右眼所看到的畫(huà)面。在Unity3D的環(huán)境中，兩個(gè)攝像機(jī)可以模擬人的左右眼。人的左右眼間距大致為60mm，因此，我們?cè)O(shè)置左右攝像機(jī)的x軸的初始距離分別是-0.03 和0.03，并新建兩個(gè)plane來(lái)投射左右攝像機(jī)所拍攝的畫(huà)面，分別用來(lái)表示屏幕的左右兩個(gè)區(qū)域。再添加一個(gè)主攝像機(jī)來(lái)對(duì)兩個(gè)plane進(jìn)行覆蓋。

偏振式3D立體教學(xué)課件設(shè)計(jì)的核心是對(duì)交互過(guò)程的控制以及理想視差的生成，通過(guò)核心代碼控制兩個(gè)區(qū)域中組件在拖動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的視差。當(dāng)組件進(jìn)行空間方向上的前后移動(dòng)時(shí)，我們需要專(zhuān)門(mén)的公式來(lái)處理視差跟組件的縮放比率，使組件在負(fù)視差情況下進(jìn)行相應(yīng)的放大，并制造“出屏”效果；在正視差情況下進(jìn)行相應(yīng)的縮小組件，產(chǎn)生“內(nèi)嵌”效果 。我們?cè)O(shè)組件的三維坐標(biāo)為（x, y,z）,計(jì)算投影到顯示屏上點(diǎn)的縮放比例scale為：

其中h是我們假設(shè)攝像機(jī)到屏幕的距離，vidiconZ是攝像機(jī)的Z軸坐標(biāo)，再根據(jù)立體視差生成算法，我們可以得出該組件投影到屏幕上的坐標(biāo)為：

通過(guò)以上公式變換，我們得到了需要的左右眼的圖像組件坐標(biāo)（XL,YL）、(XR,YR),同時(shí)也得到了該組件的縮放比Scale,根據(jù)這些條件，可以實(shí)現(xiàn)在鼠標(biāo)移動(dòng)操作過(guò)程中定位左右兩個(gè)攝像機(jī)拍攝區(qū)域組件的位置，然后根據(jù)鍵盤(pán)按鍵的方向，確定是否產(chǎn)生正負(fù)視差，最終整合成完整的偏振式3D立體教學(xué)資源。

四、結(jié)論

偏振式3D立體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)立體互動(dòng)、空間感知的學(xué)習(xí)提供了條件，并為職業(yè)院校培養(yǎng)高素質(zhì)勞動(dòng)者和技能型人才創(chuàng)造了可能。然而，在職業(yè)教育教學(xué)資源設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)合理、高效的教學(xué)資源來(lái)開(kāi)展互動(dòng)學(xué)習(xí)仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本文將偏振式3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)教育教學(xué)資源設(shè)計(jì)工作中，為職業(yè)教育教學(xué)資源設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提出了一種新的嘗試。學(xué)生利用偏振式3D立體教學(xué)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，不僅可以感知學(xué)習(xí)場(chǎng)景的空間縱深度，還可以實(shí)現(xiàn)組件上下左右移動(dòng)、放大縮小、360°全方位觀察等基本操作。且能通過(guò)鍵盤(pán)方向鍵來(lái)控制空間上的遠(yuǎn)近操作，提高該課程的實(shí)際動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

教學(xué)資源有效性研究是考量職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的主要途徑，未來(lái)對(duì)于教學(xué)資源的研究，應(yīng)在偏振式3D立體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)資源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，更加注重資源的有效性研究。

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（編輯：魯利瑞）

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全國(guó)教育科學(xué)規(guī)劃課題教育部重點(diǎn)項(xiàng)目“工作過(guò)程導(dǎo)向的項(xiàng)目課程教學(xué)設(shè)計(jì)及其網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境研究”（編號(hào)：DCA090318）。