前言

由于在自然、科技、工程和数学学科(简称STEM)中涉及较多的和空间位置、大小、距离、方位等相关的内容，故STEM课程和空间学习密切相关。空间学习汇聚了包括来自心理学、认知科学、神经科学、计算机科学、教育学、地理学和环境科学等各个领域的研究者与工程师们，各领域的研究者关注点各有侧重。例如，心理学领域的专家主要侧重空间学习的认知过程；计算机科学的研究者主要从技术促进学习的角度来探究空间学习；教育学家则从提升教学绩效的角度来研究实验室和真实情境中的空间学习，并利用技术来促进空间学习(焦丽珍，江丽君，2011)。

虚拟现实技术作为一门先进的人机交互技术，近几年已被广泛应用于视景仿真、军事模拟、虚拟设计与制造、虚拟学习环境和空间认知等领域。随着计算机软硬件技术的快速发展，桌面式虚拟环境在空间学习研究中被公认为是一种十分有效的研究手段(Wilson et al.,1996,1997; Ruddle et al., 1997,1998)。

本书在综述国内外已有相关研究的基础上，运用OpenGL技术和Visual Studio 2008开发平台设计与开发了一个桌面式虚拟环境——三维虚拟迷宫漫游系统。以寻路为学习任务，通过比较系统的心理学行为实验研究，考察了被试个体特征、环境特征和任务特征三方面因素对三维虚拟桌面系统中空间学习绩效的综合影响，并采用Matlab工具和人工神经网络建模方法构建了桌面式三维虚拟环境中空间学习绩效预测模型。

本书主要得出以下结论：

(1)本书所采用的三维虚拟迷宫漫游系统是一个具有较强交互性、扩充性并具有一定沉浸感的桌面式虚拟环境。用户能自由灵活设置三维虚拟迷宫的大小和内部结构布局，并能通过键盘、鼠标等交互设备在具有一定沉浸感的三维虚拟迷宫中漫游，且计算机能自动记录寻路任务的完成时间、错误步数和移动轨迹等指标；同时系统还具有灵活设置系统参数以及与其他设备进行实时通信等扩充功能。该系统为定量研究空间学习问题提供了一个较通用的实验环境或平台。

(2)在桌面式三维虚拟环境中，用户特征、任务特征和环境特征均能影响空间学习绩效。实验结果显示：用户特征中的空间认知能力、任务特征中的任务难度和时间压力、环境特征中的导航方式因素均对空间学习绩效有显著影响；而用户性别、经验以及路标等因素对空间学习绩效的影响未达到显著水平；空间认知能力和任务难度之间以及导航方式和任务难度之间均有显著的交互作用；导航方式、时间压力和任务难度三者之间存在着显著交互作用。

(3)通过对拟合度、绝对误差和相对误差等神经网络模型构建指标的分析与比较，发现基于GRNN的桌面式三维虚拟环境中空间学习绩效预测模型在总体性能上略优于基于BPNN的桌面式三维虚拟环境中空间学习绩效预测模型。

(4)通过敏感度分析，任务难度、导航方式、空间认知能力和时间压力4个因素对空间学习绩效的影响程度存在差异，其从强到弱的排列顺序依次为任务难度、导航方式、空间认知能力和时间压力。

本书研究结果不仅有助于丰富空间学习理论，而且为优化虚拟漫游系统界面设计提供了科学依据。同时，本研究成果也对城市交通与应急逃生系统的规划、复杂人机系统交互界面的设计以及智能机器人自主导航系统的研发等具有参考价值。

在此，笔者要感谢浙江工业大学教育科学与技术学院以及之江学院的领导和同事的关心与支持，为本人工作和成长提供了良好的教学与科研平台；感谢浙江大学心理与行为科学系的老师们，为学习和研究供养了丰富的学术土壤，特别感谢导师许百华教授与胡凤培教授一直对笔者的研究和工作颇为关切。还要感谢笔者的家人、亲友和学生们多年的包容、鼓励与默默支持，谨以此书深表谢意。

本书先后得到浙江省科技厅公益性技术应用研究项目(2013C31048)、国家自然科学基金资助项目(61303140)、浙江省教育科学规划课题(2015SCG255)、浙江工业大学专著与研究生教材出版基金项目(2013106)、和浙江工业大学2013年度人文社科预研基金项目和浙江工业大学2015年度人文社科后期资助项目以及国家留学基金的资助。浙江大学出版社吴昌雷编辑的热心与负责为本书增色不少。在此一并感谢！