“虛擬現(xiàn)實技術”課程的教學設計與討論

1、“虛擬現(xiàn)實技術”課程的教學設計與討論摘要：探討了“虛擬現(xiàn)實技術”課程在教學目標、教學內容、實驗設計及考核方式等各個環(huán)節(jié)的特點與問題，并給出了具體的教學實施方案；最后還提供了相關的教學參考資料。對于今后“虛擬現(xiàn)實技術”課程的教學具有很好的參考和借鑒價值。關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；課時安排；實驗設計中圖分類號：G642文獻標識碼：B文章編號： 1672-5913(2008)02-0041-04引言隨著三維圖形技術的飛速發(fā)展以及計算機多媒體技術的日益普及， “虛擬現(xiàn)實”作為一門新興的學科越來越引起人們的重視。許多大學都開始將“虛擬現(xiàn)實技術”納入計算機類專業(yè)選修課的范疇。但是目前“虛擬現(xiàn)實”課程的教學一直沒有

2、一個統(tǒng)一規(guī)范的教學目標和教學內容。這一方面是由于“虛擬現(xiàn)實”是一門新興的學科，其知識領域和研究范疇仍然在不斷地更新與擴展；另一方面，虛擬現(xiàn)實是一種典型的交叉學科，與計算機圖形學、計算機圖像處理、計算機視覺、甚至機械控制等學科都有密切聯(lián)系，這使其教學內容比較雜，難以規(guī)范。這兩方面的特點都增加了虛擬現(xiàn)實課程的教學難度。目前還沒有一本普遍認可的權威性的教材；各學校的授課教師也都處于自己摸索，自由發(fā)揮的境地。我們認為有必要對這門課程的教學進行分析與探討，給出一個相對可行的教學方案，促進虛擬現(xiàn)實技術在國內的普及和發(fā)展。本文根據(jù)北京林業(yè)大學信息學院“虛擬現(xiàn)實技術”課程的實際教學經驗，參考國內相關課程的教學

3、內容，并結合授課老師在虛擬現(xiàn)實方面的科研和開發(fā)體會，對虛擬現(xiàn)實課程的教學目標、教學內容、實驗設計、考核方式以及教學參考資料等各個環(huán)節(jié)進行了分析和論述。以期給其他教學工作者以及自學人員以參考和借鑒，并起到拋磚引玉之作用。1 教學目標北京林業(yè)大學信息學院“虛擬現(xiàn)實技術”課程主要面向計算機專業(yè)三年級學生，并在三年級第二學期開設。在此之前，這些學生已經學習過相關的計算機基礎理論課程及計算機圖形學，已經具備了學習虛擬現(xiàn)實課程的知識基礎。與計算機圖形學等技術性、理論性很強的課程不同，虛擬現(xiàn)實技術更傾向于是一種構建在基礎技術之上的應用型、綜合型技術，而且其在社會領域中的應用性和表現(xiàn)性也要大大多于基礎技術。為

4、此，我們將虛擬現(xiàn)實課程定位為：以理論技術為基礎，偏重實際應用。這樣的定位對于學生體會理論知識到應用知識的轉化，增強學生對虛擬現(xiàn)實技術的興趣以及提高學生的實際應用技能都很有裨益。我們制定的教學目標為：(1) 使學生了解虛擬現(xiàn)實的基本概念，理解虛擬現(xiàn)實的基本理論與技術；(2) 了解虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的接口設備和軟件系統(tǒng)；(3) 掌握一種常用的虛擬現(xiàn)實平臺系統(tǒng)，培養(yǎng)實際動手能力；(4) 培養(yǎng)學生具有理論分析和解決實際問題的能力。教學目標的第一條是關于基礎知識和基礎理論的學習。第二條是讓學生從應用層面上廣泛地了解虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟硬件，從而對虛擬現(xiàn)實的概念及其應用領域有一個更為直觀的體會，并拓展其知識面。第三

5、條則是鍛煉學生的實際應用能力，課程10 個學時的實驗都放在這個目標的實現(xiàn)上。通過學習一個具體的平臺系統(tǒng)，也可以加深學生對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的理解。第四條目標的實現(xiàn)則蘊含在學生理論技術的學習、實驗的完成以及期末課程報告和項目設計的考核中。圍繞這個教學目標，我們安排了 30 個學時的課程，包括 20 個學時的課堂教學和 10 個學時的實驗。下面將針對課堂教學、實驗設計、考核方式以及教學參考資料等方面分別展開論述。2 課堂教學我院“虛擬現(xiàn)實技術”課程安排了 20 個學時的課堂教學，每次 2 學時，共 10 次課。本節(jié)給出了我們在課堂教學過程中的主要教學內容，并對各部分教學內容進行了分析和討論。（1） 虛擬

6、現(xiàn)實技術概論(2 學時 )介紹虛擬現(xiàn)實技術的基本概念、特點以及目前國際上該領域的研究和應用情況。具體內容包括：虛擬現(xiàn)實技術基本概念及其特點；虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成和分類；虛擬現(xiàn)實的發(fā)展史；虛擬現(xiàn)實技術的應用；虛擬現(xiàn)實技術的研究與發(fā)展。本次課程是虛擬現(xiàn)實課程的開篇之講，一方面要開宗明義，讓學生明確何為虛擬現(xiàn)實，并對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的各方面都有一個大致的了解，以為后續(xù)課程的學習起到鋪墊作用；另一方面，通過講解虛擬現(xiàn)實的廣泛應用，要使學生認識到學習虛擬現(xiàn)實的重要意義，增強其學習興趣。由于虛擬現(xiàn)實是一個飛速發(fā)展的學科， 因此 “虛擬現(xiàn)實技術的應用” 和“虛擬現(xiàn)實技術的研究與發(fā)展”這兩部分內容要求教師在備課時查

7、閱最新資料，不斷更新講義內容。如果教師在虛擬現(xiàn)實的相關領域有過具體的科研或應用經歷的話，那么對于充實這部分教學內容是非常有幫助的。（2） 虛擬現(xiàn)實的接口設備（4 學時 ）介紹與虛擬現(xiàn)實有關的傳感技術、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的各種交互設備及其原理與特點。具體內容包括：虛擬現(xiàn)實有關的人的因素 （視覺、聽覺、身體感覺） ；虛擬現(xiàn)實接口設備（包括視覺顯示設備、聽覺顯示設備、跟蹤設備、觸覺與力覺顯示設備等 ） 。這次內容中涉及到許多硬件設備的介紹，看似屬于泛泛而談的一次課，但卻絕不能泛泛而備，因為虛擬現(xiàn)實的精髓即體現(xiàn)于其接口設備。這次內容的講解一方面會大大拓展學生的眼界，另一方面也包含了一些非常重要的概念和理論

8、，如視覺暫留、立體視覺、立體聽覺等。在這次內容的講解過程中，由于教師和學生一般都不具備機械控制等方面的知識，因此許多硬件設備（如傳感器 ） 的原理很難講得透徹。我們的經驗是，不需深究細節(jié)，只需描述大概原理即可。而且在講解設備時一定要配合圖片、視頻等多媒體手段。如果條件許可，還可以進行實物的演示。這些手段將給學生留下深刻的印象，達到良好的教學效果。（3） 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的相關軟件 （4 學時 ）介紹構成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的各層次軟件。具體內容包括：（a） 概述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的各層次軟件， 包括基礎圖形庫、幾何建模工具、圖像處理工具、音頻處理工具、虛擬現(xiàn)實平（VRML） 以及基于圖象的建模和繪制工具。（b）

9、 重點講解虛擬現(xiàn)實平臺軟件。以目前國際上最為流行的幾種平臺軟件為例進行介紹， 這些軟件包括Vega、 WorldTool Kit (WTK) 、 VTree、 VR-Platform 和 Virtools 。這部分內容的學習將使學生了解組成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的各層次軟件及其特點。其中“虛擬現(xiàn)實標記語言 (VRML) ”將在下一部分教學內容中詳細介紹，而這次教學內容的重點是虛擬現(xiàn)實平臺軟件。虛擬現(xiàn)實平臺軟件最能體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的完整雛形，也最接近虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用前沿，因此值得重點介紹。在列舉的幾款平臺軟件中，我們重點介紹VR-Platform 和 Virtools ，并選擇其中的一個(我們選了VR-

10、Platform) 配合 4 個學時的實驗進行上機學習。選擇這兩款軟件，一方面因為它們目前較為流行，應用場合很廣；另一方面它們都有免費試用版，大大降低了學生動手實驗的門檻。通過對平臺軟件的課堂學習及上機實踐，可以培養(yǎng)學生初步的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)能力。(4) 虛擬現(xiàn)實標記語言 VRML(4 學時 )介紹 VRML 語言的基本概念、語言結構及其使用方法。具體內容包括： VRML 簡介； VRML 的歷史； VRML 的語言結構； VRML 與 3DS Max 。通過這部分內容的學習，將使學生能夠運用 VRML 語言完成簡單虛擬場景的開發(fā)。VRML 是虛擬現(xiàn)實概念應用于網絡平臺的一個重要體現(xiàn)。嚴格來說

11、，VRML 目前還不能構建出一個真正意義上的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，因為 VRML 中還沒有包括立體視覺效果， 還沒有考慮除視覺和聽覺以外的其他感官刺激。但是，我們還是要花 4 個學時來詳細介紹 VRML ，這是因為 (1) VRML 是一個國際標準化組織認證了的語言規(guī)范，其功能也在不斷的完善之中，具有很好的發(fā)展前景； (2) VRML 在目前的網絡環(huán)境中應用很廣， 學習 VRML 可以使學生具備一門實際的技能； (3) 通過對 VRML 的學習，可以使學生學習到復雜虛擬場景的組織方法，并了解到場景表現(xiàn)方面的許多重要概念和原理，如LOD(Level of Detail) 技術、 Billboard 技術

12、、紋理映射技術、高程圖、光照參數(shù)等等。對這些概念的了解可能比單純記憶VRML 具體語句的寫法更為重要。VRML 還配合了 6 個學時的實驗進行學習。(5) 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的相關技術(共 6 學時 )介紹虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中與真實感繪制、聲音模擬、自然交互等有關的重要技術。具體內容包括：幾何建模技術(包括 B-Rep 表示法、 曲面造型、 粒子系統(tǒng)等內容 ) ；真實感實時繪制技術(包括紋理映射、環(huán)境映射、 凹凸紋理、光照方程等內容)；三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術；實時碰撞檢測技術；（包括全景圖、 同心拼圓、 光流場等內容） 。通過本章的學習，將使學生了解多種重要的虛擬現(xiàn)實原理性技術，增強學生的理論水平，并培養(yǎng)

13、學生分析問題的能力。與前面2、 3、 4 部分內容不同，這部分內容更偏重于原理性介紹。但是在教學過程中可以努力將這些理論知識與實際應用相結合進行介紹。例如真實感實時繪制技術中的紋理映射、光照方程光照等技術都在VRML 語言中有直接的體現(xiàn)， 可結合 VRML 語言學習； 基于圖像的虛擬現(xiàn)實技術中的“全景圖技術”應用廣泛，實現(xiàn)起來也不難，可以引導學生實踐學習?？傊?，虛擬現(xiàn)實理論的學習若能和實踐相結合，將對學生具有更大的啟發(fā)作用和吸引力。這是在這部分教學過程中需要著重考慮的問題。3 實驗設計我們將 10 個學時的實驗劃分為兩大部分：前四個學時引導學生使用 VR 平臺軟件 VR-Platform（ 也

14、可以考慮換成Virtools） ；后六個學時用來學習 VRML 。在實驗 VR-Platform 時，我們提供了一個有關VR-Platform 安裝使用的入門步驟文檔，并給出了幾個小練習供學生完成。此外，我們列出了 VR-Platform 的一個資源網站，學生可以自己查閱資料，學習更高級的功能。 4 個學時的時間對于學習 VR-Platform 太短，不過學生還是從中體會到了自己動手創(chuàng)建虛擬世界的完整過程。這使虛擬現(xiàn)實從枯燥抽象的概念變成了活生生的事例，對學生的影響很大。一些非常感興趣的學生會主動在課下花費時間來鉆研VR-Platform 。VRML 的實驗教學（共 6 學時 ）分為三部分。第

15、一部分讓學生熟悉 VRML 的基本功能，包括VRML 編輯器的使用、簡單場景的創(chuàng)建和簡單交互功能的實現(xiàn)等；第二部分指導學生學習更高級的功能，如插值器、動畫生成等；第三部分指導學生使用 3DSMax 輔助 VRML 進行虛擬場景的構建。每部分實驗都配備了詳細的實驗指導書和若干練習題。 VRML本身也算是一種高級編程語言，但其編程難度遠遠不及 C 、C+等程序設計語言，學生很容易上手。由于我們提供了較為詳細的實驗指導書，整體實驗效果良好，大部分學生都能夠獨立完成所有實驗內容， 達到了學習使用 VRML 的教學目 的。4 考核方式考核的目的不僅僅在于對學生作出評價，更重要的是為了促進學生對這門課程的

16、學習，是教學過程的延伸。我們設計了三種考核形式：(1) 實驗占總成績的15%(2) 期末考試(開卷 )占總成績的50%(3) 課程報告/ 項目設計占總成績的35%第一項實驗成績的評定中，只要學生能夠完成10 個學時的實驗任務，并提交相應的實驗報告即可得分。得分高低依其實驗結果的完整性和正確性而定。第二項期末考試采用了開卷的形式。虛擬現(xiàn)實課程中雖有許多概念和理論知識，但這些知識并不需要死記硬背，只要能留下印象即可，課程更偏重的是理解和實際運用。通過對開卷試題的精心設計，可以使學生對虛擬現(xiàn)實知識體系進行一個系統(tǒng)的回顧，對教學起到良好的補充作用。有些試題是無法從講義上直接找到的， 例如我們設計了 V

17、RML 程序閱讀和設計的題目，以考察學生對VRML 的理解和實驗效果。第三項考核內容是要求學生完成一個虛擬現(xiàn)實相關的課程報告或項目設計。課程報告的內容是有關虛擬現(xiàn)實某項新興技術的系統(tǒng)介紹，或某類技術的綜述性報告；報告要求不少于 4000 字，并包含不少于3 篇參考文獻。項目設計要求學生采用 VR-Platform 、 VRML 或全景圖等虛擬現(xiàn)實工具完成一個虛擬景觀的構造與漫游，需要提交設計作品。無論是課程報告還是項目設計，我們都給出了一些題目供學生選擇，學生也可以自主選題。第三項考核內容的認真完成將使學生受益匪淺，但需要學生有很強的自主性。教學實踐表明，有一部分學生的確從中得到了很大鍛煉，并

18、從課程報告或項目設計的完成中獲得了很強的成就感和自信心。但還有相當部分的學生只是應付了事，并未達到預期的教學目的，這也是類似形式的課程考核中一個普遍面臨的問題。我們原計劃還要讓每個學生將自己的課程報告或項目設計在課堂上進行一個五分鐘的陳述或演示，但由于學生人數(shù)太多 （120 人 ）， 教學時間有限而取消了。 如果條件允許， 這 種當面報告的形式對學生的鍛煉會更大。5 教學參考文獻在虛擬現(xiàn)實課程的教學過程中，我們并沒有指定一本固定的教學課本，我們講義的內容也是參考了許多資料匯集而成，因為還沒有一本虛擬現(xiàn)實方面的書籍能夠滿足我們的教學內容。事實上，虛擬現(xiàn)實技術從90 年代中期即已被介紹 入國內，當時“虛擬現(xiàn)實”還被翻譯為“靈境”或“臨境”早期著作年代較久，沒能包含最新的虛擬現(xiàn)實技術介紹，因此我們重點參考了近年來出現(xiàn)的一些專業(yè)書籍，包括：虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真，王家?Q 著，電子版教材虛擬現(xiàn)實技術與應用，黃心淵著，科學出版社虛擬現(xiàn)實技術 ，申蔚，夏立文著，北京希望電子出版社其中王家 ?Q 的教材重點介紹了虛擬現(xiàn)實的傳感技術和接口設備；黃心淵的教材對立體視覺的講解非常透徹，并介紹了 3DS Max 和 Maya 在虛擬現(xiàn)實中的應用； 申蔚的教材則系統(tǒng)介紹了虛擬現(xiàn)實有關的理論技術。我們可以各取其長，