虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 教學(xué)大綱

PAGEPAGE7《虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)》課程教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程編號(hào)課程性質(zhì)選修課課程類別專業(yè)課開課單位機(jī)電工程學(xué)院授課學(xué)期第六學(xué)期學(xué)分/學(xué)時(shí)2/32課內(nèi)學(xué)時(shí)32理論授課28上機(jī)學(xué)時(shí)0課內(nèi)實(shí)踐0實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)4課外學(xué)時(shí)40適用專業(yè)智能制造工程是否雙語(yǔ)否先修課程工程編程基礎(chǔ)、Python編程與工程實(shí)踐后續(xù)課程智能運(yùn)維與健康管理、智能裝備故障診斷二、課程簡(jiǎn)介《虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)》是智能制造工程專業(yè)重要的專業(yè)選修課之一。虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality,VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality,AR）是近年來技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，這兩種技術(shù)通過創(chuàng)造沉浸式的虛擬環(huán)境或在現(xiàn)實(shí)世界中疊加虛擬信息，為用戶帶來沉浸式的體驗(yàn)。虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游戲、教育、智能制造和數(shù)字孿生領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色。本課程系統(tǒng)地講解虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相關(guān)理論，并關(guān)注領(lǐng)域前沿進(jìn)展，通過圖像虛擬環(huán)境漫游技術(shù)、3D立體影響技術(shù)、三維輸入輸出與成像技術(shù)、Unity引擎等核心內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有將此技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字孿生和智能制造中，更好的為智能工廠的生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)維提供支撐。三、課程目標(biāo)及對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐（一）課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到以下目標(biāo)：課程目標(biāo)1（知識(shí)目標(biāo)）：了解虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的發(fā)展及分類；了解基于圖像和是三維建模的虛擬環(huán)境漫游技術(shù)；了解3D立體影像的原理，了解三維輸入輸出與呈現(xiàn)技術(shù)。課程目標(biāo)2（能力目標(biāo)）：掌握三維游戲引擎Unity的基本操作方法，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。課程目標(biāo)3（素質(zhì)目標(biāo)）：通過課程教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生追求真理的理想和獻(xiàn)身科學(xué)的精神，樹立學(xué)生現(xiàn)代科學(xué)的自然觀、宇宙觀和辯證唯物主義世界觀。通過了解虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用案例，激發(fā)學(xué)生的家國(guó)情懷、求知熱情、探索和創(chuàng)新精神，使學(xué)生善于思考，勇于實(shí)踐。（二）課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐課程目標(biāo)支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)畢業(yè)要求課程目標(biāo)1指標(biāo)點(diǎn)5：使用現(xiàn)代工具5-1能夠合理選擇與使用解決復(fù)雜智能制造工程問題所需的多種儀器設(shè)備、信息資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具課程目標(biāo)2指標(biāo)點(diǎn)5：使用現(xiàn)代工具5.2能夠開發(fā)或應(yīng)用滿足特定需求的現(xiàn)代工具，對(duì)智能制造工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)，并能夠理解其局限性課程目標(biāo)3指標(biāo)點(diǎn)3：設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案3-3能夠設(shè)計(jì)滿足特定需求的智能制造系統(tǒng)、零部件或制造工藝，并體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)四、課程基本教學(xué)內(nèi)容及對(duì)課程目標(biāo)的支撐（一）課程基本教學(xué)內(nèi)容第一單元虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)（學(xué)時(shí)數(shù)：6學(xué)時(shí)）1.課程主要內(nèi)容虛擬現(xiàn)實(shí)是可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)技術(shù)，它利用了多種學(xué)科技術(shù)來實(shí)現(xiàn)用戶與計(jì)算機(jī)交互的一種方式，還可以根據(jù)不同的需求和應(yīng)用場(chǎng)景劃分為桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。本章主要講授虛擬現(xiàn)實(shí)的含義及其發(fā)展簡(jiǎn)史，以及虛擬現(xiàn)實(shí)的分類。2.重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：虛擬現(xiàn)實(shí)的含義；虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展簡(jiǎn)史；虛擬現(xiàn)實(shí)的分類。（2）難點(diǎn)：虛擬現(xiàn)實(shí)的含義；虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展簡(jiǎn)史；虛擬現(xiàn)實(shí)的分類。3.教學(xué)方法（1）采用“講授+思政案例”的方式，使學(xué)生掌握虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念，以及發(fā)展簡(jiǎn)史和分類，激發(fā)學(xué)生的探索精神。（2）采用“講授+案例教學(xué)”的方式，引入虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用，幫助同學(xué)更直觀的理解虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果（1）掌握虛擬現(xiàn)實(shí)的含義，虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展簡(jiǎn)史，虛擬現(xiàn)實(shí)的分類。（2）具備探究虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景的能力。5.支撐課程目標(biāo)通過本單元的學(xué)習(xí)，使同學(xué)們掌握虛擬現(xiàn)實(shí)的含義，虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展簡(jiǎn)史，虛擬現(xiàn)實(shí)的分類。結(jié)合思政元素的引入，對(duì)課程目標(biāo)1、3起到了支撐作用，并為后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)奠定了理論基礎(chǔ)。第二單元基于圖像的虛擬漫游技術(shù)（學(xué)時(shí)數(shù)：6學(xué)時(shí)）1.課程主要內(nèi)容傳統(tǒng)的虛擬/現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般要使用到數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝、頭盔顯示器和超高速計(jì)算機(jī)等專用設(shè)備。這樣建立的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境耗資巨大，難以普及。將不同方位的實(shí)景圖像按照相互關(guān)系有機(jī)地連接起來，就可以形成一個(gè)低耗費(fèi)、高性能的虛擬環(huán)境。本章主要介紹基于圖像的虛擬漫游技術(shù)，包括全景拼接技術(shù)、全景秒拍與全景視頻、全景逆向應(yīng)用等內(nèi)容。2.重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：全景的概念和發(fā)展；全景拍攝和拼接技術(shù)；全景逆向應(yīng)用。（2）難點(diǎn)：基于照片的全景建模；全景VR與建模場(chǎng)景的融合。3.教學(xué)方法（1）采用“講授+多媒體視頻”的方式，使學(xué)生理解全景的概念和發(fā)展。（2）采用“講授+案例教學(xué)”的方式，使學(xué)生了解全景拍攝和拼接技術(shù)、全景逆向應(yīng)用、基于照片的全景建模以及全景VR與建模場(chǎng)景的融合。4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果（1）了解全景的概念和發(fā)展、全景拍攝和拼接技術(shù)和全景逆向應(yīng)用。（2）理解基于照片的全景建模，全景VR與建模場(chǎng)景的融合。5.支撐課程目標(biāo)通過本單元的學(xué)習(xí)，使同學(xué)們了解全景的概念和發(fā)展、全景拍攝和拼接技術(shù)和全景逆向應(yīng)用，對(duì)課程目標(biāo)1起到了支撐作用。第三單元基于三維建模的虛擬漫游（學(xué)時(shí)數(shù)：4學(xué)時(shí)）1.課程主要內(nèi)容基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有高度的真實(shí)感，但卻不能真正地在三維場(chǎng)景中漫游，而基于三維建模的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)真正的虛擬漫游。其思路為制作一個(gè)矢量化的3D模板，開發(fā)一個(gè)實(shí)時(shí)渲染引擎并顯示具有交互性的3D圖形或動(dòng)畫。本章主要介紹幾種基于建模的虛擬實(shí)景開發(fā)系統(tǒng)。2.重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：主要的建模軟件和方法；基于VRML/X3D的場(chǎng)景虛擬漫游技術(shù)；基于Virtools的虛擬環(huán)境漫游技術(shù)。（2）難點(diǎn)：VRML建模語(yǔ)法；Virtools軟件的入門操作。3.教學(xué)方法（1）采用“講授+視頻動(dòng)畫”的方式，使同學(xué)們?nèi)腴T三維建模軟件。（2）采用“講授+案例教學(xué)”的方式，使同學(xué)們掌握軟件的使用方法。4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果（1）了解主要的建模軟件和方法、基于VRML/X3D的場(chǎng)景虛擬漫游技術(shù)和基于Virtools的虛擬環(huán)境漫游技術(shù)。（2）理解VRML建模語(yǔ)法，入門Virtools軟件。5.支撐課程目標(biāo)本單元課程內(nèi)容對(duì)課程目標(biāo)1起到支撐作用。第四單元基于Web的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（學(xué)時(shí)數(shù)：4學(xué)時(shí)）1.課程主要內(nèi)容WebVR是網(wǎng)頁(yè)能為虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的渲染提供支持的API，支持頭戴式設(shè)備與Webapp的連接。它能讓開發(fā)者將位置和動(dòng)作信息轉(zhuǎn)換成3D場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)?；谶@項(xiàng)技術(shù)能產(chǎn)生很多有趣的應(yīng)用，比如虛擬的產(chǎn)品展示，可交互的培訓(xùn)課程，以及超強(qiáng)沉浸感的第一人稱游戲。本章主要介紹基于Flash3D、HTML5和WebGL實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。2.重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：什么是Flash3D及其發(fā)展歷史；Flash平臺(tái)的3D引擎。（2）難點(diǎn)：Flash3D與ActionScript腳本語(yǔ)言。3.教學(xué)方法（1）采用“講授+視頻動(dòng)畫”的方式，使同學(xué)們了解Flash3D的發(fā)展史和主要的Flash平臺(tái)的3D引擎。（2）采用“講授+案例教學(xué)”的方式，使同學(xué)們理解ActionScript腳本語(yǔ)言。4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果（1）了解Flash3D及其發(fā)展歷史；Flash平臺(tái)的3D引擎。（2）難點(diǎn)：Flash3D與ActionScript腳本語(yǔ)言。5.支撐課程目標(biāo)對(duì)課程目標(biāo)1起到支撐作用。第五單元三維交互式應(yīng)用設(shè)計(jì)（學(xué)時(shí)數(shù)：3學(xué)時(shí)）1.課程主要內(nèi)容Unity3D是一款易操作的全面整合的游戲引擎，它是UnityTechnologies開發(fā)的，用戶可以用它輕松地制作游戲。除了易于操作，跨平臺(tái)也是它的一項(xiàng)重要特征，可將游戲發(fā)布到Windows、Mac、Wii、iPhone和Android平臺(tái)。本章主要介紹使用Unity3D實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。2.重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：Unity3D操作基礎(chǔ)；（2）難點(diǎn)：Unity3D基本指令；Unity3D場(chǎng)景搭建；用Unity3D實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易3D射擊游戲。3.教學(xué)方法（1）采用“講授+案例教學(xué)”的方式，使同學(xué)們掌握Unity3D的使用方法。4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果（1）掌握Unity3D的操作基礎(chǔ)。（2）具備制作一個(gè)簡(jiǎn)易游戲的能力。5.支撐課程目標(biāo)通過本單元的學(xué)習(xí)，使同學(xué)們掌握Unity3D的操作基礎(chǔ)，具備將其應(yīng)用到虛擬現(xiàn)實(shí)制作中的能力，對(duì)課程目標(biāo)2起到支撐作用。（二）課程基本教學(xué)內(nèi)容對(duì)課程目標(biāo)的支撐課程教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)學(xué)時(shí)安排課內(nèi)課外學(xué)時(shí)比例第一單元虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)講授法、思政案例、案例教學(xué)課程目標(biāo)1、341.5第二單元基于圖像的虛擬漫游技術(shù)講授法、多媒體視頻、案例教學(xué)課程目標(biāo)141.5第三單元基于三維建模的虛擬漫游講授法、視頻動(dòng)畫、案例教學(xué)課程目標(biāo)161.3第四單元基于Web的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)講授法、視頻動(dòng)畫、案例教學(xué)課程目標(biāo)161.3第五單元三維交互式應(yīng)用設(shè)計(jì)講授法、案例教學(xué)、匯報(bào)討論課程目標(biāo)2、3121合計(jì)321.25五、課程考核及對(duì)課程目標(biāo)的支撐（一）課程考核課程成績(jī)構(gòu)成（百分制）課程成績(jī)構(gòu)成比例考核環(huán)節(jié)目標(biāo)分值考核/評(píng)價(jià)細(xì)則平時(shí)成績(jī)40%作業(yè)（百分制）40本門課程5次作業(yè)，主要考核各章節(jié)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，作業(yè)評(píng)分的具體標(biāo)準(zhǔn)為提交時(shí)效性和準(zhǔn)確率；目標(biāo)分值=0.4*作業(yè)平均成績(jī)*時(shí)效系數(shù)；其中，時(shí)效系數(shù)=（1-延遲提交作業(yè)天數(shù)*0.1），時(shí)效系數(shù)最低值為0.5。課堂表現(xiàn)（百分制）60參與課堂互動(dòng)、投票、問答、討論等課程活動(dòng)獲得相應(yīng)分?jǐn)?shù)，主要考核學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度和課堂聽課狀態(tài)。作品展示60%知識(shí)40分組進(jìn)行Unity3D制作游戲作品展示和匯報(bào)，由教師和其他組學(xué)生共同打分確定成績(jī)。能力30綜合應(yīng)用20創(chuàng)新10（二）課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐教學(xué)內(nèi)容考核內(nèi)容考核方式支撐的課程目標(biāo)第一單元虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)1-1虛擬現(xiàn)實(shí)的含義1-2虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展簡(jiǎn)史1-3虛擬現(xiàn)實(shí)的分類作業(yè)課程目標(biāo)1、3第二單元基于圖像的虛擬漫游技術(shù)2-1基于照片的全景建模作業(yè)課程目標(biāo)1第三單元基于三維建模的虛擬漫游3-1基于Virtools的虛擬環(huán)境漫游技術(shù)作業(yè)課程目標(biāo)1第四單元基于Web的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)4-1什么是Flash3D及其發(fā)展歷史4-2Flash平臺(tái)的3D引擎作業(yè)課程目標(biāo)1第五單元三維交互式應(yīng)用設(shè)計(jì)5-1掌握Unity3D的操作基礎(chǔ)5-2制作一個(gè)簡(jiǎn)易游戲作品展示課程目標(biāo)2、3六、使用教材、相關(guān)推薦書目及課程資源（一）使用教材張燕翔主編：《虛擬/現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)及其應(yīng)用》，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2017年版；（二）相關(guān)推薦書目1.趙