“虛擬現實技術”課程的教學設計與討論

摘要：探討了“虛擬現實技術”課程在教學目標、教學內容、實驗設計及考核方式等各個環節的特點與問題，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展以及計算機多媒體技術的日益普及，“虛擬現實”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“虛擬現實技術”納入計算機類專業選修課的范疇。但是目前“虛擬現實”課程的教學一直沒有一個統一規范的教學目標和教學內容。這一方面是由于“虛擬現實”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系，這使其教學內容比較雜，難以規范。這兩方面的特點都增加了虛擬現實課程的教學難度。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，促進虛擬現實技術在國內的普及和發展。本文根據北京林業大學信息學院“虛擬現實技術”課程的實際教學經驗，參考國內相關課程的教學內容，并結合授課老師在虛擬現實方面的科研和開發體會，對虛擬現實課程的教學目標、教學內容、實驗設計、考核方式以及教學參考資料等各個環節進行了分析和論述。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

北京林業大學信息學院“虛擬現實技術”課程主要面向計算機專業三年級學生，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性也要大大多于基礎技術。為此，我們將虛擬現實課程定位為：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) 使學生了解虛擬現實的基本概念，理解虛擬現實的基本理論與技術；

(2) 了解虛擬現實系統的接口設備和軟件系統；

(3) 掌握一種常用的虛擬現實平臺系統，培養實際動手能力；

(4) 培養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實系統的軟硬件，從而對虛擬現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上。通過學習一個具體的平臺系統，也可以加深學生對虛擬現實系統的理解。第四條目標的實現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) 虛擬現實技術概論(2學時)

介紹虛擬現實技術的基本概念、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：虛擬現實技術基本概念及其特點；虛擬現實系統的組成和分類；虛擬現實的發展史；虛擬現實技術的應用；虛擬現實技術的研究與發展。

本次課程是虛擬現實課程的開篇之講，一方面要開宗明義，讓學生明確何為虛擬現實，并對虛擬現實系統的各方面都有一個大致的了解，以為后續課程的學習起到鋪墊作用；另一方面，通過講解虛擬現實的廣泛應用，要使學生認識到學習虛擬現實的重要意義，增強其學習興趣。由于虛擬現實是一個飛速發展的學科，因此“虛擬現實技術的應用”和“虛擬現實技術的研究與發展”這兩部分內容要求教師在備課時查閱最新資料，不斷更新講義內容。如果教師在虛擬現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) 虛擬現實的接口設備(4學時)

介紹與虛擬現實有關的傳感技術、虛擬現實系統中的各種交互設備及其原理與特點。具體內容包括：虛擬現實有關的人的因素(視覺、聽覺、身體感覺)；虛擬現實接口設備(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，因為虛擬現實的精髓即體現于其接口設備。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，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，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) 虛擬現實系統的相關軟件(4學時)

介紹構成虛擬現實系統的各層次軟件。具體內容包括：

(a) 概述虛擬現實系統的各層次軟件，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、虛擬現實平臺軟件、虛擬現實的網絡規范語言(VRML)以及基于圖象的建模和繪制工具。

(b) 重點講解虛擬現實平臺軟件。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、World Tool 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實系統的各層次軟件及其特點。其中“虛擬現實標記語言(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實平臺軟件。虛擬現實平臺軟件最能體現虛擬現實系統的完整雛形，也最接近虛擬現實系統的應用前沿，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-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，可以培養學生初步的虛擬現實系統開發能力。

(4) 虛擬現實標記語言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。

VRML是虛擬現實概念應用于網絡平臺的一個重要體現。嚴格來說，VRML目前還不能構建出一個真正意義上的虛擬現實系統，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范，其功能也在不斷的完善之中，具有很好的發展前景；(2) VRML在目前的網絡環境中應用很廣，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，并了解到場景表現方面的許多重要概念和原理，如LOD(Level of Detail)技術、Billboard技術、紋理映射技術、高程圖、光照參數等等。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) 虛擬現實系統的相關技術(共6學時)

介紹虛擬現實系統中與真實感繪制、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、粒子系統等內容)；

●真實感實時繪制技術(包括紋理映射、環境映射、凹凸紋理、光照方程等內容)；

●三維虛擬聲音的實現技術；

●實時碰撞檢測技術；

●基于圖像的虛擬現實技術(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實原理性技術，增強學生的理論水平，并培養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，可結合VRML語言學習；基于圖像的虛擬現實技術中的“全景圖技術”應用廣泛，實現起來也不難，可以引導學生實踐學習。總之，虛擬現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建虛擬世界的完整過程。這使虛擬現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、簡單場景的創建和簡單交互功能的實現等；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實知識體系進行一個系統的回顧，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VRML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實某項新興技術的系統介紹，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實方面的書籍能夠滿足我們的教學內容。事實上，虛擬現實技術從90年代中期即已被介紹入國內，當時“虛擬現實”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實技術介紹，因此我們重點參考了近年來出現的一些專業書籍，包括：

●《虛擬現實與系統仿真》，王家廞著，電子版教材

●《虛擬現實技術與應用》，黃心淵著，科學出版社

●《虛擬現實技術》，申蔚，夏立文著，北京希望電子出版社

其中王家廞的教材重點介紹了虛擬現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在虛擬現實中的應用；申蔚的教材則系統介紹了虛擬現實有關的理論技術。我們可以各取其長，充實教學內容。

課程中真實感實時繪制技術可以參考圖形學方面的書籍：

《計算機圖形學教程》(修訂版)，唐榮錫，汪嘉業，彭群生，汪國昭編著，科學出版社

《計算機真實感圖形的算法基礎》，彭群生，鮑虎軍，金小剛著，科學出版社

此外，網上有很多關于虛擬現實技術的資源，都可以參考。例如：

http://www.pcvr.com.cn/vrweb/disquisition/index00.htm 有大量關于虛擬現實的技術文檔；

http://www.vrplatform.com/support.asp 有關于VR-Platform

學習的詳細資料；

http://tecfa.unige.ch/guides/vrml/sig-graph-tutorial/vrml97.htm 是一個很好的VRML學習網站。

6總結

本文根據實際的教學經驗，探討了“虛擬現實技術”教學的各個方面，包括教學目標、課堂教學、實驗設計、考核方式和教學參考資料。我們希望本文能夠給其他教學工作者以參考和啟發，共同促進“虛擬現實技術”課程的完善與提高。

在教學環節中，如果有條件，還可以請虛擬現實應用領域的業內專家或資深工作人員到課堂進行一次專題報告；或組織學生到從事虛擬現實業務的公司進行參觀體驗。這都將加深學生對虛擬現實的理解。這可以歸入實習課的范疇。此外，可以考慮增加一些討論課，促進學生自主參與和自主學習的能力。我們在制定新的教學計劃時，可以進一步把這些方面納入考慮范圍。

收稿日期：2007-10

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