面向研究生的虛擬現(xiàn)實課程教學(xué)探討

楊剛++楊猛

摘 要：我國高校在研究生階段開設(shè)虛擬現(xiàn)實課程尚屬探索。文章探討開設(shè)該課程的必要性、課程教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃以及教學(xué)方式，圍繞VR內(nèi)容開發(fā)這一核心目標(biāo)制定3項重點教學(xué)內(nèi)容；提出若干有針對性的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；研究生；計算機技術(shù)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

0 引 言

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，簡稱VR），是指用計算機生成一種虛擬環(huán)境，此虛擬環(huán)境可以對人產(chǎn)生多種感官刺激，并可以與人實時交互，使人產(chǎn)生一種沉浸感。作為一種新的媒體形式，虛擬現(xiàn)實可以提供給人一種前所未有的、身臨其境的感受，這使其具有巨大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。近年來，虛擬現(xiàn)實已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界乃至我國政府重點布局的一個熱點領(lǐng)域。在這種背景之下，虛擬現(xiàn)實人才培養(yǎng)也成為我國高校關(guān)注的一個重要問題。國內(nèi)許多高校紛紛申報成立了“數(shù)字媒體技術(shù)”或“數(shù)字媒體藝術(shù)”專業(yè)，并開設(shè)了虛擬現(xiàn)實相關(guān)的課程，講授虛擬現(xiàn)實相關(guān)的概念、應(yīng)用技術(shù)與開發(fā)工具。一些院校在研究生階段也開始嘗試開設(shè)虛擬現(xiàn)實課程，然而，對其教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法還缺乏深入探討。許多為研究生開設(shè)的虛擬現(xiàn)實課程在教學(xué)上依然采用了與本科生課程類似的內(nèi)容與方式，這使得研究生虛擬現(xiàn)實課程的必要性和教學(xué)效果都打了折扣。

筆者長期從事于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究和教學(xué)工作，從2007年開始為本科生講授虛擬現(xiàn)實技術(shù)課程，并于2010年為計算機應(yīng)用技術(shù)和軟件工程等學(xué)科的研究生講授虛擬現(xiàn)實理論與算法課程，對本科生和研究生的虛擬現(xiàn)實教學(xué)都有所體會和思考。筆者結(jié)合實際的教學(xué)經(jīng)驗，圍繞“為什么講”“講什么”和“怎么講”3個問題展開論述，對計算機技術(shù)類研究生的虛擬現(xiàn)實課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等進行探討，給出建議，以期引發(fā)廣大教育工作者的思考和討論，共同推進我國虛擬現(xiàn)實人才的培養(yǎng)。

1 為什么講——開設(shè)課程的必要性研究

很多高校在本科階段就開設(shè)了虛擬現(xiàn)實課程，許多學(xué)生已經(jīng)對VR的概念、應(yīng)用及相關(guān)開發(fā)工具有所了解，甚至基于引擎開發(fā)過VR相關(guān)的產(chǎn)品。在這樣的情況下，還有必要在研究生階段再次開設(shè)虛擬現(xiàn)實課程嗎？我們認(rèn)為還是很有必要的，原因如下：

（1）本科VR課程與研究生VR課程教學(xué)目標(biāo)不同。本科VR課程的主要目標(biāo)是在了解VR的基本概念、體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)應(yīng)用VR引擎等制作工具來完成VR作品的開發(fā)[1]。這其中并不過深地講授VR的底層算法與理論。研究生階段要求學(xué)生對專業(yè)知識和技能有更深入的理解，所講授的知識不應(yīng)只停留在對現(xiàn)有工具的應(yīng)用層面，而應(yīng)有一定的理論深度和專業(yè)算法。為此，我們認(rèn)為，研究生VR課程的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)定位在了解VR相關(guān)的技術(shù)理論，并深入掌握其中的若干底層算法。

（2）VR技術(shù)型人才培養(yǎng)的迫切需求。本科生的VR課程面向VR應(yīng)用型人才培養(yǎng)，即可以運用VR引擎開發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)人員；而研究生階段則是要培養(yǎng)VR技術(shù)型人才，即對VR底層技術(shù)有透徹了解，能對VR技術(shù)進行靈活集成、甚至改進的人才。在我國當(dāng)前VR行業(yè)中，VR技術(shù)型人才相當(dāng)缺乏，這在很大程度上限制了我國VR技術(shù)的深度和原創(chuàng)性程度。在研究生階段開設(shè)虛擬現(xiàn)實課程，有助于培養(yǎng)VR技術(shù)性人才，對我國VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要作用。

此外，在當(dāng)前計算機技術(shù)類本科專業(yè)中，VR課程往往作為專業(yè)選修課而存在，并不是所有學(xué)生都選修過，而從外專業(yè)考入計算機專業(yè)的研究生往往沒有學(xué)習(xí)過VR課程。從這個角度而言，研究生階段開設(shè)VR課程可滿足這部分學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

2 講什么——教學(xué)內(nèi)容選擇

VR技術(shù)涉及許多不同的專業(yè)領(lǐng)域，包含很多理論和算法[2]。例如，為了生成多感知信號，虛擬現(xiàn)實需要計算機圖形學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)方面的技術(shù)，需要觸覺、力覺感知的技術(shù)，甚至需要進行嗅覺和味覺的相關(guān)研究；為了進行自然人機交互，虛擬現(xiàn)實需要計算機視覺技術(shù)、自動化技術(shù)、傳感器技術(shù)以及人機交互方面的研究等；為了讓虛擬環(huán)境給人更強的沉浸感和舒適度，還需要生理學(xué)、心理學(xué)方面的研究。顯然，對這些技術(shù)理論都講授是不現(xiàn)實的，必須有所選擇、有所側(cè)重。針對這個問題，我們制定了如下幾條內(nèi)容選擇的原則。

1）在計算機技術(shù)范疇內(nèi)選擇教學(xué)內(nèi)容。

現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實從主體上而言還是一種計算機科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)，而我們教學(xué)面向的學(xué)生都是計算機技術(shù)背景的學(xué)生。因此，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)選取與計算機相關(guān)的核心技術(shù)理論，至于光學(xué)、聲學(xué)、心理學(xué)等方面的理論可以簡要概述，但不作為重點。

2）偏軟不偏硬。

與機械工程或電子信息類學(xué)生不同，我校計算機專業(yè)的學(xué)生并沒有學(xué)習(xí)過硬件開發(fā)相關(guān)的技能。因此我們的技術(shù)理論應(yīng)以軟件算法為主，而忽略自動化控制、傳感器等硬件系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的內(nèi)容。

3）圍繞VR內(nèi)容開發(fā)制定教學(xué)重點。

當(dāng)前VR行業(yè)發(fā)展的一大短板是內(nèi)容匱乏，即已經(jīng)制造出了頭盔等沉浸式VR設(shè)備（硬件設(shè)備），卻缺乏可以在設(shè)備中體驗的高質(zhì)量的VR內(nèi)容（軟件內(nèi)容）。VR內(nèi)容開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)前VR行業(yè)發(fā)展的重點。而為VR內(nèi)容開發(fā)提供技術(shù)支撐的正是VR的一系列核心技術(shù)。

從虛擬環(huán)境的構(gòu)建方式上來分，VR內(nèi)容可以分為兩種類型：①基于三維幾何的虛擬環(huán)境；②基于圖像的虛擬環(huán)境。前者的支撐技術(shù)是三維圖形技術(shù)；后者的支撐技術(shù)則是基于圖像的建模和繪制技術(shù)。此外，近年來一種新的應(yīng)用形式——增強現(xiàn)實（augmented reality， 簡稱AR）[3]獲得了廣泛關(guān)注。AR可以歸為VR的一種特殊內(nèi)容形式，其背后的一項主要支撐技術(shù)是三維注冊。由此，我們根據(jù)VR的3種內(nèi)容形式確定了3項技術(shù)：三維圖形技術(shù)、基于圖像的建模和繪制、三維注冊。這3項技術(shù)是VR內(nèi)容開發(fā)最主要的支撐技術(shù)，同時也是VR最有代表性的核心技術(shù)，我們可將它們作為教學(xué)重點。

總之，我們根據(jù)計算機技術(shù)學(xué)科研究生的知識背景以及當(dāng)前虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點，圍繞VR內(nèi)容開發(fā)選定3項核心技術(shù)作為研究生VR教學(xué)的重點內(nèi)容。在具體組織教學(xué)內(nèi)容時，可采取點面結(jié)合、重點突出的策略。即一開始可以對VR相關(guān)的概念、技術(shù)體系和理論進行一個宏觀的全景式介紹，之后引出3項核心技術(shù)并重點講授。endprint

3 怎么講——教學(xué)方式探討

研究生VR課程的3項技術(shù)不僅艱深而且內(nèi)容量大。以三維圖形技術(shù)為例，其中既有建模技術(shù)，又有繪制技術(shù)，還有動畫技術(shù)，而每種技術(shù)又有許多不同算法，其中一些算法還有相當(dāng)?shù)碾y度。完整講解這些內(nèi)容需要很多課時，而研究生VR課程一般僅有32～48學(xué)時，若要面面俱到地講，不但講不完，而且效果也不好。針對這個問題，我們在教學(xué)上采取如下策略。

1）不求面面俱到，但求重點突破。

在講授每種技術(shù)時，一開始可以對整體的技術(shù)體系和算法類型進行一個宏觀概述，當(dāng)涉及具體內(nèi)容時，應(yīng)選取1～2個有代表性的算法或技術(shù)進行深入講解。如對三維圖形技術(shù)，可以以繪制技術(shù)中的“圖形流水線”為核心內(nèi)容進行講解；理解了圖形流水線，就相當(dāng)于掌握了三維圖形技術(shù)的主線，可為其他技術(shù)的理解打下良好基礎(chǔ)。對基于圖像的技術(shù)，則可選擇全景圖像的矯正、拼接、融合這一套算法為主要內(nèi)容，讓學(xué)生從技術(shù)原理上理解全景圖制作的基本過程。全景圖是基于圖像的建模與繪制技術(shù)的最典型代表，也是當(dāng)前最實用、最常見的VR內(nèi)容構(gòu)建方式。對于三維注冊技術(shù)，則可以以“基于標(biāo)識物的三維注冊算法”為主要講解內(nèi)容，這種算法是三維注冊計算的基礎(chǔ)技術(shù)，同時也是當(dāng)前AR內(nèi)容中最常見的應(yīng)用算法。

我們所選取的這些技術(shù)內(nèi)容雖然不是最前沿、最先進的算法，但卻是最有代表性的算法。它們蘊含了該技術(shù)范疇的基本思想和技術(shù)思路，如果能夠掌握這些代表性算法，就可能以點帶面、觸類旁通，其效果遠遠好于面面俱到、但卻都不深入的講解方法。

2）學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)重點，與實踐作品開發(fā)結(jié)合。

在我們的實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生在一個學(xué)期內(nèi)深入掌握三項技術(shù)內(nèi)容依然是比較困難的。考慮到這三項技術(shù)間差別很大，其實代表了不同的技術(shù)類型和應(yīng)用領(lǐng)域，我們建議將這三項技術(shù)內(nèi)容設(shè)置為可選的方式，即不要求學(xué)生平均使勁兒，掌握全部三項技術(shù)內(nèi)容，而是結(jié)合自己的興趣、研究方向或當(dāng)前的研究課題來選取其中一項作為重點學(xué)習(xí)內(nèi)容，并將之與自己的課程大作業(yè)結(jié)合，進行實際作品的開發(fā)。同時，不作為重點學(xué)習(xí)內(nèi)容的其他兩項技術(shù)仍然需要上課聽講，作為對技術(shù)的基礎(chǔ)了解，但不要求必須與實際作品的開發(fā)進行結(jié)合。

3）教師多方引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

這些技術(shù)算法的復(fù)雜性，僅僅通過課堂講解是遠遠不夠的，需要學(xué)生自己在課下通過學(xué)習(xí)、編程、調(diào)試來理解。根據(jù)我們的經(jīng)驗，課上講解僅占1/3的作用，而剩下2/3是需要學(xué)生在課下自主完成的。為了激發(fā)學(xué)生的主動性，教師可以采取多種引導(dǎo)手段，如從當(dāng)前有名的應(yīng)用實例中引出所講的算法，讓學(xué)生明白這個算法是很有應(yīng)用價值的；引導(dǎo)學(xué)生將課程內(nèi)容與其研究生階段的研究課題掛鉤；引導(dǎo)其在課程大作業(yè)中運用所學(xué)算法等。

4）提供開源代碼資源。

為每一項技術(shù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)提供一些開源的代碼資源，一方面降低學(xué)習(xí)的門檻，另一方面可鼓勵其進行實踐開發(fā)。教學(xué)中，當(dāng)講解圖形流水線時，我們會基于OpenGL+freeGlut庫[4]的實際開發(fā)進行講解，并提供很多學(xué)習(xí)代碼；講解全景圖算法時則提供比較經(jīng)典的Panorama Tools[5]開源代碼；講解增強現(xiàn)實的三維注冊算法時則提供ARToolKit[6]開源代碼。

4 結(jié) 語

開設(shè)面向研究生的虛擬現(xiàn)實課程對于培養(yǎng)高層次VR人才具有積極作用，有助于提升我國VR產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力。筆者從課程必要性、教學(xué)內(nèi)容的選擇和教學(xué)方法3個方面對研究生虛擬現(xiàn)實課程的教學(xué)進行了系統(tǒng)分析與討論，明確了研究生VR教學(xué)與本科VR教學(xué)在教學(xué)目標(biāo)和人才培養(yǎng)上的差異；依據(jù)VR的主要應(yīng)用形式選取了3項核心技術(shù)作為研究生VR課程的重點內(nèi)容；針對VR技術(shù)的學(xué)習(xí)特點以及學(xué)生的接收能力提出了一系列具體的教學(xué)建議，以期為制定研究生虛擬現(xiàn)實課程的教學(xué)大綱和詳細教學(xué)內(nèi)容提供參考，引發(fā)廣大VR教育工作者的共鳴與探討，共同提升我國虛擬現(xiàn)實人才培養(yǎng)的水平。

參考文獻：

[1] 楊剛， 黃心淵. “虛擬現(xiàn)實技術(shù)”課程的教學(xué)設(shè)計與討論[J]. 計算機教育， 2008（2）： 41-44.

[2] 陳懷友， 張?zhí)祚Y， 張菁. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2012.

[3] 王涌天， 陳靖， 程德文. 增強現(xiàn)實技術(shù)導(dǎo)論[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2015.

[4] Olszta P W， Umbach A， Baker S， et al. Freeglut [EB/OL]. [2017-05-21]. http：//freeglut.sourceforge.net/ .

[5] Dersch H. Panorama tools [EB/OL]. [2017-05-21]. https：//webuser.hs-furtwangen.de/～dersch/.

[6] Vaughan B， Lamb P， Young W. ARToolKit [EB/OL]. [2017-05-21]. https：//artoolkit.org/.

（編輯：彭遠紅）endprint