程飛 張捷 黃伯虎

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)是一門涵蓋藝術(shù)設(shè)計(jì)、人機(jī)交互和計(jì)算機(jī)視覺等內(nèi)容的綜合性課程。因該課程存在交叉性的特點(diǎn)，特色性工程類高等院校在實(shí)施教學(xué)時(shí)，易出現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容難以凝練的問題，最終影響教學(xué)質(zhì)量和效果。文章立足特色性工科背景，通過介紹虛擬現(xiàn)實(shí)課程概況和存在的問題，提出若干舉措。

關(guān)鍵詞：特色性工科；虛擬現(xiàn)實(shí)；課程教學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtaul Reality，簡稱VR）旨在利用計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)造虛擬環(huán)境或元素，實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境的沉浸式交互，該技術(shù)屬于藝術(shù)設(shè)計(jì)、人機(jī)交互和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的交叉融合。

虛擬現(xiàn)實(shí)課程（以下簡稱VR課程）是數(shù)字媒體專業(yè)的核心課程，為學(xué)生綜合利用數(shù)字媒體工具、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)虛擬場景、構(gòu)建相關(guān)應(yīng)用提供了學(xué)習(xí)平臺(tái)。然而，特色性工程類高校教學(xué)多以理工學(xué)科思維為主，因虛擬現(xiàn)實(shí)課程的交叉性，教師在具體教學(xué)時(shí)，易出現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容難以凝練的問題，影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。為此，探索面向特色性工科的虛擬現(xiàn)實(shí)課程教學(xué)，不僅能強(qiáng)化特色性工科的學(xué)科特點(diǎn)，還能充分培育數(shù)字媒體專業(yè)學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)，為社會(huì)輸出更多優(yōu)秀人才。

一、課程教學(xué)概況和問題

VR課程是西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院從2022年春季學(xué)期增設(shè)的一門面向本科數(shù)字媒體專業(yè)三年級的課程，該課程融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互、傳感、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，包含16個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)踐內(nèi)容、24個(gè)學(xué)時(shí)的理論教學(xué)內(nèi)容。課程教學(xué)的主要目的有四個(gè)：首先，提供給學(xué)生必要的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本原理和概念；其次，使學(xué)生掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的具體開發(fā)和應(yīng)用方法，包括使用特定的開發(fā)工具、編程語言和軟件開發(fā)環(huán)境；再次，探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，如教育、醫(yī)療、娛樂等；最后，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新性思考，激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)新穎虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的能力，達(dá)到學(xué)以致用的目的。然而，課程存在以下問題，影響特色性工科的教學(xué)建設(shè)。

（一）技術(shù)形態(tài)迭代快影響課程建設(shè)的穩(wěn)定性

在過去的幾年里，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)歷了令人矚目的發(fā)展，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，支撐VR的關(guān)鍵技術(shù)呈現(xiàn)出了爆炸式增長的趨勢，如人工智能生成內(nèi)容、近眼成像和體感交互等。這些技術(shù)的不斷創(chuàng)新增強(qiáng)了虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的真實(shí)感和沉浸感，為用戶提供了更加引人入勝的虛擬世界。其次，計(jì)算機(jī)端測算力的顯著提升擴(kuò)大了VR技術(shù)的應(yīng)用范圍，使VR設(shè)備能夠處理更復(fù)雜的圖形和場景，并提高了系統(tǒng)性能和響應(yīng)速度。這些使得VR技術(shù)在游戲、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。最后，VR技術(shù)的集成式工具、平臺(tái)和框架不斷涌現(xiàn)，如折疊光路透鏡、多模態(tài)姿勢估計(jì)等為VR體驗(yàn)提供了更多可能性。

然而，新技術(shù)的出現(xiàn)也伴隨著舊技術(shù)和舊方法的淘汰。這種技術(shù)變革對特色性工科教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，使得現(xiàn)有的VR課程教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展脫節(jié)，學(xué)生感到無所適從，并敦促教師及時(shí)更新課程內(nèi)容，以保持與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的同步。

（二）現(xiàn)有課程參考教材的知識(shí)零散化

自授課以來，西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院課程組一直積極開展對國內(nèi)VR領(lǐng)域相關(guān)教材的調(diào)研工作，并先后對婁巖的《虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論》、呂云等人的《虛擬現(xiàn)實(shí)——理論、技術(shù)、開發(fā)與應(yīng)用》等共6種優(yōu)秀國內(nèi)教材進(jìn)行對比分析，分析后發(fā)現(xiàn)上述教材存在以下問題。

首先，教材內(nèi)容相對單一，多集中在闡述VR基礎(chǔ)理論方面，缺乏對實(shí)際案例的深入探討，學(xué)生難以獲得對實(shí)際工作中可能遇到的問題和解決方案的全面了解。其次，教材的編寫質(zhì)量參差不齊，有些教材缺乏邏輯性和連貫性，學(xué)生難以建立起對VR技術(shù)體系的完整認(rèn)知，可能導(dǎo)致學(xué)生對VR技術(shù)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)產(chǎn)生負(fù)面影響，影響學(xué)習(xí)積極性。鑒于以上問題，課程組需更為全面地尋找有實(shí)際應(yīng)用導(dǎo)向的教材，以豐富課程內(nèi)容，同時(shí)重視教材的邏輯性和連貫性，確保學(xué)生能夠建立VR技術(shù)的系統(tǒng)觀。

（三）與前置課程內(nèi)容融合度不佳

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是VR課程的兩門前置課程。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)主要以C語言為核心，著重介紹編程的基本概念，如變量、數(shù)組、堆、棧等，以及相關(guān)的編程技巧。這些概念與技巧是VR系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計(jì)的編程基礎(chǔ)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)側(cè)重于講解幾何建模與變換、圖形渲染等圖形學(xué)內(nèi)容。這些知識(shí)為學(xué)生提供了理解VR中虛擬環(huán)境創(chuàng)建和呈現(xiàn)的關(guān)鍵概念。然而，值得注意的是，在現(xiàn)有培養(yǎng)方案中，前置課程內(nèi)容安排與VR課程內(nèi)容銜接度不足。以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程為例，VR實(shí)際開發(fā)需要的高級動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)，如光線追蹤，并未在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中涉及，導(dǎo)致了課程內(nèi)容的前后銜接性不佳，給學(xué)生帶來一定的學(xué)習(xí)障礙。

二、課程建設(shè)路線

為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，教師設(shè)計(jì)的VR課程建設(shè)內(nèi)容應(yīng)力求從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，建立面向工程學(xué)科的VR實(shí)踐教學(xué)探索，培養(yǎng)VR學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)人才。針對上述3個(gè)教學(xué)問題，分別開展以夯實(shí)系統(tǒng)理論為內(nèi)核，兼顧技術(shù)最新動(dòng)態(tài)，強(qiáng)化課程內(nèi)在聯(lián)系，支撐實(shí)踐設(shè)計(jì)能力的課程建設(shè)，如圖1所示。

（一）引入國際一流教材，夯實(shí)VR相關(guān)系統(tǒng)理論

雖然，我國VR技術(shù)的應(yīng)用正在逐漸拓展，但底層基礎(chǔ)仍未完全成熟，與計(jì)算機(jī)類其他基礎(chǔ)技術(shù)相比，教學(xué)和研究投入相對不足。這一現(xiàn)狀導(dǎo)致了國內(nèi)VR教材內(nèi)容的零散性和系統(tǒng)性不足，缺乏深入系統(tǒng)的研究和教學(xué)。為了解決這一問題，本項(xiàng)目計(jì)劃加強(qiáng)與國外著名大學(xué)VR領(lǐng)域的學(xué)者聯(lián)系，以借鑒其在VR教育方面的卓越成就。

課程組主動(dòng)尋求合作機(jī)會(huì)，爭取獲得其編寫的VR教材的中文版授權(quán)，以便設(shè)計(jì)更為系統(tǒng)和全面的VR教學(xué)課件和內(nèi)容。通過與國際高水平的學(xué)者合作，旨在夯實(shí)VR系統(tǒng)的核心概念，深度挖掘底層基礎(chǔ)技術(shù)，為學(xué)生提供更為深入、全面的VR學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于提高學(xué)生在這一領(lǐng)域的學(xué)術(shù)水平和創(chuàng)新能力。

（二）東“張”西“望”，緊跟VR技術(shù)趨勢

近年來，中外企業(yè)在VR技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出活力四射的局面。就國內(nèi)而言，觸角科技、雷鳥、太諾科技、字節(jié)跳動(dòng)等公司在過去幾年里的表現(xiàn)出色，聚焦VR可穿戴產(chǎn)品領(lǐng)域。這一趨勢表明國內(nèi)企業(yè)在VR硬件創(chuàng)新和研發(fā)方面取得了顯著的進(jìn)展。同時(shí)，國外企業(yè)也展現(xiàn)了強(qiáng)大的實(shí)力和深厚的技術(shù)積累。谷歌和蘋果等公司聚焦在VR系統(tǒng)的生態(tài)、供應(yīng)鏈和核心技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域，通過不斷創(chuàng)新和投入，推動(dòng)了全球VR技術(shù)的演進(jìn)。此外，英偉達(dá)、高通等公司在VR技術(shù)生態(tài)中也發(fā)揮著重要作用，為技術(shù)的跨界應(yīng)用提供了支持。

VR課程采用東“張”西“望”的策略，旨在深入追蹤VR技術(shù)的發(fā)展趨勢。首先，通過對中外企業(yè)在VR領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)觀察和研究，將這些趨勢納入課程的擴(kuò)展內(nèi)容和資料中。這樣，不僅有助于提高學(xué)生對VR技術(shù)發(fā)展的全局性認(rèn)識(shí)，還有助于他們迅速把握行業(yè)的前沿動(dòng)向，也有助于學(xué)生建立更為全面和深入的VR技術(shù)認(rèn)知。其次，課程增加更多實(shí)際企業(yè)的案例，能幫助學(xué)生更好地理解技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際場景和挑戰(zhàn)，提高他們的問題解決能力和創(chuàng)新意識(shí)。

（三）查缺補(bǔ)漏，強(qiáng)化與前置課程的內(nèi)在聯(lián)系

教師在VR課程的梳理過程中，關(guān)注和強(qiáng)調(diào)與前置課程的緊密關(guān)聯(lián)是至關(guān)重要的。課程組通過與前置課程相關(guān)教師的深入交流，細(xì)化前置課程的核心內(nèi)容及教學(xué)重點(diǎn)，旨在厘清前置課程與VR課程之間的內(nèi)在聯(lián)系點(diǎn)。首先，課程組通過深入探討前置課程的核心概念和技術(shù)要點(diǎn)，可以更清晰地理解這些知識(shí)在VR課程中的補(bǔ)充和延伸。其次，通過分析前置課程的教學(xué)方法和實(shí)踐案例，課程組能更好地了解學(xué)生在前置課程中的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和技能積累，有助于設(shè)計(jì)更合理、更貼近學(xué)生實(shí)際需求的VR教學(xué)方案。

最重要的是，通過與前置課程相關(guān)教師的深度交流，有望加強(qiáng)前置課程和VR課程之間的聯(lián)系。這不僅有助于學(xué)科知識(shí)的連貫性，還能促進(jìn)學(xué)生對整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的全面理解。同時(shí)，課程之間的相互補(bǔ)充能實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)的深度滲透和綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生更為全面的工程專業(yè)素養(yǎng)，提高學(xué)生的職業(yè)競爭力。

（四）聯(lián)合企業(yè)引入工具鏈，加強(qiáng)VR設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)能力

為了提高VR課程的實(shí)用性和學(xué)生的職業(yè)適應(yīng)性，首先，課程組先后多次走訪國內(nèi)VR領(lǐng)域代表性企業(yè)，著重了解國內(nèi)VR企業(yè)在工具鏈和設(shè)計(jì)套件（如Unity引擎、虛幻引擎等）方面的最新研發(fā)成果，獲取關(guān)于前沿設(shè)計(jì)工具和技術(shù)的詳盡信息。其次，教師在實(shí)際教學(xué)過程中，引入企業(yè)工具鏈和設(shè)計(jì)套件，以簡化VR前期設(shè)計(jì)的成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。最后，教師分析學(xué)生的特點(diǎn)，針對學(xué)生的特點(diǎn)開展案例設(shè)計(jì)。具體來說，特色性工科學(xué)生更為擅長邏輯分析和工程實(shí)踐，更為適合VR后端設(shè)計(jì)（如算法和感知等）的研發(fā)要求，而非VR前端開發(fā)（如腳本設(shè)計(jì)和藍(lán)圖規(guī)劃等）。為此，教師應(yīng)側(cè)重學(xué)生在實(shí)際VR案例設(shè)計(jì)中的后端開發(fā)能力培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，在課程中融入最新、最實(shí)用的VR設(shè)計(jì)工具，提高學(xué)生在前期設(shè)計(jì)階段的效率和質(zhì)量。

此外，課程組引入VR企業(yè)提供的實(shí)用工具，能為學(xué)生提供更為全面和實(shí)用的VR技術(shù)培訓(xùn)，以適應(yīng)未來職業(yè)發(fā)展的需求。同時(shí)，該舉措能緊密結(jié)合企業(yè)實(shí)踐和高校學(xué)術(shù)研究，搭建起理論和實(shí)踐之間的橋梁，為學(xué)生提供更加豐富、深入的學(xué)術(shù)體驗(yàn)，培養(yǎng)更多具備實(shí)際創(chuàng)新能力的VR技術(shù)專業(yè)人才。

三、總結(jié)

實(shí)踐證明，特色性工程類高校在實(shí)施VR課程教學(xué)過程中，通過上述舉措多管齊下，能使VR課程更具前瞻性、實(shí)用性和國際競爭力，有利于學(xué)術(shù)和實(shí)踐育人培訓(xùn)體系的建立，提高VR領(lǐng)域相關(guān)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

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基金項(xiàng)目：西安電子科技大學(xué)新教育教學(xué)改革實(shí)踐類重點(diǎn)項(xiàng)目“信創(chuàng)在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)”，項(xiàng)目編號：A-XSY2308；西安電子科技大學(xué)新實(shí)驗(yàn)開發(fā)與新實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“面向信創(chuàng)的K8S實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)”，項(xiàng)目編號：YQ22005K。

（作者單位：西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）