“虚拟现实技术”课程的教学设计与讨论

“虚拟现实技术”课程的教学设计与讨论
摘要：探讨了“虚拟现实技术”课程在教学目标、教学内容、实验设计及考核方式等各个环节的特点与问题，并给出了具体的教学实施方案；最后还提供了相关的教学参考资料。

对于今后“虚拟现实技术”课程的教学具有很好的参考和借鉴价值。

关键词：虚拟现实；课时安排；实验设计
中图分类号：G642
文献标识码：B
文章编号：1672-5913(2008)02-0041-04
引言
随着三维图形技术的飞速发展以及计算机多媒体技术的日益普及，“虚拟现实”作为一门新兴的学科越来越引起人们的重视。

许多大学都开始将“虚拟现实技术”纳入计算机类专业选修课的范畴。

但是目前“虚拟现实”课程的教学一直没有一个统一规范的教学目标和教学内容。

这一方面是由于“虚拟现实”是一门新兴的学科，其知识领域和研究范畴仍然在不断地更新与扩展；另一方面，虚拟现实是一种典型的交叉学科，与计算机图形学、计算机图像处理、计算机
视觉、甚至机械控制等学科都有密切联系，这使其教学内容比较杂，难以规范。

这两方面的特点都增加了虚拟现实课程的教学难度。

目前还没有一本普遍认可的权威性的教材；各学校的授课教师也都处于自己摸索，自由发挥的境地。

我们认为有必要对这门课程的教学进行分析与探讨，给出一个相对可行的教学方案，促进虚拟现实技术在国内的普及和发展。

本文根据北京林业大学信息学院“虚拟现实技术”课程的实际教学经验，参考国内相关课程的教学内容，并结合授课老师在虚拟现实方面的科研和开发体会，对虚拟现实课程的教学目标、教学内容、实验设计、考核方式以及教学参考资料等各个环节进行了分析和论述。

以期给其他教学工作者以及自学人员以参考和借鉴，并起到抛砖引玉之作用。

1教学目标
北京林业大学信息学院“虚拟现实技术”课程主要面向计算机专业三年级学生，并在三年级第二学期开设。

在此之前，这些学生已经学习过相关的计算机基础理论课程及计算机图形学，已经具备了学习虚拟现实课程的知识基础。

与计算机图形学等技术性、理论性很强的课程不同，虚拟现实技术更倾向于是一种构建在基础技术之上的应用型、综合型技术，而且其在社会领域中的应用性和表现性也要大大多于基
础技术。

为此，我们将虚拟现实课程定位为：以理论技术为基础，偏重实际应用。

这样的定位对于学生体会理论知识到应用知识的转化，增强学生对虚拟现实技术的兴趣以及提高学生的实际应用技能都很有裨益。

我们制定的教学目标为：
(1) 使学生了解虚拟现实的基本概念，理解虚拟现实的基本理论与技术；
(2) 了解虚拟现实系统的接口设备和软件系统；
(3) 掌握一种常用的虚拟现实平台系统，培养实际动手能力；
(4) 培养学生具有理论分析和解决实际问题的能力。

教学目标的第一条是关于基础知识和基础理论的学习。

第二条是让学生从应用层面上广泛地了解虚拟现实系统的软硬件，从而对虚拟现实的概念及其应用领域有一个更为直观的体会，并拓展其知识面。

第三条则是锻炼学生的实际应用能力，课程10个学时的实验都放在这个目标的实现上。

通过学习一个具体的平台系统，也可以加深学生对虚拟现实系统的理解。

第四条目标的实现则蕴含在学生理论技术的学习、实验的完成以及期末课程报告和项目设计的考核中。

围绕这个教学目标，我们安排了30个学时的课程，包括20个学时的课堂教学和10个学时的实验。

下面将针对课堂教学、实验设计、考核方式以及教学参考资料等方面分别展开论述。

2课堂教学
我院“虚拟现实技术”课程安排了20个学时的课堂教学，每次2学时，共10次课。

本节给出了我们在课堂教学过程中的主要教学内容，并对各部分教学内容进行了分析和讨论。

(1) 虚拟现实技术概论(2学时)
介绍虚拟现实技术的基本概念、特点以及目前国际上该领域的研究和应用情况。

具体内容包括：虚拟现实技术基本概念及其特点；虚拟现实系统的组成和分类；虚拟现实的发展史；虚拟现实技术的应用；虚拟现实技术的研究与发展。

本次课程是虚拟现实课程的开篇之讲，一方面要开宗明义，让学生明确何为虚拟现实，并对虚拟现实系统的各方面都有一个大致的了解，以为后续课程的学习起到铺垫作用；另一方面，通过讲解虚拟现实的广泛应用，要使学生认识到学习虚拟现实的重要意义，增强其学习兴趣。

由于虚拟现实是一个飞速发展的学科，因此“虚拟现实技术的应用”和“虚拟现实技术的研究与发展”这两部分内容要求教师在备课时查阅最新资料，不断更新讲义内容。

如果教师在虚拟现实的相关领域有过具体的科研或应用经历的话，那么对于充实这部分教学内容是非常有帮助的。

(2) 虚拟现实的接口设备(4学时)
介绍与虚拟现实有关的传感技术、虚拟现实系统中的各种交互设备及其原理与特点。

具体内容包括：虚拟现实有关的人的因素(视觉、听觉、身体感觉)；虚拟现实接口设备(包括视觉显示设备、听觉显示设备、跟踪设备、触觉与力觉显示设备等)。

这次内容中涉及到许多硬件设备的介绍，看似属于泛泛而谈的一次课，但却绝不能泛泛而备，因为虚拟现实的精髓即体现于其接口设备。

这次内容的讲解一方面会大大拓展学生的眼界，另一方面也包含了一些非常重要的概念和理论，如视觉暂留、立体视觉、立体听觉等。

在这次内容的讲解过程中，由于教师和学生一般都不具备机械控制等方面的知识，因此许多硬件设备(如传感器)的原理很难讲得透彻。

我们的经验是，不需深究细节，只需描述大概原理即可。

而且在讲解设备时一定要配合图片、视频等多媒体手段。

如果条件许可，还可以进行实物的演示。

这些手段将给学生留下深刻的印象，达到良好的教学效果。

(3) 虚拟现实系统的相关软件(4学时)
介绍构成虚拟现实系统的各层次软件。

具体内容包括：
(a) 概述虚拟现实系统的各层次软件，包括基础图形库、几何建模工具、图像处理工具、音频处理工具、虚拟现实平台软件、虚拟现实的网络规范语言(VRML)以及基于图象的
建模和绘制工具。

(b) 重点讲解虚拟现实平台软件。

以目前国际上最为流行的几种平台软件为例进行介绍，这些软件包括Vega、World Tool Kit (WTK)、VTree、VR-Platform和Virtools。

这部分内容的学习将使学生了解组成虚拟现实系统的
各层次软件及其特点。

其中“虚拟现实标记语言(VRML)”将在下一部分教学内容中详细介绍，而这次教学内容的重点是虚拟现实平台软件。

虚拟现实平台软件最能体现虚拟现实系统的完整雏形，也最接近虚拟现实系统的应用前沿，因此值得重点介绍。

在列举的几款平台软件中，我们重点介绍VR-Platform和Virtools，并选择其中的一个(我们选了
VR-Platform)配合4个学时的实验进行上机学习。

选择这两款软件，一方面因为它们目前较为流行，应用场合很广；另一方面它们都有免费试用版，大大降低了学生动手实验的门槛。

通过对平台软件的课堂学习及上机实践，可以培养学生初步的虚拟现实系统开发能力。

(4) 虚拟现实标记语言VRML(4学时)
介绍VRML语言的基本概念、语言结构及其使用方法。

具体内容包括：VRML简介；VRML的历史；VRML的语言结构；VRML与3DS Max。

通过这部分内容的学习，将使学生能够运用VRML语言完成简单虚拟场景的开发。

VRML是虚拟现实概念应用于网络平台的一个重要体
现。

严格来说，VRML目前还不能构建出一个真正意义上的虚拟现实系统，因为VRML中还没有包括立体视觉效果，还没有考虑除视觉和听觉以外的其他感官刺激。

但是，我们还是要花4个学时来详细介绍VRML，这是因为(1) VRML是一个国际标准化组织认证了的语言规范，其功能也在不断的完善之中，具有很好的发展前景；(2) VRML在目前的网络环境中应用很广，学习VRML可以使学生具备一门实际的技能；(3) 通过对VRML的学习，可以使学生学习到复杂虚拟场景的组织方法，并了解到场景表现方面的许多重要概念和原理，如LOD(Level of Detail)技术、Billboard技术、纹理映射技术、高程图、光照参数等等。

对这些概念的了解可能比单纯记忆VRML具体语句的写法更为重要。

VRML还配合了6个学时的实验进行学习。

(5) 虚拟现实系统的相关技术(共6学时)
介绍虚拟现实系统中与真实感绘制、声音模拟、自然交互等有关的重要技术。

具体内容包括：
●几何建模技术(包括B-Rep表示法、曲面造型、粒子系统等内容)；
●真实感实时绘制技术(包括纹理映射、环境映射、凹凸纹理、光照方程等内容)；
●三维虚拟声音的实现技术；
●实时碰撞检测技术；
●基于图像的虚拟现实技术(包括全景图、同心拼圆、光流场等内容)。

通过本章的学习，将使学生了解多种重要的虚拟现实原理性技术，增强学生的理论水平，并培养学生分析问题的能力。

与前面2、3、4部分内容不同，这部分内容更偏重于原理性介绍。

但是在教学过程中可以努力将这些理论知识与实际应用相结合进行介绍。

例如真实感实时绘制技术中的纹理映射、光照方程光照等技术都在VRML语言中有直接的体现，可结合VRML语言学习；基于图像的虚拟现实技术中的“全景图技术”应用广泛，实现起来也不难，可以引导学生实践学习。

总之，虚拟现实理论的学习若能和实践相结合，将对学生具有更大的启发作用和吸引力。

这是在这部分教学过程中需要着重考虑的问题。

3实验设计
我们将10个学时的实验划分为两大部分：前四个学时引导学生使用VR平台软件VR-Platform(也可以考虑换成Virtools)；后六个学时用来学习VRML。

在实验VR-Platform时，我们提供了一个有关
VR-Platform安装使用的入门步骤文档，并给出了几个小练
习供学生完成。

此外，我们列出了VR-Platform的一个资源网站，学生可以自己查阅资料，学习更高级的功能。

4个学时的时间对于学习VR-Platform太短，不过学生还是从中体会到了自己动手创建虚拟世界的完整过程。

这使虚拟现实从枯燥抽象的概念变成了活生生的事例，对学生的影响很大。

一些非常感兴趣的学生会主动在课下花费时间来钻研
VR-Platform。

VRML的实验教学(共6学时)分为三部分。

第一部分让学生熟悉VRML的基本功能，包括VRML编辑器的使用、简单场景的创建和简单交互功能的实现等；第二部分指导学生学习更高级的功能，如插值器、动画生成等；第三部分指导学生使用3DSMax辅助VRML进行虚拟场景的构建。

每部分实验都配备了详细的实验指导书和若干练习题。

VRML 本身也算是一种高级编程语言，但其编程难度远远不及C、C++等程序设计语言，学生很容易上手。

由于我们提供了较为详细的实验指导书，整体实验效果良好，大部分学生都能够独立完成所有实验内容，达到了学习使用VRML的教学目的。

4考核方式
考核的目的不仅仅在于对学生作出评价，更重要的是为
了促进学生对这门课程的学习，是教学过程的延伸。

我们设计了三种考核形式：
(1) 实验
占总成绩的15%
(2) 期末考试(开卷)
占总成绩的50%
(3) 课程报告/ 项目设计
占总成绩的35%
第一项实验成绩的评定中，只要学生能够完成10个学时的实验任务，并提交相应的实验报告即可得分。

得分高低依其实验结果的完整性和正确性而定。

第二项期末考试采用了开卷的形式。

虚拟现实课程中虽有许多概念和理论知识，但这些知识并不需要死记硬背，只要能留下印象即可，课程更偏重的是理解和实际运用。

通过对开卷试题的精心设计，可以使学生对虚拟现实知识体系进行一个系统的回顾，对教学起到良好的补充作用。

有些试题是无法从讲义上直接找到的，例如我们设计了VRML程序阅读和设计的题目，以考察学生对VRML的理解和实验效果。

第三项考核内容是要求学生完成一个虚拟现实相关的
课程报告或项目设计。

课程报告的内容是有关虚拟现实某项新兴技术的系统介绍，或某类技术的综述性报告；报告要求不少于4000字，并包含不少于3篇参考文献。

项目设计要
求学生采用VR-Platform、VRML或全景图等虚拟现实工具完成一个虚拟景观的构造与漫游，需要提交设计作品。

无论是课程报告还是项目设计，我们都给出了一些题目供学生选择，学生也可以自主选题。

第三项考核内容的认真完成将使学生受益匪浅，但需要学生有很强的自主性。

教学实践表明，有一部分学生的确从中得到了很大锻炼，并从课程报告或项目设计的完成中获得了很强的成就感和自信心。

但还有相当部分的学生只是应付了事，并未达到预期的教学目的，这也是类似形式的课程考核中一个普遍面临的问题。

我们原计划还要让每个学生将自己的课程报告或项目
设计在课堂上进行一个五分钟的陈述或演示，但由于学生人数太多(120人)，教学时间有限而取消了。

如果条件允许，这种当面报告的形式对学生的锻炼会更大。

5教学参考文献
在虚拟现实课程的教学过程中，我们并没有指定一本固定的教学课本，我们讲义的内容也是参考了许多资料汇集而成，因为还没有一本虚拟现实方面的书籍能够满足我们的教学内容。

事实上，虚拟现实技术从90年代中期即已被介绍入国内，当时“虚拟现实”还被翻译为“灵境”或“临境”。

早期著作年代较久，没能包含最新的虚拟现实技术介绍，因此我们重点参考了近年来出现的一些专业书籍，包括：
●《虚拟现实与系统仿真》，王家?Q著，电子版教材
●《虚拟现实技术与应用》，黄心渊著，科学出版社
●《虚拟现实技术》，申蔚，夏立文著，北京希望电子出版社
其中王家?Q的教材重点介绍了虚拟现实的传感技术和接口设备；黄心渊的教材对立体视觉的讲解非常透彻，并介绍了3DS Max和Maya在虚拟现实中的应用；申蔚的教材则系统介绍了虚拟现实有关的理论技术。

我们可以各取其长，充实教学内容。

课程中真实感实时绘制技术可以参考图形学方面的书籍：
《计算机图形学教程》(修订版)，唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭编著，科学出版社
《计算机真实感图形的算法基础》，彭群生，鲍虎军，金小刚著，科学出版社
此外，网上有很多关于虚拟现实技术的资源，都可以参考。

例如：
/vrweb/disquisition/index00.htm 有大量关于虚拟现实的技术文档；
/support.asp 有关于
VR-Platform
学习的详细资料；
http://tecfa.unige.ch/guides/vrml/sig-graph-tutorial/vrml97.htm 是一个很好的VRML学习网站。

6总结
本文根据实际的教学经验，探讨了“虚拟现实技术”教学的各个方面，包括教学目标、课堂教学、实验设计、考核方式和教学参考资料。

我们希望本文能够给其他教学工作者以参考和启发，共同促进“虚拟现实技术”课程的完善与提高。

在教学环节中，如果有条件，还可以请虚拟现实应用领域的业内专家或资深工作人员到课堂进行一次专题报告；或组织学生到从事虚拟现实业务的公司进行参观体验。

这都将加深学生对虚拟现实的理解。

这可以归入实习课的范畴。

此外，可以考虑增加一些讨论课，促进学生自主参与和自主学习的能力。

我们在制定新的教学计划时，可以进一步把这些方面纳入考虑范围。

收稿日期：2007-10
作者联系方式：北京市海淀区清华东路35号，北京林
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