面向研究生的虚拟现实课程教学探讨

杨刚++杨猛

摘 要：我国高校在研究生阶段开设虚拟现实课程尚属探索。文章探讨开设该课程的必要性、课程教学内容规划以及教学方式，围绕VR内容开发这一核心目标制定3项重点教学内容；提出若干有针对性的教学建议。

关键词：虚拟现实；研究生；计算机技术；教学内容；教学方法

0 引 言

虚拟现实（virtual reality，简称VR），是指用计算机生成一种虚拟环境，此虚拟环境可以对人产生多种感官刺激，并可以与人实时交互，使人产生一种沉浸感。作为一种新的媒体形式，虚拟现实可以提供给人一种前所未有的、身临其境的感受，这使其具有巨大的发展空间和应用前景。近年来，虚拟现实已经成为产业界、学术界乃至我国政府重点布局的一个热点领域。在这种背景之下，虚拟现实人才培养也成为我国高校关注的一个重要问题。国内许多高校纷纷申报成立了“数字媒体技术”或“数字媒体艺术”专业，并开设了虚拟现实相关的课程，讲授虚拟现实相关的概念、应用技术与开发工具。一些院校在研究生阶段也开始尝试开设虚拟现实课程，然而，对其教学目标、教学内容、教学方法还缺乏深入探讨。许多为研究生开设的虚拟现实课程在教学上依然采用了与本科生课程类似的内容与方式，这使得研究生虚拟现实课程的必要性和教学效果都打了折扣。

笔者长期从事于虚拟现实技术的研究和教学工作，从2007年开始为本科生讲授虚拟现实技术课程，并于2010年为计算机应用技术和软件工程等学科的研究生讲授虚拟现实理论与算法课程，对本科生和研究生的虚拟现实教学都有所体会和思考。笔者结合实际的教学经验，围绕“为什么讲”“讲什么”和“怎么讲”3个问题展开论述，对计算机技术类研究生的虚拟现实课程教学目标、教学内容和教学方法等进行探讨，给出建议，以期引发广大教育工作者的思考和讨论，共同推进我国虚拟现实人才的培养。

1 为什么讲——开设课程的必要性研究

很多高校在本科阶段就开设了虚拟现实课程，许多学生已经对VR的概念、应用及相关开发工具有所了解，甚至基于引擎开发过VR相关的产品。在这样的情况下，还有必要在研究生阶段再次开设虚拟现实课程吗？我们认为还是很有必要的，原因如下：

（1）本科VR课程与研究生VR课程教学目标不同。本科VR课程的主要目标是在了解VR的基本概念、体系结构的基础上，学习应用VR引擎等制作工具来完成VR作品的开发[1]。这其中并不过深地讲授VR的底层算法与理论。研究生阶段要求学生对专业知识和技能有更深入的理解，所讲授的知识不应只停留在对现有工具的应用层面，而应有一定的理论深度和专业算法。为此，我们认为，研究生VR课程的目标应当定位在了解VR相关的技术理论，并深入掌握其中的若干底层算法。

（2）VR技术型人才培养的迫切需求。本科生的VR课程面向VR应用型人才培养，即可以运用VR引擎开发应用产品的开发人员；而研究生阶段则是要培养VR技术型人才，即对VR底层技术有透彻了解，能对VR技术进行灵活集成、甚至改进的人才。在我国当前VR行业中，VR技术型人才相当缺乏，这在很大程度上限制了我国VR技术的深度和原创性程度。在研究生阶段开设虚拟现实课程，有助于培养VR技术性人才，对我国VR产业的发展具有重要作用。

此外，在当前计算机技术类本科专业中，VR课程往往作为专业选修课而存在，并不是所有学生都选修过，而从外专业考入计算机专业的研究生往往没有学习过VR课程。从这个角度而言，研究生阶段开设VR课程可满足这部分学生的学习需求。

2 讲什么——教学内容选择

VR技术涉及許多不同的专业领域，包含很多理论和算法[2]。例如，为了生成多感知信号，虚拟现实需要计算机图形学、光学、声学方面的技术，需要触觉、力觉感知的技术，甚至需要进行嗅觉和味觉的相关研究；为了进行自然人机交互，虚拟现实需要计算机视觉技术、自动化技术、传感器技术以及人机交互方面的研究等；为了让虚拟环境给人更强的沉浸感和舒适度，还需要生理学、心理学方面的研究。显然，对这些技术理论都讲授是不现实的，必须有所选择、有所侧重。针对这个问题，我们制定了如下几条内容选择的原则。

1）在计算机技术范畴内选择教学内容。

现阶段，虚拟现实从主体上而言还是一种计算机科学领域内的技术，而我们教学面向的学生都是计算机技术背景的学生。因此，教学内容应当选取与计算机相关的核心技术理论，至于光学、声学、心理学等方面的理论可以简要概述，但不作为重点。

2）偏软不偏硬。

与机械工程或电子信息类学生不同，我校计算机专业的学生并没有学习过硬件开发相关的技能。因此我们的技术理论应以软件算法为主，而忽略自动化控制、传感器等硬件系统开发相关的内容。

3）围绕VR内容开发制定教学重点。

当前VR行业发展的一大短板是内容匮乏，即已经制造出了头盔等沉浸式VR设备（硬件设备），却缺乏可以在设备中体验的高质量的VR内容（软件内容）。VR内容开发已经成为当前VR行业发展的重点。而为VR内容开发提供技术支撑的正是VR的一系列核心技术。

从虚拟环境的构建方式上来分，VR内容可以分为两种类型：①基于三维几何的虚拟环境；②基于图像的虚拟环境。前者的支撑技术是三维图形技术；后者的支撑技术则是基于图像的建模和绘制技术。此外，近年来一种新的应用形式——增强现实（augmented reality， 简称AR）[3]获得了广泛关注。AR可以归为VR的一种特殊内容形式，其背后的一项主要支撑技术是三维注册。由此，我们根据VR的3种内容形式确定了3项技术：三维图形技术、基于图像的建模和绘制、三维注册。这3项技术是VR内容开发最主要的支撑技术，同时也是VR最有代表性的核心技术，我们可将它们作为教学重点。

总之，我们根据计算机技术学科研究生的知识背景以及当前虚拟现实产业发展的重点，围绕VR内容开发选定3项核心技术作为研究生VR教学的重点内容。在具体组织教学内容时，可采取点面结合、重点突出的策略。即一开始可以对VR相关的概念、技术体系和理论进行一个宏观的全景式介绍，之后引出3项核心技术并重点讲授。endprint

3 怎么讲——教学方式探讨

研究生VR课程的3项技术不仅艰深而且内容量大。以三维图形技术为例，其中既有建模技术，又有绘制技术，还有动画技术，而每种技术又有许多不同算法，其中一些算法还有相当的难度。完整讲解这些内容需要很多课时，而研究生VR课程一般仅有32～48学时，若要面面俱到地讲，不但讲不完，而且效果也不好。针对这个问题，我们在教学上采取如下策略。

1）不求面面俱到，但求重点突破。

在讲授每种技术时，一开始可以对整体的技术体系和算法类型进行一个宏观概述，当涉及具体内容时，应选取1～2个有代表性的算法或技术进行深入讲解。如对三维图形技术，可以以绘制技术中的“图形流水线”为核心内容进行讲解；理解了图形流水线，就相当于掌握了三维图形技术的主线，可为其他技术的理解打下良好基础。对基于图像的技术，则可选择全景图像的矫正、拼接、融合这一套算法为主要内容，让学生从技术原理上理解全景图制作的基本过程。全景图是基于图像的建模与绘制技术的最典型代表，也是当前最实用、最常见的VR内容构建方式。对于三维注册技术，则可以以“基于标识物的三维注册算法”为主要讲解内容，这种算法是三维注册计算的基础技术，同时也是当前AR内容中最常见的应用算法。

我们所选取的这些技术内容虽然不是最前沿、最先进的算法，但却是最有代表性的算法。它们蕴含了该技术范畴的基本思想和技术思路，如果能够掌握这些代表性算法，就可能以点带面、触类旁通，其效果远远好于面面俱到、但却都不深入的讲解方法。

2）学生自主选择学习重点，与实践作品开发结合。

在我们的实际教学过程中发现，让学生在一个学期内深入掌握三项技术内容依然是比较困难的。考虑到这三项技术间差别很大，其实代表了不同的技术类型和应用领域，我们建议将这三项技术内容设置为可选的方式，即不要求学生平均使劲儿，掌握全部三项技术内容，而是结合自己的兴趣、研究方向或当前的研究课题来选取其中一项作为重点学习内容，并将之与自己的课程大作业结合，进行实际作品的开发。同时，不作为重点学习内容的其他两项技术仍然需要上课听讲，作为对技术的基础了解，但不要求必须与实际作品的开发进行结合。

3）教师多方引导，激发学生的学习主动性。

这些技术算法的复杂性，仅仅通过课堂讲解是远远不够的，需要学生自己在课下通过学习、编程、调试来理解。根据我们的经验，课上讲解仅占1/3的作用，而剩下2/3是需要学生在课下自主完成的。为了激发学生的主动性，教师可以采取多种引导手段，如从当前有名的应用实例中引出所讲的算法，让学生明白这个算法是很有应用价值的；引导学生将课程内容与其研究生阶段的研究课题挂钩；引导其在课程大作业中运用所学算法等。

4）提供开源代码资源。

为每一项技术内容的学习提供一些开源的代码资源，一方面降低学习的门槛，另一方面可鼓励其进行实践开发。教学中，当讲解图形流水线时，我们会基于OpenGL+freeGlut库[4]的实际开发进行讲解，并提供很多学习代码；讲解全景图算法时则提供比较经典的Panorama Tools[5]开源代码；讲解增强现实的三维注册算法时则提供ARToolKit[6]开源代码。

4 结 语

开设面向研究生的虚拟现实课程对于培养高层次VR人才具有积极作用，有助于提升我国VR产业的技术水平和自主创新能力。笔者从课程必要性、教学内容的选择和教学方法3个方面对研究生虚拟现实课程的教学进行了系统分析与讨论，明确了研究生VR教学与本科VR教学在教学目标和人才培养上的差异；依据VR的主要应用形式选取了3项核心技术作为研究生VR课程的重点内容；针对VR技术的学习特点以及学生的接收能力提出了一系列具体的教学建议，以期为制定研究生虚拟现实课程的教学大纲和详细教学内容提供参考，引发广大VR教育工作者的共鸣与探讨，共同提升我国虚拟现实人才培养的水平。

参考文献：

[1] 杨刚， 黄心渊. “虚拟现实技术”課程的教学设计与讨论[J]. 计算机教育， 2008（2）： 41-44.

[2] 陈怀友， 张天驰， 张菁. 虚拟现实技术[M]. 北京： 清华大学出版社， 2012.

[3] 王涌天， 陈靖， 程德文. 增强现实技术导论[M]. 北京： 科学出版社， 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/.

（编辑：彭远红）endprint