面向特色性工科的虚拟现实课程教学探索

程飞 张捷 黄伯虎

摘要：虚拟现实是一门涵盖艺术设计、人机交互和计算机视觉等内容的综合性课程。因该课程存在交叉性的特点，特色性工程类高等院校在实施教学时，易出现课程教学内容难以凝练的问题，最终影响教学质量和效果。文章立足特色性工科背景，通过介绍虚拟现实课程概况和存在的问题，提出若干举措。

关键词：特色性工科；虚拟现实；课程教学

虚拟现实（Virtaul Reality，简称VR）旨在利用计算机技术创造虚拟环境或元素，实现人与环境的沉浸式交互，该技术属于艺术设计、人机交互和计算机视觉领域的交叉融合。

虚拟现实课程（以下简称VR课程）是数字媒体专业的核心课程，为学生综合利用数字媒体工具、设计并实现虚拟场景、构建相关应用提供了学习平台。然而，特色性工程类高校教学多以理工学科思维为主，因虚拟现实课程的交叉性，教师在具体教学时，易出现教学内容难以凝练的问题，影响学生学习的积极性。为此，探索面向特色性工科的虚拟现实课程教学，不仅能强化特色性工科的学科特点，还能充分培育数字媒体专业学生的职业素质，为社会输出更多优秀人才。

一、课程教学概况和问题

VR课程是西安电子科技大学计算机科学与技术学院从2022年春季学期增设的一门面向本科数字媒体专业三年级的课程，该课程融合了计算机图形学、人机交互、传感、机器学习等技术，包含16个学时的实践内容、24个学时的理论教学内容。课程教学的主要目的有四个：首先，提供给学生必要的虚拟现实技术的基本原理和概念；其次，使学生掌握虚拟现实技术的具体开发和应用方法，包括使用特定的开发工具、编程语言和软件开发环境；再次，探讨虚拟现实技术在各领域的应用，如教育、医疗、娱乐等；最后，鼓励学生创新性思考，激发学生设计新颖虚拟现实体验的能力，达到学以致用的目的。然而，课程存在以下问题，影响特色性工科的教学建设。

（一）技术形态迭代快影响课程建设的稳定性

在过去的几年里，虚拟现实技术经历了令人瞩目的发展，主要体现在三个方面：首先，支撑VR的关键技术呈现出了爆炸式增长的趋势，如人工智能生成内容、近眼成像和体感交互等。这些技术的不断创新增强了虚拟现实体验的真实感和沉浸感，为用户提供了更加引人入胜的虚拟世界。其次，计算机端测算力的显著提升扩大了VR技术的应用范围，使VR设备能够处理更复杂的图形和场景，并提高了系统性能和响应速度。这些使得VR技术在游戏、医疗、教育等领域得到更广泛的应用。最后，VR技术的集成式工具、平台和框架不断涌现，如折叠光路透镜、多模态姿势估计等为VR体验提供了更多可能性。

然而，新技术的出现也伴随着旧技术和旧方法的淘汰。这种技术变革对特色性工科教育产生了深远的影响，使得现有的VR课程教学内容与技术发展脱节，学生感到无所适从，并敦促教师及时更新课程内容，以保持与虚拟现实技术发展的同步。

（二）现有课程参考教材的知识零散化

自授课以来，西安电子科技大学计算机科学与技术学院课程组一直积极开展对国内VR领域相关教材的调研工作，并先后对娄岩的《虚拟现实与增强现实技术概论》、吕云等人的《虚拟现实——理论、技术、开发与应用》等共6种优秀国内教材进行对比分析，分析后发现上述教材存在以下问题。

首先，教材内容相对单一，多集中在阐述VR基础理论方面，缺乏对实际案例的深入探讨，学生难以获得对实际工作中可能遇到的问题和解决方案的全面了解。其次，教材的编写质量参差不齐，有些教材缺乏逻辑性和连贯性，学生难以建立起对VR技术体系的完整认知，可能导致学生对VR技术的学习体验产生负面影响，影响学习积极性。鉴于以上问题，课程组需更为全面地寻找有实际应用导向的教材，以丰富课程内容，同时重视教材的逻辑性和连贯性，确保学生能够建立VR技术的系统观。

（三）与前置课程内容融合度不佳

程序设计基础和计算机图形学是VR课程的两门前置课程。程序设计基础主要以C语言为核心，着重介绍编程的基本概念，如变量、数组、堆、栈等，以及相关的编程技巧。这些概念与技巧是VR系统开发和设计的编程基础。同时，计算机图形学侧重于讲解几何建模与变换、图形渲染等图形学内容。这些知识为学生提供了理解VR中虚拟环境创建和呈现的关键概念。然而，值得注意的是，在现有培养方案中，前置课程内容安排与VR课程内容衔接度不足。以计算机图形学课程为例，VR实际开发需要的高级动态渲染技术，如光线追踪，并未在计算机图形学教学中涉及，导致了课程内容的前后衔接性不佳，给学生带来一定的学习障碍。

二、课程建设路线

为了应对上述挑战，教师设计的VR课程建设内容应力求从教学实际出发，建立面向工程学科的VR实践教学探索，培养VR学科领域的相关人才。针对上述3个教学问题，分别开展以夯实系统理论为内核，兼顾技术最新动态，强化课程内在联系，支撑实践设计能力的课程建设，如图1所示。

（一）引入国际一流教材，夯实VR相关系统理论

虽然，我国VR技术的应用正在逐渐拓展，但底层基础仍未完全成熟，与计算机类其他基础技术相比，教学和研究投入相对不足。这一现状导致了国内VR教材内容的零散性和系统性不足，缺乏深入系统的研究和教学。为了解决这一问题，本项目计划加强与国外著名大学VR领域的学者联系，以借鉴其在VR教育方面的卓越成就。

课程组主动寻求合作机会，争取获得其编写的VR教材的中文版授权，以便设计更为系统和全面的VR教学课件和内容。通过与国际高水平的学者合作，旨在夯实VR系统的核心概念，深度挖掘底层基础技术，为学生提供更为深入、全面的VR学习体验，有助于提高学生在这一领域的学术水平和创新能力。

（二）东“张”西“望”，紧跟VR技术趋势

近年来，中外企业在VR技术领域呈现出活力四射的局面。就国内而言，触角科技、雷鸟、太诺科技、字节跳动等公司在过去几年里的表现出色，聚焦VR可穿戴产品领域。这一趋势表明国内企业在VR硬件创新和研发方面取得了显著的进展。同时，国外企业也展现了强大的实力和深厚的技术积累。谷歌和苹果等公司聚焦在VR系统的生态、供应链和核心技术等关键领域，通过不断创新和投入，推动了全球VR技术的演进。此外，英伟达、高通等公司在VR技术生态中也发挥着重要作用，为技术的跨界应用提供了支持。

VR课程采用东“张”西“望”的策略，旨在深入追踪VR技术的发展趋势。首先，通过对中外企业在VR领域的最新动态进行系统观察和研究，将这些趋势纳入课程的扩展内容和资料中。这样，不仅有助于提高学生对VR技术发展的全局性认识，还有助于他们迅速把握行业的前沿动向，也有助于学生建立更为全面和深入的VR技术认知。其次，课程增加更多实际企业的案例，能帮助学生更好地理解技术应用的实际场景和挑战，提高他们的问题解决能力和创新意识。

（三）查缺补漏，强化与前置课程的内在联系

教师在VR课程的梳理过程中，关注和强调与前置课程的紧密关联是至关重要的。课程组通过与前置课程相关教师的深入交流，细化前置课程的核心内容及教学重点，旨在厘清前置课程与VR课程之间的内在联系点。首先，课程组通过深入探讨前置课程的核心概念和技术要点，可以更清晰地理解这些知识在VR课程中的补充和延伸。其次，通过分析前置课程的教学方法和实践案例，课程组能更好地了解学生在前置课程中的学习经验和技能积累，有助于设计更合理、更贴近学生实际需求的VR教学方案。

最重要的是，通过与前置课程相关教师的深度交流，有望加强前置课程和VR课程之间的联系。这不仅有助于学科知识的连贯性，还能促进学生对整个计算机科学领域的全面理解。同时，课程之间的相互补充能实现专业知识的深度渗透和综合应用，培养学生更为全面的工程专业素养，提高学生的职业竞争力。

（四）联合企业引入工具链，加强VR设计的实践教学能力

为了提高VR课程的实用性和学生的职业适应性，首先，课程组先后多次走访国内VR领域代表性企业，着重了解国内VR企业在工具链和设计套件（如Unity引擎、虚幻引擎等）方面的最新研发成果，获取关于前沿设计工具和技术的详尽信息。其次，教师在实际教学过程中，引入企业工具链和设计套件，以简化VR前期设计的成本，提高设计质量。最后，教师分析学生的特点，针对学生的特点开展案例设计。具体来说，特色性工科学生更为擅长逻辑分析和工程实践，更为适合VR后端设计（如算法和感知等）的研发要求，而非VR前端开发（如脚本设计和蓝图规划等）。为此，教师应侧重学生在实际VR案例设计中的后端开发能力培养，实现技术与实践的有机结合，在课程中融入最新、最实用的VR设计工具，提高学生在前期设计阶段的效率和质量。

此外，课程组引入VR企业提供的实用工具，能为学生提供更为全面和实用的VR技术培训，以适应未来职业发展的需求。同时，该举措能紧密结合企业实践和高校学术研究，搭建起理论和实践之间的桥梁，为学生提供更加丰富、深入的学术体验，培养更多具备实际创新能力的VR技术专业人才。

三、总结

实践证明，特色性工程类高校在实施VR课程教学过程中，通过上述举措多管齐下，能使VR课程更具前瞻性、实用性和国际竞争力，有利于学术和实践育人培训体系的建立，提高VR领域相关人才的培养质量。

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基金项目：西安电子科技大学新教育教学改革实践类重点项目“信创在线实验平台建设”，项目编号：A-XSY2308；西安电子科技大学新实验开发与新实验设备研制重点攻关项目“面向信创的K8S实验平台开发”，项目编号：YQ22005K。

（作者单位：西安电子科技大学计算机科学与技术学院）