“虚拟现实与数据可视化”课程改革实践

孙立博，张 哲，秦文虎

(东南大学仪器科学与工程学院，江苏 南京 210096)

“虚拟现实与数据可视化”是一门重要的理论与实践相结合的课程，对学生动手能力具有很好的培养作用。笔者结合测控专业学生培养的实际需要，从教学方法、教学内容、教学手段和课程考核制度等方面介绍认识和实践体会。

1 灵活多变的教学方法

1.1 营造动静相宜的课堂氛围

课堂教学的关键是如何唤醒学生的认知乐趣。从心理学的角度来看，认知和创造的过程可以在两种心理状态下实现:一种是高度紧张的状态，所谓集中注意力、急中生智;另一种就是轻松活泼的状态。

我们在课堂教学活动中依据认知心理及学习大师的先进的课堂教学方法，通过挖掘知识蕴涵的感性内容，把它编成一连串的事件过程，并与学生互动，使他们体会到知识形成过程的激动。同时还不断提出一些问题让学生去思考。例如，我们在讲解全局路径规划算法中的Dijkstra算法时，会首先介绍研究Dijkstra算法的目的和意义，然后介绍Edsger Wybe Dijkstra的生平以及其为计算机科学界做出的杰出贡献，接下来会详细讲解Dijkstra算法的实现步骤，最后给学生演示Dijkstra算法的执行过程。我们并让学生思考Dijkstra算法的不足，启发他们相互讨论。

1.2 师生互动的教学活动

大多数学生从小学到中学已养成了课堂听课的习惯，只见教师在课堂上提问题，很少有学生提出问题来。没有问题，教师谈不上解惑。因此，现在的教师职责不仅仅是传道授业，更要善于让学生能提出问题。我们通过与实际应用相结合来加强师生互动，启发和引导学生大胆提出问题。例如，在讲授某个理论或算法之前，先围绕相关理论或算法列举一些实际的应用例子给学生进行演示，让学生对该理论或算法有直观的认识;然后和学生进行讨论，让学生给出自己的看法和初步的解决思路，最后我们再适当加以引导和启发，并把涉及的概念、原理和方法融入到实际应用案例中进行讲解:如OpenGL中的纹理映射、Unity3D中的物理引擎、Prefabs和粒子系统等。通过这些应用案例的介绍，学生能直观了解这些理论或算法的作用，课堂的气氛也会变得更加活跃。

1.3 实践、理论再实践的教学过程

本课程传统的教学都是先讲理论知识，然后再做实验[1-3]。学生做实验都是根据教师选定好的实验题目、实验方法和实验步骤完成实验并提交实验报告，教师批阅这样一个过程。现在，我们在课堂教学时，对某一理论阐述前，总是先通过演示的模式让学生去认识，再讲解理论形成的过程，最后学生动手做实验时，就会有更深的认识。例如，我们在讲解如何制作坦克发射炮弹的游戏时，制作的实例是让学生观察通过按键发射炮弹以及炮弹与墙壁等物体发生碰撞时产生的粒子效果等过程，然后再讲解游戏制作过程中所涉及的理论，最后是应用相关概念和理论制作新的游戏。

通过这种实践、理论再实践的教学方法，学生在发现问题、分析问题和解决问题能力上也得到了较大的提高。

2 紧跟时代的教学内容

随着虚拟现实技术的不断发展和完善，OpenGL图形编程接口也在发生一定的变化，在OpenGL的基础上开发出的如Open Inventor、Cosmo3D和Optimizer等多种高级图形库，可适应多种不同应用。自2011年起，Unity3D游戏引擎由于其强大的功能，荣登最具影响力的美国纽约十大科技创业新星之一。因此，我们在教学内容上也做了相应地调整，保留了OpenGL基本图元绘制，坐标变换，光照、颜色和材质，位图和图像以及纹理映射，增加了OpenGL图形绘制流水线，Unity3D引擎基本架构、功能组件、脚本控制、场景管理、物理引擎和GUI操作介绍。并在此基础上，引入对经典的路径规划算法进行讲解和讨论的环节。

通过教学内容的不断更新，学生不仅掌握了基本的OpenGL图形编程方法，而且熟悉了Unity的场景构建以及与游戏对象进行交互的方法。他们在全面锻炼和提高软件编程能力的基础上，还对路径规划等高层次算法有了更加深入的理解，为今后能够独立进行游戏的开发和设计工作打下坚实的基础。

3 丰富多彩的教学手段

现在的教学手段一般采用“传统黑板+多媒体技术或白板+多媒体技术”的教学手段。文献[4]根据调查得出大部分学生倾向于使用这种现代教学手段，因其课堂效果好。但目前的多媒体技术也存在一些缺点:单个投影机投影的区域较小，基于PPT的单页多媒体信息量少，缺少较好的课件平台设备和软件。我们在制作多媒体课件时常会遇到，如果在单页中内容多了，字体就小;如果将算法的实现步骤分成前后两页，讲解时会有不连贯的感觉;或者在讲一个知识点时无法插播一些图片或演示程序来旁证这个知识点。

我们结合本课程重在实践的特点，采用了“传统黑板+多媒体技术+实物演示”的新方法。学生单独理解“虚拟”和“现实”两个概念比较容易，但对“虚拟”和“现实”之间的关系理解得不够透彻。我们结合学校的SRTP项目，制作了实物演示—基于Kinect的机器人控制平台。如图1所示。该平台主要由两部分组成:输入部分和输出部分。输入部分可以用鼠标键盘直接选择控制指令，也可以利用Kinect获取人体姿态并将该人体姿态转化为控制指令。在获得相应的控制指令后，上位机软件通过事件消息和蓝牙模块分别将指令发送给输出部分:虚拟场景中的机器人和实体的四足机器人。在接收到指令后，虚拟场景中的机器人和实体的四足机器人将会进行同样的运动。

图1 基于Kinect的机器人系统框图

图2 基于Kinect的机器人控制平台主界面

当用户在图2所示的平台主界面上，选择使用Kinect获取人体姿态时，首先利用Microsoft公司的Kinect传感器，实时捕捉环境的三维深度图像，获取深度数据流;然后设定人体分类的特征阈值，通过约定的字节编码，在深度图像中为每个被追踪的游戏玩家创建分割;接着对深度数据中出现的人体与背景图像进行分离，并通过机器学习结果，快速对人体部位进行分类，从而实现对人体骨骼的三维建模;最后上位机软件读取Kinect的深度图和人体骨骼图，通过三维坐标运算获得各关节点的相对位置，经过解算与判断从而得出目前人体的姿态。

三维虚拟场景中的机器人可使用Solidworks绘制零件图并组装，最终导出为虚拟现实建模语言VRML格式，在LabVIEW中读取这些VRML格式的文件，并对其进行一定的变换处理，即可通过窗口在屏幕上显示三维虚拟机器人模型。在上位机软件中为虚拟机器人预先编制好变换序列，并控制虚拟机器人执行变换序列，便可与实体四足机器人完成相同的动作，如图3所示。

图3 虚拟场景中的机器人和实体四足机器人

实物演示的功能使我们在课堂上不仅可以利用多媒体演示设计过程和仿真结果，还可利用实物进行验证，使学生从多个角度理解所学的知识点。例如，使用基于Kinect的机器人控制平台可以让学生用自身的姿势同时控制虚拟场景中的机器人模型和实体机器人，从而使学生对什么是“虚拟”、什么是“现实”，以及两者之间的关系有更加清晰的认识和理解。

4 科学合理的课程考核

本课程重点在设计及学以致用，为了适应创新性人才培养的需要，考核的重点集中在对所学知识的理解，应用和实践。本课程的考核分三个层次:①基本理论掌握程度考核;②研究能力考核;③工程实践应用能力考核。

每个层次的考核不仅仅注重最后的结果，而且关心整个分析问题和解决问题的过程。三个层次的考核形式是通过平时成绩、研讨环节和课程设计等方面来体现的。研讨环节采用4-5人合作研究的方式，时间为2-3周，讨论题目和范围一般由教师选定，学生可根据教师提供的资料开展讨论、准备报告、并以PPT的形式汇报学习成果。课程设计采用4-5人合作研究的方式，时间为4周。课程设计的题目一般不太难，但有广度，能够包含课程知识点的多个部分，使学生有多种方法解决问题。目前的课题选择有:虚拟教室、赛车游戏和角色扮演游戏等。

课程设计的考核要求包括:①仿真程序;②可执行文件;③文档;④答辩。其中文档的内容包括功能介绍、设计实现、总结等部分，最后以Word或PDF形式提交;答辩是以多媒体的形式进行，每组学生介绍成员组成，各自分工，设计特点，演示效果以及存在的问题，评委由教师和学生共同组成，通过提问及根据答辩者现场的表现打分。

5 结语

通过几年的“虚拟现实与数据可视化”课程教学改革实践，深深体会到多样化的教学方法、紧跟科学前沿的教学内容、丰富多彩的教学手段和科学合理的课程考核不仅能发掘学生的主动精神，激发他们的学习兴趣;而且能培养他们理论结合实践的思维方式，提高学生分析问题和解决问题的能力。我们采用了新的课程设计考核方式可以调动学生的参与热情，培养团队合作精神。

[1]安维华 虚拟现实课程在数字媒体技术专业中的教学实践[J].北京:计算机教育，2011，(10):71-74

[2]沈旭昆“虚拟现实技术”课程教学实践与思考[J].北京:计算机教育，2009，(23):126-128

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

[4]秦文虎，曹大军，赵扬“计算机结构与逻辑设计”课程改革实践[J].南京:电气电子教学学报，2008，30(1):14-26