以问题为导向的虚拟现实课程改革与实践

柳长安， 白逸仙

(华北电力大学 教务处，北京 102206)



以问题为导向的虚拟现实课程改革与实践

柳长安， 白逸仙

(华北电力大学 教务处，北京 102206)

《虚拟现实》课程是计算机应用领域的一门重要课程，具有涉及领域宽泛、综合性强和实践性强等特点。为此，学校在课程改革与实践过程中，选择以问题为导向的教学模式，对课程的知识结构、教学方法、考核方式三个方面进行了综合改革，目的在于促进学生自主学习能力、综合思维能力、实践创新能力的提升。从改革实践效果来看，以问题为导向的课程改革在一定程度上激活了课堂活力和学习氛围，提升了学生的学习和思维能力。课程建设与改革任重道远，如何提高该课程授课水平仍需不断探索与完善。

问题导向； 虚拟现实； 课程改革

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是人类在探索自然、认识自然过程中创造产生，逐步形成的一种用于认识自然、模拟自然，进而更好地适应和利用自然的科学方法和科学技术。[1]得益于近年来计算机技术的快速进步与广泛应用，虚拟现实技术已经逐渐演变成计算机应用领域的一个重要分支，并且已经成功应用于众多领域。各高校陆续开设了虚拟现实课程，然而，就目前该课程的建设与改革实践而言，诸多高校的虚拟现实课程实践呈现出“唯理论至上”的现象，理论与实践之间缺乏有效的融合，导致学生学习效果不佳。我们认为，面向问题解决的教学模式有助于统领理论与实践之间的关系，以问题为主线，通过实践训练提升学习效果。目前，虚拟现实已成为华北电力大学计算机科学与技术等本科相关专业的一门重要的专业选修课程，在计算机各专业的教学计划中占有重要地位和作用。为了适应知识经济时代的新要求，该课程打破基于学科逻辑的计算机理论教学方式，尝试以问题为导向来建构知识体系，着力培养学生创新和实践能力。

一、以问题为导向的教学模式

人的思维始于问题。当人面对问题并试图解决问题时，就能调动他们的注意力去思索问题的答案，寻找解决问题所需要的知识，根据问题情境提出各种假设，并设法验证这些假设，这就是解决问题的思维过程。依此逻辑，以问题为导向的教学模式主要分为三个步骤：首先从问题出发，教师根据教学内容创设一定的问题情境；然后通过分析问题情境，阐述相关理论并实践，形成最终解决问题的方案；最后确定问题是否已解决，总结所学的知识并在新的情境中运用知识，又开始新一轮的问题学习。[2]在以问题为导向的课程教学中，问题是课程的核心，是学生学习的原动力，它能够激发学生探寻解决方法的热情；学生是问题的求解者，教师是学生解决问题过程中的工作伙伴和指导者。

二、课程目标确定

作为一门典型的计算机应用技术分支学科，虚拟现实技术集多种先进科学技术于一身，与其他计算机分支学科相比，虚拟现实技术具有涉及领域宽泛、综合性强和实践性强等特点。因此，虚拟现实技术不仅要求研发人员具有扎实的数理基础和较强的抽象思维，而且要求研发人员具备更好的想象力、创新能力以及更高的工程应用能力。

虚拟现实课程的教学目标是，使学生了解虚拟现实的概念，掌握虚拟现实的基本理论和实现方法，掌握虚拟现实开发工具，并能够实现虚拟现实的场景设计，具备在相关领域从事科学研究所需要的基本知识和技能。为达到比其他计算机分支学科课程更高的教学目标，虚拟现实课程必须独辟蹊径，探索一种与众不同的计算机科学技术课程教学模式。

三、课程知识结构改革

虚拟现实课程的教学内容需经过悉心筛选，教师要从学习内容类型和学习目标水平两个维度来选择合适的教学内容。虚拟现实技术综合性和实践性很强的特点，使得教学内容更加适合使用问题导引的教学模式。虚拟现实课程介绍虚拟现实技术的概念、基本原理和实现方法，利用虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，简称VRML)程序实践虚拟现实技术的基本原理和实现方法。该课程是理论与实践紧密结合的课程，通过实践获得具体的工程应用技能是最终目的，所以要用具体的工程应用问题引导课程教学。

图1 虚拟现实课程知识结构体系

虚拟现实的课程设计紧密围绕问题展开，共分为基础问题、阶段问题和终极问题三个层次，如图1所示。在基础问题中，首先要明确虚拟现实概念，并创造虚拟现实环境，这是虚拟现实知识结构体系构建的先决条件。接下来，课程设计进入阶段问题，这是整个系统中最重要的部分。一方面，通过几何建模、外观设计和运动变化等技术来构建复杂的虚拟物体；另一方面，实现虚拟物体的动画、交互和物理仿真功能；同时，把虚拟物体放置在虚拟场景中并实现对场景的漫游。以上所有步骤将有效地解决课程设计的基础问题和阶段问题，进而引出课程设计的终极问题——三维立体场景设计，向参与者提供视觉、听觉、触觉、导航漫游等方面身临其境的感受，并且可以与场景环境中的三维实体进行实时交互与感知。

该课程把虚拟现实的基础理论知识与VRML的应用有机结合，重塑课程知识结构，重新编写教材，按照虚拟现实的基本功能模块设计授课内容，如表1所示，每一讲都要解决一个实际问题。

如何设计课程每一讲需学习的问题，真正满足学生的需求并激发他们的兴趣，形成促进学习的问题，对这门课程的学习起着至关重要的作用。在设计问题时，应注意两点：一是要以教学目标为指引，结合学生现有知识能力水平，设计出能激发学生学习兴趣的问题；二是问题的设计应注意逻辑关系，要覆盖所有教学内容，问题必须能逐步引出与所学领域相关的知识。

表1 以问题为向导的课程知识结构

序号问题理论实践第一讲什么是虚拟现实?虚拟现实的概念、分类、发展、研究基础、实现意义和影响虚拟现实工作原理及典型系统演示第二讲如何创建虚拟现实环境?虚拟环境特征;虚拟现实软件VRML的运行和使用第三讲如何创建虚拟物体的几何模型?几何建模的概念;简单的三维建模;从二维到三维的变换在VRML中创建三维立体造型第四讲如何实现虚拟物体的外观设计?色彩理论;纹理映射原理在VRML中实现虚拟物体的外观设计第五讲如何实现虚拟物体的运动和变化?模型变换;平移变换;比例变换;对称变换;旋转变换在VRML中实现虚拟物体的运动和变化第六讲如何创建复杂的虚拟物体?构图技术;细节层次模型在VRML中创建复杂虚拟物体第七讲如何创建虚拟现实的场景环境?光照模型;反射模型;阴影算法在VRML中创建虚拟场景环境第八讲如何实现虚拟环境中的漫游?视点的定位方法;虚拟环境的漫游技术在VRML中实现虚拟环境的漫游第九讲如何实现虚拟物体的动画?生成动态虚拟环境的重要性;数字的动态特征;关键帧动画在VRML中实现虚拟物体的动画第十讲如何实现与虚拟物体的交互?变换符号;图形拾取;物体拾取;碰撞检测在VRML中实现与虚拟物体的交互第十一讲如何实现虚拟物体的物理仿真?质点运动、旋转物体运动、模糊物体运动仿真;自由形体变形(FFD)仿真;飞行器飞行动力学仿真在VRML中实现虚拟物体的物理仿真第十二讲如何创建虚拟三维立体场景?软件项目开发设计;三维立体、自然景观、三维人体及动物、道路桥梁、室内外建筑的场景设计;综合场景设计在VRML中实现虚拟现实的三维立体场景

四、教学方法改革

鉴于课程知识结构内容的变化，教学方法也进行了相应地改革。课程采用了“知行合一”的教学方法，加强实践环节。每一讲100分钟的课时，理论教授50分钟，实践学习50分钟，平衡两者的关系，用理论指导实践，实践验证理论，使学生可以更好的接受课程内容。

理论部分注重虚拟现实技术的基本原理和实现方法的讲解。例如在讲解虚拟物体的运动和变化问题时，首先引入坐标系矩阵的概念，通过对运动偏移量对应矩阵的分析，得出物体运动在计算机内位置坐标计算所需要的表达式，然后通过计算机绘图，得出相应的图形图像。

实践部分注重对实例应用的分析。课程充分考虑直观性原则，增加了更多的直观性实践应用教学内容，具体来说就是把虚拟现实的基础理论与VRML虚拟现实建模语言的应用有机结合，使每个知识点均有对应的演示程序。例如，对于虚拟物体的光照问题，在分析讲解代码原理的同时，使用程序界面演示虚拟光源与虚拟物体之间的相互关系，使教学内容更直观。

五、考核方式改革

考核评价是对这门课程以问题为导向的教学模式的实施过程和学习效果的整体检视。由于该课程是基于问题的教学，问题学习的开放性和解决的过程性决定了对学生学习效果的评价有别于传统的笔试，这种考核方式打破过去习惯于应试教育的课堂教学、习惯于标准答案的考试、习惯于“60分及格”的考核，[3]以深化课堂教学改革为突破口，以能力本位为考核标准，通过开放性的结业作品来培养学生的实践和创新能力。

鉴于课程的最终目的是使学生具备在虚拟现实技术相关领域从事科学研究所需要的基本知识和技能，所以本课程的考核方式以实践为主。根据本课程知识点较多的特点，考核分为分段练习与课程结业作品两个部分。分段练习主要通过实际编程训练来培养学生对每一个单独的工程实践问题的解决能力。结业考核是提交作品，具体要求如表2所示，该作品要求使用尽可能多的虚拟现实技术知识点，运用虚拟现实技术实现语言建立一个复杂的具有真实感的三维立体场景，并附一份详细的实验报告。通过这种考核方式来培养学生的实践能力和创新能力，丰富学生的想象力，并且提高学生的系统整合能力和工程应用能力。考核标准分优、良、中、及格、不及格等五个等级。

表2 课程结业考核要求

考核事项具体内容作品要求1.利用VRML语言建立一个三维立体场景2.虚拟场景具有真实感3.使用课程讲授过的内容,实现尽可能多的功能考核形式1.每个人单独完成一个作品2.提交一份VRML语言编写的源程序3.提交一份课程结业报告4.参加答辩5.评委老师根据提交作品情况、答辩情况和平时成绩,评定结业成绩报告格式封面:1.课程名称;2.结业作品名称;3.完成人姓名及学号;4.完成时间。正文:1.作品总体描述;2.功能分析;3.系统设计;4.源程序(要求有注释);5.运行结果(代表性图片2张)。

六、改革成效与结论

以问题为导向的教学模式在虚拟现实课程中的应用自实施以来，不论在课堂活力方面，还是在学习氛围和学习能力的提升方面，都显示出了新的景象。从学生学习效果来看，主要表现为以下几个方面：其一，学生自主学习能力提高。学生在教师的引导下，以解决实际问题为目标，运用已有知识和摸索自学新的知识，解决复杂问题，不仅有效地掌握虚拟现实的基本原理和方法，并且对问题的解决过程独立思考，不断反思。其二，学生综合性思维能力增强，学生将所学知识融会贯通，运用综合性思维来全方位解决实际问题，尤其是通过课程结业作品设计，在捕捉问题现象、探究问题成因、寻找解决问题方式和办法的过程中，锻炼了观察能力、判断能力、思维能力以及创造性解决问题的能力。三是学生实践创新能力提高。学生在编写面向问题的程序时，充分调动发散性思维，在与同学和老师的反复讨论中确定解决方案，以亲身实践来验证其最适切的行动方案，不仅激发了学生深入问题情境的动力，而且激活了学生已有知识的活力和思维的创造力。

尽管以问题为导向的虚拟现实课程改革初现成效，显示出较传统教学不可比拟的优势，但是实践过程中仍然存在着一些问题，比如学生课前知识的储备、教学过程中的合作与讨论、教师能否因材施教，这些问题都在一定程度上影响着教学效果。虚拟现实技术涉及面宽、内容丰富、发展迅速、应用广泛，未来的课程改革还需要不断总结其经验，反思其不足，在不断探索的道路上讲授好这门课程。

[1] 李瑞芹. 基于问题的教学模式(PBL)在中职信息技术课中的应用研究[D]. 北京：首都师范大学, 2008.

[2] 赵沁平. 虚拟现实综述[J]. 中国科学(F辑：信息科学), 2009(1)：2-46.

[3] 谢和平. 扎实推进课堂教学改革[J]. 中国大学教学, 2016(1)：4-7.

(责任编辑：杜红琴)

Reformation and Practice of Problem-oriented Virtual Reality Course

LIU Chang-an, BAI Yi-xian

(Dean′s Office,North China Electric Power University, Beijing 102206,China)

As an important course in the field of computer applications, Virtual Reality is a kind of course with strong comprehensiveness, strong practicality, involved with many domains and so on. In the process of the reformation and practice of teaching, NCEPU choose the problem-oriented teaching model and carry out comprehensive education reformationin three aspects of knowledge structures, teaching approaches and examining forms, which aims to promote students' abilities of autonomous learning, comprehensive thinking and practice innovation. From the effect of reformation and practice, the reformation of Problem-oriented course has activated the classroom vitality and learning atmosphere and enhanced students' learning and thinking ability to some degree.Course construction and reformation are a long way to go, and how to teach Virtual Reality course well still requires exploring and improving.

problem-oriented; virtual reality; course reformation

2017-04-16

柳长安，男，华北电力大学教务处处长、卓越工程师培养办公室主任，教师教学发展中心主任，教授，博士生导师；白逸仙，女，华北电力大学教务处副研究员，教育学博士。

G712.3

A

1008-2603(2017)03-0126-04