以問題為導向的虛擬現實課程改革與實踐

柳長安， 白逸仙

(華北電力大學 教務處，北京 102206)

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以問題為導向的虛擬現實課程改革與實踐

柳長安， 白逸仙

(華北電力大學 教務處，北京 102206)

《虛擬現實》課程是計算機應用領域的一門重要課程，具有涉及領域寬泛、綜合性強和實踐性強等特點。為此，學校在課程改革與實踐過程中，選擇以問題為導向的教學模式，對課程的知識結構、教學方法、考核方式三個方面進行了綜合改革，目的在于促進學生自主學習能力、綜合思維能力、實踐創新能力的提升。從改革實踐效果來看，以問題為導向的課程改革在一定程度上激活了課堂活力和學習氛圍，提升了學生的學習和思維能力。課程建設與改革任重道遠，如何提高該課程授課水平仍需不斷探索與完善。

問題導向； 虛擬現實； 課程改革

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是人類在探索自然、認識自然過程中創造產生，逐步形成的一種用于認識自然、模擬自然，進而更好地適應和利用自然的科學方法和科學技術。[1]得益于近年來計算機技術的快速進步與廣泛應用，虛擬現實技術已經逐漸演變成計算機應用領域的一個重要分支，并且已經成功應用于眾多領域。各高校陸續開設了虛擬現實課程，然而，就目前該課程的建設與改革實踐而言，諸多高校的虛擬現實課程實踐呈現出“唯理論至上”的現象，理論與實踐之間缺乏有效的融合，導致學生學習效果不佳。我們認為，面向問題解決的教學模式有助于統領理論與實踐之間的關系，以問題為主線，通過實踐訓練提升學習效果。目前，虛擬現實已成為華北電力大學計算機科學與技術等本科相關專業的一門重要的專業選修課程，在計算機各專業的教學計劃中占有重要地位和作用。為了適應知識經濟時代的新要求，該課程打破基于學科邏輯的計算機理論教學方式，嘗試以問題為導向來建構知識體系，著力培養學生創新和實踐能力。

一、以問題為導向的教學模式

人的思維始于問題。當人面對問題并試圖解決問題時，就能調動他們的注意力去思索問題的答案，尋找解決問題所需要的知識，根據問題情境提出各種假設，并設法驗證這些假設，這就是解決問題的思維過程。依此邏輯，以問題為導向的教學模式主要分為三個步驟：首先從問題出發，教師根據教學內容創設一定的問題情境；然后通過分析問題情境，闡述相關理論并實踐，形成最終解決問題的方案；最后確定問題是否已解決，總結所學的知識并在新的情境中運用知識，又開始新一輪的問題學習。[2]在以問題為導向的課程教學中，問題是課程的核心，是學生學習的原動力，它能夠激發學生探尋解決方法的熱情；學生是問題的求解者，教師是學生解決問題過程中的工作伙伴和指導者。

二、課程目標確定

作為一門典型的計算機應用技術分支學科，虛擬現實技術集多種先進科學技術于一身，與其他計算機分支學科相比，虛擬現實技術具有涉及領域寬泛、綜合性強和實踐性強等特點。因此，虛擬現實技術不僅要求研發人員具有扎實的數理基礎和較強的抽象思維，而且要求研發人員具備更好的想象力、創新能力以及更高的工程應用能力。

虛擬現實課程的教學目標是，使學生了解虛擬現實的概念，掌握虛擬現實的基本理論和實現方法，掌握虛擬現實開發工具，并能夠實現虛擬現實的場景設計，具備在相關領域從事科學研究所需要的基本知識和技能。為達到比其他計算機分支學科課程更高的教學目標，虛擬現實課程必須獨辟蹊徑，探索一種與眾不同的計算機科學技術課程教學模式。

三、課程知識結構改革

虛擬現實課程的教學內容需經過悉心篩選，教師要從學習內容類型和學習目標水平兩個維度來選擇合適的教學內容。虛擬現實技術綜合性和實踐性很強的特點，使得教學內容更加適合使用問題導引的教學模式。虛擬現實課程介紹虛擬現實技術的概念、基本原理和實現方法，利用虛擬現實建模語言(Virtual Reality Modeling Language，簡稱VRML)程序實踐虛擬現實技術的基本原理和實現方法。該課程是理論與實踐緊密結合的課程，通過實踐獲得具體的工程應用技能是最終目的，所以要用具體的工程應用問題引導課程教學。

圖1 虛擬現實課程知識結構體系

虛擬現實的課程設計緊密圍繞問題展開，共分為基礎問題、階段問題和終極問題三個層次，如圖1所示。在基礎問題中，首先要明確虛擬現實概念，并創造虛擬現實環境，這是虛擬現實知識結構體系構建的先決條件。接下來，課程設計進入階段問題，這是整個系統中最重要的部分。一方面，通過幾何建模、外觀設計和運動變化等技術來構建復雜的虛擬物體；另一方面，實現虛擬物體的動畫、交互和物理仿真功能；同時，把虛擬物體放置在虛擬場景中并實現對場景的漫游。以上所有步驟將有效地解決課程設計的基礎問題和階段問題，進而引出課程設計的終極問題——三維立體場景設計，向參與者提供視覺、聽覺、觸覺、導航漫游等方面身臨其境的感受，并且可以與場景環境中的三維實體進行實時交互與感知。

該課程把虛擬現實的基礎理論知識與VRML的應用有機結合，重塑課程知識結構，重新編寫教材，按照虛擬現實的基本功能模塊設計授課內容，如表1所示，每一講都要解決一個實際問題。

如何設計課程每一講需學習的問題，真正滿足學生的需求并激發他們的興趣，形成促進學習的問題，對這門課程的學習起著至關重要的作用。在設計問題時，應注意兩點：一是要以教學目標為指引，結合學生現有知識能力水平，設計出能激發學生學習興趣的問題；二是問題的設計應注意邏輯關系，要覆蓋所有教學內容，問題必須能逐步引出與所學領域相關的知識。

表1 以問題為向導的課程知識結構

序號問題理論實踐第一講什么是虛擬現實?虛擬現實的概念、分類、發展、研究基礎、實現意義和影響虛擬現實工作原理及典型系統演示第二講如何創建虛擬現實環境?虛擬環境特征;虛擬現實軟件VRML的運行和使用第三講如何創建虛擬物體的幾何模型?幾何建模的概念;簡單的三維建模;從二維到三維的變換在VRML中創建三維立體造型第四講如何實現虛擬物體的外觀設計?色彩理論;紋理映射原理在VRML中實現虛擬物體的外觀設計第五講如何實現虛擬物體的運動和變化?模型變換;平移變換;比例變換;對稱變換;旋轉變換在VRML中實現虛擬物體的運動和變化第六講如何創建復雜的虛擬物體?構圖技術;細節層次模型在VRML中創建復雜虛擬物體第七講如何創建虛擬現實的場景環境?光照模型;反射模型;陰影算法在VRML中創建虛擬場景環境第八講如何實現虛擬環境中的漫游?視點的定位方法;虛擬環境的漫游技術在VRML中實現虛擬環境的漫游第九講如何實現虛擬物體的動畫?生成動態虛擬環境的重要性;數字的動態特征;關鍵幀動畫在VRML中實現虛擬物體的動畫第十講如何實現與虛擬物體的交互?變換符號;圖形拾取;物體拾取;碰撞檢測在VRML中實現與虛擬物體的交互第十一講如何實現虛擬物體的物理仿真?質點運動、旋轉物體運動、模糊物體運動仿真;自由形體變形(FFD)仿真;飛行器飛行動力學仿真在VRML中實現虛擬物體的物理仿真第十二講如何創建虛擬三維立體場景?軟件項目開發設計;三維立體、自然景觀、三維人體及動物、道路橋梁、室內外建筑的場景設計;綜合場景設計在VRML中實現虛擬現實的三維立體場景

四、教學方法改革

鑒于課程知識結構內容的變化，教學方法也進行了相應地改革。課程采用了“知行合一”的教學方法，加強實踐環節。每一講100分鐘的課時，理論教授50分鐘，實踐學習50分鐘，平衡兩者的關系，用理論指導實踐，實踐驗證理論，使學生可以更好的接受課程內容。

理論部分注重虛擬現實技術的基本原理和實現方法的講解。例如在講解虛擬物體的運動和變化問題時，首先引入坐標系矩陣的概念，通過對運動偏移量對應矩陣的分析，得出物體運動在計算機內位置坐標計算所需要的表達式，然后通過計算機繪圖，得出相應的圖形圖像。

實踐部分注重對實例應用的分析。課程充分考慮直觀性原則，增加了更多的直觀性實踐應用教學內容，具體來說就是把虛擬現實的基礎理論與VRML虛擬現實建模語言的應用有機結合，使每個知識點均有對應的演示程序。例如，對于虛擬物體的光照問題，在分析講解代碼原理的同時，使用程序界面演示虛擬光源與虛擬物體之間的相互關系，使教學內容更直觀。

五、考核方式改革

考核評價是對這門課程以問題為導向的教學模式的實施過程和學習效果的整體檢視。由于該課程是基于問題的教學，問題學習的開放性和解決的過程性決定了對學生學習效果的評價有別于傳統的筆試，這種考核方式打破過去習慣于應試教育的課堂教學、習慣于標準答案的考試、習慣于“60分及格”的考核，[3]以深化課堂教學改革為突破口，以能力本位為考核標準，通過開放性的結業作品來培養學生的實踐和創新能力。

鑒于課程的最終目的是使學生具備在虛擬現實技術相關領域從事科學研究所需要的基本知識和技能，所以本課程的考核方式以實踐為主。根據本課程知識點較多的特點，考核分為分段練習與課程結業作品兩個部分。分段練習主要通過實際編程訓練來培養學生對每一個單獨的工程實踐問題的解決能力。結業考核是提交作品，具體要求如表2所示，該作品要求使用盡可能多的虛擬現實技術知識點，運用虛擬現實技術實現語言建立一個復雜的具有真實感的三維立體場景，并附一份詳細的實驗報告。通過這種考核方式來培養學生的實踐能力和創新能力，豐富學生的想象力，并且提高學生的系統整合能力和工程應用能力。考核標準分優、良、中、及格、不及格等五個等級。

表2 課程結業考核要求

考核事項具體內容作品要求1.利用VRML語言建立一個三維立體場景2.虛擬場景具有真實感3.使用課程講授過的內容,實現盡可能多的功能考核形式1.每個人單獨完成一個作品2.提交一份VRML語言編寫的源程序3.提交一份課程結業報告4.參加答辯5.評委老師根據提交作品情況、答辯情況和平時成績,評定結業成績報告格式封面:1.課程名稱;2.結業作品名稱;3.完成人姓名及學號;4.完成時間。正文:1.作品總體描述;2.功能分析;3.系統設計;4.源程序(要求有注釋);5.運行結果(代表性圖片2張)。

六、改革成效與結論

以問題為導向的教學模式在虛擬現實課程中的應用自實施以來，不論在課堂活力方面，還是在學習氛圍和學習能力的提升方面，都顯示出了新的景象。從學生學習效果來看，主要表現為以下幾個方面：其一，學生自主學習能力提高。學生在教師的引導下，以解決實際問題為目標，運用已有知識和摸索自學新的知識，解決復雜問題，不僅有效地掌握虛擬現實的基本原理和方法，并且對問題的解決過程獨立思考，不斷反思。其二，學生綜合性思維能力增強，學生將所學知識融會貫通，運用綜合性思維來全方位解決實際問題，尤其是通過課程結業作品設計，在捕捉問題現象、探究問題成因、尋找解決問題方式和辦法的過程中，鍛煉了觀察能力、判斷能力、思維能力以及創造性解決問題的能力。三是學生實踐創新能力提高。學生在編寫面向問題的程序時，充分調動發散性思維，在與同學和老師的反復討論中確定解決方案，以親身實踐來驗證其最適切的行動方案，不僅激發了學生深入問題情境的動力，而且激活了學生已有知識的活力和思維的創造力。

盡管以問題為導向的虛擬現實課程改革初現成效，顯示出較傳統教學不可比擬的優勢，但是實踐過程中仍然存在著一些問題，比如學生課前知識的儲備、教學過程中的合作與討論、教師能否因材施教，這些問題都在一定程度上影響著教學效果。虛擬現實技術涉及面寬、內容豐富、發展迅速、應用廣泛，未來的課程改革還需要不斷總結其經驗，反思其不足，在不斷探索的道路上講授好這門課程。

[1] 李瑞芹. 基于問題的教學模式(PBL)在中職信息技術課中的應用研究[D]. 北京：首都師范大學, 2008.

[2] 趙沁平. 虛擬現實綜述[J]. 中國科學(F輯：信息科學), 2009(1)：2-46.

[3] 謝和平. 扎實推進課堂教學改革[J]. 中國大學教學, 2016(1)：4-7.

(責任編輯：杜紅琴)

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

柳長安，男，華北電力大學教務處處長、卓越工程師培養辦公室主任，教師教學發展中心主任，教授，博士生導師；白逸仙，女，華北電力大學教務處副研究員，教育學博士。

G712.3

A

1008-2603(2017)03-0126-04