基于VIU 的虛擬現實開發類課程教學研究

張一馳，龔科瑜

（首鋼工學院 計算機與媒體藝術學院，北京 100144）

一、引言

虛擬現實技術日趨成熟，利用VR（虛擬現實）、AR（增強現實）、MR（混合現實）等技術開發的新產品日漸增多[1]。虛擬現實技術的應用與開發逐漸成為各大高校、職業院校計算機或藝術設計類專業開設的熱門課程，相關技能人才的需求與日俱增[2]。2018 年，教育部在高等職業教育中增設“虛擬現實應用技術”專業，標志著虛擬現實教育成為現代職業教育中的重要分支。在這個大背景下，做好虛擬現實專業的教育教學和人才培養工作，探索使用新的信息化教學工具，提高虛擬現實專業人才的培養質量，有著顯而易見的價值。

虛擬現實應用開發類課程是虛擬現實專業的核心課程群，包括《虛擬平臺應用》《虛擬現實互動》等一系列的專業核心課程。該類課程旨在培養學生使用虛擬現實開發平臺進行應用設計和項目開發的能力，對學生的邏輯思維、代碼編寫、設備使用、設計開發、團隊協作等綜合素質要求較高。除此之外，在計算機專業或數字媒體專業中開設的《虛擬現實》等課程，也要求學生結合虛擬現實平臺掌握一定的應用開發技術[3]。

現階段的虛擬現實開發類課程，面臨硬件設施價格昂貴、教學環境要求較高、軟硬件開發工具不夠完善等諸多不利因素。以2019 年6 月的市價為例，開設常規的虛擬現實開發類課程所需專用硬件設備及計算機軟硬件系統投入總計每套3 萬元以上。經實地測算，每套設備至少需要6 平方米的實際操作空間。以30 人的教學班為標準計算，考慮到經費、教學場地和教學效果等因素的限制，學校滿足選課學生人手一套虛擬現實設備是不切實際的，甚至大部分高校難以滿足四人一組的分組實踐條件。不僅如此，Unity 3D 等常見虛擬現實開發平臺在其原生開發環境中，暫時只能支持聯機調試HTC Vive 等主流的虛擬現實設備，但學生只有在連接真實設備的環境中才能進行開發調試工作。這些問題綜合起來，給虛擬現實應用開發類課程的開展和學生的自主學習實踐帶來了很大限制，對任課教師的教學設計及課堂組織能力提出了嚴峻的挑戰。

面對教學資源的客觀缺陷和大量的專業人才需求，在虛擬現實應用開發類課程中，引入虛擬現實設備輸入仿真工具進而提高教學質量是十分必要的。當前的教育教學研究類文獻中，針對虛擬現實專業開發類課程的討論，以專業建設[4]、人才培養模式[5]和課程內容設計[6]為主對課程教學方法和信息化工具的討論較為匱乏。本文結合筆者近兩年的虛擬現實應用開發類課程教育教學和學生實踐項目設計經驗，介紹使用Vive Input Utility（VIU）虛擬現實設備輸入工具包進行課程教學實踐、改善虛擬現實開發類課程教學質量的方法。

二、VIU 及其優勢

Vive Input Utility(VIU)是HTC Vive 軟件開發團隊設計研發的虛擬現實設備輸入工具包，提供了對于各種虛擬現實設備進行控制的腳本組件和輸入模擬支持，用于輔助開發者在Unity 開發平臺上進行虛擬現實開發。目前在中文網絡環境中有關該工具的介紹還比較少，基于該工具的虛擬現實教學可行性及開展方式還沒有被充分討論。筆者依據使用VIU 進行教學的實際經驗，總結了該工具有助于改善虛擬現實開發類課程教學的幾大特點。

1.簡單易用的設備抽象和操作集成

VIU 訪問虛擬現實設備的方式更為直觀。相較于傳統的使用設備索引號進行訪問的方式，VIU 可以通過角色訪問設備。例如，在傳統課堂中使用的Steam VR SDK中，我們需要使用“device0”“device1”等設備索引訪問硬件交互設備，而在VIU 中，我們可以使用“LeftHand”或“RightHand”這種有具體含義的變量名代替設備索引進行訪問。這一特點不僅有助于開發者進行應用開發，還可以幫助初學者更快地掌握相關設備交互方法，對設備操作方法的認知更為直觀，減少了記憶量和復雜度，降低了學生在學習實踐過程中不必要的難度，對虛擬現實教學有積極意義。

Vive Input Utility 以組件腳本的形式封裝了常見的虛擬現實交互方式。從虛擬現實設備操作的方面看，VIU 對虛擬現實互動場景中常見的物體抓取與投擲、傳送、用戶界面指針等操作進行了封裝，提供了一系列的常見功能腳本，可以方便地進行調用。這些功能腳本相較于SteamVR SDK 更直觀，可以讓學生在較短時間內掌握。對這些腳本進行合理的使用，能夠提高課堂學習效率。

在VIU 的資源包中，開發團隊為使用者提供了一系列循序漸進的案例項目（見圖1）。這些案例依次介紹了基礎操作、UGUI 系統、物體拖拽等功能，難度由淺至深，循序漸進，可以成為輔助教師課堂教學、幫助學生進行課外實踐的教學資源。

圖1 VIU 提供的案例項目

2.提供輸入模擬器

Vive Input Utility 工具包能夠提供HTC Vive 和Vive Pro 等虛擬現實硬件設備的輸入仿真，將實際的虛擬現實設備輸入映射為PC 常見外設的輸入，從而實現在不連接虛擬現實設備的PC 機上進行虛擬現實應用的開發調試。例如，在默認設置下，開發者可以使用按下鍵盤W 鍵讓仿真模擬器中的虛擬現實頭盔向前移動，單擊鼠標左鍵模擬按下HTC 手柄的扳機鍵，按住鍵盤Shift 鍵和鼠標右鍵的同時滑動鼠標以模擬HTC 手柄圓盤觸摸板操作。當虛擬現實應用開發人員在Unity 中完成了場景創建和交互腳本的設計之后，不需要連接物理的虛擬現實設備，直接點擊運行按鈕，就可以在Game窗口中啟動VIU Simulator 虛擬現實輸入設備模擬器，進行仿真操作和功能驗證。

不僅如此，VIU 還支持其他虛擬現實開發設備的輸入仿真，例如Oculus Rift、Daydream 和微軟的MR 頭戴設備等。這些便利的設備仿真功能可以讓學生在進行應用設計時較少投入到底層設備的差異化編碼中，對培養學生的學習興趣和應用開發能力有顯而易見的價值。

3.顯著節約成本

在Unity 官方資源商店中，截至2019 年6 月底，VIU工具當前版本為1.10.4 版，文件大小只有5.1MB，支持Unity5.3.6 以上的版本，可以免費下載使用，對開發環境系統性能要求較低。這些便利條件使得教師能夠在虛擬現實應用開發類課程中脫離物理設備進行教學展示和效果檢驗，減弱了教學場地和設備數量對教學效果的影響，還可以有效地為開設相關課程的院校節約課程開設成本。

除此之外，使用VIU 進行教學，能夠方便學生在課后進行練習和實踐開發，對學生的自主學習起到了輔助作用，不僅節約了學生的學習成本，還避免了設備和場地等因素對學生學習興趣的限制。

三、引入VIU 的教學改革及效果

基于上文所分析的諸多理由，VIU 可以作為改進現有虛擬現實開發類課程的一大利器。把VIU 引入到虛擬現實應用開發類課程的教學中，可以從改善課程設計、改進課堂教學、豐富學生實踐、優化學生考核評價等幾方面展開討論。

1.改善課程設計

引入VIU 可以壓縮課程設計中預留的學生排隊等待時間，提高教學效率，從而讓學生更充分地掌握開發技能。囿于設備和場地條件的限制，在傳統的虛擬現實應用開發類課程教學大綱設計中，教師往往會在課程初期留出2-4 學時的時間，讓學生認識并熟悉虛擬現實設備。在進行項目式教學時，有經驗的課程設計者通常會為每個項目預留出不少于1 課時的設備調試時間。而因為設備數量有限，在課程進入這些階段時，只有少數學生有親自動手實踐的機會，其余大部分學生都只是在觀看或者進行其他任務，這些折中的策略顯然大大降低了課堂利用率。以每學期64 學時的《虛擬現實互動》課程為例，傳統課程教學大綱中需要花費4 學時用來讓學生熟悉設備、12 個學時用以6 個課堂項目的現場調試，總計因設備排隊使用耗費16 個學時，占到總學時數的1/4。盡管教師可以在課程總體進度安排的基礎上組織學生靈活分組，提高課堂利用率，但依然是巧婦難為無米之炊。引入VIU 后，可以大幅壓縮這部分時間，讓學生在VIU 模擬器上先熟悉設備操作，進行項目功能調試，測試無誤后再使用真實設備進行驗證。通過這種方法，僅需要使用2 個學時讓學生熟悉設備、6 個學時用以課堂項目的現場調試，節省了50%的調試時間，提高了學習效率。具體對比見表1。

表1 2018、2019 年《虛擬現實互動》課程課時數分配變化

引入VIU 能夠讓課程知識結構的整體呈現更加合理、完整、多樣。以《虛擬現實互動》課程為例，使用VIU進行輔助教學，不僅節約了8 個學時的調試時間，也為整體的課程內容設計帶來了更多的靈活性。教師可以在課堂上討論更多的技術細節，或者展示、分析虛擬現實在更多領域的應用案例，擴充課程內容的豐富性和完整性。這有助于學生掌握理論知識、鞏固實踐技能、拓展學科視野、提升就業競爭力。

2.改進課堂教學

VIU 可以優化教師在課堂教學過程中的案例演示效果，幫助教師更便捷地達成教學目標，化解重點難點。傳統教學中采用的SteamVR SDK 提供的接口繁多，腳本較為瑣碎，變量語義表示不夠直觀，在實際講授過程中往往會糾纏于開發工具的細節問題，如果處理不當，容易弱化虛擬現實互動性等課程核心內容，造成授課邏輯主次不清，不利于學生掌握重點。VIU 提供的設備操作腳本在保證功能一致的前提下，接口更為簡潔、語義更為直觀，這些特點能夠簡化學生對開發工具本身的理解，降低了學生對課堂輔助工具的認知難度。不僅如此，由于VIU 不必連接實際虛擬現實設備，使得教學場所的選擇更加靈活多樣，教師能夠在傳統的多媒體教室中完成課堂講授。

在課堂教學中引入VIU 有助于教師更為合理地把控授課節奏，把更多的課堂時間放在對課程重點內容的講解上。使用傳統VR 設備進行授課需要把大量的時間放在設備說明、調試和使用上，時間安排不符合教學過程的一般認知規律。VIU 能夠減少上述這些在理論和實踐環節中不必要的時間花費，給學生更多的思考練習時間，教師也能夠把更多課堂時間投入到教學重難點的講解上，使得課程節奏更為合理。

3.豐富學生實踐

合理設計學生的課堂練習和課后實踐項目是組織虛擬現實開發類課程教學的一大重點。傳統的基于VR 設備的教學由于場地和設備等因素的限制，難以開展豐富的學生課堂及課后實踐項目。借助VIU 的功能和特點，教師可以設計一系列的學生實踐項目，促進學生對虛擬現實開發技術的理解、夯實基礎知識、提高專業能力[7]。

考慮到學生的專業興趣、能力及學科背景有所不同，在課程實際教學中，可以將實踐項目分成基礎型實踐項目、工程類實踐項目和探索類實踐項目等部分，針對不同學生的特點，做到因材施教。以64 學時的《虛擬現實互動》課程為例。根據課程教學大綱的安排和選課學生的實際背景，筆者在課程中以VIU 為基礎環境設計了8 個基礎練習項目、4 個工程類實踐項目和2 個探索類實踐項目。8 個基礎練習項目給出了虛擬現實開發基礎環境和模型、粒子效果，僅需要學生根據課程重點完善相關代碼，這類項目可以讓學生在實踐課程中當堂練習，以促進學生對重難點知識的掌握，起到夯實基礎知識的作用。4 個工程類實踐項目通過對實際虛擬現實互動工程項目的簡化裁切，結合教學進度，體現出一定的綜合性和復雜度。這類項目意在鍛煉學生靈活運用所學基礎知識，構造較為完整的工程項目的能力，可以作為分組作業或者階段性課程設計的一部分。2 個探索類實踐項目作為難度較大的部分，具有一定的開放性，可以讓學有余力、對虛擬現實開發興趣較為濃厚的學生進行課后探索。這樣分層設置實踐項目能夠合理化教學節奏，保證不同層次的學生都能有所收獲，進而達到學生全員參與、分層實踐。這種實踐項目的設置能夠實施，要得益于VIU 的不需要連接真實設備即可測試、提供了較為豐富的演示實例等特性。相較于傳統教學工具而言，VIU 可以讓學生更好地運用課內外時間進行實踐學習。

4.優化學生考評

使用VIU 可以優化教學中的考試及學生評價環節。在傳統教學實踐中，教師只能夠通過分組的形式組織學生使用設備，對學生個人開發能力的觀測有所欠缺。引入VIU 可以讓每一名學生都有實際動手開發的機會，使教師組織隨堂上機測驗成為可能，能夠讓教師更好地考量每位學生的掌握程度。

引入VIU 還可以更為合理地布置課后練習。教師更能通過在課后作業中融合不同難度的實踐項目，讓學生展示自己的專業水平，更精準地評價學生的實際工程能力。而囿于設備的限制，這在傳統的虛擬現實開發類課程教學中幾乎不可能實現。

四、結論

在課程中引入VIU 虛擬現實設備輸入仿真工具，能夠幫助教師改善課程設計、改進課堂教學效果、豐富學生實踐、優化學生考核評，方便學生在低成本的開發平臺進行可模擬、可遷移的虛擬現實應用開發，降低了開展教學的硬件成本，提升了學生的學習效率、實踐能力，有助于培養學生嚴謹認真的工匠精神和勇于嘗試的創新意識。

引入VIU 進行虛擬現實開發類課程教學，筆者只是進行了初步的探索嘗試。未來還可以借鑒其他領域的課程教學改革研究成果，嘗試使用微課或翻轉課堂等形式[8]進行VIU 的教學、融合人工智能等技術[9]進行數據驅動的虛擬現實開發類課程教學，不斷實踐并改進教學模式，努力培養出更多的虛擬現實開發專業技能人才。