基于STEAM理念的VR開發實訓平臺建設

李 巖

（銅陵學院，安徽 銅陵244061）

在創新性應用型人才培養目標大背景下，如何切實提高數字媒體專業學生專業競爭力，創新能力不足的問題，需要構建符合數字媒體技術專業發展的VR開發實訓平臺，讓多學科知識交叉整合。從目前應用型本科高校虛擬現實專業發展狀況分析，以銅陵學院為例，2014年開設數字媒體技術專業，人才培養方案里為了培養數字媒體應用技術創新性人才，增加虛擬現實基礎課程。目前開設的基礎課程為Premiere視頻編輯、影視后期合成After Effect、建模動畫3Dmax、圖形圖像處理PS等。在圖形圖像、影視動畫方面，學生在全國大學生計算機設計大賽國賽多次獲獎，但虛擬現實交互類比賽卻沒有收獲，原因是虛擬現實專業實驗課程沒有形成完善教學體系，專業課實驗師資無業界資歷與培訓經歷，缺乏行業培訓資料，無法跟蹤行業技術發展。業界人員又難以進入高校體系，教育與產業脫節[1]。為了符合專業發展和虛擬現實行業發展，需要搭建虛擬現實實訓平臺，讓學生了解先進虛擬現實技術，實現多學科知識交叉整合，提升專業競爭力。

一、STEAM教育模式的構建

（一）STEAM教育理念

STEAM教育理念是喬治特.雅克曼教授[2]在2011年提出的，作為美國長期復合型人才和綜合實踐能力培養的教育戰略目標。首字母“S”代表科學（Science），“T”代表技術（Technology），“E”代表工程（Engineering），“A”代表藝術素養（Artistic literacy），“M”代表數學（Mathematics）[3]。STEAM教育理念的初衷是加強個別學科的教育，后來一些研究者和實踐者擴展了其內涵，STEAM教育模式是跨不同學科，以項目為基礎的教育理念，跨學科學習不只是各學科知識整合——計劃，創造和執行才是STEAM教育理念的核心。它以學生為主體，運用所學學科的理論知識和相關能力去探索問題，學習性質和方式均已發生轉變。學生運用跨學科知識和技能去完成項目，在這過程中不斷發展每一位學生的實踐能力與綜合創新能力，STEAM教育理念是培養創新性人才和復合型人才的理論依據。

（二）VR實訓課程融入STEAM理念的可行性分析

以數字媒體技術專業為例，開設影視設計類核心專業課程如數字攝影、攝像藝術、影視剪輯藝術實踐、動畫控制等，將多學科知識整合，以“項目化課程”作為數字媒體技術專業實訓內容，這符合STEAM理念，STEAM中的科學（S）可以培養數媒專業學生科學探究能力。技術（T）把轉場特效技術、3D建模技術、編程等多學科知識進行選擇和整合。工程（E）可以提高學生工程素養和實訓項目操作規范。藝術素養（A）能夠幫助學生提升美學素養，作品美術場景優化，展示作品藝術欣賞價值。數學（M）對新工科學生來說，是基礎學科，3D建模空間想象力等都離不開數學知識。因此，VR實訓課程融入STEAM教育理念，以項目學習法為中心，全面提升學生的實踐能力與綜合創新力。

二、基于STEAM理念的VR實訓課程體系的構建

以虛擬現實實訓課程為載體，項目驅動為任務主體，通過學科競賽和企業實踐全面提升學生STEAM能力培養。實訓課程以學生完成項目為課程目標，通過參加虛擬展示類、全景漫游類、虛擬交互類等虛擬現實相關競賽，學生在硬件運行、作品交互功能和美術場景優化等方面的能力將會全面提升。

圖1 VR實訓課程體系

基于STEAM理念的VR實訓課程體系的構建不是簡單的課程和軟件的疊加，而是依據專業建設方向和發展規劃由簡到難，循序漸進，VR實訓課程體系如圖1所示。

（一）unity引擎和頭盔開發

虛擬現實實訓課程第一年開設unity引擎和頭盔開發，配套引擎開發基礎課程和引擎開發插件課程。這些VR基礎課程需要數字媒體技術專業學生具備數字攝影、攝像藝術、影視剪輯藝術與實踐等影視設計類方向的專業課基礎，通過實訓課程學習，掌握視頻播放、語音等熱點響應、可視化交互技術。學生可以協作完成全景漫游方向的項目，比如全景校園、全景旅游等。

（二）硬件接口sdk交互開發

通過引擎開發基礎課程的學習，同時具備unity3D、3dmax等模型設計類方向的專業課基礎的學生可以深入學習硬件開發課程，實訓課程學習掌握虛擬場景構建、多媒體資源互動展示等技術，可以設計虛擬展示方向的項目，比如虛擬建筑，虛擬場館等。

（三）虛擬現實多平臺項目開發

虛擬現實實訓課程體系最高層是可視化交互項目開發課程和編程交互項目開發課程。這一類課程可以面向計算機學院有編程開發類專業課程基礎的學生，不同專業間相互協作，通過實訓課程操練，可以勝任虛擬交互方向的項目，實現物體旋轉展示剖切、結構拆分展示、多媒體資源展示、動畫控制等操作。

三、VR開發實訓平臺環境部署

（一）VR開發實訓平臺整體規劃方案

通過虛擬現實實訓課程，讓學生身臨其境地體驗實際工作操作中的各項技術技能，一方面增強學生體驗感，另一方面可以大大節省實訓成本。同時通過系統化信息化的實訓操作，可以按照教學任務開展實訓，教學效果更優于實訓。基于銅陵學院數學與計算機學院實習實訓中心實驗室建設規劃和場地客觀條件，集教學與實訓一體的智慧型VR開發實訓平臺兼顧VR教學實驗室和VR開發實訓室的功能，布局規劃圖如圖2所示。

圖2 VR開發實訓平臺整體規劃

（二）VR交互實訓室各個區功能介紹

1.虛擬現實開發區

此區域進行VR頭盔開發實訓及實戰，集教學與實訓為一體，配12個點位的實時渲染工作站及虛擬現實眼鏡，用于VR競賽項目全景漫游類開發。

2.虛實混合體驗區

此區域實訓內容為用虛擬空間與真實人物影像合成交互，展示虛實混合媒體應用交互項目。可進行硬件環境搭建、交互腳本編寫混合現實綠幕環境設置及調用多個內容的教學任務，并支持虛擬展示類項目開發與實戰。

3.光學手部捕捉體驗區

此區域實現光學手部動作識別交互的功能。實訓內容讓學生掌握光學手部捕捉設備使用規則，展示光學姿態識別傳感虛擬現實項目。可完成Leapmotion硬件環境搭建、軟件環境配置及交互功能開發實現等教學任務，讓學生學會多媒體資源展示、動畫控制等

技術，用于支持虛擬交互類項目開發與實踐。4.光學全身捕捉體驗區

此區域特點為實現光學全身動作識別交互功能。實訓內容是讓學生學會光學全身捕捉設備使用，光學姿態識別傳感虛擬現實項目展示。同時配合教學任務為Kinnect硬件環境搭建、軟件環境配置及交互功能開發實現等，可支持虛擬交互類項目競賽。

5.無線數據手套體驗區

該區域可以實現無線姿態手部動作識別交互的功能。實訓內容是讓學生體驗無線數據手套，虛擬現實眼鏡，展示VR無線手套交互項目。學生還可以通過開發工作站學習Notiom Hi5硬件環境搭建、消磁、精度校準、軟件環境配置、交互功能開發等任務。

6.CAVE交互體驗區

CAVE是一種基于投影的沉浸式虛擬現實顯示系統[4]利用高分辨率的立體投影技術和圖像處理技術，交互性好，空間大，可以滿足一對多實訓要求，用于虛擬項目作品展示。3D立體眼鏡，3D處理器硬件設備可以支持CAVE項目開發的教學任務。

7.模擬駕駛交互體驗區

此區域用于模擬駕駛交互項目展示。學生通過模擬操控器進行視覺模擬駕車體驗，同時模擬操控臺可以操作反饋控制。汽車模擬駕駛操作使用說明、硬件環境準備、場景及車輛替換教程、汽車模擬駕駛交互開發教程也可以作為實訓開發任務。

8.運動同步交互體驗區

該區域全方位跑步機可以體驗步態識別，通過虛擬現實眼鏡可交互體驗大場景移動。同時具備運動同步交互項目展示功能。滿足全方向運動同步跑步機硬件環境搭建、全方向運動同步跑步機軟件開發環境配置、漫游場景導入及交互開發等教學任務。

9.全景漫游拍攝設備

該區域可以進行3D全景拍攝，無人機懸掛實訓任務，完成全景交互技術概述、全景設備的認知及使用、全景視頻后期處理等教學任務，同時可進行全景數字交互項目開發。該區域也是VR影視動畫全景漫游類競賽主要實現平臺。

參照VR交互實訓室各區域功能規劃，所配備的設備列表如表1所示。

（三）VR實訓服務平臺

VR交互實訓平臺需要健全的管理系統，實驗管理員權限，包含創建教師學生賬號、課程資源的管理、本地軟件端訪問等。校企合作，雙方實時上傳自定義課程資源、同步查看在線問答、監管課程進度等，具體功能如下：

表1 VR交互實訓室各區域硬件設備

1.系統架構：采用B/S架構的形式進行構建，支持部署到教學服務器中形成學習、練習、考試于一體的在線學習平臺；

2.系統頁面組成：首頁包含簡介頁課程中心、新聞咨詢、課程搜索和教學服務平臺登錄頁；教學服務平臺的課程至少包含三個專業層級和課程層；

3.訪問角色構成及權限：訪問角色包括教學管理員、教師、學生，教學管理員權限包含創建教師、學生賬號，教師賬號最大數量不少于100個；

4.教學資源頁面功能：至少800節課程上傳，支持圖片、視頻、文本、網頁鏈接、可下載文件等類型資源，同時支持關鍵字對標題的模糊搜索；

5.教學頁面功能：教師賬號下，教師頁面可以看到學生課程學習情況，評論答疑；

6.通用信息模塊：支持管理員的簡介主頁和新聞的新增、修改、刪除操作；新非登錄狀態下即可直接被查看。

四、總結

STEAM教育理念圍繞項目開發完成教與學，VR實訓課程在學期最后由企業工程師參與課程實訓，帶領學生開展案例實踐，實現翻轉課堂。實訓形式將學生分組，并按照企業項目開發標準明確分工。課程內容以實際項目案例開發為主，指導學生團隊選題、執行項目開發任務，并對項目開發所遇問題進行解答，對提交的項目作品進行點評及后續優化意見。綜上所述，本文構建的VR開發實訓平臺可以滿足我校數字媒體技術專業虛擬現實實訓及競賽任務。