面向多專業背景的交互式實時3D課程建設與探索

劉向東

（吉林大學公共計算機教學與研究中心，吉林長春 130012）

0 引言

通過交互式實時3D，可讓內容創作者按照與真實世界交互的方式直接與數字化的虛擬世界進行互動，是構建沉浸式虛擬世界的基礎技能，在建筑、智能制造、自動化等實體行業和虛擬制片、虛擬現實、教育等非實體行業都展現出廣闊的應用前景［1-2］。“十四五”國家信息化規劃將文化產業數字化戰略作為重點工程，推動虛擬現實等新一代人機交互技術與其他行業相結合［3］。交互式實時3D 作為其中的核心技能，一個完整的實踐項目涉及到從程序控制到藝術設計等諸多領域，是新時代文化產業非常重要的一環，非常適合面向本科各專業進行推廣。本文針對多專業背景學生的特點，立足于交叉學科的人才培養需求，推出了全新的交互式實時3D 通識課程，并設計了個性化的教學方法，以期為相關課程的教學提供參考。

1 課程背景

傳統3D 動畫、游戲和影視特效中采用離線渲染，雖然畫面效果更精細，但完成整部影片的渲染需要長達幾天時間，每次對內容進行修改都需要重新啟動渲染過程查看結果，非常不利于3D 創作。隨著實時渲染技術的成熟，虛擬環境幾乎可以瞬間完成3D 視覺效果的顯示。基于實時圖形技術的交互式3D 開發，可以實現即時修改、即時顯示，并實現虛擬環境的快速調試，如圖1 所示。這種開發模式將對整個數字媒體內容制作的工作與溝通方式帶來巨大改變［4］。面對新技術的沖擊，人才市場對相關技術人才的需求與日俱增。但相對于數字媒體技術領域的快速發展，數字媒體教育領域則相對滯后。據普華永道發布的報告中預測，到2030 年，我國對VR/AR 人才的需求量在全球占比將達到18%，但提供的人才數量僅占全世界的2%［5］。

Fig.1 Difference between real-time rendering and offline rendering圖1 實時渲染與離線渲染區別

交互式3D 發端于游戲行業，所以目前最流行的實時3D 軟件平臺是Unity 3D 和虛幻引擎等游戲引擎。其中，虛幻引擎（Unreal Engine）以其逼真的圖像渲染質量、龐大的插件和資源庫與基于藍圖的可視化編程系統，成為非編程類設計人員最喜歡的工具［6］。虛幻引擎目前已迭代到第5版，生產的內容可部署到移動設備、計算機、增強現實（AR）和虛擬現實（VR）平臺等。雖然身為游戲引擎，但是已為包括影視、虛擬廣播、建筑可視化等諸多行業提供了一套完整的開發工具［7］。虛幻引擎通過C++進行開發，也可以使用藍圖，用非代碼的方式實現完整的程序控制，極大地降低了非計算機專業學生的程序設計負擔，且在教學時可免費下載和使用，非常適合作為多學科通識課程的教學與實驗平臺。

吉林大學公共計算機教研中心基于自身的軟硬件條件，在本科計算機公共課程中面向各專業學生開設交互式實時3D 設計、動畫及游戲課程。課程以大學計算機基礎作為前導課程，用虛幻引擎5 作為教學與實驗軟件平臺，提供HTC VIVE 虛擬現實設備、綠幕環境和實驗機房。通過分類型、分階段的內容設計，以及翻轉課堂與基于團隊項目實驗的教學形式，引導學生將交互式3D 技術與各自的專業相結合，取得了不錯的效果，有效提升了學生的設計能力、團隊協作能力和創新能力。

2 教學方法探討

2.1 課程面臨的主要問題

作為通識類課程，選課學生覆蓋了藝術、播音主持、醫學、經濟、工學等不同計算機水平、不同需求及專業方向的從大一到大四的學生。為切實掌握學生的學習情況，參考相關文獻［8-9］，對2021-2022 學年的選課學生在學期結束后進行了問卷調查。結果顯示，選課專業與年級分布如圖2 所示，選課動機主要包括：①對3D 設計有興趣；②了解相關知識的重要性；③他人或學院推薦；④完成學分。

Fig.2 Distribution of students grade and major in the second semester of 2021-2022圖2 2021-2022學年第二學期選課學生專業與年級分布

學生完成課程目標存在以下3方面的問題：

（1）教學內容與學生的多元化背景不匹配。交互式實時3D 創作是一個龐大的綜合體，包含從理工知識到藝術設計知識的應用型開發體系，一個學期的通識課程難以讓不同專業的學生全面掌握相關知識。所以，不論從教學時間、學生接受能力還是學科相關性來看，都不適合對學生進行通盤講授，而是需要根據學生的專業背景選擇教學方向和內容。

（2）綜合實驗完成度低。交互式3D 是具有很強實踐性和操作性的課程，學生自主實驗應該在教學時間中占據相當的比重，而來自不同專業的學生由于能力和興趣點不同，對課程內容的掌握有很大區別。學生選課動機不同，雖然隨著課時的進行都能找到興趣點，但是由于一個完整的3D 交互項目涉及的內容較多，實現完整的實踐項目需要對項目整體進行通盤了解，對學生的能力要求較高。

（3）缺乏課外資源的支持。有些學生對課程內容和相關領域很感興趣，但教師受限于課時和課程難度，不能在課堂中對領域涵蓋的諸多子方向和應用進行全面講解與練習。因此，需要為學生在其感興趣的方向上提供更多課外實際操作機會和相關比賽的訓練。

2.2 教學模式設計

針對多專業背景教學設計問題已經有了很多研究［10-15］，但缺乏針對交互式3D 課程文理科強交叉以及教學內容覆蓋廣、綜合項目難度大等特點進行的研究。本文在相關研究基礎上，根據課程實踐，將傳統教學方法調整為分類型、分階段的教學模式，主要包含以下內容：

（1）分類型的教學目標。為了讓學生可根據不同專業背景，有效掌握交互式實時3D 的基本創作過程和技術，并能根據自身專業和興趣貼合3D 項目，課程不再對所有學生使用統一的教學目標，而是預先根據專業分類，如播音主持和藝術學院屬于藝術類，行政、考古和經濟學院屬于產品類，電子、軟件和物理學院屬于控制類，再針對每類學生設計不同的教學任務和考核內容。

（2）分階段的分組教學模式。課程教學與具體項目的深度融合是課程設計的總體方向，但實驗項目設計不應該對全部學生采用單一模式。為了讓學生根據自己的能力和興趣點選擇適合的項目內容，進而增強學習興趣和自主性，教學實踐被分為初級、中級和高級3個教學階段。

初級階段屬于基礎內容，所有學生必學。中級階段允許學生根據個人興趣選擇不同類型的學習任務，完成不同類型的實踐項目。同時，為了讓學生了解和體驗一個完整3D 交互設計項目的實現過程，采用分組學習和實踐模式，通過適當的組隊，讓每組學員可將各自的項目組合成完整的應用。高級階段適合學有余力的學生選學，以便了解業內的最新發展狀況。

（3）按類別和階段設計在線資源。從中級階段開始，當教學內容和實驗都基于個性化的選擇，學生就不得不面對自主學習的問題。雖然交互式3D 領域有大量在線資源可供選擇，如虛幻引擎官網、Bilibili 視頻網站、在線文檔和其他Mooc 資源等，但這些內容龐大且繁雜，需要教師去蕪存精，更需要根據學生的類別和學習階段進行整理。

課程選取學習通作為在線教學平臺，提供教師制作與選取的視頻和開源項目，并針對藝術、控制和產品類別分別設置中級與高級的在線資源，讓學生更有效、系統地學習與解決自己的問題。

3 教學內容與實驗設計

3.1 教學內容設計

交互式實時3D 創作的基本流程為：①在虛幻引擎中導入和編輯3D 模型、動畫、音頻等多種資源；②添加光照、材質設計、物理、音頻、視覺等效果，創建虛擬場景；③通過C++或藍圖為場景中的Actor 添加智能行為、組件材質修改方法，以及動畫切換、用戶互動等控制程序；④添加UI 界面和程序流程控制；⑤項目根據發布平臺實現優化、配置和發布，從而生成一個能夠探索、互動的3D 世界。

為促進高校在人才培養和課程建設上適應職業崗位需求，工信部發布了《3D 引擎技術應用職業技能等級標準》，對3D 引擎的學習提出符合行業企業需求的建議［16］，并將開發能力分為初級、中級和高級3 個等級。同時為了在教學過程中讓不同學科背景的學生選擇適合的內容，將中級流程分為控制類、藝術類和產品類，對接《3D 引擎技術應用職業技能等級標準》，梳理出教學內容設計框架如圖3所示。

Fig.3 Teaching content design framework圖3 教學內容設計框架

其中，初級階段是所有選課學生的必學內容，對于場景交互，只選擇非編程的可視化藍圖腳本實現。從中級開始，允許學生根據自身情況選學某一類別的知識，并啟動教學實驗，由學生根據所選內容自由組隊，完成指定項目。高級階段是選學內容，學有余力的學生可使用教學資源或其他在線資源進行學習和項目實踐，教師主要負責引導和答疑。

3.2 教學實驗設計

本課程的實驗教學依據對教學內容的分類和學生的選擇，設計為3個子方向和1個綜合項目：

（1）校園場景漫游。藝術類學生以真實校園為模板，通過模型進行環境設計，搭建仿真的虛擬校園。

（2）行人和交通模擬。控制類學生通過藍圖或C++程序，控制角色和車輛模型在指定的交通路線上自主行動，并可通過鍵盤控制角色與環境互動。

（3）交互式物體展示和動畫制作。產品類學生通過UI菜單，采用選擇、旋轉、縮放等方式對導入的網格體進行展示，并將展示過程生成網頁和動畫視頻。

（4）綜合項目是基于虛擬校園的解謎類游戲，需要團隊合作完成，生成一個包括過場動畫的功能完整的游戲。學生可根據實際情況自由組隊，把完成的3 組實驗整合到一起，自由設計游戲元素和主線，并任意添加VR、AR 等特性。

所有教學實驗設計和綜合項目的主題并未進行嚴格要求，而是允許學生根據各自的專業和興趣，在教師同意的情況下對實驗內容作出修改，同時鼓勵創作學科交叉的應用項目。

4 實驗項目驅動的分階段教學實踐

由于采用了分類型、分階段的教學模式設計，在教學實踐中也為不同教學階段采取不同的教學策略，并通過實驗項目督促學生更積極地完成線上線下混合教學。

（1）初級階段。主要通過幻燈片教學和操作步驟的演示，幫助學生更好地理解交互式3D 并熟悉相關引擎。包括交互式3D 基本概念、相關技術和設計流程，虛幻引擎搭建與基礎操作，以及使用藍圖實現場景控制方法的入門。

（2）中級階段。由學生根據專業進行分類型學習，從藝術類、控制類和產品類中進行選擇，不同類型的教學內容將不一樣。藝術類主要學習環境渲染、效果設計和角色動畫；控制類主要學習高級編程、場景交互和智能系統；產品類主要學習項目整體的界面設計、流程控制和內容整合及發布。

教學手段也改為基于項目的翻轉課堂。課程開始時公布各類別的實驗方向，學生分批輪換式上課。奇數課借助線上學習平臺發布的目標和教學視頻，讓學生通過案例進行自主學習；偶數課由學生介紹案例作品及所遇到的問題，教師負責答疑并將操作總結成知識體系。此外，每輪課程學生都要使用所學內容對實驗項目進行改進，并由教師和其他學生打分，以此督促學生積極參與線上自學。

（3）高級階段。涉及到交互式3D 的高級應用，此為選學內容。由教師為學有余力且對3D、AR、VR 領域非常感興趣的學生準備對應的教學文檔和在線視頻，學生自主進行學習，教師負責答疑解惑。同時，在此階段開展綜合實驗項目，由學生自由組隊，每組最多6 人，包含3 個類別的學生至少一人。通過創建完整的游戲項目，從而整合所學知識。

5 教學實踐效果

在實際教學過程中，這種分類型、分階段的教學和實驗模式設計，可以有效提升學生的學習興趣和綜合實驗完成度。原先部分文科專業和學習能力較弱的學生，在課程中后期跟不上教學進度，參與度低。但在新模式下，幾乎所有學生都能在所選類別中完成教學目標和實驗內容。從學習通平臺的反饋看，章節的任務點完成度從76%提升到94%，課堂問題的參與度從48%提升到74%，綜合實驗的平均分數從60分提升到80分。

此外，在學期結束后，部分學生依然使用課程的在線平臺參與“大學生計算機設計大賽”等相關比賽，并獲得了省一和國二等獎項，同時通過案例討論和經驗分享，進一步提升了自學和團隊協作能力。

6 結語

交互式實時3D 技術發掘出了虛擬世界的潛力，擴展了3D 創意的能力和視野。而且這種創建數字世界并與之實時交互的能力，并不局限于娛樂方面。配合AR、VR 等新型人機交互方式以及自動化和機器學習技術，可幫助人們以更真實、更有意義的方式模擬現實世界。

這些技能的普及和應用是大勢所趨，相關課程會讓學生受益匪淺，本文提出的交互式實時3D 課程建設方法，培養了學生的設計能力和應用交互式3D 解決問題的能力，為學生在線學習、團隊協作和創新能力培養提供了支持。希望該研究能為此領域的教學提供一些參考借鑒。