面向特色性工科的虛擬現實課程教學探索

程飛 張捷 黃伯虎

摘要：虛擬現實是一門涵蓋藝術設計、人機交互和計算機視覺等內容的綜合性課程。因該課程存在交叉性的特點，特色性工程類高等院校在實施教學時，易出現課程教學內容難以凝練的問題，最終影響教學質量和效果。文章立足特色性工科背景，通過介紹虛擬現實課程概況和存在的問題，提出若干舉措。

關鍵詞：特色性工科；虛擬現實；課程教學

虛擬現實（Virtaul Reality，簡稱VR）旨在利用計算機技術創造虛擬環境或元素，實現人與環境的沉浸式交互，該技術屬于藝術設計、人機交互和計算機視覺領域的交叉融合。

虛擬現實課程（以下簡稱VR課程）是數字媒體專業的核心課程，為學生綜合利用數字媒體工具、設計并實現虛擬場景、構建相關應用提供了學習平臺。然而，特色性工程類高校教學多以理工學科思維為主，因虛擬現實課程的交叉性，教師在具體教學時，易出現教學內容難以凝練的問題，影響學生學習的積極性。為此，探索面向特色性工科的虛擬現實課程教學，不僅能強化特色性工科的學科特點，還能充分培育數字媒體專業學生的職業素質，為社會輸出更多優秀人才。

一、課程教學概況和問題

VR課程是西安電子科技大學計算機科學與技術學院從2022年春季學期增設的一門面向本科數字媒體專業三年級的課程，該課程融合了計算機圖形學、人機交互、傳感、機器學習等技術，包含16個學時的實踐內容、24個學時的理論教學內容。課程教學的主要目的有四個：首先，提供給學生必要的虛擬現實技術的基本原理和概念；其次，使學生掌握虛擬現實技術的具體開發和應用方法，包括使用特定的開發工具、編程語言和軟件開發環境；再次，探討虛擬現實技術在各領域的應用，如教育、醫療、娛樂等；最后，鼓勵學生創新性思考，激發學生設計新穎虛擬現實體驗的能力，達到學以致用的目的。然而，課程存在以下問題，影響特色性工科的教學建設。

（一）技術形態迭代快影響課程建設的穩定性

在過去的幾年里，虛擬現實技術經歷了令人矚目的發展，主要體現在三個方面：首先，支撐VR的關鍵技術呈現出了爆炸式增長的趨勢，如人工智能生成內容、近眼成像和體感交互等。這些技術的不斷創新增強了虛擬現實體驗的真實感和沉浸感，為用戶提供了更加引人入勝的虛擬世界。其次，計算機端測算力的顯著提升擴大了VR技術的應用范圍，使VR設備能夠處理更復雜的圖形和場景，并提高了系統性能和響應速度。這些使得VR技術在游戲、醫療、教育等領域得到更廣泛的應用。最后，VR技術的集成式工具、平臺和框架不斷涌現，如折疊光路透鏡、多模態姿勢估計等為VR體驗提供了更多可能性。

然而，新技術的出現也伴隨著舊技術和舊方法的淘汰。這種技術變革對特色性工科教育產生了深遠的影響，使得現有的VR課程教學內容與技術發展脫節，學生感到無所適從，并敦促教師及時更新課程內容，以保持與虛擬現實技術發展的同步。

（二）現有課程參考教材的知識零散化

自授課以來，西安電子科技大學計算機科學與技術學院課程組一直積極開展對國內VR領域相關教材的調研工作，并先后對婁巖的《虛擬現實與增強現實技術概論》、呂云等人的《虛擬現實——理論、技術、開發與應用》等共6種優秀國內教材進行對比分析，分析后發現上述教材存在以下問題。

首先，教材內容相對單一，多集中在闡述VR基礎理論方面，缺乏對實際案例的深入探討，學生難以獲得對實際工作中可能遇到的問題和解決方案的全面了解。其次，教材的編寫質量參差不齊，有些教材缺乏邏輯性和連貫性，學生難以建立起對VR技術體系的完整認知，可能導致學生對VR技術的學習體驗產生負面影響，影響學習積極性。鑒于以上問題，課程組需更為全面地尋找有實際應用導向的教材，以豐富課程內容，同時重視教材的邏輯性和連貫性，確保學生能夠建立VR技術的系統觀。

（三）與前置課程內容融合度不佳

程序設計基礎和計算機圖形學是VR課程的兩門前置課程。程序設計基礎主要以C語言為核心，著重介紹編程的基本概念，如變量、數組、堆、棧等，以及相關的編程技巧。這些概念與技巧是VR系統開發和設計的編程基礎。同時，計算機圖形學側重于講解幾何建模與變換、圖形渲染等圖形學內容。這些知識為學生提供了理解VR中虛擬環境創建和呈現的關鍵概念。然而，值得注意的是，在現有培養方案中，前置課程內容安排與VR課程內容銜接度不足。以計算機圖形學課程為例，VR實際開發需要的高級動態渲染技術，如光線追蹤，并未在計算機圖形學教學中涉及，導致了課程內容的前后銜接性不佳，給學生帶來一定的學習障礙。

二、課程建設路線

為了應對上述挑戰，教師設計的VR課程建設內容應力求從教學實際出發，建立面向工程學科的VR實踐教學探索，培養VR學科領域的相關人才。針對上述3個教學問題，分別開展以夯實系統理論為內核，兼顧技術最新動態，強化課程內在聯系，支撐實踐設計能力的課程建設，如圖1所示。

（一）引入國際一流教材，夯實VR相關系統理論

雖然，我國VR技術的應用正在逐漸拓展，但底層基礎仍未完全成熟，與計算機類其他基礎技術相比，教學和研究投入相對不足。這一現狀導致了國內VR教材內容的零散性和系統性不足，缺乏深入系統的研究和教學。為了解決這一問題，本項目計劃加強與國外著名大學VR領域的學者聯系，以借鑒其在VR教育方面的卓越成就。

課程組主動尋求合作機會，爭取獲得其編寫的VR教材的中文版授權，以便設計更為系統和全面的VR教學課件和內容。通過與國際高水平的學者合作，旨在夯實VR系統的核心概念，深度挖掘底層基礎技術，為學生提供更為深入、全面的VR學習體驗，有助于提高學生在這一領域的學術水平和創新能力。

（二）東“張”西“望”，緊跟VR技術趨勢

近年來，中外企業在VR技術領域呈現出活力四射的局面。就國內而言，觸角科技、雷鳥、太諾科技、字節跳動等公司在過去幾年里的表現出色，聚焦VR可穿戴產品領域。這一趨勢表明國內企業在VR硬件創新和研發方面取得了顯著的進展。同時，國外企業也展現了強大的實力和深厚的技術積累。谷歌和蘋果等公司聚焦在VR系統的生態、供應鏈和核心技術等關鍵領域，通過不斷創新和投入，推動了全球VR技術的演進。此外，英偉達、高通等公司在VR技術生態中也發揮著重要作用，為技術的跨界應用提供了支持。

VR課程采用東“張”西“望”的策略，旨在深入追蹤VR技術的發展趨勢。首先，通過對中外企業在VR領域的最新動態進行系統觀察和研究，將這些趨勢納入課程的擴展內容和資料中。這樣，不僅有助于提高學生對VR技術發展的全局性認識，還有助于他們迅速把握行業的前沿動向，也有助于學生建立更為全面和深入的VR技術認知。其次，課程增加更多實際企業的案例，能幫助學生更好地理解技術應用的實際場景和挑戰，提高他們的問題解決能力和創新意識。

（三）查缺補漏，強化與前置課程的內在聯系

教師在VR課程的梳理過程中，關注和強調與前置課程的緊密關聯是至關重要的。課程組通過與前置課程相關教師的深入交流，細化前置課程的核心內容及教學重點，旨在厘清前置課程與VR課程之間的內在聯系點。首先，課程組通過深入探討前置課程的核心概念和技術要點，可以更清晰地理解這些知識在VR課程中的補充和延伸。其次，通過分析前置課程的教學方法和實踐案例，課程組能更好地了解學生在前置課程中的學習經驗和技能積累，有助于設計更合理、更貼近學生實際需求的VR教學方案。

最重要的是，通過與前置課程相關教師的深度交流，有望加強前置課程和VR課程之間的聯系。這不僅有助于學科知識的連貫性，還能促進學生對整個計算機科學領域的全面理解。同時，課程之間的相互補充能實現專業知識的深度滲透和綜合應用，培養學生更為全面的工程專業素養，提高學生的職業競爭力。

（四）聯合企業引入工具鏈，加強VR設計的實踐教學能力

為了提高VR課程的實用性和學生的職業適應性，首先，課程組先后多次走訪國內VR領域代表性企業，著重了解國內VR企業在工具鏈和設計套件（如Unity引擎、虛幻引擎等）方面的最新研發成果，獲取關于前沿設計工具和技術的詳盡信息。其次，教師在實際教學過程中，引入企業工具鏈和設計套件，以簡化VR前期設計的成本，提高設計質量。最后，教師分析學生的特點，針對學生的特點開展案例設計。具體來說，特色性工科學生更為擅長邏輯分析和工程實踐，更為適合VR后端設計（如算法和感知等）的研發要求，而非VR前端開發（如腳本設計和藍圖規劃等）。為此，教師應側重學生在實際VR案例設計中的后端開發能力培養，實現技術與實踐的有機結合，在課程中融入最新、最實用的VR設計工具，提高學生在前期設計階段的效率和質量。

此外，課程組引入VR企業提供的實用工具，能為學生提供更為全面和實用的VR技術培訓，以適應未來職業發展的需求。同時，該舉措能緊密結合企業實踐和高校學術研究，搭建起理論和實踐之間的橋梁，為學生提供更加豐富、深入的學術體驗，培養更多具備實際創新能力的VR技術專業人才。

三、總結

實踐證明，特色性工程類高校在實施VR課程教學過程中，通過上述舉措多管齊下，能使VR課程更具前瞻性、實用性和國際競爭力，有利于學術和實踐育人培訓體系的建立，提高VR領域相關人才的培養質量。

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基金項目：西安電子科技大學新教育教學改革實踐類重點項目“信創在線實驗平臺建設”，項目編號：A-XSY2308；西安電子科技大學新實驗開發與新實驗設備研制重點攻關項目“面向信創的K8S實驗平臺開發”，項目編號：YQ22005K。

（作者單位：西安電子科技大學計算機科學與技術學院）