以問題為導(dǎo)向的虛擬現(xiàn)實(shí)課程改革與實(shí)踐

柳長(zhǎng)安， 白逸仙

(華北電力大學(xué) 教務(wù)處，北京 102206)

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以問題為導(dǎo)向的虛擬現(xiàn)實(shí)課程改革與實(shí)踐

柳長(zhǎng)安， 白逸仙

(華北電力大學(xué) 教務(wù)處，北京 102206)

《虛擬現(xiàn)實(shí)》課程是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的一門重要課程，具有涉及領(lǐng)域?qū)挿?、綜合性強(qiáng)和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。為此，學(xué)校在課程改革與實(shí)踐過程中，選擇以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式，對(duì)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法、考核方式三個(gè)方面進(jìn)行了綜合改革，目的在于促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、綜合思維能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力的提升。從改革實(shí)踐效果來看，以問題為導(dǎo)向的課程改革在一定程度上激活了課堂活力和學(xué)習(xí)氛圍，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)和思維能力。課程建設(shè)與改革任重道遠(yuǎn)，如何提高該課程授課水平仍需不斷探索與完善。

問題導(dǎo)向； 虛擬現(xiàn)實(shí)； 課程改革

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)是人類在探索自然、認(rèn)識(shí)自然過程中創(chuàng)造產(chǎn)生，逐步形成的一種用于認(rèn)識(shí)自然、模擬自然，進(jìn)而更好地適應(yīng)和利用自然的科學(xué)方法和科學(xué)技術(shù)。[1]得益于近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步與廣泛應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)逐漸演變成計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。各高校陸續(xù)開設(shè)了虛擬現(xiàn)實(shí)課程，然而，就目前該課程的建設(shè)與改革實(shí)踐而言，諸多高校的虛擬現(xiàn)實(shí)課程實(shí)踐呈現(xiàn)出“唯理論至上”的現(xiàn)象，理論與實(shí)踐之間缺乏有效的融合，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳。我們認(rèn)為，面向問題解決的教學(xué)模式有助于統(tǒng)領(lǐng)理論與實(shí)踐之間的關(guān)系，以問題為主線，通過實(shí)踐訓(xùn)練提升學(xué)習(xí)效果。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)已成為華北電力大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等本科相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)選修課程，在計(jì)算機(jī)各專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中占有重要地位和作用。為了適應(yīng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的新要求，該課程打破基于學(xué)科邏輯的計(jì)算機(jī)理論教學(xué)方式，嘗試以問題為導(dǎo)向來建構(gòu)知識(shí)體系，著力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

一、以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式

人的思維始于問題。當(dāng)人面對(duì)問題并試圖解決問題時(shí)，就能調(diào)動(dòng)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(shí)，根據(jù)問題情境提出各種假設(shè)，并設(shè)法驗(yàn)證這些假設(shè)，這就是解決問題的思維過程。依此邏輯，以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式主要分為三個(gè)步驟：首先從問題出發(fā)，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)一定的問題情境；然后通過分析問題情境，闡述相關(guān)理論并實(shí)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(jié)所學(xué)的知識(shí)并在新的情境中運(yùn)用知識(shí)，又開始新一輪的問題學(xué)習(xí)。[2]在以問題為導(dǎo)向的課程教學(xué)中，問題是課程的核心，是學(xué)生學(xué)習(xí)的原動(dòng)力，它能夠激發(fā)學(xué)生探尋解決方法的熱情；學(xué)生是問題的求解者，教師是學(xué)生解決問題過程中的工作伙伴和指導(dǎo)者。

二、課程目標(biāo)確定

作為一門典型的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)分支學(xué)科，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集多種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)于一身，與其他計(jì)算機(jī)分支學(xué)科相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有涉及領(lǐng)域?qū)挿骸⒕C合性強(qiáng)和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅要求研發(fā)人員具有扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)和較強(qiáng)的抽象思維，而且要求研發(fā)人員具備更好的想象力、創(chuàng)新能力以及更高的工程應(yīng)用能力。

虛擬現(xiàn)實(shí)課程的教學(xué)目標(biāo)是，使學(xué)生了解虛擬現(xiàn)實(shí)的概念，掌握虛擬現(xiàn)實(shí)的基本理論和實(shí)現(xiàn)方法，掌握虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，并能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)，具備在相關(guān)領(lǐng)域從事科學(xué)研究所需要的基本知識(shí)和技能。為達(dá)到比其他計(jì)算機(jī)分支學(xué)科課程更高的教學(xué)目標(biāo)，虛擬現(xiàn)實(shí)課程必須獨(dú)辟蹊徑，探索一種與眾不同的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)課程教學(xué)模式。

三、課程知識(shí)結(jié)構(gòu)改革

虛擬現(xiàn)實(shí)課程的教學(xué)內(nèi)容需經(jīng)過悉心篩選，教師要從學(xué)習(xí)內(nèi)容類型和學(xué)習(xí)目標(biāo)水平兩個(gè)維度來選擇合適的教學(xué)內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的特點(diǎn)，使得教學(xué)內(nèi)容更加適合使用問題導(dǎo)引的教學(xué)模式。虛擬現(xiàn)實(shí)課程介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，利用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(Virtual Reality Modeling Language，簡(jiǎn)稱VRML)程序?qū)嵺`虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。該課程是理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，通過實(shí)踐獲得具體的工程應(yīng)用技能是最終目的，所以要用具體的工程應(yīng)用問題引導(dǎo)課程教學(xué)。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系

虛擬現(xiàn)實(shí)的課程設(shè)計(jì)緊密圍繞問題展開，共分為基礎(chǔ)問題、階段問題和終極問題三個(gè)層次，如圖1所示。在基礎(chǔ)問題中，首先要明確虛擬現(xiàn)實(shí)概念，并創(chuàng)造虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，這是虛擬現(xiàn)實(shí)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建的先決條件。接下來，課程設(shè)計(jì)進(jìn)入階段問題，這是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的部分。一方面，通過幾何建模、外觀設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)變化等技術(shù)來構(gòu)建復(fù)雜的虛擬物體；另一方面，實(shí)現(xiàn)虛擬物體的動(dòng)畫、交互和物理仿真功能；同時(shí)，把虛擬物體放置在虛擬場(chǎng)景中并實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的漫游。以上所有步驟將有效地解決課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)問題和階段問題，進(jìn)而引出課程設(shè)計(jì)的終極問題——三維立體場(chǎng)景設(shè)計(jì)，向參與者提供視覺、聽覺、觸覺、導(dǎo)航漫游等方面身臨其境的感受，并且可以與場(chǎng)景環(huán)境中的三維實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)交互與感知。

該課程把虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)與VRML的應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，重塑課程知識(shí)結(jié)構(gòu)，重新編寫教材，按照虛擬現(xiàn)實(shí)的基本功能模塊設(shè)計(jì)授課內(nèi)容，如表1所示，每一講都要解決一個(gè)實(shí)際問題。

如何設(shè)計(jì)課程每一講需學(xué)習(xí)的問題，真正滿足學(xué)生的需求并激發(fā)他們的興趣，形成促進(jìn)學(xué)習(xí)的問題，對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的作用。在設(shè)計(jì)問題時(shí)，應(yīng)注意兩點(diǎn)：一是要以教學(xué)目標(biāo)為指引，結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)能力水平，設(shè)計(jì)出能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的問題；二是問題的設(shè)計(jì)應(yīng)注意邏輯關(guān)系，要覆蓋所有教學(xué)內(nèi)容，問題必須能逐步引出與所學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的知識(shí)。

表1 以問題為向?qū)У恼n程知識(shí)結(jié)構(gòu)

序號(hào)問題理論實(shí)踐第一講什么是虛擬現(xiàn)實(shí)?虛擬現(xiàn)實(shí)的概念、分類、發(fā)展、研究基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)意義和影響虛擬現(xiàn)實(shí)工作原理及典型系統(tǒng)演示第二講如何創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境?虛擬環(huán)境特征;虛擬現(xiàn)實(shí)軟件VRML的運(yùn)行和使用第三講如何創(chuàng)建虛擬物體的幾何模型?幾何建模的概念;簡(jiǎn)單的三維建模;從二維到三維的變換在VRML中創(chuàng)建三維立體造型第四講如何實(shí)現(xiàn)虛擬物體的外觀設(shè)計(jì)?色彩理論;紋理映射原理在VRML中實(shí)現(xiàn)虛擬物體的外觀設(shè)計(jì)第五講如何實(shí)現(xiàn)虛擬物體的運(yùn)動(dòng)和變化?模型變換;平移變換;比例變換;對(duì)稱變換;旋轉(zhuǎn)變換在VRML中實(shí)現(xiàn)虛擬物體的運(yùn)動(dòng)和變化第六講如何創(chuàng)建復(fù)雜的虛擬物體?構(gòu)圖技術(shù);細(xì)節(jié)層次模型在VRML中創(chuàng)建復(fù)雜虛擬物體第七講如何創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景環(huán)境?光照模型;反射模型;陰影算法在VRML中創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景環(huán)境第八講如何實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的漫游?視點(diǎn)的定位方法;虛擬環(huán)境的漫游技術(shù)在VRML中實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的漫游第九講如何實(shí)現(xiàn)虛擬物體的動(dòng)畫?生成動(dòng)態(tài)虛擬環(huán)境的重要性;數(shù)字的動(dòng)態(tài)特征;關(guān)鍵幀動(dòng)畫在VRML中實(shí)現(xiàn)虛擬物體的動(dòng)畫第十講如何實(shí)現(xiàn)與虛擬物體的交互?變換符號(hào);圖形拾取;物體拾取;碰撞檢測(cè)在VRML中實(shí)現(xiàn)與虛擬物體的交互第十一講如何實(shí)現(xiàn)虛擬物體的物理仿真?質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)物體運(yùn)動(dòng)、模糊物體運(yùn)動(dòng)仿真;自由形體變形(FFD)仿真;飛行器飛行動(dòng)力學(xué)仿真在VRML中實(shí)現(xiàn)虛擬物體的物理仿真第十二講如何創(chuàng)建虛擬三維立體場(chǎng)景?軟件項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì);三維立體、自然景觀、三維人體及動(dòng)物、道路橋梁、室內(nèi)外建筑的場(chǎng)景設(shè)計(jì);綜合場(chǎng)景設(shè)計(jì)在VRML中實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的三維立體場(chǎng)景

四、教學(xué)方法改革

鑒于課程知識(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)容的變化，教學(xué)方法也進(jìn)行了相應(yīng)地改革。課程采用了“知行合一”的教學(xué)方法，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)。每一講100分鐘的課時(shí)，理論教授50分鐘，實(shí)踐學(xué)習(xí)50分鐘，平衡兩者的關(guān)系，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證理論，使學(xué)生可以更好的接受課程內(nèi)容。

理論部分注重虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法的講解。例如在講解虛擬物體的運(yùn)動(dòng)和變化問題時(shí)，首先引入坐標(biāo)系矩陣的概念，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)偏移量對(duì)應(yīng)矩陣的分析，得出物體運(yùn)動(dòng)在計(jì)算機(jī)內(nèi)位置坐標(biāo)計(jì)算所需要的表達(dá)式，然后通過計(jì)算機(jī)繪圖，得出相應(yīng)的圖形圖像。

實(shí)踐部分注重對(duì)實(shí)例應(yīng)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(shí)踐應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容，具體來說就是把虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)理論與VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，使每個(gè)知識(shí)點(diǎn)均有對(duì)應(yīng)的演示程序。例如，對(duì)于虛擬物體的光照問題，在分析講解代碼原理的同時(shí)，使用程序界面演示虛擬光源與虛擬物體之間的相互關(guān)系，使教學(xué)內(nèi)容更直觀。

五、考核方式改革

考核評(píng)價(jià)是對(duì)這門課程以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式的實(shí)施過程和學(xué)習(xí)效果的整體檢視。由于該課程是基于問題的教學(xué)，問題學(xué)習(xí)的開放性和解決的過程性決定了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)有別于傳統(tǒng)的筆試，這種考核方式打破過去習(xí)慣于應(yīng)試教育的課堂教學(xué)、習(xí)慣于標(biāo)準(zhǔn)答案的考試、習(xí)慣于“60分及格”的考核，[3]以深化課堂教學(xué)改革為突破口，以能力本位為考核標(biāo)準(zhǔn)，通過開放性的結(jié)業(yè)作品來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

鑒于課程的最終目的是使學(xué)生具備在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域從事科學(xué)研究所需要的基本知識(shí)和技能，所以本課程的考核方式以實(shí)踐為主。根據(jù)本課程知識(shí)點(diǎn)較多的特點(diǎn)，考核分為分段練習(xí)與課程結(jié)業(yè)作品兩個(gè)部分。分段練習(xí)主要通過實(shí)際編程訓(xùn)練來培養(yǎng)學(xué)生對(duì)每一個(gè)單獨(dú)的工程實(shí)踐問題的解決能力。結(jié)業(yè)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(xiàn)實(shí)技術(shù)知識(shí)點(diǎn)，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)語言建立一個(gè)復(fù)雜的具有真實(shí)感的三維立體場(chǎng)景，并附一份詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過這種考核方式來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，豐富學(xué)生的想象力，并且提高學(xué)生的系統(tǒng)整合能力和工程應(yīng)用能力?？己藰?biāo)準(zhǔn)分優(yōu)、良、中、及格、不及格等五個(gè)等級(jí)。

表2 課程結(jié)業(yè)考核要求

考核事項(xiàng)具體內(nèi)容作品要求1.利用VRML語言建立一個(gè)三維立體場(chǎng)景2.虛擬場(chǎng)景具有真實(shí)感3.使用課程講授過的內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)盡可能多的功能考核形式1.每個(gè)人單獨(dú)完成一個(gè)作品2.提交一份VRML語言編寫的源程序3.提交一份課程結(jié)業(yè)報(bào)告4.參加答辯5.評(píng)委老師根據(jù)提交作品情況、答辯情況和平時(shí)成績(jī),評(píng)定結(jié)業(yè)成績(jī)報(bào)告格式封面:1.課程名稱;2.結(jié)業(yè)作品名稱;3.完成人姓名及學(xué)號(hào);4.完成時(shí)間。正文:1.作品總體描述;2.功能分析;3.系統(tǒng)設(shè)計(jì);4.源程序(要求有注釋);5.運(yùn)行結(jié)果(代表性圖片2張)。

六、改革成效與結(jié)論

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式在虛擬現(xiàn)實(shí)課程中的應(yīng)用自實(shí)施以來，不論在課堂活力方面，還是在學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)能力的提升方面，都顯示出了新的景象。從學(xué)生學(xué)習(xí)效果來看，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：其一，學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力提高。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，以解決實(shí)際問題為目標(biāo)，運(yùn)用已有知識(shí)和摸索自學(xué)新的知識(shí)，解決復(fù)雜問題，不僅有效地掌握虛擬現(xiàn)實(shí)的基本原理和方法，并且對(duì)問題的解決過程獨(dú)立思考，不斷反思。其二，學(xué)生綜合性思維能力增強(qiáng)，學(xué)生將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，運(yùn)用綜合性思維來全方位解決實(shí)際問題，尤其是通過課程結(jié)業(yè)作品設(shè)計(jì)，在捕捉問題現(xiàn)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(chuàng)造性解決問題的能力。三是學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力提高。學(xué)生在編寫面向問題的程序時(shí)，充分調(diào)動(dòng)發(fā)散性思維，在與同學(xué)和老師的反復(fù)討論中確定解決方案，以親身實(shí)踐來驗(yàn)證其最適切的行動(dòng)方案，不僅激發(fā)了學(xué)生深入問題情境的動(dòng)力，而且激活了學(xué)生已有知識(shí)的活力和思維的創(chuàng)造力。

盡管以問題為導(dǎo)向的虛擬現(xiàn)實(shí)課程改革初現(xiàn)成效，顯示出較傳統(tǒng)教學(xué)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是實(shí)踐過程中仍然存在著一些問題，比如學(xué)生課前知識(shí)的儲(chǔ)備、教學(xué)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(xué)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及面寬、內(nèi)容豐富、發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，未來的課程改革還需要不斷總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)，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(xué)模式(PBL)在中職信息技術(shù)課中的應(yīng)用研究[D]. 北京：首都師范大學(xué), 2008.

[2] 趙沁平. 虛擬現(xiàn)實(shí)綜述[J]. 中國(guó)科學(xué)(F輯：信息科學(xué)), 2009(1)：2-46.

[3] 謝和平. 扎實(shí)推進(jìn)課堂教學(xué)改革[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué), 2016(1)：4-7.

(責(zé)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(zhǎng)安，男，華北電力大學(xué)教務(wù)處處長(zhǎng)、卓越工程師培養(yǎng)辦公室主任，教師教學(xué)發(fā)展中心主任，教授，博士生導(dǎo)師；白逸仙，女，華北電力大學(xué)教務(wù)處副研究員，教育學(xué)博士。

G712.3

A

1008-2603(2017)03-0126-04