面向多專業(yè)背景的交互式實(shí)時(shí)3D課程建設(shè)與探索

劉向東

（吉林大學(xué)公共計(jì)算機(jī)教學(xué)與研究中心，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引言

通過(guò)交互式實(shí)時(shí)3D，可讓內(nèi)容創(chuàng)作者按照與真實(shí)世界交互的方式直接與數(shù)字化的虛擬世界進(jìn)行互動(dòng)，是構(gòu)建沉浸式虛擬世界的基礎(chǔ)技能，在建筑、智能制造、自動(dòng)化等實(shí)體行業(yè)和虛擬制片、虛擬現(xiàn)實(shí)、教育等非實(shí)體行業(yè)都展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景［1-2］?！笆奈濉眹?guó)家信息化規(guī)劃將文化產(chǎn)業(yè)數(shù)字化戰(zhàn)略作為重點(diǎn)工程，推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)等新一代人機(jī)交互技術(shù)與其他行業(yè)相結(jié)合［3］。交互式實(shí)時(shí)3D 作為其中的核心技能，一個(gè)完整的實(shí)踐項(xiàng)目涉及到從程序控制到藝術(shù)設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域，是新時(shí)代文化產(chǎn)業(yè)非常重要的一環(huán)，非常適合面向本科各專業(yè)進(jìn)行推廣。本文針對(duì)多專業(yè)背景學(xué)生的特點(diǎn)，立足于交叉學(xué)科的人才培養(yǎng)需求，推出了全新的交互式實(shí)時(shí)3D 通識(shí)課程，并設(shè)計(jì)了個(gè)性化的教學(xué)方法，以期為相關(guān)課程的教學(xué)提供參考。

1 課程背景

傳統(tǒng)3D 動(dòng)畫、游戲和影視特效中采用離線渲染，雖然畫面效果更精細(xì)，但完成整部影片的渲染需要長(zhǎng)達(dá)幾天時(shí)間，每次對(duì)內(nèi)容進(jìn)行修改都需要重新啟動(dòng)渲染過(guò)程查看結(jié)果，非常不利于3D 創(chuàng)作。隨著實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的成熟，虛擬環(huán)境幾乎可以瞬間完成3D 視覺(jué)效果的顯示?；趯?shí)時(shí)圖形技術(shù)的交互式3D 開(kāi)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)修改、即時(shí)顯示，并實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的快速調(diào)試，如圖1 所示。這種開(kāi)發(fā)模式將對(duì)整個(gè)數(shù)字媒體內(nèi)容制作的工作與溝通方式帶來(lái)巨大改變［4］。面對(duì)新技術(shù)的沖擊，人才市場(chǎng)對(duì)相關(guān)技術(shù)人才的需求與日俱增。但相對(duì)于數(shù)字媒體技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，數(shù)字媒體教育領(lǐng)域則相對(duì)滯后。據(jù)普華永道發(fā)布的報(bào)告中預(yù)測(cè)，到2030 年，我國(guó)對(duì)VR/AR 人才的需求量在全球占比將達(dá)到18%，但提供的人才數(shù)量?jī)H占全世界的2%［5］。

Fig.1 Difference between real-time rendering and offline rendering圖1 實(shí)時(shí)渲染與離線渲染區(qū)別

交互式3D 發(fā)端于游戲行業(yè)，所以目前最流行的實(shí)時(shí)3D 軟件平臺(tái)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(zhì)量、龐大的插件和資源庫(kù)與基于藍(lán)圖的可視化編程系統(tǒng)，成為非編程類設(shè)計(jì)人員最喜歡的工具［6］。虛幻引擎目前已迭代到第5版，生產(chǎn)的內(nèi)容可部署到移動(dòng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）平臺(tái)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(yè)提供了一套完整的開(kāi)發(fā)工具［7］。虛幻引擎通過(guò)C++進(jìn)行開(kāi)發(fā)，也可以使用藍(lán)圖，用非代碼的方式實(shí)現(xiàn)完整的程序控制，極大地降低了非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，且在教學(xué)時(shí)可免費(fèi)下載和使用，非常適合作為多學(xué)科通識(shí)課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

吉林大學(xué)公共計(jì)算機(jī)教研中心基于自身的軟硬件條件，在本科計(jì)算機(jī)公共課程中面向各專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)交互式實(shí)時(shí)3D 設(shè)計(jì)、動(dòng)畫及游戲課程。課程以大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)作為前導(dǎo)課程，用虛幻引擎5 作為教學(xué)與實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)，提供HTC VIVE 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、綠幕環(huán)境和實(shí)驗(yàn)機(jī)房。通過(guò)分類型、分階段的內(nèi)容設(shè)計(jì)，以及翻轉(zhuǎn)課堂與基于團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的教學(xué)形式，引導(dǎo)學(xué)生將交互式3D 技術(shù)與各自的專業(yè)相結(jié)合，取得了不錯(cuò)的效果，有效提升了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)方法探討

2.1 課程面臨的主要問(wèn)題

作為通識(shí)類課程，選課學(xué)生覆蓋了藝術(shù)、播音主持、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)、工學(xué)等不同計(jì)算機(jī)水平、不同需求及專業(yè)方向的從大一到大四的學(xué)生。為切實(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，參考相關(guān)文獻(xiàn)［8-9］，對(duì)2021-2022 學(xué)年的選課學(xué)生在學(xué)期結(jié)束后進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查。結(jié)果顯示，選課專業(yè)與年級(jí)分布如圖2 所示，選課動(dòng)機(jī)主要包括：①對(duì)3D 設(shè)計(jì)有興趣；②了解相關(guān)知識(shí)的重要性；③他人或?qū)W院推薦；④完成學(xué)分。

Fig.2 Distribution of students grade and major in the second semester of 2021-2022圖2 2021-2022學(xué)年第二學(xué)期選課學(xué)生專業(yè)與年級(jí)分布

學(xué)生完成課程目標(biāo)存在以下3方面的問(wèn)題：

（1）教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的多元化背景不匹配。交互式實(shí)時(shí)3D 創(chuàng)作是一個(gè)龐大的綜合體，包含從理工知識(shí)到藝術(shù)設(shè)計(jì)知識(shí)的應(yīng)用型開(kāi)發(fā)體系，一個(gè)學(xué)期的通識(shí)課程難以讓不同專業(yè)的學(xué)生全面掌握相關(guān)知識(shí)。所以，不論從教學(xué)時(shí)間、學(xué)生接受能力還是學(xué)科相關(guān)性來(lái)看，都不適合對(duì)學(xué)生進(jìn)行通盤講授，而是需要根據(jù)學(xué)生的專業(yè)背景選擇教學(xué)方向和內(nèi)容。

（2）綜合實(shí)驗(yàn)完成度低。交互式3D 是具有很強(qiáng)實(shí)踐性和操作性的課程，學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在教學(xué)時(shí)間中占據(jù)相當(dāng)?shù)谋戎?，而?lái)自不同專業(yè)的學(xué)生由于能力和興趣點(diǎn)不同，對(duì)課程內(nèi)容的掌握有很大區(qū)別。學(xué)生選課動(dòng)機(jī)不同，雖然隨著課時(shí)的進(jìn)行都能找到興趣點(diǎn)，但是由于一個(gè)完整的3D 交互項(xiàng)目涉及的內(nèi)容較多，實(shí)現(xiàn)完整的實(shí)踐項(xiàng)目需要對(duì)項(xiàng)目整體進(jìn)行通盤了解，對(duì)學(xué)生的能力要求較高。

（3）缺乏課外資源的支持。有些學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容和相關(guān)領(lǐng)域很感興趣，但教師受限于課時(shí)和課程難度，不能在課堂中對(duì)領(lǐng)域涵蓋的諸多子方向和應(yīng)用進(jìn)行全面講解與練習(xí)。因此，需要為學(xué)生在其感興趣的方向上提供更多課外實(shí)際操作機(jī)會(huì)和相關(guān)比賽的訓(xùn)練。

2.2 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

針對(duì)多專業(yè)背景教學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題已經(jīng)有了很多研究［10-15］，但缺乏針對(duì)交互式3D 課程文理科強(qiáng)交叉以及教學(xué)內(nèi)容覆蓋廣、綜合項(xiàng)目難度大等特點(diǎn)進(jìn)行的研究。本文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，根據(jù)課程實(shí)踐，將傳統(tǒng)教學(xué)方法調(diào)整為分類型、分階段的教學(xué)模式，主要包含以下內(nèi)容：

（1）分類型的教學(xué)目標(biāo)。為了讓學(xué)生可根據(jù)不同專業(yè)背景，有效掌握交互式實(shí)時(shí)3D 的基本創(chuàng)作過(guò)程和技術(shù)，并能根據(jù)自身專業(yè)和興趣貼合3D 項(xiàng)目，課程不再對(duì)所有學(xué)生使用統(tǒng)一的教學(xué)目標(biāo)，而是預(yù)先根據(jù)專業(yè)分類，如播音主持和藝術(shù)學(xué)院屬于藝術(shù)類，行政、考古和經(jīng)濟(jì)學(xué)院屬于產(chǎn)品類，電子、軟件和物理學(xué)院屬于控制類，再針對(duì)每類學(xué)生設(shè)計(jì)不同的教學(xué)任務(wù)和考核內(nèi)容。

（2）分階段的分組教學(xué)模式。課程教學(xué)與具體項(xiàng)目的深度融合是課程設(shè)計(jì)的總體方向，但實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)不應(yīng)該對(duì)全部學(xué)生采用單一模式。為了讓學(xué)生根據(jù)自己的能力和興趣點(diǎn)選擇適合的項(xiàng)目?jī)?nèi)容，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣和自主性，教學(xué)實(shí)踐被分為初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)3個(gè)教學(xué)階段。

初級(jí)階段屬于基礎(chǔ)內(nèi)容，所有學(xué)生必學(xué)。中級(jí)階段允許學(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣選擇不同類型的學(xué)習(xí)任務(wù)，完成不同類型的實(shí)踐項(xiàng)目。同時(shí)，為了讓學(xué)生了解和體驗(yàn)一個(gè)完整3D 交互設(shè)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，采用分組學(xué)習(xí)和實(shí)踐模式，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M隊(duì)，讓每組學(xué)員可將各自的項(xiàng)目組合成完整的應(yīng)用。高級(jí)階段適合學(xué)有余力的學(xué)生選學(xué)，以便了解業(yè)內(nèi)的最新發(fā)展?fàn)顩r。

（3）按類別和階段設(shè)計(jì)在線資源。從中級(jí)階段開(kāi)始，當(dāng)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)都基于個(gè)性化的選擇，學(xué)生就不得不面對(duì)自主學(xué)習(xí)的問(wèn)題。雖然交互式3D 領(lǐng)域有大量在線資源可供選擇，如虛幻引擎官網(wǎng)、Bilibili 視頻網(wǎng)站、在線文檔和其他Mooc 資源等，但這些內(nèi)容龐大且繁雜，需要教師去蕪存精，更需要根據(jù)學(xué)生的類別和學(xué)習(xí)階段進(jìn)行整理。

課程選取學(xué)習(xí)通作為在線教學(xué)平臺(tái)，提供教師制作與選取的視頻和開(kāi)源項(xiàng)目，并針對(duì)藝術(shù)、控制和產(chǎn)品類別分別設(shè)置中級(jí)與高級(jí)的在線資源，讓學(xué)生更有效、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)與解決自己的問(wèn)題。

3 教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

交互式實(shí)時(shí)3D 創(chuàng)作的基本流程為：①在虛幻引擎中導(dǎo)入和編輯3D 模型、動(dòng)畫、音頻等多種資源；②添加光照、材質(zhì)設(shè)計(jì)、物理、音頻、視覺(jué)等效果，創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景；③通過(guò)C++或藍(lán)圖為場(chǎng)景中的Actor 添加智能行為、組件材質(zhì)修改方法，以及動(dòng)畫切換、用戶互動(dòng)等控制程序；④添加UI 界面和程序流程控制；⑤項(xiàng)目根據(jù)發(fā)布平臺(tái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化、配置和發(fā)布，從而生成一個(gè)能夠探索、互動(dòng)的3D 世界。

為促進(jìn)高校在人才培養(yǎng)和課程建設(shè)上適應(yīng)職業(yè)崗位需求，工信部發(fā)布了《3D 引擎技術(shù)應(yīng)用職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)3D 引擎的學(xué)習(xí)提出符合行業(yè)企業(yè)需求的建議［16］，并將開(kāi)發(fā)能力分為初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)3 個(gè)等級(jí)。同時(shí)為了在教學(xué)過(guò)程中讓不同學(xué)科背景的學(xué)生選擇適合的內(nèi)容，將中級(jí)流程分為控制類、藝術(shù)類和產(chǎn)品類，對(duì)接《3D 引擎技術(shù)應(yīng)用職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，梳理出教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

Fig.3 Teaching content design framework圖3 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)框架

其中，初級(jí)階段是所有選課學(xué)生的必學(xué)內(nèi)容，對(duì)于場(chǎng)景交互，只選擇非編程的可視化藍(lán)圖腳本實(shí)現(xiàn)。從中級(jí)開(kāi)始，允許學(xué)生根據(jù)自身情況選學(xué)某一類別的知識(shí)，并啟動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生根據(jù)所選內(nèi)容自由組隊(duì)，完成指定項(xiàng)目。高級(jí)階段是選學(xué)內(nèi)容，學(xué)有余力的學(xué)生可使用教學(xué)資源或其他在線資源進(jìn)行學(xué)習(xí)和項(xiàng)目實(shí)踐，教師主要負(fù)責(zé)引導(dǎo)和答疑。

3.2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)依據(jù)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的分類和學(xué)生的選擇，設(shè)計(jì)為3個(gè)子方向和1個(gè)綜合項(xiàng)目：

（1）校園場(chǎng)景漫游。藝術(shù)類學(xué)生以真實(shí)校園為模板，通過(guò)模型進(jìn)行環(huán)境設(shè)計(jì)，搭建仿真的虛擬校園。

（2）行人和交通模擬。控制類學(xué)生通過(guò)藍(lán)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(dòng)，并可通過(guò)鍵盤控制角色與環(huán)境互動(dòng)。

（3）交互式物體展示和動(dòng)畫制作。產(chǎn)品類學(xué)生通過(guò)UI菜單，采用選擇、旋轉(zhuǎn)、縮放等方式對(duì)導(dǎo)入的網(wǎng)格體進(jìn)行展示，并將展示過(guò)程生成網(wǎng)頁(yè)和動(dòng)畫視頻。

（4）綜合項(xiàng)目是基于虛擬校園的解謎類游戲，需要團(tuán)隊(duì)合作完成，生成一個(gè)包括過(guò)場(chǎng)動(dòng)畫的功能完整的游戲。學(xué)生可根據(jù)實(shí)際情況自由組隊(duì)，把完成的3 組實(shí)驗(yàn)整合到一起，自由設(shè)計(jì)游戲元素和主線，并任意添加VR、AR 等特性。

所有教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和綜合項(xiàng)目的主題并未進(jìn)行嚴(yán)格要求，而是允許學(xué)生根據(jù)各自的專業(yè)和興趣，在教師同意的情況下對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作出修改，同時(shí)鼓勵(lì)創(chuàng)作學(xué)科交叉的應(yīng)用項(xiàng)目。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的分階段教學(xué)實(shí)踐

由于采用了分類型、分階段的教學(xué)模式設(shè)計(jì)，在教學(xué)實(shí)踐中也為不同教學(xué)階段采取不同的教學(xué)策略，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目督促學(xué)生更積極地完成線上線下混合教學(xué)。

（1）初級(jí)階段。主要通過(guò)幻燈片教學(xué)和操作步驟的演示，幫助學(xué)生更好地理解交互式3D 并熟悉相關(guān)引擎。包括交互式3D 基本概念、相關(guān)技術(shù)和設(shè)計(jì)流程，虛幻引擎搭建與基礎(chǔ)操作，以及使用藍(lán)圖實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景控制方法的入門。

（2）中級(jí)階段。由學(xué)生根據(jù)專業(yè)進(jìn)行分類型學(xué)習(xí)，從藝術(shù)類、控制類和產(chǎn)品類中進(jìn)行選擇，不同類型的教學(xué)內(nèi)容將不一樣。藝術(shù)類主要學(xué)習(xí)環(huán)境渲染、效果設(shè)計(jì)和角色動(dòng)畫；控制類主要學(xué)習(xí)高級(jí)編程、場(chǎng)景交互和智能系統(tǒng)；產(chǎn)品類主要學(xué)習(xí)項(xiàng)目整體的界面設(shè)計(jì)、流程控制和內(nèi)容整合及發(fā)布。

教學(xué)手段也改為基于項(xiàng)目的翻轉(zhuǎn)課堂。課程開(kāi)始時(shí)公布各類別的實(shí)驗(yàn)方向，學(xué)生分批輪換式上課。奇數(shù)課借助線上學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)布的目標(biāo)和教學(xué)視頻，讓學(xué)生通過(guò)案例進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；偶數(shù)課由學(xué)生介紹案例作品及所遇到的問(wèn)題，教師負(fù)責(zé)答疑并將操作總結(jié)成知識(shí)體系。此外，每輪課程學(xué)生都要使用所學(xué)內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)，并由教師和其他學(xué)生打分，以此督促學(xué)生積極參與線上自學(xué)。

（3）高級(jí)階段。涉及到交互式3D 的高級(jí)應(yīng)用，此為選學(xué)內(nèi)容。由教師為學(xué)有余力且對(duì)3D、AR、VR 領(lǐng)域非常感興趣的學(xué)生準(zhǔn)備對(duì)應(yīng)的教學(xué)文檔和在線視頻，學(xué)生自主進(jìn)行學(xué)習(xí)，教師負(fù)責(zé)答疑解惑。同時(shí)，在此階段開(kāi)展綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由學(xué)生自由組隊(duì)，每組最多6 人，包含3 個(gè)類別的學(xué)生至少一人。通過(guò)創(chuàng)建完整的游戲項(xiàng)目，從而整合所學(xué)知識(shí)。

5 教學(xué)實(shí)踐效果

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，這種分類型、分階段的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)計(jì)，可以有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和綜合實(shí)驗(yàn)完成度。原先部分文科專業(yè)和學(xué)習(xí)能力較弱的學(xué)生，在課程中后期跟不上教學(xué)進(jìn)度，參與度低。但在新模式下，幾乎所有學(xué)生都能在所選類別中完成教學(xué)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。從學(xué)習(xí)通平臺(tái)的反饋看，章節(jié)的任務(wù)點(diǎn)完成度從76%提升到94%，課堂問(wèn)題的參與度從48%提升到74%，綜合實(shí)驗(yàn)的平均分?jǐn)?shù)從60分提升到80分。

此外，在學(xué)期結(jié)束后，部分學(xué)生依然使用課程的在線平臺(tái)參與“大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽”等相關(guān)比賽，并獲得了省一和國(guó)二等獎(jiǎng)項(xiàng)，同時(shí)通過(guò)案例討論和經(jīng)驗(yàn)分享，進(jìn)一步提升了自學(xué)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

6 結(jié)語(yǔ)

交互式實(shí)時(shí)3D 技術(shù)發(fā)掘出了虛擬世界的潛力，擴(kuò)展了3D 創(chuàng)意的能力和視野。而且這種創(chuàng)建數(shù)字世界并與之實(shí)時(shí)交互的能力，并不局限于娛樂(lè)方面。配合AR、VR 等新型人機(jī)交互方式以及自動(dòng)化和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可幫助人們以更真實(shí)、更有意義的方式模擬現(xiàn)實(shí)世界。

這些技能的普及和應(yīng)用是大勢(shì)所趨，相關(guān)課程會(huì)讓學(xué)生受益匪淺，本文提出的交互式實(shí)時(shí)3D 課程建設(shè)方法，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和應(yīng)用交互式3D 解決問(wèn)題的能力，為學(xué)生在線學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了支持。希望該研究能為此領(lǐng)域的教學(xué)提供一些參考借鑒。