工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)改革

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1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)改革要點(diǎn)

（1）工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)需要綜合多方面的知識技能，注重創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。在知識技能層面，虛擬現(xiàn)實(shí)的想象性、交互性、沉浸性特征，可讓學(xué)生在浩瀚的虛擬世界漫游，并與虛擬環(huán)境內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行交互，這種強(qiáng)烈的身臨其境的體驗(yàn)突破了傳統(tǒng)知識灌輸式的教學(xué)方式，向啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)過渡，并能營造有趣的學(xué)習(xí)情境。在教育主體層面，能夠激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提高知識獲取效率，同時(shí)還能擴(kuò)展學(xué)生的視野、開拓學(xué)生的思維，激發(fā)無限的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。但是，目前絕大多數(shù)高校虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程仍采用以數(shù)字化建模為主的桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)，依靠鼠標(biāo)、鍵盤、顯示屏與產(chǎn)品進(jìn)行互動(dòng)，無視覺封鎖、無聽覺觸覺反饋使得沉浸感極差，想象性與交互性也大打折扣。因此，突破桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)，探索研究立體顯示、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程教學(xué)改革的要點(diǎn)。

（2）對工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)而言，產(chǎn)品設(shè)計(jì)評價(jià)是不可或缺的環(huán)節(jié)。工業(yè)設(shè)計(jì)作為科技與文化的融合體，在信息化浪潮的推動(dòng)下發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，信息產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求迅速增長，對工業(yè)設(shè)計(jì)知識更新提出了更高要求，尤其是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[2]。因此，對于蜂擁而至的信息產(chǎn)品，用戶要通過人機(jī)界面同產(chǎn)品進(jìn)行信息互換，在信息化時(shí)代，交互展示成為產(chǎn)品評價(jià)的必然表達(dá)手段。傳統(tǒng)的產(chǎn)品實(shí)體展示存在著耗費(fèi)人力物力、制作過程較長、產(chǎn)品交互性差等弊端。而虛擬展示，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬逼真的三維環(huán)境，同時(shí)封鎖視覺，讓用戶有聽覺和觸覺反饋，讓用戶身臨其境的與產(chǎn)品互動(dòng)時(shí)又能沉浸于富有趣味的交互情感體驗(yàn)中。此外，虛擬展示還具備的極大優(yōu)勢是其交互手段可以以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為傳播方式。因此，在數(shù)字化建模的基礎(chǔ)上，構(gòu)建產(chǎn)品虛擬環(huán)境、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品動(dòng)態(tài)仿真和交互控制，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程教學(xué)改革的要點(diǎn)。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程體系構(gòu)建

如何開展好虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)這門課程，需要不斷探討與反思總結(jié)。針對上述的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)改革的2個(gè)要點(diǎn)，提出了有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)課程體系建設(shè)的思考：通過實(shí)踐推動(dòng)課程展開，整個(gè)教學(xué)活動(dòng)過程由一系列由易漸難的校企項(xiàng)目支撐，在學(xué)生基本掌握課程內(nèi)容后，由學(xué)生自由選擇項(xiàng)目，分組合作完成一個(gè)項(xiàng)目，達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)后結(jié)束課程學(xué)習(xí)。課程具體展開分為5個(gè)部分：虛擬現(xiàn)實(shí)理論、虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備、人機(jī)交互界面、虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)、項(xiàng)目實(shí)踐。其中虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)兩部分是課程體系構(gòu)建的重心。

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)理論

讓學(xué)生了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的背景、概念、特點(diǎn)和應(yīng)用及發(fā)展情況，展示虛擬現(xiàn)實(shí)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并播放優(yōu)秀設(shè)計(jì)作品，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的同時(shí)為接下來教學(xué)內(nèi)容的展開做好鋪墊。

2.2虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備

硬件設(shè)備包括數(shù)字建模設(shè)備，如3D掃描儀等；三維視覺顯示設(shè)備，如3D展示系統(tǒng)、大型投影系統(tǒng)、頭戴式立體顯示器等；聲音設(shè)備，如三維的聲音系統(tǒng)以及非傳統(tǒng)意義的立體聲；以及交互設(shè)備，如位置追蹤儀、數(shù)據(jù)手套、3D輸入設(shè)備、動(dòng)作捕捉設(shè)備、眼動(dòng)儀、力反饋設(shè)備等。在硬件設(shè)備配備方面，多數(shù)的學(xué)校因教學(xué)經(jīng)費(fèi)原因，難以支持購買大型虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，如動(dòng)作捕捉儀和洞穴式顯示器等。但隨著科技進(jìn)步，以Google在2014年的I/O大會(huì)上推出的Googlecardboard為代表的廉價(jià)虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)在高校教學(xué)中的推廣應(yīng)用奠定了基石。SamsunggearVR、Googlecardboard和暴風(fēng)魔鏡都是用眼鏡封鎖用戶視覺，以避免外界環(huán)境干擾，并利用智能手機(jī)作為顯示器，通過透鏡將屏幕畫面成像在人眼3米之外，在不影響視力的情況下使用戶視覺沉浸。如SamsunggearVR還提供了加速計(jì)和陀螺儀來跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)，暴風(fēng)魔鏡提供了控制手柄，滿足了追蹤用戶動(dòng)態(tài)，與虛擬環(huán)境進(jìn)行簡單交互的要求。因此，在廉價(jià)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備席卷而來的時(shí)代背景下，高?？稍诮虒W(xué)經(jīng)費(fèi)允許的情況下從虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡購置入手，讓學(xué)生能夠親自動(dòng)手操作和體驗(yàn)各種設(shè)備，感受虛擬漫游、立體顯示、沉浸效果和反饋效果，使學(xué)生更為深入地了解設(shè)備的作用以及使用方式。虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用可以使虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)局限在數(shù)字化模型階段的現(xiàn)狀有所突破，三維顯示和沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)和評價(jià)產(chǎn)品提供了更為高效、便捷的方式。

2.3人機(jī)交互界面

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)中為了達(dá)到用戶和系統(tǒng)之間更好交流互動(dòng)，應(yīng)教授學(xué)生具備良好的人機(jī)交互設(shè)計(jì)理念。在課程中首先要簡要介紹人機(jī)交互界面的背景、內(nèi)容和發(fā)展，然后通過典型案例介紹向?qū)W生講授研究人機(jī)界面的各種理論和方法，讓學(xué)生理解并掌握以用戶為中心的基本設(shè)計(jì)原則、順序原則、功能原則、一致性原則等人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)原則，熟悉人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)流程。

2.4虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)

虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)是構(gòu)建產(chǎn)品使用情景、產(chǎn)品動(dòng)態(tài)仿真和交互控制的關(guān)鍵部分。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)包括數(shù)字化模型搭建和虛擬交互設(shè)計(jì)兩部分。數(shù)字化模型搭建可根據(jù)三維建模課程所教授的軟件進(jìn)行選用，如3DMax、Maya、Rhino、Solidworks、ProE等常用的三維軟件。虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件有Virtools、Quest3D、U－nity3d、Web3d、Vizard等常用軟件?，F(xiàn)以Untiy3d為例，描述虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)授課流程。課程可分為軟件編輯器結(jié)構(gòu)、GUI界面、控制腳本、虛擬環(huán)境元素、物理引擎、輸入與控制（包括鍵盤鼠標(biāo)事件、模型與動(dòng)畫和GL圖庫等）、持久化數(shù)據(jù)和多媒體8個(gè)部分。虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)部分課程以校企項(xiàng)目案例教學(xué)方式進(jìn)行，向?qū)W生展示案例從最初的方案構(gòu)建到最終的完整流程，將課程知識穿插在案例制作的流程之中。在此需要注意的是，

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)是建立在學(xué)生了解掌握程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，因此在虛擬現(xiàn)實(shí)課程的控制腳本部分，應(yīng)教授學(xué)生掌握c#或java等編程語言；

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用性很強(qiáng)，通過項(xiàng)目實(shí)踐驅(qū)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)課程的學(xué)習(xí)能及時(shí)鞏固所教授的知識，讓學(xué)生通過實(shí)踐加深對相關(guān)原理的理解和運(yùn)用，因此應(yīng)當(dāng)在學(xué)生有基礎(chǔ)的建模和編程能力時(shí)開始穿插小型實(shí)踐課題讓學(xué)生完成，并在虛擬交互硬件設(shè)備上體驗(yàn)自己完成的項(xiàng)目內(nèi)容，及時(shí)得到反饋以促進(jìn)學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)環(huán)節(jié)有效地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的仿真演示和動(dòng)態(tài)交互控制，滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案對使用情境、用戶心理、人機(jī)尺度以及虛擬裝配等的分析評價(jià)需求。

2.5項(xiàng)目實(shí)踐

這一環(huán)節(jié)，要求學(xué)生利用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)和交互設(shè)備完成一個(gè)完整的，涉及產(chǎn)品虛擬仿真演示和產(chǎn)品虛擬評價(jià)系統(tǒng)的項(xiàng)目。通過準(zhǔn)備多個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向供學(xué)生自由選擇，按照所選課題的不同分成相應(yīng)的組別，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)，并通過答辯的形式進(jìn)行，期間教師針對學(xué)生所做項(xiàng)目和課程重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行提問，并給出建議督促學(xué)生修改和完善。

3結(jié)語

通過研究工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)現(xiàn)狀，提出虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)改革的2個(gè)要點(diǎn)，即虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)突破桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)，在數(shù)字化建模的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)立體顯示和沉浸感；虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)構(gòu)建產(chǎn)品虛擬環(huán)境、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品動(dòng)態(tài)仿真和交互控制。針對2個(gè)要點(diǎn)構(gòu)建新的課程體系，在以實(shí)踐驅(qū)動(dòng)課程開展的基礎(chǔ)上，將課程分為循序漸進(jìn)的5個(gè)部分進(jìn)行，其中虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)是改革的重心，使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程更加適合工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)對產(chǎn)品沉浸式展示和交互式控制的需求。此外，隨著經(jīng)濟(jì)、科技和文化的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在突飛猛進(jìn)，工業(yè)設(shè)計(jì)的需求和內(nèi)容也在不斷變化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程內(nèi)容和課程設(shè)置理應(yīng)隨之不斷變化和改進(jìn)。

作者：林敬亭 范文潔 單位：華僑大學(xué)