基于STEAM理念的VR開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)

李 巖

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵244061）

在創(chuàng)新性應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)大背景下，如何切實(shí)提高數(shù)字媒體專業(yè)學(xué)生專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)新能力不足的問(wèn)題，需要構(gòu)建符合數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)發(fā)展的VR開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，讓多學(xué)科知識(shí)交叉整合。從目前應(yīng)用型本科高校虛擬現(xiàn)實(shí)專業(yè)發(fā)展?fàn)顩r分析，以銅陵學(xué)院為例，2014年開設(shè)數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)，人才培養(yǎng)方案里為了培養(yǎng)數(shù)字媒體應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新性人才，增加虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)課程。目前開設(shè)的基礎(chǔ)課程為Premiere視頻編輯、影視后期合成After Effect、建模動(dòng)畫3Dmax、圖形圖像處理PS等。在圖形圖像、影視動(dòng)畫方面，學(xué)生在全國(guó)大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)賽多次獲獎(jiǎng)，但虛擬現(xiàn)實(shí)交互類比賽卻沒(méi)有收獲，原因是虛擬現(xiàn)實(shí)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程沒(méi)有形成完善教學(xué)體系，專業(yè)課實(shí)驗(yàn)師資無(wú)業(yè)界資歷與培訓(xùn)經(jīng)歷，缺乏行業(yè)培訓(xùn)資料，無(wú)法跟蹤行業(yè)技術(shù)發(fā)展。業(yè)界人員又難以進(jìn)入高校體系，教育與產(chǎn)業(yè)脫節(jié)[1]。為了符合專業(yè)發(fā)展和虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)發(fā)展，需要搭建虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，讓學(xué)生了解先進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科知識(shí)交叉整合，提升專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

一、STEAM教育模式的構(gòu)建

（一）STEAM教育理念

STEAM教育理念是喬治特.雅克曼教授[2]在2011年提出的，作為美國(guó)長(zhǎng)期復(fù)合型人才和綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)的教育戰(zhàn)略目標(biāo)。首字母“S”代表科學(xué)（Science），“T”代表技術(shù)（Technology），“E”代表工程（Engineering），“A”代表藝術(shù)素養(yǎng)（Artistic literacy），“M”代表數(shù)學(xué)（Mathematics）[3]。STEAM教育理念的初衷是加強(qiáng)個(gè)別學(xué)科的教育，后來(lái)一些研究者和實(shí)踐者擴(kuò)展了其內(nèi)涵，STEAM教育模式是跨不同學(xué)科，以項(xiàng)目為基礎(chǔ)的教育理念，跨學(xué)科學(xué)習(xí)不只是各學(xué)科知識(shí)整合——計(jì)劃，創(chuàng)造和執(zhí)行才是STEAM教育理念的核心。它以學(xué)生為主體，運(yùn)用所學(xué)學(xué)科的理論知識(shí)和相關(guān)能力去探索問(wèn)題，學(xué)習(xí)性質(zhì)和方式均已發(fā)生轉(zhuǎn)變。學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)和技能去完成項(xiàng)目，在這過(guò)程中不斷發(fā)展每一位學(xué)生的實(shí)踐能力與綜合創(chuàng)新能力，STEAM教育理念是培養(yǎng)創(chuàng)新性人才和復(fù)合型人才的理論依據(jù)。

（二）VR實(shí)訓(xùn)課程融入STEAM理念的可行性分析

以數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)為例，開設(shè)影視設(shè)計(jì)類核心專業(yè)課程如數(shù)字?jǐn)z影、攝像藝術(shù)、影視剪輯藝術(shù)實(shí)踐、動(dòng)畫控制等，將多學(xué)科知識(shí)整合，以“項(xiàng)目化課程”作為數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，這符合STEAM理念，STEAM中的科學(xué)（S）可以培養(yǎng)數(shù)媒專業(yè)學(xué)生科學(xué)探究能力。技術(shù)（T）把轉(zhuǎn)場(chǎng)特效技術(shù)、3D建模技術(shù)、編程等多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行選擇和整合。工程（E）可以提高學(xué)生工程素養(yǎng)和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目操作規(guī)范。藝術(shù)素養(yǎng)（A）能夠幫助學(xué)生提升美學(xué)素養(yǎng)，作品美術(shù)場(chǎng)景優(yōu)化，展示作品藝術(shù)欣賞價(jià)值。數(shù)學(xué)（M）對(duì)新工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，是基礎(chǔ)學(xué)科，3D建?？臻g想象力等都離不開數(shù)學(xué)知識(shí)。因此，VR實(shí)訓(xùn)課程融入STEAM教育理念，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)法為中心，全面提升學(xué)生的實(shí)踐能力與綜合創(chuàng)新力。

二、基于STEAM理念的VR實(shí)訓(xùn)課程體系的構(gòu)建

以虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)課程為載體，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為任務(wù)主體，通過(guò)學(xué)科競(jìng)賽和企業(yè)實(shí)踐全面提升學(xué)生STEAM能力培養(yǎng)。實(shí)訓(xùn)課程以學(xué)生完成項(xiàng)目為課程目標(biāo)，通過(guò)參加虛擬展示類、全景漫游類、虛擬交互類等虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)競(jìng)賽，學(xué)生在硬件運(yùn)行、作品交互功能和美術(shù)場(chǎng)景優(yōu)化等方面的能力將會(huì)全面提升。

圖1 VR實(shí)訓(xùn)課程體系

基于STEAM理念的VR實(shí)訓(xùn)課程體系的構(gòu)建不是簡(jiǎn)單的課程和軟件的疊加，而是依據(jù)專業(yè)建設(shè)方向和發(fā)展規(guī)劃由簡(jiǎn)到難，循序漸進(jìn)，VR實(shí)訓(xùn)課程體系如圖1所示。

（一）unity引擎和頭盔開發(fā)

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)課程第一年開設(shè)unity引擎和頭盔開發(fā)，配套引擎開發(fā)基礎(chǔ)課程和引擎開發(fā)插件課程。這些VR基礎(chǔ)課程需要數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)學(xué)生具備數(shù)字?jǐn)z影、攝像藝術(shù)、影視剪輯藝術(shù)與實(shí)踐等影視設(shè)計(jì)類方向的專業(yè)課基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)訓(xùn)課程學(xué)習(xí)，掌握視頻播放、語(yǔ)音等熱點(diǎn)響應(yīng)、可視化交互技術(shù)。學(xué)生可以協(xié)作完成全景漫游方向的項(xiàng)目，比如全景校園、全景旅游等。

（二）硬件接口sdk交互開發(fā)

通過(guò)引擎開發(fā)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，同時(shí)具備unity3D、3dmax等模型設(shè)計(jì)類方向的專業(yè)課基礎(chǔ)的學(xué)生可以深入學(xué)習(xí)硬件開發(fā)課程，實(shí)訓(xùn)課程學(xué)習(xí)掌握虛擬場(chǎng)景構(gòu)建、多媒體資源互動(dòng)展示等技術(shù)，可以設(shè)計(jì)虛擬展示方向的項(xiàng)目，比如虛擬建筑，虛擬場(chǎng)館等。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)多平臺(tái)項(xiàng)目開發(fā)

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)課程體系最高層是可視化交互項(xiàng)目開發(fā)課程和編程交互項(xiàng)目開發(fā)課程。這一類課程可以面向計(jì)算機(jī)學(xué)院有編程開發(fā)類專業(yè)課程基礎(chǔ)的學(xué)生，不同專業(yè)間相互協(xié)作，通過(guò)實(shí)訓(xùn)課程操練，可以勝任虛擬交互方向的項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)物體旋轉(zhuǎn)展示剖切、結(jié)構(gòu)拆分展示、多媒體資源展示、動(dòng)畫控制等操作。

三、VR開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)環(huán)境部署

（一）VR開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)整體規(guī)劃方案

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)課程，讓學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)實(shí)際工作操作中的各項(xiàng)技術(shù)技能，一方面增強(qiáng)學(xué)生體驗(yàn)感，另一方面可以大大節(jié)省實(shí)訓(xùn)成本。同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)化信息化的實(shí)訓(xùn)操作，可以按照教學(xué)任務(wù)開展實(shí)訓(xùn)，教學(xué)效果更優(yōu)于實(shí)訓(xùn)?；阢~陵學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中心實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃和場(chǎng)地客觀條件，集教學(xué)與實(shí)訓(xùn)一體的智慧型VR開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)兼顧VR教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和VR開發(fā)實(shí)訓(xùn)室的功能，布局規(guī)劃圖如圖2所示。

圖2 VR開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)整體規(guī)劃

（二）VR交互實(shí)訓(xùn)室各個(gè)區(qū)功能介紹

1.虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)區(qū)

此區(qū)域進(jìn)行VR頭盔開發(fā)實(shí)訓(xùn)及實(shí)戰(zhàn)，集教學(xué)與實(shí)訓(xùn)為一體，配12個(gè)點(diǎn)位的實(shí)時(shí)渲染工作站及虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，用于VR競(jìng)賽項(xiàng)目全景漫游類開發(fā)。

2.虛實(shí)混合體驗(yàn)區(qū)

此區(qū)域?qū)嵱?xùn)內(nèi)容為用虛擬空間與真實(shí)人物影像合成交互，展示虛實(shí)混合媒體應(yīng)用交互項(xiàng)目。可進(jìn)行硬件環(huán)境搭建、交互腳本編寫混合現(xiàn)實(shí)綠幕環(huán)境設(shè)置及調(diào)用多個(gè)內(nèi)容的教學(xué)任務(wù)，并支持虛擬展示類項(xiàng)目開發(fā)與實(shí)戰(zhàn)。

3.光學(xué)手部捕捉體驗(yàn)區(qū)

此區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光學(xué)手部動(dòng)作識(shí)別交互的功能。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容讓學(xué)生掌握光學(xué)手部捕捉設(shè)備使用規(guī)則，展示光學(xué)姿態(tài)識(shí)別傳感虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目?？赏瓿蒐eapmotion硬件環(huán)境搭建、軟件環(huán)境配置及交互功能開發(fā)實(shí)現(xiàn)等教學(xué)任務(wù)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)多媒體資源展示、動(dòng)畫控制等

技術(shù)，用于支持虛擬交互類項(xiàng)目開發(fā)與實(shí)踐。4.光學(xué)全身捕捉體驗(yàn)區(qū)

此區(qū)域特點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)光學(xué)全身動(dòng)作識(shí)別交互功能。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容是讓學(xué)生學(xué)會(huì)光學(xué)全身捕捉設(shè)備使用，光學(xué)姿態(tài)識(shí)別傳感虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目展示。同時(shí)配合教學(xué)任務(wù)為Kinnect硬件環(huán)境搭建、軟件環(huán)境配置及交互功能開發(fā)實(shí)現(xiàn)等，可支持虛擬交互類項(xiàng)目競(jìng)賽。

5.無(wú)線數(shù)據(jù)手套體驗(yàn)區(qū)

該區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線姿態(tài)手部動(dòng)作識(shí)別交互的功能。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容是讓學(xué)生體驗(yàn)無(wú)線數(shù)據(jù)手套，虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，展示VR無(wú)線手套交互項(xiàng)目。學(xué)生還可以通過(guò)開發(fā)工作站學(xué)習(xí)Notiom Hi5硬件環(huán)境搭建、消磁、精度校準(zhǔn)、軟件環(huán)境配置、交互功能開發(fā)等任務(wù)。

6.CAVE交互體驗(yàn)區(qū)

CAVE是一種基于投影的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)[4]利用高分辨率的立體投影技術(shù)和圖像處理技術(shù)，交互性好，空間大，可以滿足一對(duì)多實(shí)訓(xùn)要求，用于虛擬項(xiàng)目作品展示。3D立體眼鏡，3D處理器硬件設(shè)備可以支持CAVE項(xiàng)目開發(fā)的教學(xué)任務(wù)。

7.模擬駕駛交互體驗(yàn)區(qū)

此區(qū)域用于模擬駕駛交互項(xiàng)目展示。學(xué)生通過(guò)模擬操控器進(jìn)行視覺(jué)模擬駕車體驗(yàn)，同時(shí)模擬操控臺(tái)可以操作反饋控制。汽車模擬駕駛操作使用說(shuō)明、硬件環(huán)境準(zhǔn)備、場(chǎng)景及車輛替換教程、汽車模擬駕駛交互開發(fā)教程也可以作為實(shí)訓(xùn)開發(fā)任務(wù)。

8.運(yùn)動(dòng)同步交互體驗(yàn)區(qū)

該區(qū)域全方位跑步機(jī)可以體驗(yàn)步態(tài)識(shí)別，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡可交互體驗(yàn)大場(chǎng)景移動(dòng)。同時(shí)具備運(yùn)動(dòng)同步交互項(xiàng)目展示功能。滿足全方向運(yùn)動(dòng)同步跑步機(jī)硬件環(huán)境搭建、全方向運(yùn)動(dòng)同步跑步機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境配置、漫游場(chǎng)景導(dǎo)入及交互開發(fā)等教學(xué)任務(wù)。

9.全景漫游拍攝設(shè)備

該區(qū)域可以進(jìn)行3D全景拍攝，無(wú)人機(jī)懸掛實(shí)訓(xùn)任務(wù)，完成全景交互技術(shù)概述、全景設(shè)備的認(rèn)知及使用、全景視頻后期處理等教學(xué)任務(wù)，同時(shí)可進(jìn)行全景數(shù)字交互項(xiàng)目開發(fā)。該區(qū)域也是VR影視動(dòng)畫全景漫游類競(jìng)賽主要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。

參照VR交互實(shí)訓(xùn)室各區(qū)域功能規(guī)劃，所配備的設(shè)備列表如表1所示。

（三）VR實(shí)訓(xùn)服務(wù)平臺(tái)

VR交互實(shí)訓(xùn)平臺(tái)需要健全的管理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)管理員權(quán)限，包含創(chuàng)建教師學(xué)生賬號(hào)、課程資源的管理、本地軟件端訪問(wèn)等。校企合作，雙方實(shí)時(shí)上傳自定義課程資源、同步查看在線問(wèn)答、監(jiān)管課程進(jìn)度等，具體功能如下：

表1 VR交互實(shí)訓(xùn)室各區(qū)域硬件設(shè)備

1.系統(tǒng)架構(gòu)：采用B/S架構(gòu)的形式進(jìn)行構(gòu)建，支持部署到教學(xué)服務(wù)器中形成學(xué)習(xí)、練習(xí)、考試于一體的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)；

2.系統(tǒng)頁(yè)面組成：首頁(yè)包含簡(jiǎn)介頁(yè)課程中心、新聞咨詢、課程搜索和教學(xué)服務(wù)平臺(tái)登錄頁(yè)；教學(xué)服務(wù)平臺(tái)的課程至少包含三個(gè)專業(yè)層級(jí)和課程層；

3.訪問(wèn)角色構(gòu)成及權(quán)限：訪問(wèn)角色包括教學(xué)管理員、教師、學(xué)生，教學(xué)管理員權(quán)限包含創(chuàng)建教師、學(xué)生賬號(hào)，教師賬號(hào)最大數(shù)量不少于100個(gè)；

4.教學(xué)資源頁(yè)面功能：至少800節(jié)課程上傳，支持圖片、視頻、文本、網(wǎng)頁(yè)鏈接、可下載文件等類型資源，同時(shí)支持關(guān)鍵字對(duì)標(biāo)題的模糊搜索；

5.教學(xué)頁(yè)面功能：教師賬號(hào)下，教師頁(yè)面可以看到學(xué)生課程學(xué)習(xí)情況，評(píng)論答疑；

6.通用信息模塊：支持管理員的簡(jiǎn)介主頁(yè)和新聞的新增、修改、刪除操作；新非登錄狀態(tài)下即可直接被查看。

四、總結(jié)

STEAM教育理念圍繞項(xiàng)目開發(fā)完成教與學(xué)，VR實(shí)訓(xùn)課程在學(xué)期最后由企業(yè)工程師參與課程實(shí)訓(xùn)，帶領(lǐng)學(xué)生開展案例實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂。實(shí)訓(xùn)形式將學(xué)生分組，并按照企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)明確分工。課程內(nèi)容以實(shí)際項(xiàng)目案例開發(fā)為主，指導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊(duì)選題、執(zhí)行項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)，并對(duì)項(xiàng)目開發(fā)所遇問(wèn)題進(jìn)行解答，對(duì)提交的項(xiàng)目作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)及后續(xù)優(yōu)化意見(jiàn)。綜上所述，本文構(gòu)建的VR開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以滿足我校數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)及競(jìng)賽任務(wù)。