張一馳 龔科瑜

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)施價(jià)格昂貴，對(duì)場(chǎng)地環(huán)境要求較高，給虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)類課程教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)帶來了極大困難。文章引入Vive Input Utility虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備輸入工具包，能夠讓學(xué)生在低成本通用平臺(tái)下進(jìn)行可模擬、可遷移的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)，降低了開展教學(xué)的硬件成本，提升了課堂教學(xué)效率，促進(jìn)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。該方法對(duì)相關(guān)課程教學(xué)效果的提升具備促進(jìn)效果和借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);仿真教學(xué);Vive Input Utility;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G434? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2019）24-0037-04

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日趨成熟，利用VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、MR（混合現(xiàn)實(shí)）等技術(shù)開發(fā)的新產(chǎn)品日漸增多[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)逐漸成為各大高校、職業(yè)院校計(jì)算機(jī)或藝術(shù)設(shè)計(jì)類專業(yè)開設(shè)的熱門課程，相關(guān)技能人才的需求與日俱增[2]。2018年，教育部在高等職業(yè)教育中增設(shè)“虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)”專業(yè)，標(biāo)志著虛擬現(xiàn)實(shí)教育成為現(xiàn)代職業(yè)教育中的重要分支。在這個(gè)大背景下，做好虛擬現(xiàn)實(shí)專業(yè)的教育教學(xué)和人才培養(yǎng)工作，探索使用新的信息化教學(xué)工具，提高虛擬現(xiàn)實(shí)專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量，有著顯而易見的價(jià)值。

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)類課程是虛擬現(xiàn)實(shí)專業(yè)的核心課程群，包括《虛擬平臺(tái)應(yīng)用》《虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)》等一系列的專業(yè)核心課程。該類課程旨在培養(yǎng)學(xué)生使用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)和項(xiàng)目開發(fā)的能力，對(duì)學(xué)生的邏輯思維、代碼編寫、設(shè)備使用、設(shè)計(jì)開發(fā)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等綜合素質(zhì)要求較高。除此之外，在計(jì)算機(jī)專業(yè)或數(shù)字媒體專業(yè)中開設(shè)的《虛擬現(xiàn)實(shí)》等課程，也要求學(xué)生結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)掌握一定的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[3]。

現(xiàn)階段的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)類課程，面臨硬件設(shè)施價(jià)格昂貴、教學(xué)環(huán)境要求較高、軟硬件開發(fā)工具不夠完善等諸多不利因素。以2019年6月的市價(jià)為例，開設(shè)常規(guī)的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)類課程所需專用硬件設(shè)備及計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)投入總計(jì)每套3萬元以上。經(jīng)實(shí)地測(cè)算，每套設(shè)備至少需要6平方米的實(shí)際操作空間。以30人的教學(xué)班為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，考慮到經(jīng)費(fèi)、教學(xué)場(chǎng)地和教學(xué)效果等因素的限制，學(xué)校滿足選課學(xué)生人手一套虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備是不切實(shí)際的，甚至大部分高校難以滿足四人一組的分組實(shí)踐條件。不僅如此，Unity 3D等常見虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)在其原生開發(fā)環(huán)境中，暫時(shí)只能支持聯(lián)機(jī)調(diào)試HTC Vive等主流的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，但學(xué)生只有在連接真實(shí)設(shè)備的環(huán)境中才能進(jìn)行開發(fā)調(diào)試工作。這些問題綜合起來，給虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)類課程的開展和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)實(shí)踐帶來了很大限制，對(duì)任課教師的教學(xué)設(shè)計(jì)及課堂組織能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

面對(duì)教學(xué)資源的客觀缺陷和大量的專業(yè)人才需求，在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)類課程中，引入虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備輸入仿真工具進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量是十分必要的。當(dāng)前的教育教學(xué)研究類文獻(xiàn)中，針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)專業(yè)開發(fā)類課程的討論，以專業(yè)建設(shè)[4]、人才培養(yǎng)模式[5]和課程內(nèi)容設(shè)計(jì)[6]為主對(duì)課程教學(xué)方法和信息化工具的討論較為匱乏。本文結(jié)合筆者近兩年的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)類課程教育教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，介紹使用Vive Input Utility（VIU）虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備輸入工具包進(jìn)行課程教學(xué)實(shí)踐、改善虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)類課程教學(xué)質(zhì)量的方法。

二、VIU及其優(yōu)勢(shì)

Vive Input Utility （VIU）是HTC Vive軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備輸入工具包，提供了對(duì)于各種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行控制的腳本組件和輸入模擬支持，用于輔助開發(fā)者在Unity開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)。目前在中文網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中有關(guān)該工具的介紹還比較少，基于該工具的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)可行性及開展方式還沒有被充分討論。筆者依據(jù)使用VIU進(jìn)行教學(xué)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了該工具有助于改善虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)類課程教學(xué)的幾大特點(diǎn)。

1.簡單易用的設(shè)備抽象和操作集成

VIU訪問虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的方式更為直觀。相較于傳統(tǒng)的使用設(shè)備索引號(hào)進(jìn)行訪問的方式，VIU可以通過角色訪問設(shè)備。例如，在傳統(tǒng)課堂中使用的Steam VR SDK中，我們需要使用“device0”“device1”等設(shè)備索引訪問硬件交互設(shè)備，而在VIU中，我們可以使用“LeftHand”或“RightHand”這種有具體含義的變量名代替設(shè)備索引進(jìn)行訪問。這一特點(diǎn)不僅有助于開發(fā)者進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，還可以幫助初學(xué)者更快地掌握相關(guān)設(shè)備交互方法，對(duì)設(shè)備操作方法的認(rèn)知更為直觀，減少了記憶量和復(fù)雜度，降低了學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)踐過程中不必要的難度，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)有積極意義。

Vive Input Utility以組件腳本的形式封裝了常見的虛擬現(xiàn)實(shí)交互方式。從虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備操作的方面看，VIU對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)場(chǎng)景中常見的物體抓取與投擲、傳送、用戶界面指針等操作進(jìn)行了封裝，提供了一系列的常見功能腳本，可以方便地進(jìn)行調(diào)用。這些功能腳本相較于SteamVR SDK更直觀，可以讓學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)掌握。對(duì)這些腳本進(jìn)行合理的使用，能夠提高課堂學(xué)習(xí)效率。

在VIU的資源包中，開發(fā)團(tuán)隊(duì)為使用者提供了一系列循序漸進(jìn)的案例項(xiàng)目（見圖1）。這些案例依次介紹了基礎(chǔ)操作、UGUI系統(tǒng)、物體拖拽等功能，難度由淺至深，循序漸進(jìn)，可以成為輔助教師課堂教學(xué)、幫助學(xué)生進(jìn)行課外實(shí)踐的教學(xué)資源。

2.提供輸入模擬器

Vive Input Utility工具包能夠提供HTC Vive和Vive Pro等虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備的輸入仿真，將實(shí)際的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備輸入映射為PC常見外設(shè)的輸入，從而實(shí)現(xiàn)在不連接虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的PC機(jī)上進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開發(fā)調(diào)試。例如，在默認(rèn)設(shè)置下，開發(fā)者可以使用按下鍵盤W鍵讓仿真模擬器中的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔向前移動(dòng)，單擊鼠標(biāo)左鍵模擬按下HTC手柄的扳機(jī)鍵，按住鍵盤Shift鍵和鼠標(biāo)右鍵的同時(shí)滑動(dòng)鼠標(biāo)以模擬HTC手柄圓盤觸摸板操作。當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)人員在Unity中完成了場(chǎng)景創(chuàng)建和交互腳本的設(shè)計(jì)之后，不需要連接物理的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，直接點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，就可以在Game窗口中啟動(dòng)VIU Simulator虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備模擬器，進(jìn)行仿真操作和功能驗(yàn)證。

不僅如此，VIU還支持其他虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)設(shè)備的輸入仿真，例如Oculus Rift、Daydream和微軟的MR頭戴設(shè)備等。這些便利的設(shè)備仿真功能可以讓學(xué)生在進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)較少投入到底層設(shè)備的差異化編碼中，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用開發(fā)能力有顯而易見的價(jià)值。

3.顯著節(jié)約成本

在Unity官方資源商店中，截至2019年6月底，VIU工具當(dāng)前版本為1.10.4版，文件大小只有5.1MB，支持Unity5.3.6以上的版本，可以免費(fèi)下載使用，對(duì)開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)性能要求較低。這些便利條件使得教師能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)類課程中脫離物理設(shè)備進(jìn)行教學(xué)展示和效果檢驗(yàn)，減弱了教學(xué)場(chǎng)地和設(shè)備數(shù)量對(duì)教學(xué)效果的影響，還可以有效地為開設(shè)相關(guān)課程的院校節(jié)約課程開設(shè)成本。

除此之外，使用VIU進(jìn)行教學(xué)，能夠方便學(xué)生在課后進(jìn)行練習(xí)和實(shí)踐開發(fā)，對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)起到了輔助作用，不僅節(jié)約了學(xué)生的學(xué)習(xí)成本，還避免了設(shè)備和場(chǎng)地等因素對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的限制。

三、引入VIU的教學(xué)改革及效果

基于上文所分析的諸多理由，VIU可以作為改進(jìn)現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)類課程的一大利器。把VIU引入到虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)類課程的教學(xué)中，可以從改善課程設(shè)計(jì)、改進(jìn)課堂教學(xué)、豐富學(xué)生實(shí)踐、優(yōu)化學(xué)生考核評(píng)價(jià)等幾方面展開討論。

1.改善課程設(shè)計(jì)

引入VIU可以壓縮課程設(shè)計(jì)中預(yù)留的學(xué)生排隊(duì)等待時(shí)間，提高教學(xué)效率，從而讓學(xué)生更充分地掌握開發(fā)技能。囿于設(shè)備和場(chǎng)地條件的限制，在傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)類課程教學(xué)大綱設(shè)計(jì)中，教師往往會(huì)在課程初期留出2-4學(xué)時(shí)的時(shí)間，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)并熟悉虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。在進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)者通常會(huì)為每個(gè)項(xiàng)目預(yù)留出不少于1課時(shí)的設(shè)備調(diào)試時(shí)間。而因?yàn)樵O(shè)備數(shù)量有限，在課程進(jìn)入這些階段時(shí)，只有少數(shù)學(xué)生有親自動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，其余大部分學(xué)生都只是在觀看或者進(jìn)行其他任務(wù)，這些折中的策略顯然大大降低了課堂利用率。以每學(xué)期64學(xué)時(shí)的《虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)》課程為例，傳統(tǒng)課程教學(xué)大綱中需要花費(fèi)4學(xué)時(shí)用來讓學(xué)生熟悉設(shè)備、12個(gè)學(xué)時(shí)用以6個(gè)課堂項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，總計(jì)因設(shè)備排隊(duì)使用耗費(fèi)16個(gè)學(xué)時(shí)，占到總學(xué)時(shí)數(shù)的1/4。盡管教師可以在課程總體進(jìn)度安排的基礎(chǔ)上組織學(xué)生靈活分組，提高課堂利用率，但依然是巧婦難為無米之炊。引入VIU后，可以大幅壓縮這部分時(shí)間，讓學(xué)生在VIU模擬器上先熟悉設(shè)備操作，進(jìn)行項(xiàng)目功能調(diào)試，測(cè)試無誤后再使用真實(shí)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。通過這種方法，僅需要使用2個(gè)學(xué)時(shí)讓學(xué)生熟悉設(shè)備、6個(gè)學(xué)時(shí)用以課堂項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，節(jié)省了50%的調(diào)試時(shí)間，提高了學(xué)習(xí)效率。具體對(duì)比見表1。

引入VIU能夠讓課程知識(shí)結(jié)構(gòu)的整體呈現(xiàn)更加合理、完整、多樣。以《虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)》課程為例，使用VIU進(jìn)行輔助教學(xué)，不僅節(jié)約了8個(gè)學(xué)時(shí)的調(diào)試時(shí)間，也為整體的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)帶來了更多的靈活性。教師可以在課堂上討論更多的技術(shù)細(xì)節(jié)，或者展示、分析虛擬現(xiàn)實(shí)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用案例，擴(kuò)充課程內(nèi)容的豐富性和完整性。這有助于學(xué)生掌握理論知識(shí)、鞏固實(shí)踐技能、拓展學(xué)科視野、提升就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.改進(jìn)課堂教學(xué)

VIU可以優(yōu)化教師在課堂教學(xué)過程中的案例演示效果，幫助教師更便捷地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，化解重點(diǎn)難點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)中采用的SteamVR SDK提供的接口繁多，腳本較為瑣碎，變量語義表示不夠直觀，在實(shí)際講授過程中往往會(huì)糾纏于開發(fā)工具的細(xì)節(jié)問題，如果處理不當(dāng)，容易弱化虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)性等課程核心內(nèi)容，造成授課邏輯主次不清，不利于學(xué)生掌握重點(diǎn)。VIU提供的設(shè)備操作腳本在保證功能一致的前提下，接口更為簡潔、語義更為直觀，這些特點(diǎn)能夠簡化學(xué)生對(duì)開發(fā)工具本身的理解，降低了學(xué)生對(duì)課堂輔助工具的認(rèn)知難度。不僅如此，由于VIU不必連接實(shí)際虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，使得教學(xué)場(chǎng)所的選擇更加靈活多樣，教師能夠在傳統(tǒng)的多媒體教室中完成課堂講授。

在課堂教學(xué)中引入VIU有助于教師更為合理地把控授課節(jié)奏，把更多的課堂時(shí)間放在對(duì)課程重點(diǎn)內(nèi)容的講解上。使用傳統(tǒng)VR設(shè)備進(jìn)行授課需要把大量的時(shí)間放在設(shè)備說明、調(diào)試和使用上，時(shí)間安排不符合教學(xué)過程的一般認(rèn)知規(guī)律。VIU能夠減少上述這些在理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)中不必要的時(shí)間花費(fèi)，給學(xué)生更多的思考練習(xí)時(shí)間，教師也能夠把更多課堂時(shí)間投入到教學(xué)重難點(diǎn)的講解上，使得課程節(jié)奏更為合理。

3.豐富學(xué)生實(shí)踐

合理設(shè)計(jì)學(xué)生的課堂練習(xí)和課后實(shí)踐項(xiàng)目是組織虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)類課程教學(xué)的一大重點(diǎn)。傳統(tǒng)的基于VR設(shè)備的教學(xué)由于場(chǎng)地和設(shè)備等因素的限制，難以開展豐富的學(xué)生課堂及課后實(shí)踐項(xiàng)目。借助VIU的功能和特點(diǎn)，教師可以設(shè)計(jì)一系列的學(xué)生實(shí)踐項(xiàng)目，促進(jìn)學(xué)生對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)的理解、夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)、提高專業(yè)能力[7]。

考慮到學(xué)生的專業(yè)興趣、能力及學(xué)科背景有所不同，在課程實(shí)際教學(xué)中，可以將實(shí)踐項(xiàng)目分成基礎(chǔ)型實(shí)踐項(xiàng)目、工程類實(shí)踐項(xiàng)目和探索類實(shí)踐項(xiàng)目等部分，針對(duì)不同學(xué)生的特點(diǎn)，做到因材施教。以64學(xué)時(shí)的《虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)》課程為例。根據(jù)課程教學(xué)大綱的安排和選課學(xué)生的實(shí)際背景，筆者在課程中以VIU為基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)計(jì)了8個(gè)基礎(chǔ)練習(xí)項(xiàng)目、4個(gè)工程類實(shí)踐項(xiàng)目和2個(gè)探索類實(shí)踐項(xiàng)目。8個(gè)基礎(chǔ)練習(xí)項(xiàng)目給出了虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)基礎(chǔ)環(huán)境和模型、粒子效果，僅需要學(xué)生根據(jù)課程重點(diǎn)完善相關(guān)代碼，這類項(xiàng)目可以讓學(xué)生在實(shí)踐課程中當(dāng)堂練習(xí)，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的掌握，起到夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)的作用。4個(gè)工程類實(shí)踐項(xiàng)目通過對(duì)實(shí)際虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)工程項(xiàng)目的簡化裁切，結(jié)合教學(xué)進(jìn)度，體現(xiàn)出一定的綜合性和復(fù)雜度。這類項(xiàng)目意在鍛煉學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，構(gòu)造較為完整的工程項(xiàng)目的能力，可以作為分組作業(yè)或者階段性課程設(shè)計(jì)的一部分。2個(gè)探索類實(shí)踐項(xiàng)目作為難度較大的部分，具有一定的開放性，可以讓學(xué)有余力、對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)興趣較為濃厚的學(xué)生進(jìn)行課后探索。這樣分層設(shè)置實(shí)踐項(xiàng)目能夠合理化教學(xué)節(jié)奏，保證不同層次的學(xué)生都能有所收獲，進(jìn)而達(dá)到學(xué)生全員參與、分層實(shí)踐。這種實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)置能夠?qū)嵤?，要得益于VIU的不需要連接真實(shí)設(shè)備即可測(cè)試、提供了較為豐富的演示實(shí)例等特性。相較于傳統(tǒng)教學(xué)工具而言，VIU可以讓學(xué)生更好地運(yùn)用課內(nèi)外時(shí)間進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。