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    工业设计专业虚拟现实技术教学改革

    2019/4/28      点击:

    1虚拟现实技术教学改革要点

    (1)工业设计专业需要综合多方面的知识技能,注重创新思维的培养。在知识技能层面,虚拟现实的想象性、交互性、沉浸性特征,可让学生在浩瀚的虚拟世界漫游,并与虚拟环境内的产品进行交互,这种强烈的身临其境的体验突破了传统知识灌输式的教学方式,向启发式、引导式教学过渡,并能营造有趣的学习情境。在教育主体层面,能够激发学生内在学习动机,提高知识获取效率,同时还能扩展学生的视野、开拓学生的思维,激发无限的创新创造能力。但是,目前绝大多数高校虚拟现实技术课程仍采用以数字化建模为主的桌面式虚拟现实教学,依靠鼠标、键盘、显示屏与产品进行互动,无视觉封锁、无听觉触觉反馈使得沉浸感极差,想象性与交互性也大打折扣。因此,突破桌面式虚拟现实教学,探索研究立体显示、沉浸式虚拟现实的实现,是虚拟现实技术课程教学改革的要点。

    (2)对工业设计专业而言,产品设计评价是不可或缺的环节。工业设计作为科技与文化的融合体,在信息化浪潮的推动下发生了重大转变,信息产品设计需求迅速增长,对工业设计知识更新提出了更高要求,尤其是计算机辅助设计技术与虚拟现实技术[2]。因此,对于蜂拥而至的信息产品,用户要通过人机界面同产品进行信息互换,在信息化时代,交互展示成为产品评价的必然表达手段。传统的产品实体展示存在着耗费人力物力、制作过程较长、产品交互性差等弊端。而虚拟展示,运用虚拟现实技术模拟逼真的三维环境,同时封锁视觉,让用户有听觉和触觉反馈,让用户身临其境的与产品互动时又能沉浸于富有趣味的交互情感体验中。此外,虚拟展示还具备的极大优势是其交互手段可以以移动互联网为传播方式。因此,在数字化建模的基础上,构建产品虚拟环境、实现产品动态仿真和交互控制,也是虚拟现实技术课程教学改革的要点。

    2虚拟现实技术课程体系构建

    如何开展好虚拟现实技术这门课程,需要不断探讨与反思总结。针对上述的虚拟现实技术教学改革的2个要点,提出了有关虚拟现实课程体系建设的思考:通过实践推动课程展开,整个教学活动过程由一系列由易渐难的校企项目支撑,在学生基本掌握课程内容后,由学生自由选择项目,分组合作完成一个项目,达到考核标准后结束课程学习。课程具体展开分为5个部分:虚拟现实理论、虚拟现实硬件设备、人机交互界面、虚拟现实开发、项目实践。其中虚拟现实硬件设备和虚拟现实开发两部分是课程体系构建的重心。

    2.1虚拟现实理论

    让学生了解虚拟现实技术的背景、概念、特点和应用及发展情况,展示虚拟现实在工业设计领域的应用情况,并播放优秀设计作品,激发学生内在学习动机的同时为接下来教学内容的展开做好铺垫。

    2.2虚拟现实硬件设备

    硬件设备包括数字建模设备,如3D扫描仪等;三维视觉显示设备,如3D展示系统、大型投影系统、头戴式立体显示器等;声音设备,如三维的声音系统以及非传统意义的立体声;以及交互设备,如位置追踪仪、数据手套、3D输入设备、动作捕捉设备、眼动仪、力反馈设备等。在硬件设备配备方面,多数的学校因教学经费原因,难以支持购买大型虚拟现实设备,如动作捕捉仪和洞穴式显示器等。但随着科技进步,以Google在2014年的I/O大会上推出的Googlecardboard为代表的廉价虚拟现实眼镜,为沉浸式虚拟现实在高校教学中的推广应用奠定了基石。SamsunggearVR、Googlecardboard和暴风魔镜都是用眼镜封锁用户视觉,以避免外界环境干扰,并利用智能手机作为显示器,通过透镜将屏幕画面成像在人眼3米之外,在不影响视力的情况下使用户视觉沉浸。如SamsunggearVR还提供了加速计和陀螺仪来跟踪头部运动,暴风魔镜提供了控制手柄,满足了追踪用户动态,与虚拟环境进行简单交互的要求。因此,在廉价虚拟现实设备席卷而来的时代背景下,高校可在教学经费允许的情况下从虚拟现实眼镜购置入手,让学生能够亲自动手操作和体验各种设备,感受虚拟漫游、立体显示、沉浸效果和反馈效果,使学生更为深入地了解设备的作用以及使用方式。虚拟现实眼镜设备在教学中的应用可以使虚拟现实教学局限在数字化模型阶段的现状有所突破,三维显示和沉浸式虚拟现实技术为工业设计专业设计开发和评价产品提供了更为高效、便捷的方式。

    2.3人机交互界面

    虚拟现实技术教学中为了达到用户和系统之间更好交流互动,应教授学生具备良好的人机交互设计理念。在课程中首先要简要介绍人机交互界面的背景、内容和发展,然后通过典型案例介绍向学生讲授研究人机界面的各种理论和方法,让学生理解并掌握以用户为中心的基本设计原则、顺序原则、功能原则、一致性原则等人机交互界面的设计原则,熟悉人机交互界面的设计流程。

    2.4虚拟现实开发

    虚拟现实开发是构建产品使用情景、产品动态仿真和交互控制的关键部分。虚拟现实系统开发包括数字化模型搭建和虚拟交互设计两部分。数字化模型搭建可根据三维建模课程所教授的软件进行选用,如3DMax、Maya、Rhino、Solidworks、ProE等常用的三维软件。虚拟现实开发软件有Virtools、Quest3D、U-nity3d、Web3d、Vizard等常用软件。现以Untiy3d为例,描述虚拟现实开发授课流程。课程可分为软件编辑器结构、GUI界面、控制脚本、虚拟环境元素、物理引擎、输入与控制(包括键盘鼠标事件、模型与动画和GL图库等)、持久化数据和多媒体8个部分。虚拟现实开发部分课程以校企项目案例教学方式进行,向学生展示案例从最初的方案构建到最终发布的完整流程,将课程知识穿插在案例制作的流程之中。在此需要注意的是,

    (1)虚拟现实系统开发是建立在学生了解掌握程序设计的基础之上,因此在虚拟现实课程的控制脚本部分,应教授学生掌握c#或java等编程语言;

    (2)虚拟现实系统开发的应用性很强,通过项目实践驱动虚拟现实课程的学习能及时巩固所教授的知识,让学生通过实践加深对相关原理的理解和运用,因此应当在学生有基础的建模和编程能力时开始穿插小型实践课题让学生完成,并在虚拟交互硬件设备上体验自己完成的项目内容,及时得到反馈以促进学习。虚拟现实开发环节有效地实现了产品的仿真演示和动态交互控制,满足了产品设计方案对使用情境、用户心理、人机尺度以及虚拟装配等的分析评价需求。

    2.5项目实践

    这一环节,要求学生利用虚拟现实开发平台和交互设备完成一个完整的,涉及产品虚拟仿真演示和产品虚拟评价系统的项目。通过准备多个产品设计方向供学生自由选择,按照所选课题的不同分成相应的组别,在规定的时间内完成整个项目的开发,并通过答辩的形式进行发布,期间教师针对学生所做项目和课程重点内容进行提问,并给出建议督促学生修改和完善。

    3结语

    通过研究工业设计专业虚拟现实教学现状,提出虚拟现实教学改革的2个要点,即虚拟现实教学应突破桌面式虚拟现实教学,在数字化建模的基础上实现立体显示和沉浸感;虚拟现实教学应构建产品虚拟环境、实现产品动态仿真和交互控制。针对2个要点构建新的课程体系,在以实践驱动课程开展的基础上,将课程分为循序渐进的5个部分进行,其中虚拟现实硬件设备和虚拟现实开发是改革的重心,使虚拟现实技术课程更加适合工业设计专业对产品沉浸式展示和交互式控制的需求。此外,随着经济、科技和文化的发展,虚拟现实技术在突飞猛进,工业设计的需求和内容也在不断变化,虚拟现实技术课程内容和课程设置理应随之不断变化和改进。

    作者:林敬亭 范文洁 单位:华侨大学