基于STEAM理念的VR开发实训平台建设

李 岩

（铜陵学院，安徽 铜陵244061）

在创新性应用型人才培养目标大背景下，如何切实提高数字媒体专业学生专业竞争力，创新能力不足的问题，需要构建符合数字媒体技术专业发展的VR开发实训平台，让多学科知识交叉整合。从目前应用型本科高校虚拟现实专业发展状况分析，以铜陵学院为例，2014年开设数字媒体技术专业，人才培养方案里为了培养数字媒体应用技术创新性人才，增加虚拟现实基础课程。目前开设的基础课程为Premiere视频编辑、影视后期合成After Effect、建模动画3Dmax、图形图像处理PS等。在图形图像、影视动画方面，学生在全国大学生计算机设计大赛国赛多次获奖，但虚拟现实交互类比赛却没有收获，原因是虚拟现实专业实验课程没有形成完善教学体系，专业课实验师资无业界资历与培训经历，缺乏行业培训资料，无法跟踪行业技术发展。业界人员又难以进入高校体系，教育与产业脱节[1]。为了符合专业发展和虚拟现实行业发展，需要搭建虚拟现实实训平台，让学生了解先进虚拟现实技术，实现多学科知识交叉整合，提升专业竞争力。

一、STEAM教育模式的构建

（一）STEAM教育理念

STEAM教育理念是乔治特.雅克曼教授[2]在2011年提出的，作为美国长期复合型人才和综合实践能力培养的教育战略目标。首字母“S”代表科学（Science），“T”代表技术（Technology），“E”代表工程（Engineering），“A”代表艺术素养（Artistic literacy），“M”代表数学（Mathematics）[3]。STEAM教育理念的初衷是加强个别学科的教育，后来一些研究者和实践者扩展了其内涵，STEAM教育模式是跨不同学科，以项目为基础的教育理念，跨学科学习不只是各学科知识整合——计划，创造和执行才是STEAM教育理念的核心。它以学生为主体，运用所学学科的理论知识和相关能力去探索问题，学习性质和方式均已发生转变。学生运用跨学科知识和技能去完成项目，在这过程中不断发展每一位学生的实践能力与综合创新能力，STEAM教育理念是培养创新性人才和复合型人才的理论依据。

（二）VR实训课程融入STEAM理念的可行性分析

以数字媒体技术专业为例，开设影视设计类核心专业课程如数字摄影、摄像艺术、影视剪辑艺术实践、动画控制等，将多学科知识整合，以“项目化课程”作为数字媒体技术专业实训内容，这符合STEAM理念，STEAM中的科学（S）可以培养数媒专业学生科学探究能力。技术（T）把转场特效技术、3D建模技术、编程等多学科知识进行选择和整合。工程（E）可以提高学生工程素养和实训项目操作规范。艺术素养（A）能够帮助学生提升美学素养，作品美术场景优化，展示作品艺术欣赏价值。数学（M）对新工科学生来说，是基础学科，3D建模空间想象力等都离不开数学知识。因此，VR实训课程融入STEAM教育理念，以项目学习法为中心，全面提升学生的实践能力与综合创新力。

二、基于STEAM理念的VR实训课程体系的构建

以虚拟现实实训课程为载体，项目驱动为任务主体，通过学科竞赛和企业实践全面提升学生STEAM能力培养。实训课程以学生完成项目为课程目标，通过参加虚拟展示类、全景漫游类、虚拟交互类等虚拟现实相关竞赛，学生在硬件运行、作品交互功能和美术场景优化等方面的能力将会全面提升。

图1 VR实训课程体系

基于STEAM理念的VR实训课程体系的构建不是简单的课程和软件的叠加，而是依据专业建设方向和发展规划由简到难，循序渐进，VR实训课程体系如图1所示。

（一）unity引擎和头盔开发

虚拟现实实训课程第一年开设unity引擎和头盔开发，配套引擎开发基础课程和引擎开发插件课程。这些VR基础课程需要数字媒体技术专业学生具备数字摄影、摄像艺术、影视剪辑艺术与实践等影视设计类方向的专业课基础，通过实训课程学习，掌握视频播放、语音等热点响应、可视化交互技术。学生可以协作完成全景漫游方向的项目，比如全景校园、全景旅游等。

（二）硬件接口sdk交互开发

通过引擎开发基础课程的学习，同时具备unity3D、3dmax等模型设计类方向的专业课基础的学生可以深入学习硬件开发课程，实训课程学习掌握虚拟场景构建、多媒体资源互动展示等技术，可以设计虚拟展示方向的项目，比如虚拟建筑，虚拟场馆等。

（三）虚拟现实多平台项目开发

虚拟现实实训课程体系最高层是可视化交互项目开发课程和编程交互项目开发课程。这一类课程可以面向计算机学院有编程开发类专业课程基础的学生，不同专业间相互协作，通过实训课程操练，可以胜任虚拟交互方向的项目，实现物体旋转展示剖切、结构拆分展示、多媒体资源展示、动画控制等操作。

三、VR开发实训平台环境部署

（一）VR开发实训平台整体规划方案

通过虚拟现实实训课程，让学生身临其境地体验实际工作操作中的各项技术技能，一方面增强学生体验感，另一方面可以大大节省实训成本。同时通过系统化信息化的实训操作，可以按照教学任务开展实训，教学效果更优于实训。基于铜陵学院数学与计算机学院实习实训中心实验室建设规划和场地客观条件，集教学与实训一体的智慧型VR开发实训平台兼顾VR教学实验室和VR开发实训室的功能，布局规划图如图2所示。

图2 VR开发实训平台整体规划

（二）VR交互实训室各个区功能介绍

1.虚拟现实开发区

此区域进行VR头盔开发实训及实战，集教学与实训为一体，配12个点位的实时渲染工作站及虚拟现实眼镜，用于VR竞赛项目全景漫游类开发。

2.虚实混合体验区

此区域实训内容为用虚拟空间与真实人物影像合成交互，展示虚实混合媒体应用交互项目。可进行硬件环境搭建、交互脚本编写混合现实绿幕环境设置及调用多个内容的教学任务，并支持虚拟展示类项目开发与实战。

3.光学手部捕捉体验区

此区域实现光学手部动作识别交互的功能。实训内容让学生掌握光学手部捕捉设备使用规则，展示光学姿态识别传感虚拟现实项目。可完成Leapmotion硬件环境搭建、软件环境配置及交互功能开发实现等教学任务，让学生学会多媒体资源展示、动画控制等

技术，用于支持虚拟交互类项目开发与实践。4.光学全身捕捉体验区

此区域特点为实现光学全身动作识别交互功能。实训内容是让学生学会光学全身捕捉设备使用，光学姿态识别传感虚拟现实项目展示。同时配合教学任务为Kinnect硬件环境搭建、软件环境配置及交互功能开发实现等，可支持虚拟交互类项目竞赛。

5.无线数据手套体验区

该区域可以实现无线姿态手部动作识别交互的功能。实训内容是让学生体验无线数据手套，虚拟现实眼镜，展示VR无线手套交互项目。学生还可以通过开发工作站学习Notiom Hi5硬件环境搭建、消磁、精度校准、软件环境配置、交互功能开发等任务。

6.CAVE交互体验区

CAVE是一种基于投影的沉浸式虚拟现实显示系统[4]利用高分辨率的立体投影技术和图像处理技术，交互性好，空间大，可以满足一对多实训要求，用于虚拟项目作品展示。3D立体眼镜，3D处理器硬件设备可以支持CAVE项目开发的教学任务。

7.模拟驾驶交互体验区

此区域用于模拟驾驶交互项目展示。学生通过模拟操控器进行视觉模拟驾车体验，同时模拟操控台可以操作反馈控制。汽车模拟驾驶操作使用说明、硬件环境准备、场景及车辆替换教程、汽车模拟驾驶交互开发教程也可以作为实训开发任务。

8.运动同步交互体验区

该区域全方位跑步机可以体验步态识别，通过虚拟现实眼镜可交互体验大场景移动。同时具备运动同步交互项目展示功能。满足全方向运动同步跑步机硬件环境搭建、全方向运动同步跑步机软件开发环境配置、漫游场景导入及交互开发等教学任务。

9.全景漫游拍摄设备

该区域可以进行3D全景拍摄，无人机悬挂实训任务，完成全景交互技术概述、全景设备的认知及使用、全景视频后期处理等教学任务，同时可进行全景数字交互项目开发。该区域也是VR影视动画全景漫游类竞赛主要实现平台。

参照VR交互实训室各区域功能规划，所配备的设备列表如表1所示。

（三）VR实训服务平台

VR交互实训平台需要健全的管理系统，实验管理员权限，包含创建教师学生账号、课程资源的管理、本地软件端访问等。校企合作，双方实时上传自定义课程资源、同步查看在线问答、监管课程进度等，具体功能如下：

表1 VR交互实训室各区域硬件设备

1.系统架构：采用B/S架构的形式进行构建，支持部署到教学服务器中形成学习、练习、考试于一体的在线学习平台；

2.系统页面组成：首页包含简介页课程中心、新闻咨询、课程搜索和教学服务平台登录页；教学服务平台的课程至少包含三个专业层级和课程层；

3.访问角色构成及权限：访问角色包括教学管理员、教师、学生，教学管理员权限包含创建教师、学生账号，教师账号最大数量不少于100个；

4.教学资源页面功能：至少800节课程上传，支持图片、视频、文本、网页链接、可下载文件等类型资源，同时支持关键字对标题的模糊搜索；

5.教学页面功能：教师账号下，教师页面可以看到学生课程学习情况，评论答疑；

6.通用信息模块：支持管理员的简介主页和新闻的新增、修改、删除操作；新非登录状态下即可直接被查看。

四、总结

STEAM教育理念围绕项目开发完成教与学，VR实训课程在学期最后由企业工程师参与课程实训，带领学生开展案例实践，实现翻转课堂。实训形式将学生分组，并按照企业项目开发标准明确分工。课程内容以实际项目案例开发为主，指导学生团队选题、执行项目开发任务，并对项目开发所遇问题进行解答，对提交的项目作品进行点评及后续优化意见。综上所述，本文构建的VR开发实训平台可以满足我校数字媒体技术专业虚拟现实实训及竞赛任务。