原创《VR在算法课程教学中的应用》
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摘 要：针对当前计算机编程算法课程在教学过程中遇到的问题,提出了一种利用VR技术,构建可交互的三维展示虚拟现实系统,进行辅助算法教学的技术方案,分析了传统教学方法在算法授课中所存在的不足及其产生的原因,阐述了虚拟现实展示系统在算法授课中的应用方案和应用虚拟现实技术辅助算法授课的优势.
关键词：算法；虚拟现实；VR；三维展示
中图分类号：G434
文献标识码：A文章编号：1672-7800(2018)05-0084-02
收稿日期：2018-02-18
基金项目：北方工业大学2017校内优青项目（XNO19003）
作者简介：侯建峰（1987-）,男,北方工业大学助理教师,研究方向为虚拟现实.
虚拟现实（Virtual Reality, VR）是以计算机技术为核心,结合相关科学技术,生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境,用户借助必要的设备与数字化环境中的对象进行交互、相互影响,可以产生亲临对应真实环境的感受和体验［2］.虚拟现实技术成为教育中技术应用的热点,《地平线报告》也多次将其列为教育中的技术发展趋势之一［3］.本文针对算法授课过程中遇到的问题,利用虚拟现实技术,构建典型算法展示的虚拟现实系统,用以辅助算法课堂教学.
1计算机算法教学中面临的问题
1.1学生基础薄弱
学生在刚进入大学的时候就开始学习计算机设计的相关基础知识,一些关于程序、C 语言的各种算法,这些基础知识对于一个刚进入大学的学生来说,学习起来会有一些困难［4］.在进入学习算法设计课程的阶段,很大部分学生不能运用程序的逻辑,将算法的思路理清,并转化为程序,即使教师讲解算法的逻辑之后,也有部分学生不能理解计算机实现算法的具体过程.
1.2部分算法逻辑性强难于理解
算法设计课程中有些典型的算法逻辑性非常强,不易于理解.例如,递归算法,笔者在教学实践中发现,很多学生不能理解将问题分解成同类子问题,继续调用自身进行求解的具体执行过程.利用断点单步查看程序执行过程,可以部分解决这一问题,然而对于基础薄弱、经验不足部分学生的来讲,不能利用这一方法将复杂的算法逻辑理清.
1.3算法执行过程抽象
算法的执行过程实际是计算机根据编程逻辑进行数学运算的过程,整个执行过程不能直观地反馈给学生,只能学生按照逻辑思维想象,程序每一步的执行过程.对于逻辑复杂的算法,如果学生起初不理解算法,即使教师给出算法的思路和实例程序,让学生通过具体的执行过程慢慢消化,由于程序执行的抽象性,对于基础薄弱、刚开始学习程序设计的学生来讲,也很难将复杂的执行过程弄清楚.
2算法VR展示系统设计
VR演示系统是将典型的计算机编程算法利用游戏引擎Unity3D,结合音频、动画、可交互的程序设计,制作呈现在VR设备（本系统利用3D电视和3D眼镜）的虚拟现实展示系统.整个系统共分为3个模块：
2.1算法选择模块
该模块是系统入口,主要用来选择要展示的算法或者案例,由于整个展示系统的制作过程复杂,工作量大,系统中展示的算法内容可以逐步添加,另外对于展示内容的选择尽量简单而又具有代表性.选择模块的功能实现主要利用Unity3D的UI接口.
2.2算法讲解模块
针对被选择算法的思路讲解或者算法案列的故事引入.一些经典算法的案例演示,可以采用故事引入的方式,例如递归算法的演示,选取汉诺塔的案例,引用印度古老传说,大梵天创造世界的时候做了三根金刚石柱子的故事.这种故事引入的方式,有利于构建三维展示场景,提高学生学习的兴趣.
2.3交互展示模块
交互展示模块是整个系统的核心模块,首先需要根据算法描述设计演示场景,利用建模工具和网上模型资源在Unity3D中创建演示场景.然后,根据算法逻辑实现演示逻辑,演示逻辑的交互环节至少应该包括演示动画的进度控制,算法逻辑中分解为子问题的演示控制,子问题合并求解的结果的演示控制,该模块的流程如图1所示.演示动画综合利用模型、音频、动画、程序等多种游戏元素进行展示,以提高学生学习兴趣.3D演示场景的输出内容由左、右眼两个镜头内容组成,屏幕被平均分配,两个镜头依据人眼立体成像原理设置一定视差,输出到3D电视,学生佩戴偏光眼镜即可实现3D展示效果.
3关键技术
3.13D建模
3D建模是算法展示系统实现的基础,利用3DMax或者Maya,将设计的展示场景的元素制作成为3D模型,添加材质和利用PhotoShop制作的模型贴图.将制作好的模型导出为FBX格式文件,直接导入Unity3D使用.
3.2Unity3D游戏引擎技术
Unity3D是跨平台的游戏引擎,利用3D模型可以方便的构建3D展示场景.它自带的物理系统、UI系统、粒子系统、动画系统使动画展示效果的实现变得更加容易而且效果丰富,Unity3D支持C#脚本组件,展示系统的逻辑控制利用c#编程实现.
3.33D成像技术
人的视觉之所以能够分辨远近,是靠两只眼睛的距离,人的眼睛分开约5厘米,两只眼睛除了瞄准正前方以外,看到任何一样东西,两眼的角度都不会相同.虽然差距很小,但经视网膜传到大脑里,大脑就会利用这微小的差距,产生远近的深度,从而产生立体感［5］.这一原理称为“偏光原理”,利用此原理实现立体展示效果,需要在构建的展示场景中布置两个摄像机（camera对象）,两个摄像机在同一水平线上,二者间距通过程序进行控制以实时调节立体效果,利用偏光眼镜可以保证观察者左、右眼分别看到场景中左、右摄像机所拍摄到的图像,从而形成立体影像的展示效果.
4算法VR展示系统的应用
该系统应用主要分为两种,课堂授课VR交互演示和学生课下手机交互体验.
4.1课堂授课VR交互演示
在授课过程中,教师在特定教室使用3D电视作为视频输出设备,进行典型算法的演示,为参与课堂的学生配发低廉的偏光眼镜,使他们获得直观的3D展示体验,系统的交互控制由教师来完成.
4.2课下手机交互体验
Unity3D的跨平台性使得展示系统可以发布到多个平台上,包括android移动系统.将算法展示系统的移动版本APK传播给学生,学生安装到自己的手机上,然后将手机放入VR眼镜（纸壳VR眼镜几元到十几元不等,可以从网络上购得）获得直观的3D展示体验,系统的交互控制,学生通过手机上实体按键和手机倾斜度来完成.
5算法VR展示系统的优势
VR作为教学媒体,是课堂教学的强化媒体［6］,利用VR展示系统不仅可以提高学生学习算法的兴趣,而且可以将复杂、抽象的算法逻辑和程序执行过程具象化,同时利用3D模型、音频、动画、交互元素等媒介可以加深学生对算法的理解,充分发挥学生学习的主动性.VR展示系统的设计充分利用当前学生接触较多的游戏元素,可以大大提高学生学习算法的趣味性,有效的解决算法授课枯燥乏味的问题.
系统构建过程工作量大,但是每一个算法的展示结构一旦构建完成,可以重复利用.Unity3D游戏引擎的跨平台性,使VR展示系统可以发布到不同展示设备和平台上,具有极高的推广价值.
利用3D建模、Unity3D游戏引擎技术、3D成像技术构建算法VR展示系统,将原本枯燥、抽象的算法以三维立体的图像形式呈现给学生,系统的交互性可以大大提高学生学习的积极主动性,是虚拟现实技术在高等教育领域应用的可行技术方案,该系统的构建具有可推广、可重复利用的特点,能够弥补传统算法课程教学过程中存在的问题.同时,要将所有算法课程中涉及到的经典算法,全部加入到算法VR展示系统中工作量巨大,系统还需要慢慢完善、补出.
参考文献：
［1］梁宇恩,张宪乐.项目教学法在编程语言教学中的应用［J］.教育教学论坛,2014(30)：103-104.
［2］赵沁平.虚拟现实综述［J］.中国科学F辑：信息科学,2009(39)：2-46.
［3］赵一鸣,郝建江,王海燕,等.虚拟现实技术教育应用研究演进的可视化分析［J］.电化教育研究,2016(12)：26-33.
［4］王珊珊,王利宁.计算机算法设计课程中存在的问题及改进措施［J］.信息与电脑（理论版）,2014(6)：238.
［5］纪成刚.3D电影的成像原理简介和声音制作探讨［J］.现代电影技术,2011(11)：23-27.
［6］张志祯.虚拟现实教育应用：追求身心一体的教育——从北京师范大学“智慧学习与VR教育应用学术周”说起［J］.中国远程教育,2016(6)：5-15.
（编辑：徐丽娟）
课程教学论文参考资料：
该文点评,此文是一篇关于经典课程教学专业范文可作为算法课程教学和应用研究和课程教学方面的大学硕士与本科毕业论文课程教学论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献。
