航空航天概论知识点精选(九篇)

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第1篇：航空航天概论知识点范文

Abstract: To improve vocational college students' theory and practice integrated capabilities, update teaching philosophy and optimize teaching strategies, the situation in the traditional universities and vocational colleges is investigated. With "capacity-building" as the dominant ideology, robot teaching in vocational colleges is explored and researched from the aspects of teaching contents and teaching methods.

关键词：高职；机器人；教学改革

Key words: higher vocational; robot; teaching reform

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）12-0198-01

0 引言

机器人学是一门集机械学、电气学、计算机学、人工智能、材料学等多学科交叉的综合性学科，无论在在基础理论方面还是在实践应用方面，都正在以惊人的速度发展。近年来，我国的机器人教育有了很大的发展，机器人课程逐步成为高校综合性实践课程。能否有效地开展机器人教学已经成为直接影响学生综合能力培养和综合素质提高的重要因素。因此，在高职院校对机器人课程的实验教学探索与实践是非常必要的。

1 机器人教学情况的调研

1.1 传统高校机器人教学情况 本科院校以及传统专科院校一般开始有“机器人学”、“机器人概论”等课程。开设的专业较广，涉及机械工程、电子工程、航空航天、计算机科学等专业，开设方式多样，如必修、专业选修、全校选修等。国内高校选择教材较集中，选用蔡自兴 《机器人学》、熊有伦 《机器人学》的居多，部分高校的课外参考书为国外原版教材。实验学时数相对较少 （实验与讲解的比例最高为1：3.2），半数以上高校的实验课时数为零。

1.2 高职院校机器人教学情况 高职院校分为两种类型，一类为原高专转变而来，这类院校一般沿习传统院校的教学方法；另一类为新型高职高专，以技能培养为核心，在机器人教学方面教学方法多元化，多数开展了机器人兴趣小组等机构，在少数学生中进行机器人技术的培养，或者开展公共选修课进行基础知识普及。在高职院校工科专业实现机器人技术的系统学习，各院校都还处于尝试阶段，尚未找到行之有效的方法。

1.3 现存问题分析 在传统的教学方法中，我国机器人教育普遍存在着重视知识传授、轻视能力培养，重视理论教学、轻视实践环节的问题，使得学生只满足于死记硬背知识点，没有注重学生独立动手能力、综合分析问题和解决问题能力的培养。而在高职院校，由于技能培养的目的性较强，对于机器人技术这种综合性学科，开展普及性教学尚存在较多屏障。

2 高职院校开展机器人教学的可行性分析

2.1 高职院校机器人教学环境分析 高职院校一般在工科专业高年级开展机器人教学，此时教学对象已学习过本专业基础课程，例如电工电子学、机械设计、程序设计、PLC技术、单片机等，储备知识基本全面。而且，高职院校的特点是侧重于技能培训，实训课程比例较高，学生普遍动手能力较强。这为我们进行机器人技术的学习提供了有利条件。但是，同时我们必须认识到，高职院校不强调教学的系统性和完整性，这将导致学生知识结构系统性差，综合分析能力相对较弱，是机器人教学的瓶颈所在。

2.2 高职院校开展机器人教学的必然性 机器人技术涵盖了工程技术几乎各个方面，并且该技术处于高速发展阶段。在高职院校开展该课程，不仅有利于增强学生的综合能力培养，更为学生后期发展和拓展性学习提供了良好的基础。高职学生在具备了本专业必备的技能之后，必须将各种技术综合运用，才能够处理现实问题，而要将机械机构设计、电路电子设计、程序设计、安装调试等综合运用，是任何一门基础课程都无法实现的，只有机器人技术课程可以成为培养学生综合运用专业知识的有效载体。

3 高职院校开展机器人教学的若干方案探讨

3.1 将教育机器人与相关专业课程相结合 教育机器人将机器人应用于教育领域，是由生产厂商专门开发的以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的机器人成品、套装或散件。目前，教育机器人硬件技术方面已经非常成熟，设备的可靠性、灵活性、耐用性等性能都已得到社会的广泛认可。教育机器人的硬件配件多样，技术支持能力强，价格也相对便宜。控制操纵机器人的关键问题之一是软件设计，主要是通过C语言或Vc++等程序设计语言进行程序设计，通过编程对机器人进行控制。这就给学生提供了广阔的开发平台，通过编程对机器人进行操纵，使其完成各种任务，培养了学生的综合应用能力。因此，我们可以在《C语言》和《单片机》课程的实验环节引入机器人控制技术。用于实验创新的教育机器人种类繁多，依据可编程控制机器人可以设计出各种机器人，创造空间巨大，例如使用慧鱼机器人创新套件就能设计各种机器人，如搬运机器人、救火机器人、仿生机器人等。

3.2 开设《智能机器人制作》课程 面向工科类专业学生开设《智能机器人制作》选修课程，讲解智能机器人的控制板、传感器、输出设备等硬件知识以及智能机器人控制程序的开展等软件知识。通过项目教学法，让学生在学完课程内容后能独立组装并调试好智能机器人。最终了解智能机器人系统的软硬件组成和工作原理，激发学习兴趣和创新热情。

3.3 有效利用毕业设计 毕业设计是学生将所学知识综合运用的体现，用具体的机器人项目指导相关专业学生进行毕业设计，将会使学生在训练中学会如何将知识应用到生产实际中。例如机器人结构设计、智能机器人传感器应用、智能机器人驱动技术、智能机器人位置控制技术、编制控制智能机器人运动的软件、智能机器人计算机控制系统等设计项目。

4 结束语

高职院校开展机器人教学活动对学生技能培养、科技的社会化具有重要的意义。它给高等职业教育尤其是工科类高等职业教育在教学内容、教学形式及教学效果上都会带来更多的惊喜与期待。

参考文献：

[1]战强，王东月.《机器人学》课程教学改革探讨[J].北京航空航天大学学报（社会科学版），2010（3）.

[2]黄文恺,陈虹.机器人创新性教学平台的实践与探索[J].教育在线，2009（5）.

第2篇：航空航天概论知识点范文

【关键词】 数学史；教师；渗透

“一门科学的历史是那门科学中最宝贵的一部分，因为科学只能给我们知识，而历史却能给我们智慧. ”――傅鹰

数学史是研究数学概念、数学方法和数学思想的起源与发展及其与社会政治、经济和一般文化的联系的一门学科. 在初中数学新教材中出现的数学史和数学文化内容为教师教学提供了新的发挥空间，为激发学生的学习兴趣提供了新的契机. 在数学千年漫长的发展过程中，数学史与数学教育的联系已有很久的历史了. 随着教育事业的不断发展，数学史越来越受到数学教育工作者的重视. 虽然我们初中现在还没有开设与“数学史”相关的课程，但初中数学教材和教师用书上都提涉一些与初中数学知识点相关联的数学史知识. 因而，数学史在初中数学教学中加以适当的渗透是一种必然趋势，也是提高数学教学质量的重要途径，它具有重要的作用.

如何渗透把握数学史的教学，这个问题可从如下几方面加以注意.

一、丰富教师的数学史知识

什么是数学？我们为什么学数学？有些教师会回答，我们所学习的数学是有用的，小到我们个人生活，大到计算机技术、航空航天、经济、生物等领域都要应用数学. 这样的回答无疑是正确的，但不够全面，它只提到了数学的两个作用的其中一个. 可以这样说，不了解数学史就不可能全面了解数学. 广大教师的数学史知识是缺乏的，对数学史的了解是极其不足的，造成这个现象有许多原因. 想一想，绝大多数的学生认为未来都不会从事与数学有关的工作，对这些学生来说小学的四则运算几乎就足够他们应付日常的生活问题了，甚至连开方都用不到，如果仅从学以致用的角度来看，他们从小学到高中要学习12年的数学，不是浪费生命吗？事实上并非如此. 初中数学课程中，对数学知识本身的学习还不足以使学生感受到数学与社会之间的深刻关系，为此要在数学课程中加入一些数学史的内容，当然，教材中的这些内容仅仅是冰山一角，教师应该提高自己对数学发展历程的了解，只有这样才能更好地促进数学教学. 尽管数学史作为一门学科开设的并不多，但这方面的书籍还是很充足的.

二、正确把握数学教学要求

教师丰富了自身的数学史知识以后面临的一个问题就是如何在教学中处理这些知识. 数学史在初中数学教材中以各种方式的渗透，这在初中的数学教材中都有体现. 渗透部分要潜移默化适可而止. 以人教版新课标初中数学教材为例，书中是以选修的方式在“阅读与思考”栏目中呈现数学史内容的. 这些内容教师可以作为课外阅读材料让学生自学，也可以在教学时把它作为增强学生学习兴趣、启迪学生数学思维的材料加以灵活运用. 教材中的数学内容几乎每一部分都有引人入胜的历史典故，比如负数、无理数以及勾股定理的产生背后都有许多有趣的故事，而在以往，教师是不会注意渗透这些知识的产生背景的. 我们的数学教材主要是教授数学知识的，数学史的渗透要恰到好处，不必系统，以防止出现喧宾夺主的结果.

三、渗透数学史有关知识背景，开阔学生视野，激发学习兴趣

至于数学是什么，数学发展的动力源泉是什么，学习数学的真正意义何在，如果这些问题不被学生理解，那么他们就对数学缺乏兴趣，对数学就没有一个系统的认识. 数学是教学的一门重要学科，具有理论的抽象性、逻辑的严密性和应用的广泛性. 数学固有的特性：单调，枯燥乏味. 对部分初中生进行数学兴趣抽样调查发现，“我不喜欢数学，但为了中考，我必须学好数学”的学生占被调查者的比例高达72%，而对数学“很感兴趣”的只有13%. 从教学效果来看， 数学是多数学生成绩提高的一个瓶颈. 数学教材是经过了反复推敲的，语言十分简洁. 为了保持知识的系统性，我们把教学内容按定义、定理、证明、推论、例题的顺序编排，这样就缺乏自然的思维方式，对数学知识的内涵以及相应知识的创造过程介绍也偏少. 在初中数学教学中插入数学史，可以启发学生的思维方式，开阔视野，让学生产生旺盛的求知欲，努力从各方面去思考证明思路. 教师虽然不是数学家，但却可以培养出数学家. 事实证明，课堂授课时那些知识丰富、谆谆善诱的老师远较那些授课时简单乏味、就事论事的教师受学生欢迎.

四、渗透祖国传统数学，提高民族自豪感，增强学生的爱国情操

数学史是一部记载人类特别是数以千计的数学家艰苦奋斗的创业史. 我国古代数学是有着光辉的历史，如刘徽的“割圆术”、祖冲之的圆周率、祖的祖公理、杨辉的杨辉三角、秦九韶的剩余定理、朱世杰的“招差术”“垛积术”和“四元术”等都具有世界影响，他们在数学方面的成就都是非常大的. 许多成果都比西方国家要早几百年，如圆周率和杨辉三角等. 记载着中国古典数学最高成就的《宋元算书》，是世界文化的重要遗产. 在元代以前，中国的许多成果处于世界领先位置. 可以说，数学是中国古代最发达的基础科学之一. 仅以现在的初中数学知识为例，十进位制、线性方程组的解法、正负数运算、开平方开立方法则、圆周率的计算都是古代取得的辉煌成就. 数学是璀璨夺目的中国古代文化的重要组成部分，古代伟大的数学贡献不仅是当今进行爱国主义教育的绝佳材料，而且古代数学家实事求是，敢于坚持真理、勇于攀登高峰的品德，也可以激励学生对数学的兴趣.

总之，数学史在初中数学教学中的渗透是数学教育的一种创新，创新已经成为时代的要求. 学习数学史可以了解数学的发展过程，从而激发学生的学习兴趣，养成良好的学习习惯. 因此，在教学过程中渗透数学史的教育和教学具有非常重要的意义.

第3篇：航空航天概论知识点范文

关键词：批判性思维；物理教学；启示

一.问题背景

到目前为止，批判性思维的定义仍在不断更新。美国学者摩尔和帕克对它的定义为：批判性思维指人对接受或拒绝任何事物、或对某种说法存疑的谨慎的、深思熟虑的决定，以及接受或拒绝某事物时的自信程度[1]。其核心在于经过独立思考，对知识审慎的分析、评价，从而得出自己的认知，能够自我反省；反对盲从、反对不加思考即对知识进行囫囵吞枣，要具有质疑精神。批判性思维对物理教学无疑具有重要影响。

二.批判性思维的缺失对物理学习的影响

2.1物理规律理解不深刻

物理规律反映物质结构及物质运动中诸要素之间内在的必然联系，表现为某物理状态下或某物理过程中相关要素之间在一定条件下所遵从的关系[2]。大多数内容都可以用数学公式表示，公式反映了诸要素的联系，且形式简洁，易被学生牢记。但随着时间的推移，学生往往只记得公式，忽略了其本质的物理规律、淡忘了物理量的意义，导致看到问题后不仔细分析、靠惯性盲目套用公式。 例如“双星问题”中，已知两个天体的质量分别为m1、m2，距离为L，角速度为ω，学生总是习惯写出公式 ，认为引力半径等于轨道半径，没有认真分析两个半径的含义，忽略了规律本身：无论简单的卫星绕地球环绕运动，还是双星系统、三星系统，其本质都是匀速圆周运动，物体所受的合外力提供向心力，引力半讲灰欢ǖ扔诠斓腊刖叮画出物理图像后思路很清晰。

2.2缺乏解决物理问题的方法

大道至简，高考对物理学科的核心素养和能力是一如既往，简约而又明确的，即明确研究对象，分析状态和过程，运用适当的思维方法，建立物理模型，通过数学手段处理并分析所得结果[3]。掌握了解决物理问题的科学方法，就可以“以不变应万变”。而学生往往没有体会这些，没有思考问题中渗透了什么物理模型、物理思想和方法，在其构建的问题空间无法迅速找到相关的算子，即使偶尔找到某个算子也不一定正确，只能在其没有明确解题路径的问题空间瞎碰，这导致其出错概率大大增加。

2.3没有建立物理模型的习惯

钱学森先生说过：“模型就是我们对问题现象的分析，利用我们考究得来的机理，吸收一切主要的因素，略去次要的因素所创造出来的一幅图画”.物理模型既是物理学赖以建立的基本思想方法，也是物理学在应用中解决实际问题的重要途径和方法[4]，是学生运用物理知识解决实际问题的关键，而大多数学生缺少建立物理模型的习惯。面对生产、生活中具体问题时，学生建模能力的缺失表现的尤为突出。2011年江苏高考试卷中要估算一个人将一只鸡蛋抛出的过程中对其所做的功，着重考察学生建模能力，要求学生分析出鸡蛋近似做竖直上抛运动，同时估算出一个鸡蛋的质量。如果不会主动构建物理模型，这个题目就会很茫然。

2.4缺少反思的品质

杜威认为反思是对任何信念或假定的知识形成的积极、全面的考虑，它包括这样一种有意识和自愿的努力，即在证据和理性的坚实基础上建立信念。通过反思，可以让学生及时发现自己学习中存在的问题，加强学生的自我监控、自我调节[5]，使学生元认知能力得到锻炼和提高。思维的惰性导致学生很少反思，没有及时思考学习中问题出现的原因，自己是概念不清楚还是思考问题不全面？这个题目的考点是什么？还有没有其它的解决方法？自己的课堂效率、作业质量是否能保障？反思的缺失导致一个物理问题反复出现、反复出错，降低了学习的信心，学生更不愿意静下心研究，由此形成恶性循环。

三.提高批判性思维的途径

3.1重视质疑精神的培养

质疑是独立思考的开始。一方面要引导学生树立质疑的意识，要审慎、思辨的获得知识，不盲目迷信权威和书本；另一方面要给学生质疑的机会，教师可以设疑、描绘问题情景，提出启发性、争议性问题，引起学生的质疑，同时激发学生的求知欲。教师要创设良好的学习氛围，鼓励学生大胆的表达自己的观点，真正实现思维的碰撞。

3.2深化物理规律的理解

课堂上要带领学生通过观察、实验归纳或理论分析获得物理规律，这样他们的印象会更加深刻，对物理规律更加信服，引导学生不能重结论、轻分析推导；对物理规律的公式要详细剖析，分析各个要素的含义、各要素之间的联系，明确规律的使用条件和范围，对学生思维上易出现的问题进行辨析。例如欧姆定律 ，它只适用于纯电阻电路、金属导电和电解液导电，发动机等元件不符合此规律；功的定义式W=FLcosθ只适用于恒力做功，变力做功一般通过动能定理解决；万有引力公式F= ，适用于质点或均质球体，r指的是质点间的距离或者均质球体球心的距离。

3.3明确物理模型的建立

培养学生养成将实际问题主动变成物理物问题的习惯，构建相应的模型、寻找相应的参量，并借助于图形、图像帮助自己理解、分析。模型包括对象物理模型（如质点、单摆、点电荷等）、过程物理模型（如匀变速直线运动、弹性碰撞等）、条件物理模型（如光滑平面、轻绳、均匀介质等）[6]。

3.4强调思想方法的内化

掌握解决问题的方法：明确研究对象，分析状态和过程，运用适当的思维方法，建立物理模型，通过数学手段处理并分析所得结果。逐步将这种方法内化为基本解决步骤，在分析过程中主动运用。引导学生总结归纳每个章节核心内容，例如抛体问题重点是将运动分解成两个方向的直线运动研究；恒定电流问题中核心是闭合电路欧姆定律E=U内+U外；天体运动主要分析匀速圆周运动，依据牛顿第二定律F合=F向；电学中力的方面围绕公式F=qE，能的方面围绕W=qU……物理知识是项链，物理方法是丝线，二者结合才会成为璀璨的珍珠项链。

3.5提高习题教学的实效

物理习题是运用新知识解决实际问题的过程，是对学生综合能力的反馈。由弄懂事实、事物和现象，到深刻理解抽象真理的道路，一定要通过实际作业，而完成实际作业就正是掌握知识 [7]。根据目的的不同，习题教学可分为以下几种形式：

（1）典型例题：通过典型例题渗透该知识点的基本原理、研究方法和步骤，体会如何在具体问题中运用知识进行解决，典型例题往往是“母题”，由它可以演变形成一题多解、多题一解和一题多变，典型例题的掌握对学生具有非常意义。

（2）一题多解：通过一题多解，培养思维的发散性和创造性，学生可以多角度、多途径寻求解决问题的方法，开拓解题思路，总结解题规律，提高解题能力。

（3）多题一解：通过多题一解，培养思维的聚合性、深刻性和敏锐性，培养学生的迁移能力，教会学生总结规律、挖掘物理现象的本质。

（4）一题多变：通过一题多变，帮助学生深化基本物理规律的理解，使学生全面、审慎、批判性的分析问题，根据变化了的情况积极思索，迅速想出解决问题的办法，防止和消除呆板和僵化[8]，从而开拓学生的视野，激发学生的求知欲。

3.6培养总结反思的习惯

教学中要培养学生反思能力，让他们进行自我评价和自我调节，学会对学习过程进行监控，从而提高学习效率和批判性思维能力。

（1）反思学习环节（预习、上课、作业、复习）。例如上课已经示范过的解题技能，为什么不能较熟练地应用？ 曾经解决过的某一类似问题，现在为何又难以完成？从中反映出自己的预习、听课、作业、复习等学习环节存在着哪些问题？如何设法改进？

（2）反思解题过程。分析题目的题型，思考解决这类型题目的思路是什么；这个题目有什么关键点、运用了什么特殊的物理方法；这个题目有没有其它方法，哪种更为便捷。

参考文献：

1干咏昕.用批判性思维方法打造批判性思维课程.西南大学学报（社会科学版），2010（6）：51-53

2阎金铎，郭玉英.中学物理教育概论.北京：高等教育出版社，2009：167

3杨震云.顺应大势减负势在必行突破定式增效事在人为.物理教师，2010（6）：39-41

4陈淑萍. 教会学生用物理模型思考问题.物理教师，2012（3）：9-13

5桑张法. 运用元认知理论， 培养学生学习物理的反思能力.物理教师，2001（10）：5-7

6朱傲雪.巧建物理模型、提高复习实效.物理教师，2013（12）：85-86

7苏霍姆林斯基.给教师的建议.北京：教育科学出版社，2009：27

8陈恒.中学物理习题变式教学探.物理教学，2011（10）：14-17

作者简介：

王猛（1988年5月），男，籍贯江苏徐州，

本科学历/硕士学位，中学一级，

研究方向：物理学科教学

工作单位：南京航空航天大学附属高级中学

收件地址：江苏省南京市白下区御道街35号南航附中

邮编：210007

第4篇：航空航天概论知识点范文

关键词:虚拟现实;教学实践;三个基本;点面结合

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)主要采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境(Virtual Environment,简称VE),用户借助必要的设备(如特制的服装、头盔、手套和鞋),以自然的方式与虚拟环境中的实体对象进行交互作用、相互影响,从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和构想(Imagination)特性。交互特性强调参与者通过专用设备以人类自然方式与VE中的对象进行相互操作;沉浸特性要求计算机所创建的虚拟环境能使参与者产生置身其中的体验;构想特性是指虚拟环境能够启发参与者发现新问题并辅助产生创新思维。

二十世纪六十年代初,“图灵奖”获得者,被称为计算机图形学之父的美国科学家Ivan Sutherland发表“终极显示”论文提出虚拟现实概念,自此,虚拟现实技术历经一系列里程碑式的理论、方法与技术研究工作,并取得了重大工程应用成果。今天虚拟现实技术的应用领域已经非常广泛,主要包括三大应用方向,即训练演练、规划设计与预测、观赏娱乐等。例如在虚拟战场环境中进行作战指挥模拟,宇宙飞船、飞机、舰船模拟驾驶训练,飞机、导弹、轮船等复杂系统的虚拟设计与制造,城市环境规划及其建筑物的展示,手术培训与导航,游戏动漫与影视制作等。由于虚拟现实技术涉及的学科综合性、交叉性强,是可以拉动多学科发展,不断产生新思想、新技术,具有广泛和重大应用前景的科学技术领域,国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)把虚拟现实技术确定为信息领域优先支持的三大前沿技术之一。

2课程的特点

北京航空航天大学计算机学院从1994年开始从事虚拟现实技术领域的研究,取得许多创新成果,在相关学科领域产生了较大影响,逐步形成了北航计算机学院一个新的优势学科方向。作为计算机应用本科生的专业限选课程,“虚拟现实技术”课程教学已经讲授了5年。本课程的教学目的是通过对有关虚拟现实技术国内外研究热点问题、典型研究工作的介绍,使学生了解当前虚拟现实技术的发展趋势;通过对虚拟现实基本原理、基本算法、开发方法、主流系统的介绍,使学生掌握虚拟现实主要技术、开发环境与平台;以虚拟现实技术与系统国家重点实验室研究工作为主要实践教学支撑,培养学生的创新能力,满足国民经济和国防部门对虚拟现实领域专门人才的需求。虚拟现实课程具有以下特点:

2.1学科交叉性、综合性强

国家中长期科学和技术发展规划纲要指出:“虚拟现实技术重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学和多媒体技术等多学科融合的技术,研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。”虚拟现实技术主要从计算机科学与技术、控制科学与技术、机械工程科学与先进制造技术等学科中孕育并实现跨越,逐步发展成熟,涉及心理学、认知科学、计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等,学科交叉性、综合性强,如图1所示。

2.2数理基础要求高

虚拟现实课程的许多理论、方法和技术涉及大量的数学公式和物理定律,例如在基于图形的虚拟现实技术中所涉及的计算机图形学,基于图像的虚拟现实技术中所涉及的图像处理和信号处理技术,在建模技术中涉及的动力学、运动学等,都需要学生具备深厚的数理基础。

2.3创新思维丰富

虚拟现实被众多学者认为是科学研究与工程实践中理论和实验方法之外的第三种方法,可以虚拟和仿真人类难以到达的宏观或微观环境,进行研究和体验;在虚拟环境下进行逼真的规划、设计、训练演练,作出评价和决策,其与生俱来的构想特性能够启发参与者发现新问题并产生创新思维。虚拟现实技术由于多学科交叉性,在不同学科交叉融合中源源不断地产生新思想、新方法。

2.4工程应用突出

虚拟现实技术既有坚实的理论基础和方法,也有大量的典型算法,同时又是一门应用牵引强,各种开发平台和应用工具丰富,人机交互设备多,软硬件结合与系统集成占相当比重的课程。

2.5课程内容多课时紧

本课程是本科生计算机应用方向的限选课程,在本科四年级上学期开设,其间正值学生考研复习准备阶段,课时总计36学时,课内教学18学时、课外实践18学时,授课时间十分紧张。

3教学内容安排

我们经过多年的教学实践,在不断与学生教与学交互的活动中,结合自身学科研究特色,总结、完善主要教学内容,形成了如下的教学大纲:

第一章:概论(2h)

问题的提出、名词术语、虚拟现实特征、里程碑工作和研究现状、国内外典型应用实例。

第二章:虚拟现实硬件与系统(2h)

虚拟现实输入设备、虚拟现实输出设备、高端图形工作站、图形处理单元(Graphic Processing Unit简称GPU)、典型沉浸式交互系统的构建实例。

第三章:基于图形的虚拟现实建模与开发技术(6h)

视觉感知相关基本概念、场景表示与数据库结构设计、CREATOR建模软件与合成自然环实例、场景图组织与基本绘制流程、OpenGVS与WTK开发软件、虚拟场景漫游应用程序开发实例。

第四章:基于图像的虚拟现实建模与绘制技术(2h)

IBMR技术与全光函数、全景图像与柱面全景图像实例、同心拼图方法。

第五章:人工生命-人工鱼实例(2h)

人工鱼的总体方案、人工鱼的生物力学分析、感知与行为建模、几何建模与外观属性、虚拟海洋环境建模、运动系统、逼真性与效率权衡。

第六章:虚拟人技术(2h)

人体抽象模型与国际标准、逼真运动获取与表示、运动约束与重用、虚拟人技术应用实例。

第七章:分布式虚拟现实技术(2h)

DIS技术与IEEE1278、HLA技术与IEEE1516、分布交互仿真程序开发与应用实例。

教学实践与课外教学安排:(18h)

课外研读学习OpenGL、构建虚拟现实漫游程序;参观虚拟现实技术与系统国家重点实验室,观看演示、操作实验室研究设备,了解当前主要研究方向和趋势。

4教学实践与思考

针对虚拟现实课程的上述特点,我们在课程的教学活动中形成了“突出三个基本,注重融会贯通;点面结合,各有侧重;结合实例,促进创新思维”的教学思路。

4.1突出三个基本,注重融会贯通

在教学中突出三个基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的讲授。虚拟现实课程的诸多内容来自不同的研究和应用领域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同归。对于这部分内容在教学活动中应有意识进行联系,分析讲解,努力让学生融会贯通。以细节层次概念(LOD)为例,细节层次概念是图形建模中的基本概念,是指用一组复杂程度(常常以多边形数来衡量)各不相同的实体细节层次模型来描述对象,在运行时根据一些主客观标准在这些LOD模型间进行切换,实时改变场景的复杂度,从而能够绘制效率与效果的平衡,该方法需要解决模型间切换时产生的视景跳跃问题。在GPU的基本贴图处理(MIP MAPPING )、复杂光照模型实时绘制等研究工作中也引入和应用了同样的原理,因此在讲解细节层次概念时进行举一反三,加深学生对这一满足逼真性和绘制实时性普适基本方法的理解,进一步可以引伸出连续细节层次方法以及与视点相关的递进传输技术如何满足基于网络的虚拟现实应用问题。这样教学思路始终贯彻在七维全光函数降维、八叉树的数据组织方法等诸多教学内容中,以达到融会贯通的目的。

4.2点面结合,各有侧重

虚拟现实课程涉及学科众多,内容十分丰富,有限的课时内做到面面俱到几乎不可能。我们的教学大纲基本覆盖虚拟现实的主要研究分支,重点是基于图形和基于图像的虚拟现实技术,由于增强现实在其他课程有重点讲授,不过多涉及。其次注重对当前国内外的研究重点、热点问题,以及当前的主流设备、开发工具与平台介绍。通过发挥授课教师的计算机科学与技术专业背景,结合实验室多年的研究工作进行知识点的深入讲解。例如在分布式虚拟现实技术教学中,实验室在该方向上开展了长达十年的研究工作,研究成果既体现了该内容的基本方法、国际标准,又体现了当前的最新研究成果。该内容的教学从早期的DIS入手,通过与HLA核心技术的对比,重点讲解分布式虚拟现实技术如何应用数据抽象与封装、与订购、基于值的信息过滤 (DDM)等核心技术解决大规模交互仿真问题,进一步引伸介绍目前该方向的研究进展,让同学了解当前研究热点问题。

4.3结合实例,促进创新思维

虚拟现实是一门多学科交叉的科学技术,不同学科理论与方法的互相借鉴、启迪、创新尤为明显。因此在讲授具体内容的同时,应介绍该研究工作和成果产生的背景,体现交叉创新、集成创新思路,启迪同学的创造性思维是本课程不断追求“授之与渔”的目标。在课程综述中重点介绍信息资源环境的智能化、普适化、协同化、沉浸化发展的各个不同历史时期代表性工作,以及仿真技术、先进制造技术等学科对虚拟现实的重要贡献,突出虚拟现实技术交叉融合的特性。将具体的课程知识点讲授融入到典型实例中,人工生命课程教学中以ACM优秀博士论文工作为基础,讲述了人工鱼的感知与行为建模、几何与外观属性建模、虚拟海洋环境建模等,目的在于突出建模内涵的宽泛性和在虚拟现实技术中的重要地位,通过详述人工鱼的生物力学分析、总体方案设计,行为与运动系统实现,归纳总结出多学科交叉、逼真性与效率的完美平衡是其创新所在。在讲授虚拟人技术时,首先提出逼真人体运动复杂性和实时性这一矛盾,引入机器人技术领域的逆向运动学以及信号与系统中的信号处理方法,重点介绍借鉴其他学科方法解决虚拟人运动重用和大规模人群等关键问题,强调借鉴启迪是创新的源泉。在诸如同心拼图、分布式虚拟环境中同样贯彻了结合实例,促进创新思维这一教学思路。

5结论与展望

“虚拟现实技术”涉及面宽、内容十分丰富,同时发展迅速,应用越来越广泛,如何讲授好该课程是一个需要不断探讨、研究总结的教学课题。笔者在多年的教学活动中,通过教与学的交流,不断总结形成了一些教学思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不断完善充实,主要包括两个方面内容:(1)如何做好虚拟现实技术课程与计算机图形学、多媒体技术、图像处理技术的衔接;(2)如何利用好虚拟现实技术与系统国家重点实验室的研究环境、软硬件资源以进一步加强虚拟现实课程的实践环节。我们将在今后继续研究探索,以解决这些重要问题。

参考文献:

[1] 赵沁平. DVENET分布式虚拟现实应用系统运行平台与开发工具[M]. 北京:科学出版社,2004.