航空航天概論知識點精選(九篇)
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第1篇：航空航天概論知識點范文
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.
關鍵詞：高職；機器人；教學改革
Key words: higher vocational; robot; teaching reform
中圖分類號：G71 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2011）12-0198-01
0 引言
機器人學是一門集機械學、電氣學、計算機學、人工智能、材料學等多學科交叉的綜合性學科，無論在在基礎理論方面還是在實踐應用方面，都正在以驚人的速度發展。近年來，我國的機器人教育有了很大的發展，機器人課程逐步成為高校綜合性實踐課程。能否有效地開展機器人教學已經成為直接影響學生綜合能力培養和綜合素質提高的重要因素。因此，在高職院校對機器人課程的實驗教學探索與實踐是非常必要的。
1 機器人教學情況的調研
1.1 傳統高校機器人教學情況 本科院校以及傳統專科院校一般開始有“機器人學”、“機器人概論”等課程。開設的專業較廣，涉及機械工程、電子工程、航空航天、計算機科學等專業，開設方式多樣，如必修、專業選修、全校選修等。國內高校選擇教材較集中，選用蔡自興 《機器人學》、熊有倫 《機器人學》的居多，部分高校的課外參考書為國外原版教材。實驗學時數相對較少 （實驗與講解的比例最高為1：3.2），半數以上高校的實驗課時數為零。
1.2 高職院校機器人教學情況 高職院校分為兩種類型，一類為原高專轉變而來，這類院校一般沿習傳統院校的教學方法；另一類為新型高職高專，以技能培養為核心，在機器人教學方面教學方法多元化，多數開展了機器人興趣小組等機構，在少數學生中進行機器人技術的培養，或者開展公共選修課進行基礎知識普及。在高職院校工科專業實現機器人技術的系統學習，各院校都還處于嘗試階段，尚未找到行之有效的方法。
1.3 現存問題分析 在傳統的教學方法中，我國機器人教育普遍存在著重視知識傳授、輕視能力培養，重視理論教學、輕視實踐環節的問題，使得學生只滿足于死記硬背知識點，沒有注重學生獨立動手能力、綜合分析問題和解決問題能力的培養。而在高職院校，由于技能培養的目的性較強，對于機器人技術這種綜合性學科，開展普及性教學尚存在較多屏障。
2 高職院校開展機器人教學的可行性分析
2.1 高職院校機器人教學環境分析 高職院校一般在工科專業高年級開展機器人教學，此時教學對象已學習過本專業基礎課程，例如電工電子學、機械設計、程序設計、PLC技術、單片機等，儲備知識基本全面。而且，高職院校的特點是側重于技能培訓，實訓課程比例較高，學生普遍動手能力較強。這為我們進行機器人技術的學習提供了有利條件。但是，同時我們必須認識到，高職院校不強調教學的系統性和完整性，這將導致學生知識結構系統性差，綜合分析能力相對較弱，是機器人教學的瓶頸所在。
2.2 高職院校開展機器人教學的必然性 機器人技術涵蓋了工程技術幾乎各個方面，并且該技術處于高速發展階段。在高職院校開展該課程，不僅有利于增強學生的綜合能力培養，更為學生后期發展和拓展性學習提供了良好的基礎。高職學生在具備了本專業必備的技能之后，必須將各種技術綜合運用，才能夠處理現實問題，而要將機械機構設計、電路電子設計、程序設計、安裝調試等綜合運用，是任何一門基礎課程都無法實現的，只有機器人技術課程可以成為培養學生綜合運用專業知識的有效載體。
3 高職院校開展機器人教學的若干方案探討
3.1 將教育機器人與相關專業課程相結合 教育機器人將機器人應用于教育領域，是由生產廠商專門開發的以激發學生學習興趣、培養學生綜合能力為目標的機器人成品、套裝或散件。目前，教育機器人硬件技術方面已經非常成熟，設備的可靠性、靈活性、耐用性等性能都已得到社會的廣泛認可。教育機器人的硬件配件多樣，技術支持能力強，價格也相對便宜。控制操縱機器人的關鍵問題之一是軟件設計，主要是通過C語言或Vc++等程序設計語言進行程序設計，通過編程對機器人進行控制。這就給學生提供了廣闊的開發平臺，通過編程對機器人進行操縱，使其完成各種任務，培養了學生的綜合應用能力。因此，我們可以在《C語言》和《單片機》課程的實驗環節引入機器人控制技術。用于實驗創新的教育機器人種類繁多，依據可編程控制機器人可以設計出各種機器人，創造空間巨大，例如使用慧魚機器人創新套件就能設計各種機器人，如搬運機器人、救火機器人、仿生機器人等。
3.2 開設《智能機器人制作》課程 面向工科類專業學生開設《智能機器人制作》選修課程，講解智能機器人的控制板、傳感器、輸出設備等硬件知識以及智能機器人控制程序的開展等軟件知識。通過項目教學法，讓學生在學完課程內容后能獨立組裝并調試好智能機器人。最終了解智能機器人系統的軟硬件組成和工作原理，激發學習興趣和創新熱情。
3.3 有效利用畢業設計 畢業設計是學生將所學知識綜合運用的體現，用具體的機器人項目指導相關專業學生進行畢業設計，將會使學生在訓練中學會如何將知識應用到生產實際中。例如機器人結構設計、智能機器人傳感器應用、智能機器人驅動技術、智能機器人位置控制技術、編制控制智能機器人運動的軟件、智能機器人計算機控制系統等設計項目。
4 結束語
高職院校開展機器人教學活動對學生技能培養、科技的社會化具有重要的意義。它給高等職業教育尤其是工科類高等職業教育在教學內容、教學形式及教學效果上都會帶來更多的驚喜與期待。
參考文獻：
[1]戰強，王東月.《機器人學》課程教學改革探討[J].北京航空航天大學學報（社會科學版），2010（3）.
[2]黃文愷,陳虹.機器人創新性教學平臺的實踐與探索[J].教育在線，2009（5）.
第2篇：航空航天概論知識點范文
【關鍵詞】 數學史；教師；滲透
“一門科學的歷史是那門科學中最寶貴的一部分，因為科學只能給我們知識，而歷史卻能給我們智慧. ”――傅鷹
數學史是研究數學概念、數學方法和數學思想的起源與發展及其與社會政治、經濟和一般文化的聯系的一門學科. 在初中數學新教材中出現的數學史和數學文化內容為教師教學提供了新的發揮空間，為激發學生的學習興趣提供了新的契機. 在數學千年漫長的發展過程中，數學史與數學教育的聯系已有很久的歷史了. 隨著教育事業的不斷發展，數學史越來越受到數學教育工作者的重視. 雖然我們初中現在還沒有開設與“數學史”相關的課程，但初中數學教材和教師用書上都提涉一些與初中數學知識點相關聯的數學史知識. 因而，數學史在初中數學教學中加以適當的滲透是一種必然趨勢，也是提高數學教學質量的重要途徑，它具有重要的作用.
如何滲透把握數學史的教學，這個問題可從如下幾方面加以注意.
一、豐富教師的數學史知識
什么是數學？我們為什么學數學？有些教師會回答，我們所學習的數學是有用的，小到我們個人生活，大到計算機技術、航空航天、經濟、生物等領域都要應用數學. 這樣的回答無疑是正確的，但不夠全面，它只提到了數學的兩個作用的其中一個. 可以這樣說，不了解數學史就不可能全面了解數學. 廣大教師的數學史知識是缺乏的，對數學史的了解是極其不足的，造成這個現象有許多原因. 想一想，絕大多數的學生認為未來都不會從事與數學有關的工作，對這些學生來說小學的四則運算幾乎就足夠他們應付日常的生活問題了，甚至連開方都用不到，如果僅從學以致用的角度來看，他們從小學到高中要學習12年的數學，不是浪費生命嗎？事實上并非如此. 初中數學課程中，對數學知識本身的學習還不足以使學生感受到數學與社會之間的深刻關系，為此要在數學課程中加入一些數學史的內容，當然，教材中的這些內容僅僅是冰山一角，教師應該提高自己對數學發展歷程的了解，只有這樣才能更好地促進數學教學. 盡管數學史作為一門學科開設的并不多，但這方面的書籍還是很充足的.
二、正確把握數學教學要求
教師豐富了自身的數學史知識以后面臨的一個問題就是如何在教學中處理這些知識. 數學史在初中數學教材中以各種方式的滲透，這在初中的數學教材中都有體現. 滲透部分要潛移默化適可而止. 以人教版新課標初中數學教材為例，書中是以選修的方式在“閱讀與思考”欄目中呈現數學史內容的. 這些內容教師可以作為課外閱讀材料讓學生自學，也可以在教學時把它作為增強學生學習興趣、啟迪學生數學思維的材料加以靈活運用. 教材中的數學內容幾乎每一部分都有引人入勝的歷史典故，比如負數、無理數以及勾股定理的產生背后都有許多有趣的故事，而在以往，教師是不會注意滲透這些知識的產生背景的. 我們的數學教材主要是教授數學知識的，數學史的滲透要恰到好處，不必系統，以防止出現喧賓奪主的結果.
三、滲透數學史有關知識背景，開闊學生視野，激發學習興趣
至于數學是什么，數學發展的動力源泉是什么，學習數學的真正意義何在，如果這些問題不被學生理解，那么他們就對數學缺乏興趣，對數學就沒有一個系統的認識. 數學是教學的一門重要學科，具有理論的抽象性、邏輯的嚴密性和應用的廣泛性. 數學固有的特性：單調，枯燥乏味. 對部分初中生進行數學興趣抽樣調查發現，“我不喜歡數學，但為了中考，我必須學好數學”的學生占被調查者的比例高達72%，而對數學“很感興趣”的只有13%. 從教學效果來看， 數學是多數學生成績提高的一個瓶頸. 數學教材是經過了反復推敲的，語言十分簡潔. 為了保持知識的系統性，我們把教學內容按定義、定理、證明、推論、例題的順序編排，這樣就缺乏自然的思維方式，對數學知識的內涵以及相應知識的創造過程介紹也偏少. 在初中數學教學中插入數學史，可以啟發學生的思維方式，開闊視野，讓學生產生旺盛的求知欲，努力從各方面去思考證明思路. 教師雖然不是數學家，但卻可以培養出數學家. 事實證明，課堂授課時那些知識豐富、諄諄善誘的老師遠較那些授課時簡單乏味、就事論事的教師受學生歡迎.
四、滲透祖國傳統數學，提高民族自豪感，增強學生的愛國情操
數學史是一部記載人類特別是數以千計的數學家艱苦奮斗的創業史. 我國古代數學是有著光輝的歷史，如劉徽的“割圓術”、祖沖之的圓周率、祖的祖公理、楊輝的楊輝三角、秦九韶的剩余定理、朱世杰的“招差術”“垛積術”和“四元術”等都具有世界影響，他們在數學方面的成就都是非常大的. 許多成果都比西方國家要早幾百年，如圓周率和楊輝三角等. 記載著中國古典數學最高成就的《宋元算書》，是世界文化的重要遺產. 在元代以前，中國的許多成果處于世界領先位置. 可以說，數學是中國古代最發達的基礎科學之一. 僅以現在的初中數學知識為例，十進位制、線性方程組的解法、正負數運算、開平方開立方法則、圓周率的計算都是古代取得的輝煌成就. 數學是璀璨奪目的中國古代文化的重要組成部分，古代偉大的數學貢獻不僅是當今進行愛國主義教育的絕佳材料，而且古代數學家實事求是，敢于堅持真理、勇于攀登高峰的品德，也可以激勵學生對數學的興趣.
總之，數學史在初中數學教學中的滲透是數學教育的一種創新，創新已經成為時代的要求. 學習數學史可以了解數學的發展過程，從而激發學生的學習興趣，養成良好的學習習慣. 因此，在教學過程中滲透數學史的教育和教學具有非常重要的意義.
第3篇：航空航天概論知識點范文
關鍵詞：批判性思維；物理教學；啟示
一.問題背景
到目前為止，批判性思維的定義仍在不斷更新。美國學者摩爾和帕克對它的定義為：批判性思維指人對接受或拒絕任何事物、或對某種說法存疑的謹慎的、深思熟慮的決定，以及接受或拒絕某事物時的自信程度[1]。其核心在于經過獨立思考，對知識審慎的分析、評價，從而得出自己的認知，能夠自我反省；反對盲從、反對不加思考即對知識進行囫圇吞棗，要具有質疑精神。批判性思維對物理教學無疑具有重要影響。
二.批判性思維的缺失對物理學習的影響
2.1物理規律理解不深刻
物理規律反映物質結構及物質運動中諸要素之間內在的必然聯系，表現為某物理狀態下或某物理過程中相關要素之間在一定條件下所遵從的關系[2]。大多數內容都可以用數學公式表示，公式反映了諸要素的聯系，且形式簡潔，易被學生牢記。但隨著時間的推移，學生往往只記得公式，忽略了其本質的物理規律、淡忘了物理量的意義，導致看到問題后不仔細分析、靠慣性盲目套用公式。 例如“雙星問題”中，已知兩個天體的質量分別為m1、m2，距離為L，角速度為ω，學生總是習慣寫出公式 ，認為引力半徑等于軌道半徑，沒有認真分析兩個半徑的含義，忽略了規律本身：無論簡單的衛星繞地球環繞運動，還是雙星系統、三星系統，其本質都是勻速圓周運動，物體所受的合外力提供向心力，引力半講灰歡ǖ扔詮斕臘刖叮畫出物理圖像后思路很清晰。
2.2缺乏解決物理問題的方法
大道至簡，高考對物理學科的核心素養和能力是一如既往，簡約而又明確的，即明確研究對象，分析狀態和過程，運用適當的思維方法，建立物理模型，通過數學手段處理并分析所得結果[3]。掌握了解決物理問題的科學方法，就可以“以不變應萬變”。而學生往往沒有體會這些，沒有思考問題中滲透了什么物理模型、物理思想和方法，在其構建的問題空間無法迅速找到相關的算子，即使偶爾找到某個算子也不一定正確，只能在其沒有明確解題路徑的問題空間瞎碰，這導致其出錯概率大大增加。
2.3沒有建立物理模型的習慣
錢學森先生說過：“模型就是我們對問題現象的分析，利用我們考究得來的機理，吸收一切主要的因素，略去次要的因素所創造出來的一幅圖畫”.物理模型既是物理學賴以建立的基本思想方法，也是物理學在應用中解決實際問題的重要途徑和方法[4]，是學生運用物理知識解決實際問題的關鍵，而大多數學生缺少建立物理模型的習慣。面對生產、生活中具體問題時，學生建模能力的缺失表現的尤為突出。2011年江蘇高考試卷中要估算一個人將一只雞蛋拋出的過程中對其所做的功，著重考察學生建模能力，要求學生分析出雞蛋近似做豎直上拋運動，同時估算出一個雞蛋的質量。如果不會主動構建物理模型，這個題目就會很茫然。
2.4缺少反思的品質
杜威認為反思是對任何信念或假定的知識形成的積極、全面的考慮，它包括這樣一種有意識和自愿的努力，即在證據和理性的堅實基礎上建立信念。通過反思，可以讓學生及時發現自己學習中存在的問題，加強學生的自我監控、自我調節[5]，使學生元認知能力得到鍛煉和提高。思維的惰性導致學生很少反思，沒有及時思考學習中問題出現的原因，自己是概念不清楚還是思考問題不全面？這個題目的考點是什么？還有沒有其它的解決方法？自己的課堂效率、作業質量是否能保障？反思的缺失導致一個物理問題反復出現、反復出錯，降低了學習的信心，學生更不愿意靜下心研究，由此形成惡性循環。
三.提高批判性思維的途徑
3.1重視質疑精神的培養
質疑是獨立思考的開始。一方面要引導學生樹立質疑的意識，要審慎、思辨的獲得知識，不盲目迷信權威和書本；另一方面要給學生質疑的機會，教師可以設疑、描繪問題情景，提出啟發性、爭議性問題，引起學生的質疑，同時激發學生的求知欲。教師要創設良好的學習氛圍，鼓勵學生大膽的表達自己的觀點，真正實現思維的碰撞。
3.2深化物理規律的理解
課堂上要帶領學生通過觀察、實驗歸納或理論分析獲得物理規律，這樣他們的印象會更加深刻，對物理規律更加信服，引導學生不能重結論、輕分析推導；對物理規律的公式要詳細剖析，分析各個要素的含義、各要素之間的聯系，明確規律的使用條件和范圍，對學生思維上易出現的問題進行辨析。例如歐姆定律 ，它只適用于純電阻電路、金屬導電和電解液導電，發動機等元件不符合此規律；功的定義式W=FLcosθ只適用于恒力做功，變力做功一般通過動能定理解決；萬有引力公式F= ，適用于質點或均質球體，r指的是質點間的距離或者均質球體球心的距離。
3.3明確物理模型的建立
培養學生養成將實際問題主動變成物理物問題的習慣，構建相應的模型、尋找相應的參量，并借助于圖形、圖像幫助自己理解、分析。模型包括對象物理模型（如質點、單擺、點電荷等）、過程物理模型（如勻變速直線運動、彈性碰撞等）、條件物理模型（如光滑平面、輕繩、均勻介質等）[6]。
3.4強調思想方法的內化
掌握解決問題的方法：明確研究對象，分析狀態和過程，運用適當的思維方法，建立物理模型，通過數學手段處理并分析所得結果。逐步將這種方法內化為基本解決步驟，在分析過程中主動運用。引導學生總結歸納每個章節核心內容，例如拋體問題重點是將運動分解成兩個方向的直線運動研究；恒定電流問題中核心是閉合電路歐姆定律E=U內+U外；天體運動主要分析勻速圓周運動，依據牛頓第二定律F合=F向；電學中力的方面圍繞公式F=qE，能的方面圍繞W=qU……物理知識是項鏈，物理方法是絲線，二者結合才會成為璀璨的珍珠項鏈。
3.5提高習題教學的實效
物理習題是運用新知識解決實際問題的過程，是對學生綜合能力的反饋。由弄懂事實、事物和現象，到深刻理解抽象真理的道路，一定要通過實際作業，而完成實際作業就正是掌握知識 [7]。根據目的的不同，習題教學可分為以下幾種形式：
（1）典型例題：通過典型例題滲透該知識點的基本原理、研究方法和步驟，體會如何在具體問題中運用知識進行解決，典型例題往往是“母題”，由它可以演變形成一題多解、多題一解和一題多變，典型例題的掌握對學生具有非常意義。
（2）一題多解：通過一題多解，培養思維的發散性和創造性，學生可以多角度、多途徑尋求解決問題的方法，開拓解題思路，總結解題規律，提高解題能力。
（3）多題一解：通過多題一解，培養思維的聚合性、深刻性和敏銳性，培養學生的遷移能力，教會學生總結規律、挖掘物理現象的本質。
（4）一題多變：通過一題多變，幫助學生深化基本物理規律的理解，使學生全面、審慎、批判性的分析問題，根據變化了的情況積極思索，迅速想出解決問題的辦法，防止和消除呆板和僵化[8]，從而開拓學生的視野，激發學生的求知欲。
3.6培養總結反思的習慣
教學中要培養學生反思能力，讓他們進行自我評價和自我調節，學會對學習過程進行監控，從而提高學習效率和批判性思維能力。
（1）反思學習環節（預習、上課、作業、復習）。例如上課已經示范過的解題技能，為什么不能較熟練地應用？ 曾經解決過的某一類似問題，現在為何又難以完成？從中反映出自己的預習、聽課、作業、復習等學習環節存在著哪些問題？如何設法改進？
（2）反思解題過程。分析題目的題型，思考解決這類型題目的思路是什么；這個題目有什么關鍵點、運用了什么特殊的物理方法；這個題目有沒有其它方法，哪種更為便捷。
參考文獻：
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2閻金鐸，郭玉英.中學物理教育概論.北京：高等教育出版社，2009：167
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5桑張法. 運用元認知理論， 培養學生學習物理的反思能力.物理教師，2001（10）：5-7
6朱傲雪.巧建物理模型、提高復習實效.物理教師，2013（12）：85-86
7蘇霍姆林斯基.給教師的建議.北京：教育科學出版社，2009：27
8陳恒.中學物理習題變式教學探.物理教學，2011（10）：14-17
作者簡介：
王猛（1988年5月），男，籍貫江蘇徐州，
本科學歷/碩士學位，中學一級，
研究方向：物理學科教學
工作單位：南京航空航天大學附屬高級中學
收件地址：江蘇省南京市白下區御道街35號南航附中
郵編：210007
第4篇：航空航天概論知識點范文
關鍵詞:虛擬現實;教學實踐;三個基本;點面結合
中圖分類號:G642 文獻標識碼:B
1引言
虛擬現實(Virtual Reality,簡稱VR)主要采用以計算機技術為核心的現代高技術生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境(Virtual Environment,簡稱VE),用戶借助必要的設備(如特制的服裝、頭盔、手套和鞋),以自然的方式與虛擬環境中的實體對象進行交互作用、相互影響,從而產生身臨其境的感受和體驗。虛擬現實具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和構想(Imagination)特性。交互特性強調參與者通過專用設備以人類自然方式與VE中的對象進行相互操作;沉浸特性要求計算機所創建的虛擬環境能使參與者產生置身其中的體驗;構想特性是指虛擬環境能夠啟發參與者發現新問題并輔助產生創新思維。
二十世紀六十年代初,“圖靈獎”獲得者,被稱為計算機圖形學之父的美國科學家Ivan Sutherland發表“終極顯示”論文提出虛擬現實概念,自此,虛擬現實技術歷經一系列里程碑式的理論、方法與技術研究工作,并取得了重大工程應用成果。今天虛擬現實技術的應用領域已經非常廣泛,主要包括三大應用方向,即訓練演練、規劃設計與預測、觀賞娛樂等。例如在虛擬戰場環境中進行作戰指揮模擬,宇宙飛船、飛機、艦船模擬駕駛訓練,飛機、導彈、輪船等復雜系統的虛擬設計與制造,城市環境規劃及其建筑物的展示,手術培訓與導航,游戲動漫與影視制作等。由于虛擬現實技術涉及的學科綜合性、交叉性強,是可以拉動多學科發展,不斷產生新思想、新技術,具有廣泛和重大應用前景的科學技術領域,國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)把虛擬現實技術確定為信息領域優先支持的三大前沿技術之一。
2課程的特點
北京航空航天大學計算機學院從1994年開始從事虛擬現實技術領域的研究,取得許多創新成果,在相關學科領域產生了較大影響,逐步形成了北航計算機學院一個新的優勢學科方向。作為計算機應用本科生的專業限選課程,“虛擬現實技術”課程教學已經講授了5年。本課程的教學目的是通過對有關虛擬現實技術國內外研究熱點問題、典型研究工作的介紹,使學生了解當前虛擬現實技術的發展趨勢;通過對虛擬現實基本原理、基本算法、開發方法、主流系統的介紹,使學生掌握虛擬現實主要技術、開發環境與平臺;以虛擬現實技術與系統國家重點實驗室研究工作為主要實踐教學支撐,培養學生的創新能力,滿足國民經濟和國防部門對虛擬現實領域專門人才的需求。虛擬現實課程具有以下特點:
2.1學科交叉性、綜合性強
國家中長期科學和技術發展規劃綱要指出:“虛擬現實技術重點研究心理學、控制學、計算機圖形學、數據庫設計、實時分布系統、電子學和多媒體技術等多學科融合的技術,研究醫學、娛樂、藝術與教育、軍事及工業制造等多個相關領域的虛擬現實技術和系統。”虛擬現實技術主要從計算機科學與技術、控制科學與技術、機械工程科學與先進制造技術等學科中孕育并實現跨越,逐步發展成熟,涉及心理學、認知科學、計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術等,學科交叉性、綜合性強,如圖1所示。
2.2數理基礎要求高
虛擬現實課程的許多理論、方法和技術涉及大量的數學公式和物理定律,例如在基于圖形的虛擬現實技術中所涉及的計算機圖形學,基于圖像的虛擬現實技術中所涉及的圖像處理和信號處理技術,在建模技術中涉及的動力學、運動學等,都需要學生具備深厚的數理基礎。
2.3創新思維豐富
虛擬現實被眾多學者認為是科學研究與工程實踐中理論和實驗方法之外的第三種方法,可以虛擬和仿真人類難以到達的宏觀或微觀環境,進行研究和體驗;在虛擬環境下進行逼真的規劃、設計、訓練演練,作出評價和決策,其與生俱來的構想特性能夠啟發參與者發現新問題并產生創新思維。虛擬現實技術由于多學科交叉性,在不同學科交叉融合中源源不斷地產生新思想、新方法。
2.4工程應用突出
虛擬現實技術既有堅實的理論基礎和方法,也有大量的典型算法,同時又是一門應用牽引強,各種開發平臺和應用工具豐富,人機交互設備多,軟硬件結合與系統集成占相當比重的課程。
2.5課程內容多課時緊
本課程是本科生計算機應用方向的限選課程,在本科四年級上學期開設,其間正值學生考研復習準備階段,課時總計36學時,課內教學18學時、課外實踐18學時,授課時間十分緊張。
3教學內容安排
我們經過多年的教學實踐,在不斷與學生教與學交互的活動中,結合自身學科研究特色,總結、完善主要教學內容,形成了如下的教學大綱:
第一章:概論(2h)
問題的提出、名詞術語、虛擬現實特征、里程碑工作和研究現狀、國內外典型應用實例。
第二章:虛擬現實硬件與系統(2h)
虛擬現實輸入設備、虛擬現實輸出設備、高端圖形工作站、圖形處理單元(Graphic Processing Unit簡稱GPU)、典型沉浸式交互系統的構建實例。
第三章:基于圖形的虛擬現實建模與開發技術(6h)
視覺感知相關基本概念、場景表示與數據庫結構設計、CREATOR建模軟件與合成自然環實例、場景圖組織與基本繪制流程、OpenGVS與WTK開發軟件、虛擬場景漫游應用程序開發實例。
第四章:基于圖像的虛擬現實建模與繪制技術(2h)
IBMR技術與全光函數、全景圖像與柱面全景圖像實例、同心拼圖方法。
第五章:人工生命-人工魚實例(2h)
人工魚的總體方案、人工魚的生物力學分析、感知與行為建模、幾何建模與外觀屬性、虛擬海洋環境建模、運動系統、逼真性與效率權衡。
第六章:虛擬人技術(2h)
人體抽象模型與國際標準、逼真運動獲取與表示、運動約束與重用、虛擬人技術應用實例。
第七章:分布式虛擬現實技術(2h)
DIS技術與IEEE1278、HLA技術與IEEE1516、分布交互仿真程序開發與應用實例。
教學實踐與課外教學安排:(18h)
課外研讀學習OpenGL、構建虛擬現實漫游程序;參觀虛擬現實技術與系統國家重點實驗室,觀看演示、操作實驗室研究設備,了解當前主要研究方向和趨勢。
4教學實踐與思考
針對虛擬現實課程的上述特點,我們在課程的教學活動中形成了“突出三個基本,注重融會貫通;點面結合,各有側重;結合實例,促進創新思維”的教學思路。
4.1突出三個基本,注重融會貫通
在教學中突出三個基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的講授。虛擬現實課程的諸多內容來自不同的研究和應用領域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同歸。對于這部分內容在教學活動中應有意識進行聯系,分析講解,努力讓學生融會貫通。以細節層次概念(LOD)為例,細節層次概念是圖形建模中的基本概念,是指用一組復雜程度(常常以多邊形數來衡量)各不相同的實體細節層次模型來描述對象,在運行時根據一些主客觀標準在這些LOD模型間進行切換,實時改變場景的復雜度,從而能夠繪制效率與效果的平衡,該方法需要解決模型間切換時產生的視景跳躍問題。在GPU的基本貼圖處理(MIP MAPPING )、復雜光照模型實時繪制等研究工作中也引入和應用了同樣的原理,因此在講解細節層次概念時進行舉一反三,加深學生對這一滿足逼真性和繪制實時性普適基本方法的理解,進一步可以引伸出連續細節層次方法以及與視點相關的遞進傳輸技術如何滿足基于網絡的虛擬現實應用問題。這樣教學思路始終貫徹在七維全光函數降維、八叉樹的數據組織方法等諸多教學內容中,以達到融會貫通的目的。
4.2點面結合,各有側重
虛擬現實課程涉及學科眾多,內容十分豐富,有限的課時內做到面面俱到幾乎不可能。我們的教學大綱基本覆蓋虛擬現實的主要研究分支,重點是基于圖形和基于圖像的虛擬現實技術,由于增強現實在其他課程有重點講授,不過多涉及。其次注重對當前國內外的研究重點、熱點問題,以及當前的主流設備、開發工具與平臺介紹。通過發揮授課教師的計算機科學與技術專業背景,結合實驗室多年的研究工作進行知識點的深入講解。例如在分布式虛擬現實技術教學中,實驗室在該方向上開展了長達十年的研究工作,研究成果既體現了該內容的基本方法、國際標準,又體現了當前的最新研究成果。該內容的教學從早期的DIS入手,通過與HLA核心技術的對比,重點講解分布式虛擬現實技術如何應用數據抽象與封裝、與訂購、基于值的信息過濾 (DDM)等核心技術解決大規模交互仿真問題,進一步引伸介紹目前該方向的研究進展,讓同學了解當前研究熱點問題。
4.3結合實例,促進創新思維
虛擬現實是一門多學科交叉的科學技術,不同學科理論與方法的互相借鑒、啟迪、創新尤為明顯。因此在講授具體內容的同時,應介紹該研究工作和成果產生的背景,體現交叉創新、集成創新思路,啟迪同學的創造性思維是本課程不斷追求“授之與漁”的目標。在課程綜述中重點介紹信息資源環境的智能化、普適化、協同化、沉浸化發展的各個不同歷史時期代表性工作,以及仿真技術、先進制造技術等學科對虛擬現實的重要貢獻,突出虛擬現實技術交叉融合的特性。將具體的課程知識點講授融入到典型實例中,人工生命課程教學中以ACM優秀博士論文工作為基礎,講述了人工魚的感知與行為建模、幾何與外觀屬性建模、虛擬海洋環境建模等,目的在于突出建模內涵的寬泛性和在虛擬現實技術中的重要地位,通過詳述人工魚的生物力學分析、總體方案設計,行為與運動系統實現,歸納總結出多學科交叉、逼真性與效率的完美平衡是其創新所在。在講授虛擬人技術時,首先提出逼真人體運動復雜性和實時性這一矛盾,引入機器人技術領域的逆向運動學以及信號與系統中的信號處理方法,重點介紹借鑒其他學科方法解決虛擬人運動重用和大規模人群等關鍵問題,強調借鑒啟迪是創新的源泉。在諸如同心拼圖、分布式虛擬環境中同樣貫徹了結合實例,促進創新思維這一教學思路。
5結論與展望
“虛擬現實技術”涉及面寬、內容十分豐富,同時發展迅速,應用越來越廣泛,如何講授好該課程是一個需要不斷探討、研究總結的教學課題。筆者在多年的教學活動中,通過教與學的交流,不斷總結形成了一些教學思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不斷完善充實,主要包括兩個方面內容:(1)如何做好虛擬現實技術課程與計算機圖形學、多媒體技術、圖像處理技術的銜接;(2)如何利用好虛擬現實技術與系統國家重點實驗室的研究環境、軟硬件資源以進一步加強虛擬現實課程的實踐環節。我們將在今后繼續研究探索,以解決這些重要問題。
參考文獻:
[1] 趙沁平. DVENET分布式虛擬現實應用系統運行平臺與開發工具[M]. 北京:科學出版社,2004.
