1 背景及现状
自从2018年首届江西南昌世界虚拟现实（Virtual Reality，VR）产业大会以来，VR大会成为全世界了解中国虚拟现实产业的重要窗口。近年来，VR在教学领域也得到了一定程度的应用[1-3]。相比于传统教学中采用的静态PPT课件教学，用户通过佩戴VR头盔、VR眼镜、数据手套等设备便可以进行人机交互，增强了体验感，可以让学生快速进入沉浸式情景，必将成为一种新的教学媒体。例如，文献[4]中利用VR技术将计算机生成的动画故事用于现实故事教学课堂。由于VR教学可以增强用户的沉浸性和交互性，让学生直观理解知识点，培养兴趣，切实提高上课的“抬头率”，因此，如何在高校课程中引入VR技术已经成为教学改革和实践的热点问题。将VR全面引入教育领域，打破传统教学的壁垒，打造全新的教学理念和方法，有利于传统课程的教学改革。
“面向对象程序方法与设计”是一门实践性较强的计算机专业基础课程之一，该课程核心部分的概念和技术是所有工程学科的重要基础。随着工程研究人员所面临的复杂过程分析和综合的挑战，该课程的方法应用越来越广泛。此外，该课程还是一门关键性的技术基础理论课，既有较为严格的数学基础，又有现代技术的实践背景。目前，传统教学模式的现状和问题如下。
（1）理论课以教师全程40min讲授为主的教学模式，使学生感觉枯燥和乏味，缺乏自主学习的锻炼，学习主动性差，效率不高。
（2）课程涉及面极为广泛，包含微积分、线性代数、概率与数理统计等，加上学生本来就畏惧数学，学习知识不全面不深入，传统的讲授式教学方法，不能有效调动学生自主学习的积极性，导致学生的数学思维得不到提升。
鉴于此，笔者选择高校手语教学作为切入点，在实践中探讨如何充分挖掘面向对象方法对于学生的计算思维、数学思维和工程实践思维的提升作用。据不完全统计，全世界聋哑人多达6 500万，而我国聋哑人高达2 057万。手语在听力水平正常人群中的推广与普及远远达不到聋哑人正常生活交流的需要[5]。当前面向聋哑人的手语教学形式也比较单一，主要以配有文字、
、动画的PPT课件为主[6-7]，或者采用图像处理的手语教学软件[8-9]、基于视频处理的手语识别软件[10]、基于体感Kinet深度相机设备的手语识别软件[11-12]等。为此，笔者将VR、面向对象、手语进行了有效整合，并用于高校教学之中。
2 面向对象驱动的沉浸式手语教学平台设计
笔者选取树莓派Zero 2W开发板、弯曲度传感器、供电模块、陀螺仪和转接板，自行焊接了一副数据手套，软件主要采用了TinyML。一双数据手套总体价格控制在2 000元左右，是市场价格的十分之一。在授课时，教师配戴好数据手套，在手机APP端可以实时将手语动作翻译成汉字，并配合语音合成技术发声，图1显示了笔者自行研发的数据手套和配套软件。该平台充分融合了VR的交互性、沉浸感、想象性和自主性，用于面向对象教学实践环节中，切实提升了课堂效果。
图2显示了本手语教学平台的技术路线。首先把各种传感器和树莓派焊接在手套的合适位置，再通过收集函数对收集到的数据进行矫正以获取合适的数据，接着对各种手势的数据进行归一化处理，然后通过Tensorflow得到能让嵌入式设备识别的.lite模型，再把这个文件存入嵌入式设备中。当使用者带着该手套触发了设定的特殊机制时，树莓派就会先对实时收集到的数据进行处理，然后通过这个.lite模型进行推断，输出刚刚手势所代表的中文。最后，通过MQTT协议把输出的数据传输到对应的手机端和电脑端。
该数据手套是基于人工智能硬件的手语手套，将算法模型压缩部署在镶嵌在手套上的开发板上，进行本地识别，不须借助任何外部计算设备或互联网，可以做到真正意义上的“在任何场景使用”，这是传统手语翻译手套都无法实现的。同时，本地识别可以避免用户数据在网络上传输，以保护用户隐私。
3 教学方法和策略设计
3.1 CBGS和PBGS
不同的教学情境下有着不同的教学方法和策略。基于沉浸式的面向对象课程教学要求授课内容与VR设备相关联，主要考虑如何在教学平台中有效设计教学内容和分配教学资源。一方面借助VR设备可以激发学生的兴趣，提高动手能力，从而可以充分调动学生的主观能动性；另一方面也可以发挥教师对课堂的把控能力，从而调动教师的积极性，将复杂的知识点用VR设备和平台直观解释。采用数据手套进行实践教学后，让学生实际配戴数据手套，再利用与教学平台的交互性，学生每做一个手语动作，都可以翻译成对应的汉字，并且通过语音合成进行发声，增加学生的沉浸感，极大地培养了学生的兴趣。让学生主动探索和学习知识点，从而有效完成知识传输；通过项目分组汇报形式，也可以让学生在组内形成良好的“竞争”关系。基于沉浸式的面向对象课程教学方法如图3所示，拟采用CBGS（Case Based Group Study）和PBGS（Project Based Group Study）相结合的方式进行教学。
CBGS是基于案例的团队学习的简称，源于1997年Watermam等人提出的案例教学理念，是解决理论与实践脱节问题的有效策略之一。如今，CBGS成为美国、加拿大等国家教育改革的主流理念。在理念上，CBGS是一种“案例为本”的教育哲学；在实践上，是一种通过案例讲解使得学生在学习动机、学习态度、沟通能力等方面不断引导自我的学习过程。CBGS将任务设定为精心设计的教学案例，以案例为基础进行分组学习，并以案例的执行结果作为考核的一种重要手段。PBGS教学模式是以项目为载体，以团队协作方式进行教学安排与课程设计，是由师生共同实施一个个完整的项目来组织教学活动，让学生在参与项目的同时找出问题、合理安排计划、收集相关资料、分组讨论、决策和解决问题，最终提交作品的一种学习方式。CBGS教学模式是计算机学科教育的必选手段，是将PBGS中的项目设定为案例时的一种教学方法，以案例为教学单位可以有效降低本科学生的理解难度。
针对CBGS和PBGS的特点，采用多元化的课堂教学方法，将CBGS和PBGS教学法有机结合，有利于解决课堂教学的驱动力问题。把两者有效结合的关键在于案例的精心筛选，案例的影响力、重要性、独立性成为关键要素。可以建立课程的案例电子资源库，库中包含短视频资料（控制在10min左右）、文本、语音等多模态数据，内容丰富，学生可以随时访问，并保存学习访问记录和留言，具有不受时空限制等优势。它将是大学课堂教学的有效补充资源，可以实现教师与学生的互动交流，有效改变传统课程教学模式，充分利用互联网和移动互联网进行现代化教学，激发学生学习的主动性和积极性，从而实现教学质量的提升。图3显示了两者结合方案。
基于沉浸式的面向对象课程教学研究与实践技术路线如图4所示，其中有效融入了课程思政元素，采用美国质量管理专家休哈特博士提出的PDCA（Plan、Do、Check、Action）循环法检验教与学。
3.2 思政元素设计与融入
在课程教学中结合VR硬件、信号与系统、智能硬件基础，在电路基础、二进制、卷积运算、时域分析和频域分析等教学内容设计中融入课程思政元素，部分思政元素如下。
（1）电路基础：电路设计作为一项协同人与社会关系的实践活动，必然要遵循自然辩证法中的系统观。在系统观方面，事物的普遍联系和永恒运动是一个总体。在电路器件的物理特性设计方面须满足电容的电压不能突变和电感的电流不能突变。针对P=Q（dv/dt），任何电器的功率P都不会是无穷大，因此等式右边的dv/dt就不会是无穷大。从数学上讲，dv/dt不是无穷大，就是说V不能突变。由此，电容器上的电压不能突变，本质是电容器上储存的电场能量不会突变，即它的功率不会是无穷大。
（2）二进制：在数字信号处理中，二进制经常被采用。它是由0和1两个数字构成的，最早可以追溯到德国哲学家莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646—1716）保存在德国图灵根郭塔王宫图书馆的手稿，其标题为《1与0，一切数字的神奇渊源。这是造物的秘密美妙的典范，因为，一切无非都来自上帝》。莱布尼茨写给牧师布维（Joachim Bouvet，1662—1732）的信中说：“第1天的伊始是1，也就是上帝。第2天的伊始是2，……到了第7天，一切都有了。”由此也产生了“周”的概念。同样，在二进制中，“1”代表“真”，“0”代表“假”，可以有效培养本科生的哲学观。
（3）卷积运算：卷积是信号处理的一个非常重要的概念，其核心思想是“加权平均”。在连续空间里，函数f（x）与g（x）的卷积是f（t-x）g（x）在t从负无穷到正无穷的积分值。其实际过程是f（x）先做一个Y轴的反转，然后再沿X轴平移t得到f（t-x），然后再与g（x）相乘再求积分，其实是f（t-x）与g（x）相交部分的面积，为一个函数对另外一个函数做加权平均。这种“加权平均”的思想在人们的日常生活中经常用到，比如学生的最终考试成绩由理论、平时成绩和项目成绩3部分在50%、20%、30%的占比下的最终成绩。在课程教授时，可以举出更多的例子，引导学生建立数学思维。
4 教学质量评价
4.1 质量评价
教学质量评价是对教学目标完成度的判断。基于沉浸式的面向对象课程教学是新事物，传统的教学质量评价方法要根据VR特点进行相应的调整，可以采用分层的评价指标，例如一级评价指标包含教学内容、教学组织、教学能力和教学效果4个方面，二级评价指标是一级指标的细分，如图5所示。
从图5的分层评价指标可以看出，该教学质量评价从教师和学生两方面进行了综合评价，其中教学内容的完整性包含面向对象基本概念和多类型手语，如交通、天文等；教学组织的互动性包含教师与学生的互动以及学生小组内部组员的互动；对各种手语掌握的熟练性体现了教师的教学能力；而基于沉浸式情景的面向对象教学的达成度体现了教学效果。
4.2 效果评价
基于沉浸式情景的面向对象教学使课程的教学质量得到显著提升，学生到课率达100%，对该课程的理论和实践都有了更深入的认识，增加了代入感，反响非常好。主要体现在：①学生能分组协作并保证质量完成课程精心设计的案例和项目；②学生在“对抗”小组汇报中增强了对知识点的理解。
表1和图6分别展示了参与该课程后学生近3年取得的成果。学生直接参与的各类成果包含授权国家发明专利4项、软件著作权13项、各类获奖115次。这些成效也充分表明了使用VR教学后，极大地提升了学生的学习兴趣，增强了其实际动手编程能力和科研能力。
5 结 语
相比传统PPT课件和动画演示的教学而言，VR设备可以激发学生的兴趣，增强学生的沉浸感和带入感，营造良好的学习氛围。利用面向对象技术设计的沉浸式手语教学平台将VR技术引入教育领域，给教师和学生都提供了丰富的教学素材。此外，如何将VR教学与传统教学进行有机结合，并拓展至远程教学和网络教学均是后续的重要研究课题。
参考文献：
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[11] 张诗潮. 基于Kinect的手语教学系统设计研究[D]. 上海: 华东师范大学, 2014.
[12] 唐洋. 基于深度学习的手语识别算法研究[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2019.
基金项目：江西省学位与研究生教育教学改革研究项目（JXYJG-2021-056）；江西省高等学校教学改革研究课题（JXJG-20-2-34）；国家自然科学基金项目（62162031）；江西省研究生创新基金（YC2022-s326）。
作者简介：徐凡，男，江西师范大学副教授，研究方向为自然语言处理和人机交互， xufan@jxnu.edu.cn；叶继华（通信作者），男，江西师范大学教授，研究方向为物联网技术和图形处理，yjhwcl@163.com。
引文格式：徐 凡，杨逸峰，叶继华，等. 基于沉浸式情景的面向对象课程教学设计与实践 [J].计算机教育,2023(2)：58-63.
转自：“计算机教育”微信公众号
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