計(jì)算機(jī)類研究生的VR實(shí)踐創(chuàng)新能力提升研究

韓慧妍，況立群，熊風(fēng)光，張?jiān)瑮顣晕?/p>

(中北大學(xué)大數(shù)據(jù)學(xué)院國(guó)家級(jí)計(jì)算機(jī)及應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，山西 太原 030051)

在新工科建設(shè)背景下，教育部提出要培養(yǎng)碩士綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，與本科生相比，研究生更注重的是培養(yǎng)其實(shí)踐創(chuàng)新能力[1]。因此，研究生開設(shè)的所有課程都應(yīng)該以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力為導(dǎo)向，進(jìn)行課程體系的設(shè)計(jì)，為達(dá)成畢業(yè)要求打下扎實(shí)基礎(chǔ)[2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)，已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界乃至我國(guó)政府重點(diǎn)布局的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用在生活的方方面面，國(guó)內(nèi)許多高校的計(jì)算機(jī)類碩士都開設(shè)了VR技術(shù)課程，該課程具有概念抽象、內(nèi)容廣泛、知識(shí)點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。傳統(tǒng)的教學(xué)方法課程目標(biāo)設(shè)置不合理、講授領(lǐng)域沒有側(cè)重，評(píng)價(jià)則采用期末小論文“一錘定音”制，無法考查學(xué)生對(duì)課程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度、應(yīng)用于工程實(shí)踐的能力和創(chuàng)新思維素養(yǎng)。基于此，課程團(tuán)隊(duì)老師進(jìn)行了課程教改，根據(jù)畢業(yè)要求重新凝練了課程目標(biāo)，基于課程目標(biāo)進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)，采用多元模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終達(dá)成了課程目標(biāo)。

1 課程目標(biāo)

(1)知識(shí)目標(biāo)：掌握VR的構(gòu)成要素、特點(diǎn)、建模、渲染等基礎(chǔ)知識(shí)，熟練掌握VR引擎Unity3d軟件的使用方法，能熟練使用全景圖像、全景視頻軟件進(jìn)行VR內(nèi)容的制作，具備從事VR相關(guān)專業(yè)工作所需的專業(yè)知識(shí)。

(2)能力目標(biāo)：能夠使用Unity3d完成天空、地形、樹木等的制作，能夠?qū)⒏黝怴R內(nèi)容集成，使用外設(shè)進(jìn)行交互，具備應(yīng)用VR基礎(chǔ)知識(shí)分析、解決復(fù)雜VR工程問題的能力。

(3)素養(yǎng)目標(biāo)：能夠以小組的形式進(jìn)行綜合性項(xiàng)目設(shè)計(jì)，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新思維能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的素養(yǎng)。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

本課程存在以下三大教學(xué)痛點(diǎn)：

(1)課程目標(biāo)與本科生相同，跟不上“知識(shí)、能力、素養(yǎng)”三位一體畢業(yè)要求的步伐。

(2)課程知識(shí)點(diǎn)多、雜、分散、抽象，實(shí)踐性強(qiáng)，目前的教學(xué)資源和手段難以解決。

(3)評(píng)價(jià)模式過于單一，無法體現(xiàn)本課程的實(shí)踐特色。

本文圍繞課程目標(biāo)，針對(duì)以上教學(xué)痛點(diǎn)，提出教學(xué)設(shè)計(jì)思路：(1)思政融入教學(xué)。(2)課程內(nèi)容優(yōu)化。(3)教學(xué)模式創(chuàng)新。(4)評(píng)價(jià)手段多元。

2.1 思政融入教學(xué)

本文從課程不同知識(shí)點(diǎn)出發(fā)，將思政元素融入課堂，培養(yǎng)學(xué)生愛專業(yè)、愛黨、愛國(guó)精神，提升其團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，推動(dòng)思政立體化育人[4]，如表1所示。

表1 VR技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容與思政對(duì)照關(guān)系

2.2 課程內(nèi)容優(yōu)化

VR體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括硬件、軟件、人機(jī)接口以及VR內(nèi)容。VR從內(nèi)容主體而言屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)[5]，因此選擇與計(jì)算機(jī)相關(guān)的核心教學(xué)內(nèi)容，簡(jiǎn)述光學(xué)、聲學(xué)和心理學(xué)領(lǐng)域的理論。中北大學(xué)計(jì)算機(jī)類學(xué)生沒有硬件開發(fā)基礎(chǔ)，因此在講授技術(shù)理論時(shí)偏軟不偏硬，對(duì)于VR硬件設(shè)備，只需要學(xué)會(huì)如何使用并在此基礎(chǔ)上做軟件開發(fā)。當(dāng)前VR行業(yè)缺乏內(nèi)容，因此將工程實(shí)踐重點(diǎn)設(shè)置為VR內(nèi)容開發(fā)的三大技術(shù)(基于三維圖形技術(shù)、基于圖像建模和基于三維引擎)。從三大課程目標(biāo)出發(fā)，突出計(jì)算機(jī)專業(yè)特點(diǎn)，按照強(qiáng)應(yīng)用、重能力、強(qiáng)創(chuàng)新的原則優(yōu)化重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，涵蓋四大教學(xué)模塊，如圖2所示。

圖1 VR體系結(jié)構(gòu)

圖2 基于課程目標(biāo)重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

2.3 教學(xué)模式創(chuàng)新

本課程采用對(duì)分課堂教學(xué)模式，提高學(xué)生的參與度，增強(qiáng)其多方面能力。

(1)講授階段：教師對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行提綱挈領(lǐng)的講授，對(duì)課程重點(diǎn)和難點(diǎn)給出必要的提示，通過學(xué)院大屏、環(huán)幕等各類VR設(shè)備形象具體地展示各類2D、3D形式的VR內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生辨認(rèn)其開發(fā)技術(shù)。

(2)獨(dú)立學(xué)習(xí)階段：查找相關(guān)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，撰寫關(guān)于VR前沿技術(shù)的小論文；尋找自己研究課題與VR的結(jié)合點(diǎn)，做成可以展示和講解的PPT，提升學(xué)生從事科研工作的能力、邏輯思維能力和對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解能力。

(3)小組項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：分組進(jìn)行綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)，編程語言不限，內(nèi)容要求涵蓋VR的全部體系結(jié)構(gòu)，借助VR設(shè)備進(jìn)行交互，將知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和素養(yǎng)提升融為一體。

(4)全班交流環(huán)節(jié)：每個(gè)同學(xué)展示、講解其PPT。每個(gè)小組演示其項(xiàng)目，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕换ィ溆嗤瑢W(xué)及老師提出疑問，小組成員進(jìn)行回答，通過答辯的方式提升學(xué)生語言表達(dá)能力和高階思維能力，培養(yǎng)其挑戰(zhàn)自我、集體意識(shí)、科學(xué)求真的素養(yǎng)。

基于以上教學(xué)模式，達(dá)到理論與實(shí)踐閉環(huán)、學(xué)習(xí)與研究閉環(huán)。

(1)理論與實(shí)踐閉環(huán)

本課程通過VR設(shè)備展示、經(jīng)典案例導(dǎo)引、關(guān)鍵技術(shù)突破、小組成員合作、全班經(jīng)驗(yàn)分享的方式，達(dá)到理論與實(shí)踐閉環(huán)，提升學(xué)習(xí)興趣、鍛煉批判思維能力、激勵(lì)實(shí)踐創(chuàng)新能力。

(2)學(xué)習(xí)與研究閉環(huán)

通過課程學(xué)習(xí)、專業(yè)實(shí)踐、科研訓(xùn)練、學(xué)術(shù)交流相結(jié)合的方式，達(dá)到學(xué)習(xí)與研究閉環(huán)，從而將其培養(yǎng)成為從事科學(xué)研究、管理或獨(dú)立擔(dān)負(fù)專門技術(shù)工作能力的高級(jí)專門人才。

2.4 評(píng)價(jià)手段多元

本課程采用全過程多元評(píng)價(jià)模式，總成績(jī)=小論文(20%)+PPT展示答辯(30%)+綜合項(xiàng)目演示答辯(50%)，其中小論文由老師根據(jù)其撰寫的新穎性、概括性和全面性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，PPT、綜合項(xiàng)目成績(jī)由自我評(píng)價(jià)(15%)、同學(xué)評(píng)價(jià)(15%)和教師評(píng)價(jià)(70%)構(gòu)成。各考核方式對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成的權(quán)重占比分配見表2，各考核環(huán)節(jié)對(duì)各課程目標(biāo)的覆蓋率見表3，由Ai和A計(jì)算分、總課程目標(biāo)的達(dá)成度。

表2 各考核方式對(duì)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)的權(quán)重占比分配

表3 第k個(gè)考核環(huán)節(jié)對(duì)課程目標(biāo)的覆蓋率分配

第i個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成度Ai，基于各考核環(huán)節(jié)k的貢獻(xiàn)加權(quán)求和，即Ai=∑(Gik×Wik)。其中：Gik表示第k種考核方式支撐第i個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成度。Bi表示第i個(gè)課程目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的試題分?jǐn)?shù)總和。多個(gè)課程目標(biāo)再根據(jù)比例加權(quán)求和，就得到課程的目標(biāo)達(dá)成度A(A=∑(Ai×Pi))，其值大于等于0.60表示目標(biāo)達(dá)成。

3 目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)效果及后期改進(jìn)

本文采用定量和定性評(píng)價(jià)分析課程目標(biāo)的達(dá)成情況，定量評(píng)價(jià)基于課程目標(biāo)，定性評(píng)價(jià)基于學(xué)生問卷調(diào)查及學(xué)院碩導(dǎo)評(píng)教結(jié)果。兩種評(píng)價(jià)都進(jìn)行歸一化操作，如果二者都大于0.6，說明目標(biāo)已達(dá)成；反之，目標(biāo)未達(dá)成。

3.1 定量評(píng)價(jià)

課程的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4所示。分、總課程目標(biāo)達(dá)成度如表5所示，二者均大于0.6，說明已經(jīng)達(dá)到了本課程的教學(xué)目標(biāo)，分組綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示，包括校園漫游、虛擬演練、管件識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、瞳孔識(shí)別、人臉識(shí)別等。

表4 各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)分課程目標(biāo)達(dá)成度情況

圖3 部分項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果

3.2 定性評(píng)價(jià)

學(xué)期末對(duì)35個(gè)學(xué)生進(jìn)行滿意度調(diào)查，包括課堂講授、參與式教學(xué)、理論與實(shí)踐結(jié)合、教學(xué)方法共四個(gè)指標(biāo)點(diǎn)。達(dá)成度包括不滿意、一般、比較滿意、很滿意、不適用五個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示，顯示學(xué)生的滿意度較高。從碩導(dǎo)評(píng)教結(jié)果來看，其評(píng)價(jià)也比較高。但兩類評(píng)價(jià)中還存在“比較滿意”的選項(xiàng)，說明教學(xué)仍然需要改進(jìn)。

3.3 后期改進(jìn)

本課程教改雖然取得了一些成績(jī)，但仍發(fā)現(xiàn)一些問題，可以作為后期課程體系建設(shè)、教學(xué)過程和考核分析的指導(dǎo)意見。具體包括：

(1)課程內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，淘汰過時(shí)的內(nèi)容，加深課程內(nèi)容和實(shí)際問題的結(jié)合，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

(2)教學(xué)過程中能夠?qū)⒁奄徶肏ololens、大疆無人機(jī)、Kinect、Leapmotion、三維手持掃描儀、3D環(huán)幕等VR設(shè)備利用起來，使分散、抽象的理論知識(shí)具體化、視覺化和實(shí)踐化。

表5 課程目標(biāo)達(dá)成度

表6 學(xué)生評(píng)教滿意度調(diào)查結(jié)果

縱觀VR技術(shù)教學(xué)過程，本文首次嘗試對(duì)分課堂模式，經(jīng)過一輪完整教學(xué)實(shí)踐，說明本課程教改效果較好。在今后的教學(xué)過程中，將繼續(xù)深化對(duì)分課堂模式，緊跟VR技術(shù)的發(fā)展步伐，深挖思政元素，根據(jù)畢業(yè)要求凝練課程目標(biāo)，進(jìn)一步提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，為將其培養(yǎng)為從事計(jì)算機(jī)研究與應(yīng)用開發(fā)的高級(jí)專門人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。