元宇宙技術引領下的新工科創新設計類課程教學方法研究

楊 靜 吉曉陽

1.貴州大學公共大數據國家重點實驗室，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學計算機科學與技術學院，貴州 貴陽 550025

隨著我國經濟飛速發展，培養高校創新型人才存在一些普遍問題：培養模式不完善、缺少實踐機會、實際問題解決能力弱，以及整體創新能力的有待提高［1］。為了降低創新設計類學科的創新門檻，給學生提供更多設計方案的反饋，并提供一個學習交流的社區，論文提出元宇宙技術引領下的新工科創新設計類課程教學方法，以元宇宙教育教學平臺為媒介［2］，通過促進“產—學—研”的緊密結合，探索在“互聯網+”環境下創新工程教育教學方法，來解決新工科創新設計類專業學生創新能力缺乏的根本問題，從而提高工程教育效率，提升教學質量。

在創新設計類課程中，元宇宙中的產品將不再受限于物理材料和生產流水線的限制。元宇宙還可以幫助使產品更具可持續性，因為改變設計或創造新的變體，將不再需要額外的生產過程或產生更多新材料的浪費。在產品設計方面，工業元宇宙平臺允許用戶模擬產品應用過程中的環境因素，并基于元宇宙平臺上設計的產品模型，直觀、準確地模擬產品各部分的工作原理，從而有效驗證產品性能［3］；在協同設計方面，創新的產品設計可以突破區域限制，支持多方協同設計，讓用戶參與到產品設計中，并能在元宇宙平臺上體驗自己設計的產品。在用戶體驗方面，用戶通過更深入參與元宇宙平臺的產品研發，生產更貼近用戶需求的產品，從而增強用戶體驗。

一、元宇宙技術

元宇宙是具備新社會系統的數字生活空間，其是通過科技手段進行鏈接與創造，并由現實世界映射并進行相互互動的虛擬世界［4］。元世界本質上是現實世界的虛擬化和數字化過程，需要在內容生產、經濟系統以及用戶感受等方面進行改造提升［5］。然而，元宇宙的演變是漸進的，以共享的基礎設施、標準和協議為基礎，通過融合不同的工具、平臺，從而最終成形［6］。元宇宙通過增強現實技術給用戶營造沉浸式體驗，借助數字孿生技術創建現實世界的鏡像，使用區塊鏈技術構建經濟系統，將現實世界與虛擬世界在文化、經濟、社交等系統上緊密融合，并且用戶可以完成內容生產和世界編輯［7-8］。元宇宙產業體系分為基礎設施層、核心層和應用服務層。

應用層包含經濟系統、社交系統、身份系統等，經濟系統中包括：數字人、虛擬場景、虛擬人社交、虛擬人辦公、虛擬人生產、虛擬人學習等；行業端應用服務包括：虛擬工廠、生產制造、營銷銷售、大數據治理等；形成完整的“元宇宙”后，其將賦能工業、教育、視頻、娛樂、媒體、文化創意、會展、日常辦公等領域［9］，打造信息消費新商業模式，帶來人類生產生活方式的顛覆性變化。

核心層由虛擬化、數字化、數字孿生、虛實共生技術與產品支持。其中包含接入“元宇宙”的各類終端以及這些終端所需要的基礎軟硬件，如：芯片、顯示器件、可穿戴設備、VR、AR、XR、MR 等；時空生成包含將真實物體數字化所需的技術工具，如：操作系統、3D 建模、數字孿生、實時渲染、導航定位、融媒體平臺、設計平臺等；交互體驗包含“元宇宙”中的各類交互技術，例如，動作捕捉、眼動追蹤、語音交互、力反饋；產業平臺包括游戲、社交、學習平臺、隨機接口等；虛擬社會架構包括信用體系、安全體系［10］、道德倫理等。

基礎設施層包含通信網絡基礎設施（5G/6G網絡、物聯網、互聯網等）、算力基礎設施（數據中心、智能計算中心、分布式存儲等）和新技術基礎設施（云計算、區塊鏈、人工智能等），主要負責數據的實時傳輸、存儲計算、挖掘分析；區塊鏈搭建經濟體系，解決安全問題［11］等。

二、新工科創新設計類課程存在的主要問題

（一）新工科創新設計類課程創新起點太高，可繼承共享的資源少

設計一個用于實際生活的完整機械系統，對任何一個學生來說都極具挑戰性。因為大部分學生缺少可以學習的先驗知識，并且缺乏改進已有系統的“微創新”機會［12］。目前，機械領域還沒有真正的學習交流社區，且學生在設計時既沒有可以參考的直觀模型，也不能學習到完整的機械設計方案，導致目前大部分學生進行創新思考的機會很少。

（二）沒有驗證知識的機會，進而無法獲得知識的反饋，很難進步

新工科創新設計類課程是一門強調實踐的學科。在沒有實際制造的情況下，通常無法驗證學生設計或改進的機械、裝置或完整的機電系統是否合理或具有實用性。然而，這種實際制作的機會極少，而通過計算機仿真來檢驗的門檻太高，又缺少提供分享和交流的學習社區平臺，使得學生無法對創新設計的合理性進行驗證，也就無法獲得反饋進而對創新設計類模型和方案進行改進和創新。

（三）缺乏“企業—學生—教師”之間的交流共享平臺

非常缺乏諸如源碼、設計方案、完整的創新設計模型等共享資源，以及“企業—學生—教師”之間圍繞設計問題能夠方便溝通交流的平臺。目前，學術論文和專利是創新設計領域知識共享重用的主要來源，但這些遠遠不能滿足創新設計類專業學生對知識創新的需求。數據、方案和模型的開源共享更具有繼承性、重用性以及延續性，可以看出，提高創新設計類學科創造性的一個重要途徑，就是缺乏開放貢獻交流平臺，進而提高學生的創新能力。

三、元宇宙技術引領下的新工科創新設計類課程改革探索

（一）元宇宙課程思政

元宇宙環境下的新工科創新設計類課程，將具有“虛實融合化、沉浸互動化、場景個性化、智能服務化”的特點［13-14］。新工科創新設計類課程思政，旨在多維立體地展現歷史文化，讓學生回顧相關歷史文化。采用元宇宙交互技術、電子游戲技術等，對相關課程歷史和政治，從時間與空間進行重構，讓學生能夠在有限的時間和空間里，切身感受到相關課程的無窮魅力與韻味，引發學生對該課程文化認同，可以足不出戶，實現穿越時空隧道，身臨其境感受相關課程的悠久歷史；通過元宇宙新工科創新設計類課程的時空密碼，將相關課程的過去、現在、未來，通過虛實結合的手法巧妙展現，通過體驗和想象，不斷勾勒出對創新設計類課程的全新理解。

（二）元宇宙實踐教學

元宇宙需要以數據為基礎，實質是5G、人工智能、區塊鏈、云計算、大數據、VR、AR、腦機接口、物聯網等技術的交叉作用、相互促進的結果［15］。元宇宙的“沉浸感”“低延時”“隨時隨地”特性，不僅對VR/AR 硬件技術和網絡傳輸系統提出更高的要求，還需要強大的云計算和大數據能力。將創新設計類課程進行數字化、網格化、智能化，解決上課過程中可能的各種問題；在基于元宇宙知識圖譜數據連通、碰撞的基礎上進行融合分析，去發現元宇宙引領下的學生上課學習規律、與企業的互動規律；通過元宇宙對學生數據資源進行管理，實現數據空間和現實空間的聯動，通過元宇宙對數據有序組織與提煉，從中發現規律、支撐決策、凝結智慧，讓所有的數據變得有生命，實現教育元宇宙全生命周期的大數據治理，輔助學生進行創新設計，提高教師教學水平。

（三）元宇宙課后管理

通過課程元宇宙平臺可進一步了解學生對課后的學習情況，以及給予學生“微創新”的機會去改進現有的系統。通過在元宇宙中留存往屆學生的課程作品，使得當前學生能夠直觀感受到課程的學習成果。同時，這也提供了先驗知識以能夠對現有系統進行創新或者了解別人的想法，以更好地完成自己的作品。教師通過在元宇宙中查看學生作品的完成情況，能夠及時掌握當前的學習狀況，從而根據實際情況去增強新工科創新設計課程中學生薄弱的地方。通過元宇宙平臺，用智能化數據分析的方式，深入剖析學生知識掌握情況和課后反饋情況，并從中發現學生想法或者作品的閃光點，更好地引導學生通過元宇宙平臺，實現自己的想法或者進一步完善自己的作品。通過課程元宇宙平臺進行課后管理，是對完善新工科創新設計課程進一步探索，讓課后管理變得更加直觀高效，從而提升教學質量。

（四）元宇宙“企業—學生—教師”之間的交流平臺

通過教育元宇宙平臺，可在創新設計教學時，設計產品使用的環境因素、人文因素等進行重建，基于教育元宇宙平臺設計的產品模型，可以直觀準確地模擬產品的各部分是如何工作的，并有效驗證產品的性能。教育元宇宙能夠突破地域限制，支持“企業—學生—教師”之間的交流共享，共同設計［16］。學生還可以在教育元宇宙平臺上參與產品設計，以及感受其他設計的產品。在學生體驗方面，教育元宇宙平臺上的產品開發，需要學生的深度參與，則可以進一步吸引學生的積極性并提升參與度。

四、結語

打造教育元宇宙平臺是培養新工科創新型人才的搖籃，對于促進我國領域創新，提升我國新工科行業競爭力有著重要的推動作用。在元宇宙技術引領下，打造新工科創新設計類課程，優化教學方法，有助于教師融入課程思政內容，推動教學改革，讓“企業—學生—教師”交流共享，以教育元宇宙的方式發揮創造的積極性。