虛擬現(xiàn)實技術(shù)在新工科建設中的應用研究

滕 菲,李慶華

(長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022)

1 新工科建設的內(nèi)涵

1.1 新工科建設定義

“新工科”的概念是在2017年《高等工程教育研究》第一期中的《加快發(fā)展和建設新工科——主動使用和引領(lǐng)新科技》一文中正式提出的。2017年2月18日，教育部在復旦大學和天津大學召開了關(guān)于新工科的高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，形成了標志著我國工程教育即將進行改革的“復旦共識”。2017年4月8日，教育部在天津大學再次召開了關(guān)于新工科建設的研討會，在會上明確了新工科建設和改革的行動路線，即“天大行動”，拉開了全國范圍內(nèi)的以新工科建設為主題的工程教育改革的帷幕[1]。

從全球的新科技革命、新工業(yè)革命到新經(jīng)濟發(fā)展，工科的發(fā)展方向也發(fā)生了較大改變，如圖1所示，傳統(tǒng)的工科教育理念已經(jīng)不適用于現(xiàn)代的工科教育。教育部將新工科建設的主要研究內(nèi)容總結(jié)為“五個新”，分別為新的教育理念、新的學科專業(yè)結(jié)構(gòu)、專業(yè)人才培養(yǎng)新模式、新的教學質(zhì)量和分類的新體系。新工科的理解首先要打破對傳統(tǒng)的工科對學科的理解定式。學科是人類根據(jù)對客觀世界的認知和根據(jù)共性特征對知識體系進行的學術(shù)劃分，所以學科的分類方法由于人類自身的主觀性存在一定的局限性。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技產(chǎn)業(yè)的變革，學科的定義也應該采用與時俱進的標準進行新的劃分。新工科重新定義了工科，包括新興、新型和新生學科。新興學科是指新出現(xiàn)的學科，主要是因為科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，由此孕育出的新產(chǎn)業(yè)和新技術(shù)產(chǎn)生的學科。新型學科是指新工科除了新的工科學科，還包括對舊工科學科的轉(zhuǎn)型和升級，包括對其培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方式的改革和內(nèi)涵的擴展，形成新的學科。新生的學科是通過學科之間交叉融合產(chǎn)生的，包括工科和其他學科之間交叉融合，工科之間的交叉融合產(chǎn)生的新學科。

圖1 工科發(fā)展過程

新工科是把新的內(nèi)涵注入工科中，讓工科能夠適應現(xiàn)代的社會和經(jīng)濟發(fā)展，新工科代表“工科+”，工科可以和新專業(yè)、新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新技術(shù)、新體系等結(jié)合在一起形成新的形態(tài)。新工科仍然是一個由一系列工科專業(yè)構(gòu)成的系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各個專業(yè)并不是孤立存在的，而是互相關(guān)聯(lián)的，從而構(gòu)成了一個整體。人們認識的傳統(tǒng)的工科是冶金、動力、材料、采礦、機械制造等，近年來隨著經(jīng)濟和科技發(fā)展，工科已經(jīng)逐漸和互聯(lián)網(wǎng)、信息化、大數(shù)據(jù)和智能化等結(jié)合，已經(jīng)漸漸地升級了工科的基本屬性。

1.2 新工科特征

新工科建設也是從人才需求的角度提出的，培養(yǎng)不同領(lǐng)域的高能力人才。新工科建設是基于工科發(fā)展現(xiàn)狀和方向，以及新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的專業(yè)升級轉(zhuǎn)型提出的方法。新工科主要有以下5個特征：引領(lǐng)性、創(chuàng)新性、交融性、實踐性和開放性。

引領(lǐng)性是指新工科引領(lǐng)未來工程產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新發(fā)展的方向。新工科建設為其他專業(yè)和學科教育改革和發(fā)展起到引領(lǐng)的作用，為工業(yè)的發(fā)展起到支撐的作用。新工科的建設面向科技的發(fā)展和改革的方向，并為社會建設和發(fā)展提供引領(lǐng)性人才。

創(chuàng)新性是新科技和新產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的動力。新工科建設要為社會經(jīng)濟發(fā)展提供服務，要關(guān)注新科技、新技術(shù)和新業(yè)態(tài)的發(fā)展方向，因此，新工科建設的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)方式都要與時俱進，對傳統(tǒng)的教學內(nèi)容和教學方式要進行創(chuàng)新和改革。

交叉和融合是科技創(chuàng)新的源泉，也是新工科建設的突破點。新工科建設更加注重自然科學、人文藝術(shù)、社會科學及其他各學科之間的交叉和融合。

實踐性，新工科比傳統(tǒng)的工科教育更加注重實踐能力的培養(yǎng)。新工科通過更加完善的培養(yǎng)目標和學習系統(tǒng)，讓學生經(jīng)過創(chuàng)新、實踐和基于項目的學習，以及產(chǎn)學研等方式與企業(yè)合作，讓學生能夠得到業(yè)內(nèi)經(jīng)驗豐富的專業(yè)人士的實際指導，鍛煉實踐動手能力。

開放性，新工科建設不僅要做到工程教育要對產(chǎn)業(yè)界開放和科技社會開放，還要對教學資源開放、對課程建設開放，更要做到對工科教育管理的開放，改革傳統(tǒng)的授課方式和考核方式。通過這些開放性的措施增加學生的學習效率、學習興趣和學習質(zhì)量。

2 新工科建設總體思路

新工科建設是對工科的重新定義，是對工程教育的一次改革。傳統(tǒng)的工科教育的學科結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)模式、教育方式和考核方式等需要進行改革。新工科建設的總體思路不同于傳統(tǒng)工科，新工科建設需要從多方面推動機制創(chuàng)新、思想創(chuàng)新、模式創(chuàng)新，同時注重理論學習和實踐。新工科建設的總體思路主要有以下幾點。

2.1 打破學科限制，科學合理地重新對專業(yè)進行劃分

新工科建設要對國家未來的科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向和需求進行研究和預測，預測國家未來需要的新工科專業(yè)，培養(yǎng)相應領(lǐng)域的卓越工程人才。《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出超前布局的4個新興產(chǎn)業(yè)，即信息網(wǎng)絡領(lǐng)域、核技術(shù)領(lǐng)域、空天海洋領(lǐng)域和生物技術(shù)領(lǐng)域，這些產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展正是新工科建設的人才培養(yǎng)方向。隨著科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不斷地催生出新的產(chǎn)業(yè)和新科技，傳統(tǒng)的工科學科定義和專業(yè)劃分已不能滿足需求。新工科對工科的定義，要打破傳統(tǒng)工科的定義，突破學科間的界限，注重學科間的融合和交叉。“工科+工科”“工科+理科”和“工科+社科”這三種新專業(yè)模式，可以打破學科間的界限，開創(chuàng)新的專業(yè)。

2.2 對培養(yǎng)體系進行改革和完善

新工科人才培養(yǎng)體系是工程人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，是新工科建設中的重點。新工科的培養(yǎng)體系的建立，應該打破傳統(tǒng)的方式，提出多元化、多維度和開放性的工科人才培養(yǎng)方式。培養(yǎng)方式中可以增加新的模塊，改革學分管理方法，加入彈性學制，加入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等課程，鼓勵學生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和實踐活動并可獲得相應的學分。

2.3 改進教學內(nèi)容、教學方法和教學方式

隨著科技發(fā)展，工程上使用的科技和技術(shù)都在不斷更新，新工科建設的教學內(nèi)容也要跟上科技發(fā)展的步伐，把落后的知識剔除，不斷增加新科技和新知識。在新工科建設中，對教學大綱和教學內(nèi)容進行修訂，添加新工藝和新技術(shù)等，增加相應的實踐環(huán)節(jié)、課程設計、畢業(yè)實踐等。隨著網(wǎng)絡技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)和云計算等新技術(shù)的發(fā)展，為工程教育提供了新的教學方式。采用這些新技術(shù)的教學方式，將信息技術(shù)和教學深度融合，可以豐富教學方法，提高學生學習興趣，增加教學深度，提高教學質(zhì)量。

2.4 加強校企合作構(gòu)建工程教育平臺

校企合作能夠為學生提供更多實踐機會，提升創(chuàng)新實踐能力。新工科建設需要注重對人才的創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，校企合作建設聯(lián)合實訓基地和聯(lián)合實驗室，把專業(yè)課程知識轉(zhuǎn)化成具體的項目案例和工程項目，讓學生能夠把理論知識應用到實踐中。合作的企業(yè)應該是與新工科專業(yè)相關(guān)且具備產(chǎn)業(yè)特征的單位，合作的企業(yè)教學內(nèi)容也要具有前沿性，讓學生能夠了解產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向。校企合作可以讓學生接觸企業(yè)先進的設備、工藝和技術(shù)，以及企業(yè)的管理規(guī)范，了解企業(yè)的人才需求，讓學生能夠認識到自己的不足并去主動學習企業(yè)所需的知識。校企合作能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享、優(yōu)勢互補、互惠互贏，不斷提高學生的實踐和創(chuàng)新能力。

2.5 注重實踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)

傳統(tǒng)的工科教育注重理論教育，對實踐能力培養(yǎng)較弱。新工科建設更注重學生實踐的能力，激發(fā)學生自己實踐的興趣。實訓基地、實驗室和校企合作等方式，都是為了給學生提供實踐的機會。新工科更注重學生的教學實驗、實習實訓、科學實踐和工程實踐，完善實踐教學體系可以有效提高學生對知識的轉(zhuǎn)化，提高學習質(zhì)量。新工科建設應為學生提供高品質(zhì)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，以高品質(zhì)實踐平臺對學生的創(chuàng)業(yè)進行孵化[2]。

2.6 加強教師隊伍建設

近年來，全國范圍內(nèi)的高校教師數(shù)量在迅速增長，很多年輕的博士畢業(yè)后直接走上大學講臺，缺少實際的企業(yè)從事工程的經(jīng)歷，很多教師迫于學術(shù)壓力，進行科學研究，但研究和企業(yè)實際應用脫節(jié)。新工科建設對高校教師提出了更高的要求，教師應具有較強的工程實踐能力，很多學校采用企事業(yè)單位鍛煉等形式為教師提供工程實踐機會。同時以實踐為主題，通過科研院所、企業(yè)等，加強對雙師型教師隊伍的建設。高校要引入制造業(yè)緊缺人才和領(lǐng)軍人才，推行高校教師雙師型教師計劃，增加教師的現(xiàn)場工程經(jīng)驗。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality Technique，簡稱VR)，是20世紀由美國興起的一門新的綜合性技術(shù)，它以計算機技術(shù)為核心，將計算機仿真技術(shù)、計算機圖形學、人工智能、網(wǎng)絡并行技術(shù)、多媒體技術(shù)和傳感技術(shù)融合在一起。VR技術(shù)通過計算機技術(shù)能夠創(chuàng)建一個三維動態(tài)視景虛擬環(huán)境，用戶進入該空間時，有一種身臨其境的感覺，用戶可通過傳感頭盔、數(shù)據(jù)筆和數(shù)據(jù)手套等數(shù)據(jù)傳感設備，與虛擬環(huán)境進行交互，實時操作虛擬環(huán)境中的對象，并可感受其操作引起的變化。這種技術(shù)目前已廣泛應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、建筑、商業(yè)、軍事、醫(yī)學和娛樂等領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域中可以采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對工業(yè)模型進行靜態(tài)和動態(tài)性能分析，優(yōu)化模型設計，可以減少實體樣機制作，降低產(chǎn)品研發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。波音777飛機設計就是采用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行研發(fā)的著名實例。目前,清華大學、浙江大學、華中科技大學和北京航空航天大學都在虛擬工業(yè)樣機制作領(lǐng)域有很多的研究成果。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在新工科建設中的應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域已得到很多應用，虛擬現(xiàn)實技術(shù)改變了傳統(tǒng)的授課方式，教學不再局限于教室，教學內(nèi)容和教學方式可以突破時間和空間的限制。新工科建設中，對教學內(nèi)容和方式都提出了更高的要求，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工科教學中也已有大量的應用，主要應用在課堂教學、虛擬實驗室、科學研究，同時在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、產(chǎn)學研和創(chuàng)設新專業(yè)等方面也有所應用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對教師上課遇到的問題以及學生學習過程中提出的各種模型和實驗等進行虛擬操作，讓學生更直觀地學習。實驗教學不僅是理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，更是培養(yǎng)學生動手解決實際問題、自我學習、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力的重要途徑，而虛擬實驗教學則為此種能力的培養(yǎng)提供了強有力的保障[3]。

工科理論課程通常比較抽象，采用傳統(tǒng)的教學方式比較枯燥,導致學生缺乏學習興趣，并且難以理解原理，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以把抽象的理論教學轉(zhuǎn)化得更加直觀且感性。例如,《機械制圖》課程是機械類必修專業(yè)基礎(chǔ)課，需要培養(yǎng)學生的空間思維能力，而這種空間思維能力只用語言很難準確表達，尤其對于空間感較差的學生，很難把平面圖想象成三維立體形狀[4]。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以使用增強現(xiàn)實教學方案，引入大量3D模型，當老師為學生講解平面圖形時，可用手機或者平板的攝像頭，對平面圖形進行掃描，虛擬現(xiàn)實軟件通過識別平面圖形能夠匹配相應的3D模型，并將模型呈現(xiàn)在屏幕上。學生可對模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，如圖2所示。這種新穎的教學方式，不僅有助于學生理解理論知識，還能激發(fā)學生的學習興趣。工科的很多專業(yè)課程也可以采用這種類似的方式輔助課堂教學。例如分析化學課程，教師在課堂講解理論知識時，學生會因為缺乏感觀上的認知會影響學習效果。課堂上采用虛擬實驗可以解決這一問題，并且有些實驗反應速度慢、反應時間長，采用虛擬實驗都可以解決這類問題，可以讓學生及時看到反應結(jié)果，增加了學生學習興趣，便于學生理解和記憶，提高了教學效果。

圖2 平面圖形轉(zhuǎn)換3D模型

傳統(tǒng)的工科實驗教學受到設備和場地的限制，隨著科學技術(shù)發(fā)展，實驗設備需要不斷更新，由于經(jīng)費和場地限制，實驗室設備更新比較緩慢。由于有些工科課程有拆裝實習，如汽車類課程有發(fā)動機的拆裝實驗等，實驗設備難免會有磨損、損壞等情況。有些實驗還具有一定的危險性，不能進行演示和操作。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能解決以上這些傳統(tǒng)實驗教學中的問題。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以建立虛擬仿真實驗室，可以不受場地、設備和儀器數(shù)量限制等，同時虛擬實驗易于擴展，能夠增加實驗教學的深度和廣度。如圖3所示，采用虛擬現(xiàn)實實驗不僅能實現(xiàn)學生單人交互虛擬實驗，也可以進行多人協(xié)作、多人協(xié)同的多視角虛擬實驗，如圖4所示。

圖3 發(fā)動機虛擬拆裝

圖4 多人協(xié)作汽車拆裝實驗

由于有些實驗項目設備過于昂貴，所以很多實驗不能操作和演示。例如核磁共振技術(shù)由于具有準確、迅速、不破壞樣品、分辨率高等優(yōu)點，現(xiàn)已成為藥物分析鑒定、反應機理追蹤、有機合成物、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的重要技術(shù)手段，在教學及科研領(lǐng)域得到了廣泛的應用。在教學中，由于核磁共振儀器價格昂貴且數(shù)量有限，導致學生實際動手機會少，直接影響了學生科研能力的培養(yǎng)。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以虛擬3D實驗場景，點擊虛擬場景中的核磁共振分析設備可查看設備信息，360°近距離和遠距離查看實驗設備，還可以對設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過切割和透視方式查看，并對設備的分支部件進行查看。虛擬實驗系統(tǒng)還可以對化合物進行測定，學生可以根據(jù)實驗提示，對實驗進行自主操作，以此熟悉實驗操作步驟，如圖5所示。

圖5 核磁共振分析儀器仿真實驗

在現(xiàn)實課堂和實驗中，難以進行的演示和操作，都可以采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行虛擬實驗學習，為學生提供更加生動的感性學習材料，方便學生把抽象的理論和概念形象化、直觀化，方便學生理解，提高學生學習興趣，又可以克服傳統(tǒng)教學中的種種限制。

5 結(jié)論

工程教育與國家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展密切相連，新工科建設是一個長期的探索過程。新工科建設是對傳統(tǒng)工科教學的改革，新工科建設比傳統(tǒng)工程教育更注重新技術(shù)和新知識的學習，也更注重知識的應用和學生的實踐、創(chuàng)新能力培養(yǎng)。在實際教學中，由于場地、設備、資金和安全的限制，有些實驗和操作等不能進行演示和操作，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以解決這些困難。虛擬現(xiàn)實技術(shù)把枯燥的理論知識轉(zhuǎn)化成感性的認知，更好地提高了教學質(zhì)量。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)降低了學生的實驗練習成本，交互式的操作模式促進了老師與學生的教學互動，強化學生對實驗操作流程的記憶，有利于改善教學效果。在新工科建設的道路上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會有更多的應用。