虛擬現實技術本科專業課程體系探索

王莉莉 吳健 趙沁平

摘 要：隨著經濟、社會發展對虛擬現實技術創新和應用需求的迅速增長，虛擬現實技術專業創新型、開發型、應用型等各類人才缺口不斷擴大。本文針對虛擬現實技術本科專業，面向創新人才培養，闡述了虛擬現實技術專業課程體系建設的背景和意義，確定了虛擬現實技術專業創新人才培養的目標，論述了面向創新人才培養的虛擬現實技術專業課程體系建設的指導思想，然后給出了一套完整的虛擬現實技術專業課程體系范例，包含課程設置、教學進程和實踐設計，最后對整個課程體系的特點進行了討論與總結，為高等學校虛擬現實技術本科專業課程教學提供了參考。

關鍵詞：虛擬現實;創新人才;課程體系;課程設置

虛擬現實作為下一代通用計算平臺和未來互聯網的交互環境，可以拓展人類感知能力，改變各行業產品運營形態和服務模式，在工業、醫療、教育、軍事、文化娛樂和智慧城市等領域均顯示出廣闊的應用前景，“虛擬現實+”已成為發展趨勢，并強勁催生形成一個新興技術產業。美國、歐盟、日本等國家紛紛搶灘新一代虛擬現實技術源頭，虛擬現實技術成為國際競爭熱點。隨著虛擬現實技術在現實社會中的不斷實踐應用以及領域技術的迅速發展，產業界對虛擬現實技術人才培養提出了迫切要求。作為培養計算機專業人才的高等學校，應根據社會發展對虛擬現實技術專業人才的要求，結合各高校自身特點來建立培養方案，才能更有針對性地為社會輸送所需要的各類高質量虛擬現實技術專業人才，并推動虛擬現實專業的發展。本文著眼于高等學校虛擬現實技術本科專業創新人才培養中的課程建設，提出了一套具有夯實基礎、重視專業、強調交叉特點的全新的課程體系，為培養具有創新精神與能力、全球化視野、終身學習能力、跟蹤虛擬現實領域技術發展能力及解決虛擬現實領域挑戰性問題能力的新一代高素質創新人才提供支撐。

一、背景與意義

新一輪科技革命和產業變革正在重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構。虛擬現實正是這一輪變革的重要新興技術，跨界融合了多個領域的技術，形成了具有巨大發展前景的新興產業。為服務國家戰略目標、順應行業發展變革，教育部于2020年新增設了“虛擬現實技術”本科專業，將虛擬現實技術納入本科教育范疇，為中國虛擬現實技術和產業發展，以及更高層次虛擬現實專業人才培養打下良好的人才基礎。2020年第一批高校開設了“虛擬現實技術”本科專業，2021年又新增了一批高校，目前共有14家高校開設了該本科專業。這些高校在辦學理念、人才培養目標、培養模式等方面各有所長、各具特色，各校之間特別需要加強聯動交流，相互借鑒，匯聚力量推動專業發展，而且也迫切需要根據自己學校的辦學歷史、條件與優勢，制訂有自身特色的培養方案和課程體系，建設多樣化的虛擬現實技術專業，培養社會所需要的各類虛擬現實領域人才。

然而，對于虛擬現實技術這個全新的本科專業，如何培養符合國家、行業所需要的創新人才是一個亟須解決的問題。目前大家對如何確立本科生教育指導思想、如何制訂人才培養目標、如何完善人才培養計劃、如何合理設置課程體系、如何定位專業培養方向、如何強化引導專業認知等問題進行了一些探索，但對創新人才培養還沒有形成明晰的專業教育理念和合理的教育教學方案。

課程是人才培養方案的基本構成要素，是教學內容的載體，是專業培養目標的基石。課程體系建設是專業建設的重要環節，是實現創新人才培養目標的重要保證。虛擬現實技術專業是計算機學科類中的應用技術型專業，它以計算機學科為基礎，自身專業性特色鮮明，并且具有較強的學科交叉特點，因此針對虛擬現實技術專業人才培養的課程體系需要具有計算機學科扎實的理論基礎，又要有鮮明的虛擬現實專業性，還要體現多學科融合的特點。

虛擬現實技術專業課程體系建設旨在科學地安排教學內容，合理地規劃教學進程，系統地制訂實現培養目標的規劃方案，引導學生充分發揮自身優點，在本科階段的學習生活中掌握虛擬現實技術本科專業的基本知識技能，在實踐中逐漸領會應用所學知識解決真實世界的各種相關問題，培養學生的自主創新能力，達到虛擬現實技術本科專業的畢業要求。

二、創新人才培養目標

虛擬現實技術本科專業創新人才培養目標在于培養具有良好人文素養以及強烈的事業心、使命感及擔當精神，具有創新精神與能力、全球化視野、終身學習能力及跟蹤虛擬現實領域技術發展的能力，系統掌握虛擬現實專業的基礎理論和專業技能，具有提出并以學科交叉方式解決虛擬現實領域挑戰性問題的能力，具有團隊合作與組織管理能力，能參與國際競爭的虛擬現實專業高水平人才，或能在工業、醫療、國防、文化、娛樂等行業領域勝任虛擬現實項目設計、開發、管理等工作的應用型專門人才[1]。學生畢業5年后，能就虛擬現實相關問題，綜合考慮技術、經濟、法律、倫理等因素，分析、制訂解決方案，并管理有關項目的實施;能在職業發展中具有擔當精神、行動力、感染力和領導力;能與虛擬現實領域國內外同行、客戶和公眾有效溝通;能始終堅持學習和自我完善，能緊跟技術發展趨勢，并具有對虛擬現實及相關新興技術與應用的敏銳性和洞察力。

創新型虛擬現實技術專業本科生的畢業要求包括4個層次、12個方面能力的要求，如圖1所示。第一個層次為研究能力，包括問題分析、方法研究和設計/開發解決方案;第二個層次為工程能力，包括工程知識、使用現代工具的能力以及對工程與社會的認識;第三個層次為合作能力，包括溝通、個人與團隊協作能力和項目管理能力;第四個層次為綜合素養，包括職業規范、環境與可持續發展和終身學習能力。培養學生能夠對虛擬現實技術應用中存在的問題進行自主分析、研究;具備解決問題所需的工程知識，并能夠利用專業相關的現代工具和所具備的知識，設計/開發解決方案，在實踐中能夠與團隊溝通合作，參與項目的管理，最后在專業應用中考慮工程與社會、自然環境的關系，堅持可持續發展，并具有終身學習的能力。

三、課程體系建設指導思想

社會信息化給我們帶來三大變化：算力成為人類生產力和國家競爭力的重要基礎，計算機應用能力、一定程度的計算思維和相關領域軟件應用編程能力成為所有學科高層次人才應具有的基本能力，計算機類學科創新人才成為國家的戰略性科技人才。計算已成為理論推導、科學實驗以外的第三種科學研究的手段，同時，計算也日益成為前兩種手段不可或缺的支撐技術。計算機類人才培養質量是生命線，特別是本科生的培養，堅實、系統的學科基礎知識和熟練、創新的算法設計、編程能力是計算機類本科人才今后繼續深造、攀登高峰的強勁雙足，強基是本科人才培養的根本。成熟的學科都有自己的核心概念，自己的根基、主干和分支理論與知識體系。數學是認識自然、探索自然、改造自然的基礎科學工具。數學的核心概念是數、形和運算，根基是集合論和邏輯。計算機學科的核心概念是計算、算法，根基是離散數學、線性代數、概率論，主干是數據結構、算法設計與分析、邏輯電路設計、計算機組成、操作系統、編譯原理（其中，后四門課要有大的課程設計）。每一位計算機類本科生都必須學好這九門課。可計算理論、計算機接口、數據庫管理系統、計算機網絡、計算機圖形學、芯片設計這六門課，不同學校可根據自身特點和學生的興趣意愿，選其二三。在新型信息學科不斷涌現的背景下，明確計算機學科的根基、主干課程，是計算機學科類本科生必須堅守和強化的基本知識和核心能力。

計算成為各學科新發展的引擎和催化劑，例如計算化學、計算材料學、計算社會學等。“互聯網+”“人工智能+”，以及我們強調的“虛擬現實+”等，歸根到底是“計算+”。計算機應用能力日益成為大學生就業的基本能力。計算機學科是知識內容迭代更新比較快的學科，但有其不變的核心知識和基本能力，要讓本科生夯實這些基礎。同時要及時更新迭代專業知識。科研成果轉化要向產業化轉化，也要向教學特別是本科教學轉化。除了扎實的計算機學科基礎，虛擬現實技術創新型本科生的培養還涉及特色鮮明的虛擬現實專業知識，覆蓋虛擬現實實物虛化、虛物實化和虛擬世界物理仿真的全過程。同時，它不局限于傳統一對多的理論教學，更多的是以專業實踐為教學載體[2]，在實踐中將虛擬現實技術專業相關理論應用起來，強化學生對專業知識的理解，使得學生對專業知識從陌生到了解，再到熟悉、深入，體現了迭代性原則。

此外，虛擬現實技術還具有多學科交叉特性，由于虛擬現實技術與其他領域專業的高關聯性，實踐中往往涉及諸多領域的知識技能，不同的項目實踐往往涉及不同的領域知識，并由學生自主選擇、因材施教，體現了靈活性原則。在實踐過程中，交叉領域的項目往往能夠帶動多專業、多高校共同協作，為學生創建更具有深度和廣度的應用拓展平臺，體現了協同性原則。最后，專業實踐是與時俱進的項目，學生通過參與不斷更新的虛擬現實專業項目中，能夠第一時間了解虛擬現實技術領域最前沿的應用和研究，體現了進化性原則。

根據培養目標和上述指導思想，我們歸納出虛擬現實技術本科專業創新人才培養中課程體系建設的指導性原則。

（1）為了使學生具有扎實的計算能力基礎，成為可繼續深造、進行理論創新和具有原始創新能力的人才，課程需覆蓋數學、物理、工程基礎，以及計算機科學技術學科的核心課程;

（2）為了使學生成為虛擬現實領域的創新人才，課程需覆蓋虛擬現實的理論基礎與專業技術課程;

（3）為了使學生將來能夠以學科交叉的方式去解決虛擬現實領域的挑戰性問題，課程需要覆蓋多學科內容，以及通識課程;

（4）為了提高學生的動手能力，提高學生的國際競爭力，課程體系應將理論學習與實踐緊密結合，在學習理論知識的基礎上加強實踐能力訓練。

綜上所述，虛擬現實技術專業創新人才培養中的課程設置既要注重夯實學生理論基礎，也要重視虛擬現實核心專業知識，還要強化多學科交叉的作用，力求在當前快速發展的虛擬現實技術產業背景下，為培養一批具有可持續競爭力的創新人才提供參照[3]。

四、課程體系

1.課程設置

遵循上述指導思想，并對應虛擬現實技術專業課程體系應具有的夯實基礎、重視專業、強化交叉三個特點，面向本科生研究能力、工程能力、合作能力和綜合素養四層次能力的培養，參照其他相關專業工科生培養的課程體系，我們首先將課程劃分為三大類：基礎課程、專業課程和通識課程。

基礎課程的設置主要針對學生工科基礎理論與工程能力培養，體現了課程體系夯實基礎的特點。基礎課程主要包括數學與自然基礎類、工程基礎類和外語類相關課程。計算機學科的核心是計算，虛擬現實技術專業是建立在計算機科學之上的模擬仿真現實世界，虛實融合的專業方向涉及許多現實世界基礎科學理論。因此，數學與物理等自然科學學科基礎課程是本專業基礎課程中不可或缺的。工程基礎類課程是培養學生個人工程能力的主要課程，有利于學生建立工程意識，對培養其以工程的思路分析問題、解決問題的能力起到潛移默化的作用。這些課程的學習是為了促使學生形成相對穩定的、可以承擔壓力的心智，能夠辨別區分問題的主次，抓住并解決自己承擔任務的主要矛盾。可以依據所具備的技術水平、架構狀態、人力及其他投入狀況，選擇并設定實現路徑、協作方式和基礎設備，并可以實施對現實理解、資源控制、規劃建設，以及包含工作流程在內的協作管理。同時，工程能力的核心要素是對工作對象進行分析、抽象、歸納、總結的能力，也就是要求學生面對其要完成的任務，在解決問題的時候不斷地思考任務要達到的核心目標和科學合理的關鍵路徑，不斷地研究抽象出更準確、更簡潔的方法。然后將自己抽象的方法在新的實踐中進行檢驗，不斷磨煉。外語類課程則是提高學生的英語等外語的聽說讀寫能力，使學生將來從事研究或工程研發工作時能夠高效獲取國際前沿信息，發表自己的成果，以及與外國同行進行交流，是學生能夠具有國際競爭力的必要條件。

專業課程的設置主要培養學生從事計算和虛擬現實專業技術研發能力，體現了課程體系重視專業的宗旨。專業課程主要包括計算核心專業類、虛擬現實核心專業類和一般專業類課程。虛擬現實技術專業方向的基礎是計算機科學，因此計算核心專業類課程也是虛擬現實技術專業核心課程必不可少的重要部分。虛擬現實核心專業類課程是虛擬現實技術本科專業的核心特色課程，該系列課程體現了虛擬現實技術專業的核心特點和知識體系，是培養虛擬現實技術專業學生專業素養的主要課程。通過介紹虛擬現實技術專業的主要基礎理論算法、虛擬現實技術系統基礎、人機交互模式和進行虛擬現實技術專業實驗，培養學生對虛擬現實專業知識深層次的認知和對虛擬現實技術系統的分析能力，具備從事虛擬現實技術相關工作的基本能力和技術創新能力。一般專業類課程則是培養學生進行虛擬現實技術實踐的能力，以及針對虛擬現實技術的創新研究能力。該系列課程旨在使學生對虛擬現實技術領域應用和研究有較充分的了解，為學生將來從事虛擬現實技術相關工作或研究提供案例，鼓勵學生發展個人興趣，在虛擬現實實踐環節融入興趣專業方向知識，進行虛擬現實技術方向專業創新實踐和展示。專業類課程重視學生對本專業知識技能的培養，是虛擬現實技術專業本科培養中的重要環節，是學生將來順利從事虛擬現實技術領域工作和研究的根本保障。

通識課程主要在于提高學生的綜合素養，也體現了課程體系學科交叉的特點。除了常規的思政類、體育類、軍理類之外，針對本專業特點，還包括專業核心通識課程和博雅類通識課程，旨在拓展學生文化素質和通識知識面，培養學生的擔當精神、行動力、感染力和領導力。專業核心通識課程的設置考慮了虛擬現實技術專業背景，將虛擬現實技術系統中涉及的電子信息工程、控制工程、倫理學、軟件工程等領域知識囊括了進來，培養學生對虛擬現實技術在現實應用中可能存在的各方面問題有清晰的認識。博雅類通識課程主要通過講座形式，邀請有關行業、企業人士針對不同主題為學生進行講述，提高學生綜合素養和社會認知。

專業課程和通識課程也都對學生合作能力培養有著非常積極的作用。在通識課程實施過程中，鼓勵學生多溝通交流，抒發觀點，努力提高自身綜合素養，增強與他人溝通的能力。在專業實踐課程中，學生需要合作完成專業課程實踐項目設計，與同專業或不同專業背景的伙伴進行溝通討論，確定實踐項目目標、項目分工和管理，團結協作完成虛擬現實技術系統實踐。在這一過程中能夠充分鍛煉學生在參與較大型項目時的團隊協作意識，從他人的認知和觀點中認識到自己的不足，發現自己的優勢，在合作中發揮自己的長處，提升自己的協作能力。

上述各類課程在虛擬現實技術本科專業課程中的學分占比分別是：基礎課程占36%，專業課程占43%，通識課程占21%。

本文提出的虛擬現實技術本科專業課程設置總圖如圖2所示，該圖反映了本專業四年本科所學習的全部課程以及各門課程之間的關系。本文將本科培養方案中四年的課程分為三個層次，分別對應基礎課程、通識課程和專業課程。

基礎課程包括數學與自然基礎類、工程基礎類和外語類相關課程。數學與自然基礎課程主要包括工科數學分析、高等數學、概率統計、信息類基礎物理學、工科大學物理和基礎物理實驗，課程設置目的在于為學生打好本專業涉及的自然科學基礎。工程基礎類基礎課程包括信息類離散數學、數據結構、程序設計、電子設計、工程認知及工程圖學等工程學科基礎課程，課程中包含豐富的工程實踐訓練，培養學生進行程序設計、算法設計、繪制工程圖等專業相關工程能力。外語類基礎課程主要是大學英語課，提高學生的英語等外語的聽說讀寫能力，培養學生將來從事技術研究或工程研發工作時高效獲取國際前沿信息，發表自己的研發成果和國際交流的能力。

專業課程包括計算核心專業類、虛擬現實核心專業類和一般專業類課程。在新型信息學科不斷涌現的今天，明確計算機核心專業課程的根基、主干地位是計算機類相關學科本科生必須堅守和強化的基礎，因此，包括算法設計分析、計算機組成、計算機網絡、操作系統等計算核心專業類課程應作為本專業學生必須掌握的基礎知識。在明確計算為根基的基礎上，加入虛擬現實核心專業類課程，包括實時三維圖形基礎、虛擬現實技術基礎、虛擬現實理論和算法、人機交互、虛擬現實系統基礎、虛擬現實實驗等，通過理論和實踐兩方面使得學生全面掌握虛擬現實技術，并學會設計和開發虛擬現實系統。最后，一般專業類課程以虛擬現實技術為主題，從職業發展和研究現狀兩方面向學生介紹虛擬現實技術前沿應用，引導學生在未來發展中趕上虛擬現實技術發展的浪潮，在實踐中發展和創新虛擬現實技術、系統與應用。

通識課程除了常規的思政類、體育類、軍事理論類之外，針對本專業特點，還包括專業核心通識課程和博雅類通識課程。專業核心通識課程以計算科學為導向，為學生介紹相關學科領域前沿發展;博雅類通識課程為學生建立人才自信、樹立道德榜樣，旨在拓展學生文化素質和通識知識面，培養學生的擔當精神、行動力、感染力和領導力[4]。

綜上，虛擬現實技術本科專業課程設置主要將學科課程分為基礎課程、通識課程和專業課程，以夯實基礎、重視專業、強化交叉作為導向，增設虛擬現實技術方向特色專業課，強化專業學生實踐中的學科交叉和團隊合作，培養具有創新精神和能力、團隊合作能力、全球化視野和終身學習能力的虛擬現實領域創新人才。

2.教學進程安排

由于課程學習存在先后順序，我們對所有三大類課程按照大一到大四的學期時序進行了教學進程的安排，如圖3所示。

上述教學進程安排的主要特點是基礎課程集中在大一至大二上學期學習，專業課程集中在大二、大三期間學習，通識課程貫穿整個本科學習期間。具體來說，學生在大一期間主要學習自然科學基礎課程，包括數學和物理基礎課程。由于虛擬現實技術專業課程中諸如實時三維圖形基礎等課程要求學生進行先導基礎課程數學分析、基礎物理以及程序設計等工程基礎課的學習，因此將數學與自然科學類和工程基礎類基礎課程集中安排在大一期間進行教學。之后，在大二、大三階段，學習虛擬現實技術專業課程，其中核心課程系列包括：計算機組成、操作系統、計算機網絡、虛擬現實理論算法，配套安排計算核心課程設計及虛擬現實實驗，使學生在實踐中學習和鞏固專業知識。最后通識課程作為培養學生綜合素養的課程體系，參照其他工科類課程，貫穿整個大學期間進行安排，在培養專業技術人才的同時建立健全學生心理素質教育和道德培養。

3.實踐設計

我們設置的虛擬現實技術本科專業課程中包含了豐富的實踐課，包括基礎類課程實驗和專業課程實驗。基礎類課程實驗包括基礎物理實驗（1）、基礎物理實驗（2）、程序設計基礎訓練、電子設計基礎訓練、工程認知基礎訓練（信息類）5門，均為課內實驗，即在課上進行課程理論和算法的實現與驗證。

專業課程實驗包括課內實驗和自主綜合實驗。其中，課內實驗是學生在專業理論課程學習的同時實現所學到的算法等，包括計算機組成課程設計、操作系統課程設計、計算機網絡課程設計等。自主綜合實驗課包括虛擬現實實驗（1）和虛擬現實實驗（2），自主綜合實驗課往往包含多門課程的理論知識，不與某一門課程直接掛鉤，并且一般需要學生進行組隊協作才能完成。虛擬現實實驗（1）要求學生完成虛擬現實技術系統中的某一算法或某一模塊的功能;虛擬現實實驗（2）協作完成一套虛擬現實系統，比如醫學系統原型、混合現實維修系統、航空航天視景仿真等，除了提供的選題之外，課程鼓勵學生根據自己的興趣或者自主選修課方向，自行設計原創的虛擬現實系統實驗，鼓勵學生跨領域/專業合作，通過學科交叉進行自主創新，鍛煉學生的團隊溝通和協作能力。

五、討論和分析

1.夯實基礎與重視專業：實踐型教學強化并內化專業基礎和技能

實踐型教學模式注重夯實基礎，并在專業實踐認知中貫徹基礎知識的鞏固和應用，引導學生不局限于紙上談兵，而是學以致用[5]。理論基礎的講解以教師為主體，通過教師口頭或文本的解釋，間接傳達給學生，這一過程可以使得學生打好理論基礎，而在理論實際應用中存在和發生的問題都需要學生在實踐中去解決。在專業實踐過程中，學生成為知識獲取的主體，每位學生都可能遇到不同的問題，老師則成為解惑者。如此一來，學生一方面強化了對老師講授的理論基礎的理解，另一方面也在理論應用實踐中強化了專業技能。

2.強化交叉：學科交叉助力創新人才培養

虛擬現實具有顯著的學科交叉特點，是輻射性很強的新興信息技術。虛擬現實技術本科專業設置學科交叉實踐環節，能夠培養學生在不同領域運用專業知識解決實際問題的能力，在此過程中強化基礎理論、總結學科交叉可能遇到的問題并在團隊協作和導師指導下尋找解決問題的辦法，培養學生自主解決問題的能力。在學科交叉實踐過程中，學生作為研究主體，是連接各個學科專業導師/學生的橋梁，要積極參與團隊協作，這也能激發其對研究項目的使命感和擔當精神[6]。

進入21世紀以來，越來越多的創新成果難以局限于一個領域的進展或應用產生，創新更多地要靠多個領域人才團隊的組合，將各自的特色和優勢有機結合起來產生更富實用性、創造性、吸引性的創新果實[7]。因此，學科交叉既是助力創新人才培養的推動器，也是創新不可缺少的重要機制。

3.增強實踐教學，強化學生團隊合作和組織能力

面向創新人才培養的虛擬現實技術本科專業課程設置突出了學生團隊合作，并強調團隊合作中學生的主體地位。課程充分發揮了虛擬現實技術專業的特色，讓學生自主選擇專業選修方向，并在課程實踐中融入其他專業方向的知識，由學生自主組織研究團隊，協調團隊合作，發揮學生的主觀能動性、責任感和使命感，在實踐教學中強化學生團隊合作和組織能力[8]。

4.面向虛擬現實產業發展，培養高素質創新人才

目前，虛擬現實技術產業發展迅速，產業發展離不開人才的發展，虛擬現實技術領域人才缺口大，并且急需能夠引領產業發展方向的高素質創新人才。面向創新人才培養的虛擬現實技術本科專業課程設置抓住了本專業方向交叉性強的特點，以研究型教學模式為推動力，在夯實基礎、重視專業、強化交叉的指導思想下，充分發揮實踐教學的優勢，在以學生為主體的團隊合作下培養具有創新精神、全球化視野和終身學習能力的高素質人才。

參考文獻：

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[責任編輯：余大品]