計算機類研究生的VR實踐創新能力提升研究

韓慧妍，況立群，熊風光，張元，楊曉文

(中北大學大數據學院國家級計算機及應用虛擬仿真實驗教學中心，山西 太原 030051)

在新工科建設背景下，教育部提出要培養碩士綜合運用所學知識發現問題、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其實踐創新能力[1]。因此，研究生開設的所有課程都應該以培養學生實踐創新能力為導向，進行課程體系的設計，為達成畢業要求打下扎實基礎[2]。

虛擬現實(VR)是20世紀發展起來的一項全新的實用技術，已經成為產業界、學術界乃至我國政府重點布局的一個熱點領域，廣泛應用在生活的方方面面，國內許多高校的計算機類碩士都開設了VR技術課程，該課程具有概念抽象、內容廣泛、知識點多、實踐性強的特點[3]。傳統的教學方法課程目標設置不合理、講授領域沒有側重，評價則采用期末小論文“一錘定音”制，無法考查學生對課程基礎知識的掌握程度、應用于工程實踐的能力和創新思維素養。基于此，課程團隊老師進行了課程教改，根據畢業要求重新凝練了課程目標，基于課程目標進行了教學設計，采用多元模式進行評價，最終達成了課程目標。

1 課程目標

(1)知識目標：掌握VR的構成要素、特點、建模、渲染等基礎知識，熟練掌握VR引擎Unity3d軟件的使用方法，能熟練使用全景圖像、全景視頻軟件進行VR內容的制作，具備從事VR相關專業工作所需的專業知識。

(2)能力目標：能夠使用Unity3d完成天空、地形、樹木等的制作，能夠將各類VR內容集成，使用外設進行交互，具備應用VR基礎知識分析、解決復雜VR工程問題的能力。

(3)素養目標：能夠以小組的形式進行綜合性項目設計，培養實踐創新思維能力及團隊協作的素養。

2 教學設計

本課程存在以下三大教學痛點：

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

(2)課程知識點多、雜、分散、抽象，實踐性強，目前的教學資源和手段難以解決。

(3)評價模式過于單一，無法體現本課程的實踐特色。

本文圍繞課程目標，針對以上教學痛點，提出教學設計思路：(1)思政融入教學。(2)課程內容優化。(3)教學模式創新。(4)評價手段多元。

2.1 思政融入教學

本文從課程不同知識點出發，將思政元素融入課堂，培養學生愛專業、愛黨、愛國精神，提升其團隊協作意識，推動思政立體化育人[4]，如表1所示。

表1 VR技術課程教學內容與思政對照關系

2.2 課程內容優化

VR體系結構如圖1所示，包括硬件、軟件、人機接口以及VR內容。VR從內容主體而言屬于計算機科學領域內的技術[5]，因此選擇與計算機相關的核心教學內容，簡述光學、聲學和心理學領域的理論。中北大學計算機類學生沒有硬件開發基礎，因此在講授技術理論時偏軟不偏硬，對于VR硬件設備，只需要學會如何使用并在此基礎上做軟件開發。當前VR行業缺乏內容，因此將工程實踐重點設置為VR內容開發的三大技術(基于三維圖形技術、基于圖像建模和基于三維引擎)。從三大課程目標出發，突出計算機專業特點，按照強應用、重能力、強創新的原則優化重構教學內容，涵蓋四大教學模塊，如圖2所示。

圖1 VR體系結構

圖2 基于課程目標重構教學內容

2.3 教學模式創新

本課程采用對分課堂教學模式，提高學生的參與度，增強其多方面能力。

(1)講授階段：教師對課程內容進行提綱挈領的講授，對課程重點和難點給出必要的提示，通過學院大屏、環幕等各類VR設備形象具體地展示各類2D、3D形式的VR內容，引導學生辨認其開發技術。

(2)獨立學習階段：查找相關國內外文獻，撰寫關于VR前沿技術的小論文；尋找自己研究課題與VR的結合點，做成可以展示和講解的PPT，提升學生從事科研工作的能力、邏輯思維能力和對基礎知識的理解能力。

(3)小組項目設計環節：分組進行綜合項目設計，編程語言不限，內容要求涵蓋VR的全部體系結構，借助VR設備進行交互，將知識傳授、能力培養和素養提升融為一體。

(4)全班交流環節：每個同學展示、講解其PPT。每個小組演示其項目，并進行適當的交互，其余同學及老師提出疑問，小組成員進行回答，通過答辯的方式提升學生語言表達能力和高階思維能力，培養其挑戰自我、集體意識、科學求真的素養。

基于以上教學模式，達到理論與實踐閉環、學習與研究閉環。

(1)理論與實踐閉環

本課程通過VR設備展示、經典案例導引、關鍵技術突破、小組成員合作、全班經驗分享的方式，達到理論與實踐閉環，提升學習興趣、鍛煉批判思維能力、激勵實踐創新能力。

(2)學習與研究閉環

通過課程學習、專業實踐、科研訓練、學術交流相結合的方式，達到學習與研究閉環，從而將其培養成為從事科學研究、管理或獨立擔負專門技術工作能力的高級專門人才。

2.4 評價手段多元

本課程采用全過程多元評價模式，總成績=小論文(20%)+PPT展示答辯(30%)+綜合項目演示答辯(50%)，其中小論文由老師根據其撰寫的新穎性、概括性和全面性進行綜合評價，PPT、綜合項目成績由自我評價(15%)、同學評價(15%)和教師評價(70%)構成。各考核方式對課程目標達成的權重占比分配見表2，各考核環節對各課程目標的覆蓋率見表3，由Ai和A計算分、總課程目標的達成度。

表2 各考核方式對教學目標達成評價的權重占比分配

表3 第k個考核環節對課程目標的覆蓋率分配

第i個課程目標的達成度Ai，基于各考核環節k的貢獻加權求和，即Ai=∑(Gik×Wik)。其中：Gik表示第k種考核方式支撐第i個課程目標的達成度。Bi表示第i個課程目標所對應的試題分數總和。多個課程目標再根據比例加權求和，就得到課程的目標達成度A(A=∑(Ai×Pi))，其值大于等于0.60表示目標達成。

3 目標達成評價效果及后期改進

本文采用定量和定性評價分析課程目標的達成情況，定量評價基于課程目標，定性評價基于學生問卷調查及學院碩導評教結果。兩種評價都進行歸一化操作，如果二者都大于0.6，說明目標已達成；反之，目標未達成。

3.1 定量評價

課程的各項評價指標的統計數據如表4所示。分、總課程目標達成度如表5所示，二者均大于0.6，說明已經達到了本課程的教學目標，分組綜合項目設計結果如圖3所示，包括校園漫游、虛擬演練、管件識別、手勢識別、瞳孔識別、人臉識別等。

表4 各個環節對分課程目標達成度情況

圖3 部分項目設計成果

3.2 定性評價

學期末對35個學生進行滿意度調查，包括課堂講授、參與式教學、理論與實踐結合、教學方法共四個指標點。達成度包括不滿意、一般、比較滿意、很滿意、不適用五個等級，統計結果如表6所示，顯示學生的滿意度較高。從碩導評教結果來看，其評價也比較高。但兩類評價中還存在“比較滿意”的選項，說明教學仍然需要改進。

3.3 后期改進

本課程教改雖然取得了一些成績，但仍發現一些問題，可以作為后期課程體系建設、教學過程和考核分析的指導意見。具體包括：

(1)課程內容與時俱進，淘汰過時的內容，加深課程內容和實際問題的結合，進一步培養學生分析問題、解決問題的能力。

(2)教學過程中能夠將已購置Hololens、大疆無人機、Kinect、Leapmotion、三維手持掃描儀、3D環幕等VR設備利用起來，使分散、抽象的理論知識具體化、視覺化和實踐化。

表5 課程目標達成度

表6 學生評教滿意度調查結果

縱觀VR技術教學過程，本文首次嘗試對分課堂模式，經過一輪完整教學實踐，說明本課程教改效果較好。在今后的教學過程中，將繼續深化對分課堂模式，緊跟VR技術的發展步伐，深挖思政元素，根據畢業要求凝練課程目標，進一步提升學生實踐創新能力，為將其培養為從事計算機研究與應用開發的高級專門人才奠定堅實的基礎。