虛擬現(xiàn)實技術(shù)視域下新型人才培養(yǎng)實驗教學(xué)體系的思考與實踐

摘要：本文在分析新時代需要的新型人才特點的基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)新型人才特點的V-形培養(yǎng)模式，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、擴展現(xiàn)實等元宇宙相關(guān)技術(shù)，探索實驗教學(xué)環(huán)境中虛擬與現(xiàn)實的有機融合。通過將V-形培養(yǎng)模式應(yīng)用于蘇州大學(xué)計算機學(xué)院專業(yè)課程，顯著提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，為學(xué)生的全面發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新型人才；虛擬現(xiàn)實；實驗教學(xué)體系

引言

高等教育作為創(chuàng)新型國家建設(shè)的主體，承擔(dān)著創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重大使命[1]。新的時代賦予高等教育新的任務(wù)：首先，教育的導(dǎo)向要從培養(yǎng)規(guī)模化、標準化的人才向培養(yǎng)“應(yīng)用創(chuàng)新”“集成創(chuàng)新”的人才轉(zhuǎn)變，從培養(yǎng)同質(zhì)人才向培養(yǎng)“個性自由”“獨立發(fā)展”的人才轉(zhuǎn)變；其次，經(jīng)濟社會的發(fā)展依靠國家科技實力的支撐，而發(fā)展科技實力的關(guān)鍵在于自主創(chuàng)新，教育的改革目標是要培養(yǎng)“自主創(chuàng)新”“原始創(chuàng)新”的人才；最后，世界強國首先是高教強國，發(fā)達國家走向高等教育強國在很大程度上得益于教育理念的創(chuàng)新[2]，培養(yǎng)“理念創(chuàng)新”的人才，才能從根本上使高等教育走向新的高度。因此，新的時代需要擁有以下特征的新型人才：具有適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的綜合性應(yīng)用創(chuàng)新能力；具有開拓精神獨立思維的原始創(chuàng)新能力；具有廣博精深的開放性跨界運用能力。

1. 建設(shè)思路

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)多為演示性和驗證性的實驗，偏重告訴學(xué)生“怎么做”，欠缺能激發(fā)學(xué)生積極主動地探索學(xué)習(xí)、求異創(chuàng)新的能力，顯然與培養(yǎng)新型人才的目標相悖[3]。因此，要培養(yǎng)新時代的新型人才，首先必須對實驗教學(xué)的過程進行梳理和重構(gòu)，建立一個“以學(xué)生為中心”“以問題為中心”的新的能力培養(yǎng)實驗教學(xué)體系[4]，推動學(xué)生獨立思考及個性發(fā)展，啟發(fā)他們從“怎么做”過渡到“做什么”。傳統(tǒng)的實驗課程分為課內(nèi)、課外兩部分，而新型人才培養(yǎng)實驗教學(xué)體系將實驗的硬件設(shè)備抽離出來搬到網(wǎng)上，將實驗過程重新劃分、整合，構(gòu)建一個虛擬現(xiàn)實的實驗教學(xué)環(huán)境，學(xué)生可以隨時隨地利用最新的設(shè)備和技術(shù)、先進的實踐和體驗環(huán)境完成他們的創(chuàng)新想法[5-6]。

新型人才培養(yǎng)實驗教學(xué)體系對新型人才培養(yǎng)機制進行全面規(guī)劃，劃分為“應(yīng)用創(chuàng)新”“原始創(chuàng)新”“理念創(chuàng)新”三個具有遞進關(guān)系的層面，每個層面都為上一個層面提供技術(shù)支撐，同時又為下一個層面提供動力，形成一個V形的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

V-形新型人才培養(yǎng)模式進行了全面的規(guī)劃，明確了每個層面的內(nèi)涵、多樣的項目形式和詳細的功能，如表1所示。

具體來說：（1）在應(yīng)用創(chuàng)新層面，以IT資源為核心，系統(tǒng)按需求隨機構(gòu)建，應(yīng)用形態(tài)按需求可多樣變化，突出應(yīng)用創(chuàng)新，以基本的組合和IT資源的域內(nèi)應(yīng)用為主，為不同領(lǐng)域的不同應(yīng)用提供方案和實現(xiàn)路徑。在這個層面上，橫向通過交互作用使IT資源服務(wù)于域內(nèi)的應(yīng)用創(chuàng)新，縱向為上層的“原始創(chuàng)新”提供支撐，滿足來自原始創(chuàng)新層面的各種新需求。（2）在原始創(chuàng)新層面，以對象為核心，以構(gòu)建獨特對象模型和新穎的運行機制機理為主，重構(gòu)與再造域內(nèi)資源，為新的業(yè)務(wù)模型、運作機理提供虛擬仿真和體驗服務(wù)。在這個層面，橫向通過交互作用實現(xiàn)域內(nèi)資源的重構(gòu)與再造、實現(xiàn)機制創(chuàng)新和模式創(chuàng)新，縱向為更高層的“理念創(chuàng)新”提供支撐。（3）在理念創(chuàng)新層面，以概念為核心，以多元文化碰撞和不同領(lǐng)域融合為主，為各種領(lǐng)域的交互、碰撞、融合提供平臺，為理解和深化提供空間，突出“理念創(chuàng)新”。在這個層面，橫向通過交互作用實現(xiàn)域間資源的交融、實現(xiàn)智能創(chuàng)新和創(chuàng)意呈現(xiàn)，縱向依托社會進步為原始創(chuàng)新提供動力。

虛擬現(xiàn)實的實驗教學(xué)體系和V-形新型人才培養(yǎng)模式，從理念上根本改變了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，從滿足新時代新型人才培養(yǎng)的需求出發(fā)，有分有合，層次遞進，為各專業(yè)、各層次的學(xué)生提供了跨門類、跨學(xué)科的創(chuàng)新實驗教學(xué)新模式。

2. 實驗教學(xué)體系構(gòu)建

2.1 架構(gòu)

理念的落實依靠新手段的支撐，根據(jù)教學(xué)體系建設(shè)目標，規(guī)劃構(gòu)建一個部署在云平臺上的虛擬與現(xiàn)實融合的新型人才培養(yǎng)實驗教學(xué)體系[7]，其架構(gòu)如圖2所示。

在規(guī)劃和具體實踐上，把該實驗教學(xué)體系劃分為平臺層、中間支撐層、應(yīng)用層三個部分。

（1）平臺層：借鑒云平臺的資源虛擬化方法，建設(shè)了一個線上實驗資源平臺，將所有的實驗硬件設(shè)備和資源虛擬化，對硬件實驗資源進行重構(gòu)，建設(shè)一個標準化、規(guī)范化的實驗資源池，實驗資源可以通過資源池實現(xiàn)跨平臺共享，學(xué)生可根據(jù)自己的實際需要申請使用。

（2）中間支撐層：該層又分為應(yīng)用創(chuàng)新平臺、原始創(chuàng)新平臺、概念創(chuàng)新平臺三個部分，對應(yīng)上節(jié)提到的三個層面的人才培養(yǎng)需求。該層位于平臺層和應(yīng)用層之間，包含用到的各種組件和集成的各種接口，提供支持信息訪問、傳遞、協(xié)作的集成化環(huán)境。

（3）應(yīng)用層：由虛實結(jié)合的線上實驗系統(tǒng)、真實場景的線下體驗系統(tǒng)、實驗數(shù)據(jù)存儲三個部分組成。學(xué)生提出實驗資源分配請求后，資源請求處理通過動態(tài)資源分配算法由資源配置控制系統(tǒng)分配相應(yīng)實驗資源[8-9]。同時，線下體驗系統(tǒng)提供真實環(huán)境，學(xué)生可以隨時把線上完成的實驗轉(zhuǎn)換到線下進行體驗、研究和改進。

2.2 實現(xiàn)流程

基于虛實結(jié)合的線上實驗系統(tǒng)和真實場景的線下體驗系統(tǒng)的新型人才培養(yǎng)模式，因人而異、因“材”施教，培養(yǎng)激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新性、主動性和創(chuàng)造性，通過虛擬與現(xiàn)實的融合，形成了專業(yè)能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)一體化的全面培養(yǎng)的實驗教學(xué)新模式。

（1）應(yīng)用創(chuàng)新階段以提供平臺、資源為主，線上集成了所有的實驗資源和設(shè)備，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要選取實驗設(shè)備。此階段既可以讓學(xué)生完成規(guī)定的驗證性實驗，更能滿足學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新的想法，提供給學(xué)生創(chuàng)造和創(chuàng)新的平臺。此階段的實現(xiàn)流程如圖3所示。

（2）原始創(chuàng)新層面提供多種工具和環(huán)境，學(xué)生可以利用線上的工具為自己線下的想法提供支撐。在線上實驗過程中，學(xué)生如果發(fā)現(xiàn)自己的想法存在問題或者與預(yù)計的實驗結(jié)果存在偏差，可以在線下重新思考、優(yōu)化自己的方案，然后回到線上調(diào)整實驗資源配備，再到線下進行體驗，如此循環(huán)往復(fù)，激勵學(xué)生在應(yīng)用創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，不斷深入研究、改進已有的方案。

（3）概念創(chuàng)新層面隨著應(yīng)用的不斷深入，從IT領(lǐng)域出發(fā)，服務(wù)于更多領(lǐng)域，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”實驗，線上發(fā)現(xiàn)問題、線下改進方案，線上重構(gòu)和線下形成新的創(chuàng)新靈感，不斷交替進行。

2.3 虛實結(jié)合的線上內(nèi)容體系

與云計算中資源虛擬化方法相似，線上內(nèi)容體系先部署了一個云平臺，然后將實驗課程所需要的硬件資源池化后，部署在這個云平臺上，形成實驗課程的資源池，利用動態(tài)資源分配算法對實驗課程資源池的硬件設(shè)備進行資源配置，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布給學(xué)生，這種方式使得實驗課程資源池具備與云資源池同樣的伸縮性。

按照類別將課程實驗資源進行分類，接入實驗課程資源池，成為線上資源，實現(xiàn)線下資源的線上轉(zhuǎn)化。接入的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在云計算技術(shù)中的資源池化技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一個虛擬現(xiàn)實的課程實驗資源池化的方法，如圖5所示。

將N路非標準電信號輸入至輸入模塊，通過其內(nèi)置的非標準轉(zhuǎn)換電路進行采樣、量化及編碼處理，進而轉(zhuǎn)換成標準電壓信號。隨后，控制模塊內(nèi)的可編程GPU并行處理器會根據(jù)輸入模塊預(yù)定義的編碼指令，通過調(diào)整電平的高低來控制繼電器陣列中各節(jié)點的開關(guān)狀態(tài)。最后，將經(jīng)過處理的信號通過總線槽順利輸出。

在對實驗資源進行池化后，我們給學(xué)生提供了一個基于真實設(shè)備的真實實驗環(huán)境。此外，我們借鑒云資源虛擬化的方法，將資源重新整合、池化，再通過網(wǎng)絡(luò)提供給學(xué)生，實現(xiàn)實驗資源的互通共享，因此這個實驗平臺又是“虛擬的”。另外，我們在平臺上還整合了大量學(xué)習(xí)視頻，并提供小組討論、學(xué)習(xí)社區(qū)、在線協(xié)助等多種形式的學(xué)習(xí)方式，最大限度地提高實驗效果。

2.4 真實場景的線下體驗系統(tǒng)

我們在構(gòu)建了虛實結(jié)合的線上內(nèi)容體系以后，采用物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)分析等多種相關(guān)技術(shù)搭建一個線下體驗平臺，提供一個驗證的環(huán)境，讓學(xué)生對實驗過程和結(jié)果有真切的體驗。同時，線下還提供先進技術(shù)和設(shè)備的展示、體驗空間，讓學(xué)生及時了解最新的前沿技術(shù)，可以開闊學(xué)生的思路，為學(xué)生提供新的創(chuàng)意空間。

虛實結(jié)合的線上實驗給學(xué)生提供了理想的實驗環(huán)境，但是這樣的環(huán)境可能無法使學(xué)生遇到一些常見的故障和問題。例如，在嵌入式的組網(wǎng)實驗中，學(xué)生通過完成網(wǎng)上的實驗已經(jīng)基本了解組網(wǎng)的基本過程和步驟，并組網(wǎng)成功。然而在線下體驗環(huán)節(jié)，在按步驟對所有設(shè)備進行組裝和配置后，卻發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無法聯(lián)通，經(jīng)過再三確認和排查，才發(fā)現(xiàn)問題是缺乏天線導(dǎo)致。

平臺提供多種實驗環(huán)境讓學(xué)生對其設(shè)計的作品進行測試。例如，有一位學(xué)生設(shè)計了一種可以遙控的掃地機器人，需要一個場景滿足這個機器人在掃地過程中遇到的一切可能情況（清掃模式、路線規(guī)劃、安全監(jiān)控、功能識別等），以及對掃地效果的測試。

線下體驗平臺還提供了一個可視化的實驗室，用虛擬現(xiàn)實進行行人擁擠的模擬展示，用身臨其境的虛擬環(huán)境展示了環(huán)境和人員密集處人群行為的現(xiàn)實，高性能的模擬和高效的渲染幀速率技術(shù)。

3. 新型人才培養(yǎng)實驗教學(xué)體系的實踐

蘇州大學(xué)秉承以學(xué)生為核心的理念，遵循興趣與專業(yè)相融合、激發(fā)學(xué)生主動思考與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的原則，在計算機學(xué)院專業(yè)課程積極探索實施了綜合設(shè)計實驗與特色創(chuàng)新實驗。在新的實驗?zāi)Ｊ街校K州大學(xué)將實驗設(shè)備通過池化方法全部放到網(wǎng)上，如圖6所示。

該實驗平臺由四大組件構(gòu)成：首先是移動開發(fā)終端，這是一種嵌入式實驗資源；其次是移動網(wǎng)絡(luò)，為實驗課程提供了網(wǎng)絡(luò)支持；再次是移動網(wǎng)絡(luò)池化裝置，將移動開發(fā)終端與移動網(wǎng)絡(luò)資源整合至一個資源池中，實現(xiàn)統(tǒng)一管理、調(diào)配與控制；最后是可伸縮的云開發(fā)平臺，該平臺集成了實驗所需的所有軟、硬件資源。

此外，該實驗平臺還提供了一個針對移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)而設(shè)計的軟件開發(fā)與測試環(huán)境，在完成實驗的同時，學(xué)生可以在這個真實的場景中擁有真實的體驗。

結(jié)語

強化綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗項目，秉持以學(xué)生為核心，促進知識傳授、能力培養(yǎng)與素質(zhì)提升協(xié)調(diào)并進的教育理念，是當(dāng)代教育改革與發(fā)展的必然趨勢。未來階段，教育工作者需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上持續(xù)探索并研究新型人才培養(yǎng)實驗教學(xué)體系在其他課程中的改革潛力，同時，將服務(wù)平臺的使用對象從本科生、研究生拓展至更多學(xué)生群體乃至社會人士。此外，平臺的應(yīng)用范圍也應(yīng)從PC端向移動端延伸，從廣度和深度上全面深化實踐綜合設(shè)計與特色創(chuàng)新實驗教學(xué)模式[10]，以充分發(fā)揮其在新型人才培養(yǎng)中的關(guān)鍵作用。

參考文獻：

[1]雷金火，黃敏.中國拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)：實踐、困境、優(yōu)化——基于中國部分一流大學(xué)人才培養(yǎng)實踐的研究[J].上海師范大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2022，51（4）：126-135.

[2]杜燕鋒，于小艷.大學(xué)知識生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型與人才培養(yǎng)模式變革[J].高教探索，2019（8）：21-25，31.

[3]張忠華.數(shù)字中國戰(zhàn)略與中國式教育數(shù)字化研究[J].中國教育信息化，2023，29（2）：3-14.

[4]衛(wèi)飛飛，石琦，鐘沖，等.高校實驗室安全信息化建設(shè)探究[J].實驗室研究與探索，2020，39（10）：300-303.

[5]劉革平，高楠，胡翰林，等.教育元宇宙：特征、機理及應(yīng)用場景[J].開放教育研究，2022，28（1）：24-33.

[6]王岳，陳晨，王亞平，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對策研究[J]. 中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2024，19（2）：42-47，93.

[7]高穎，鐘嘯，許志國，鄭濤.基于VR的航空發(fā)動機虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008（11）：2925-2930.

[8]程曦，宋鐵成.基于改進多目標布谷鳥搜索的資源調(diào)度算法[J].計算機應(yīng)用與軟件，2022，39（3）：241-246，253.

[9]樊俊青，王改芳.基于物聯(lián)網(wǎng)工程的新工科實踐平臺建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34（12）：179-182，199.

[10]王保建，王永泉，段玉崗，等.“新工科”背景下國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)與實踐[J].高等工程教育研究，2018（6）：47-54.