基于分層多維度體系的虛擬現實技術實踐教學改革

摘要：圍繞新工科培養特色創新型人才的目標，本文通過分析虛擬現實技術實踐教學中存在的問題，構建了一個分層次、多維度的實踐教學體系。該體系包含三個關鍵舉措：一是增設融合人工智能和增強現實技術的綜合類與創新型實驗，形成基礎-綜合-創新的三模塊遞進式實驗內容；二是采用線上線下混合教學模式，結合多樣化教學方法，建立貫穿課前預習、課中實踐、課后拓展的全流程教學新范式；三是實施多維度教學評價機制，將學科競賽成績納入考核體系，并顯著提高過程性評價權重。經過三年教學實踐驗證，學生學科競賽獲獎率持續提升，創新創業項目立項數量逐年增長，有效證明了該體系對學生綜合實踐能力和創新探索意識的顯著促進作用。

關鍵詞：虛擬現實技術；新工科；實踐教學改革；多維度；創新探索

中圖分類號：G642" " " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）19-0123-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

虛擬現實技術作為計算機科學與技術、軟件工程、數字媒體技術等專業的核心選修課程，融合了人機交互、計算機技術、美術學等多學科知識，是典型的新興交叉學科。該課程對新工科建設提出的培養具有科學和創新思維、知識面廣、工程實踐能力強、終身學習能力的新型工科人才具有重要作用[1]。然而，當前高校虛擬現實技術實踐教學仍存在諸多問題：課程知識點過于繁雜，缺乏系統性的整體設計與優化；實踐教學內容相對固化且更新滯后，靈活性不足，難以實現因材施教的教學目標；實驗類型以驗證型為主，學生僅需機械模仿實驗流程即可完成，缺乏對探究過程的深入理解；創新性實踐項目未能融入人工智能、增強現實等前沿技術，與行業發展嚴重脫節，導致學生參與興趣低。這些問題直接影響了教學效果與質量。因此，亟須對虛擬現實技術課程的實踐教學體系進行系統性改革與優化，以滿足新工科背景下對跨學科復合型人才的培養需求，為新興產業提供高質量人才儲備。

本文基于實踐教學內容、教學組織模式和評價方法三大核心維度，構建了分層次、多維度的實踐教學體系。通過具體實驗案例的實證研究，探索教學改革的實施路徑。采用項目式教學理念，創新性地設計了包含課前準備、課堂實施、師生互動和課后總結的“三階段”教學路徑，旨在通過系統化的教學改革，全面提升學生在新工科背景下的實踐創新能力和復雜問題解決能力。

1 構建分層次多維度實踐教學體系

根據“新工科”多元化、創新型人才培養理念[2]，結合計算機類專業培養方案和學科特點，構建分層次多維度實踐教學體系，如圖1所示。

實驗內容采用遞進式設計方法，在原有的基礎型實驗上，增設綜合類實驗和創新型實驗模塊，形成循序漸進、逐層提升的實驗教學項目。在教學中采取線上線下混合式教學模式，融入多樣化教學方法，如探究式、翻轉課堂等，拓展學生學習的時間和空間。在考核方式上設計多維度考核評價方案，包括對學生知識、能力、素養3個維度的評價，教師評價與小組評價相結合等方式，加大過程化考核的占比，實現全方位多角度評價學生的學習過程。

1.1 分層遞進式實驗教學內容

教高函〔2019〕8號文件中強調 ，一流本科課程應體現“兩性一度”，即“高階性、創新性、挑戰度”，拓展內容寬度和廣度[3]。通過梳理原有虛擬現實技術課程教學內容和知識點，增設一系列具有挑戰度、豐富性的綜合型和創新型實驗項目，構建模塊化、交叉融合的實驗教學內容。

（1） 基礎型實驗模塊以演示/驗證類實驗為主，通過虛擬引擎軟件的UI設計、動畫系統、粒子組件、渲染等基礎實驗（表1） ，吸引學生興趣，訓練動手實踐能力，強化對理論核心知識的理解與掌握，為后續綜合性項目的設計與開發打好基礎。

（2） 綜合型實驗以問題需求為導向，從產業需求、社會需求、學科競賽等方面提煉選題。與基礎型實驗相比，實驗難度有所增加，但實驗原理保持一致，主要側重項目的綜合性。表2列出了部分實驗項目。通過交叉融合的實驗內容，拓展學生發展渠道，注重人才培養全過程[4]，鍛煉學生針對不同領域解決復雜工程問題的高階思維能力。

（3） 創新型實驗在綜合型實驗的基礎上，進一步融入人工智能、增強現實等前沿技術，使實驗項目更具挑戰性和前瞻性。實驗過程中鼓勵學生將部分實驗成果轉化為創新創業項目，如表3所示。創新型實驗采取科研項目研究流程，學生圍繞具體選題進行文獻調研、方案設計、團隊分工、課題實施及總結。通過這類實驗，激發學生的創新思維和實事求是的科研素養。

1.2 多元化教學組織模式

針對課程知識點繁雜、實驗課時不足等問題，充分利用豐富的線上線下教學資源探索多元化教學組織模式。具體地，理論教學采用“超星學習通+微信公眾號+QQ群”融合的線上平臺，采取翻轉式課堂組織教學。如課前在線上平臺發布微課視頻、任務點、前測引導學生自習；課堂上教師基于前測統計數據有針對性的講解教學內容重點難點，同時借助線上平臺發布主題討論和小游戲互動，吸引學生學習興趣；課后利用超星學習通討論區和QQ群在線答疑，同時在公眾號不定期推送前沿技術文章、趣味虛擬現實項目。

實驗教學基于虛擬引擎軟件和希翼平臺虛擬仿真實驗環境，完成演示和驗證型實驗內容。綜合/創新型實驗項目安排在課后拓展階段，學生以組隊的形式進行探究式學習。線上平臺實現實驗教學資源（實驗指導手冊、參考資料） 發布，實驗報告提交和在線批閱功能。

多元化教學法的融合激發了課堂活力，使枯燥的實驗過程變得有趣，有效解決了理論與實踐脫節的問題，提升了教學效果。

1.3 多維度實驗教學評價方法

傳統教學評價將學生的發展簡化為一個個數字，其主體素養培育的多樣化需求被擱置[5]。面向新工科人才培養的需求，虛擬現實技術實踐課程的教學評價應逐漸從關注總結性評價轉變為注重過程性評價，通過階段化考核引導學生重視實驗過程、提高實驗技能、內化實驗知識和培養創新意識。課程建立的多維度實驗教學評價方案如圖2所示。

（1） 評價維度。圍繞課程培養目標，虛擬現實技術實驗考核包括3個評價維度，即實驗知識考核、實驗能力考核和實驗素養考核。實驗知識考核學生整個學習過程中掌握理論知識的情況，基礎型實驗需掌握C#語言編程原理、虛擬引擎主要功能模塊（物理系統、動畫系統、地形系統、UGUI、粒子系統、燈光系統等） ；綜合型實驗須掌握虛擬現實項目的開發流程和方法、人機交互設計理論、VR硬件設備開發方法等；創新型實驗需掌握經典AI應用原理（圖片識別、語音識別等） 、Unity引擎接入人工智能API的方法、增強現實基本原理和開發方法。實驗能力考核學生實驗過程中表現出來的各方面能力，如針對復雜項目進行分析統籌的能力、撰寫各項文檔的規范化寫作能力。實驗素養考核學生平時實驗過程中表現出的主觀意識，如編寫代碼的嚴謹性、團隊合作意識等。

（2） 評價內容。包括考勤、實驗知識、平時成績（實驗方案、實驗過程操作、實驗報告） 、期末考核四個部分。其中各部分評分占比如圖2所示。選做一項創新項目可以抵扣兩項平時實驗，參加學科競賽或創新創業項目獲獎的學生根據個人貢獻給予一定加分獎勵。教師在設計教學評價時，將3個評價維度融入每個環節，以達到新工科人才培養的目的。

（3） 評價對象。課程評價不再以教師評價作為單一主體，而是教師評價、小組互評和學生自評相結合，更加注重突出學生的主體地位。如教師根據實驗過程記錄表、任務分工表、討論記錄表[6]，對學生3個評價維度的達成度給以評價。在項目演示答辯環節，其他小組根據演示表現對答辯小組進行打分，同時小組成員根據本人在項目中的實際貢獻進行自我打分，這兩項評分各占20%，作為教師打分的參考。

2 課程教學改革實施方案

以虛擬現實技術課程中的“動畫系統”基礎實驗為例，說明實踐教學改革方案及實施過程。

2.1 教學案例

動畫系統是虛擬現實引擎軟件的一個重要功能模塊，涵蓋了動畫資源導入、動畫片段編輯、動畫狀態管理和動畫腳本控制等多個方面。這些內容由不同的面板和組件實現，如 Animation面板用于編輯動畫片段，利用關鍵幀動畫原理制作物體的移動、旋轉等動畫。Animator組件是控制動畫狀態切換的核心組件，如人物角色行走、跳躍等狀態轉換。

實驗要求熟悉和掌握動畫系統的基本功能，包括動畫剪輯的創建、角色模型的導入與設置、Animator組件的設置、動畫狀態機的管理以及動畫的腳本控制，最終實現一個簡單的角色動畫（如行走和跳躍） 。在完成基礎實驗后，通過自主調研和教師啟發，選擇綜合性實驗或提出創新型課題方案，如虛擬漫游展廳、基于手勢識別的化學虛擬實驗、火災逃生訓練等。學生以分組合作形式完成高階探究式實驗。這類實驗項目綜合了美術學、人機交互、化學、應急管理等學科知識，具有典型學科交叉的特點。學生除了具備基礎實驗技能，還需掌握綜合性知識才能達成實驗目標。

2.2 教學實施

本案例以掌握動畫系統模塊功能為實驗任務，在實驗教學中貫徹“開放”“創新”的教學思路，個人在完成軟件技能訓練的基礎上，以小組為單位，開放研究內容，創新實驗理念。教學實施分為以下3個階段。

準備階段，教師在線上平臺發布實驗任務，推送動畫原理、三維角色動畫制作等微視頻，設置10個單選題的小測試，學生在規定時間完成自學及前測。根據在線平臺的數據統計分析功能，準確掌握學生的基本情況，調整教學策略，因材施教。

實踐階段，課堂上講解動畫系統的實驗基礎知識及分析實驗目標。學生對照前測結果，清楚知道本次實驗應達到的知識和能力掌握程度。教師根據實驗的重點和難點，在超星學習通上發布主題討論帖，學生通過回帖實時互動，活躍課堂氣氛。動畫系統的基礎型實驗屬于必做環節，要求每位學生掌握基礎知識及技能。在完成基礎實驗后，學生根據興趣、能力自行組隊，選擇1～2個綜合型實驗進一步研究。例如，某小組選擇“虛擬漫游展廳”作為實驗題目，教師啟發融入少數民族文化主題，引導學生小組通過文獻調研自主擬定實驗方案，教師指出方案中的不足，驅動學生反復修改，直至最終確定完善方案。實驗過程中，根據小組成員的特長，教師鼓勵采用多樣化方法開展實驗設計。在實驗答辯環節，通過現場演示和師生交流，提升學生溝通協作、分析解決問題的能力。綜合實驗答辯成績優異的小組，教師組織小組研討會，進一步引導學生結合專業和產業需求，主動尋找課題進行創新研究，如基于手勢識別的化學虛擬實驗、基于AI的校園元宇宙系統等。這類開放創新型課題的實施，不僅為優秀學生的成長提供快速通道，也增強了團隊成員的創新探索意識，激發了協作交流能力。

總結階段，本次課程結束后，學生可以通過線上平臺反饋實驗中的問題和對課程活動安排的建議。教師整理反饋意見的有效內容，對共性問題統一講解，結合學生意見對下一輪教學設計進行修改，讓學生真正參與教學實施過程中。

3 教學效果

經過持續建設與優化，虛擬現實技術課程逐步形成一種適合新工科培養要求的多維度實踐教學體系。不同類型的實踐教學項目累計達到30個，構成了系列化、遞進式的實驗教學內容。對比實施實踐教學改革之前（2018年） 和之后（2021年） 的實驗考核結果，如圖3所示，良好以上成績人數占比提高，不及格比例下降。

近年來，學生參加中國大學生計算機設計大賽、全國高校數字藝術設計大賽等學科競賽均取得優異的成績。2021年獲國賽二等獎1項、三等獎2項，2022年獲國賽二等獎2項、三等獎4項，2023年獲國賽二等獎3項、三等獎3項，獲大學生創新創業訓練計劃項目國家級立項4項。極大提升了學生的綜合實踐能力及創新能力。圖4展示了部分學生的獲獎作品。

4 結語

交叉學科是當前學術研究的熱點領域。在新工科背景下，開展新興交叉學科的實踐教學改革具有重要意義。本研究以虛擬現實技術課程為例，針對當前課程實踐教學中存在的問題，提出構建分層次、多維度的實踐教學體系，并從重構實驗內容、完善教學模式、優化評價指標3個方面進行教學改革與實踐。經過多年的探索，教學效果較以往有了顯著提升，學生的創新意識和綜合實踐能力都得到了明顯增強。本課程的教學改革實踐為其他新興交叉學科的實驗教學改革提供了有益參考。未來，課程改革將重點圍繞以下方面展開：拓寬實驗選題范圍、融入思政教育和前沿學科技術、豐富線上教學資源，從而更好地培養適應虛擬現實、人工智能等新興產業需求的復合型創新人才。

參考文獻：

[1] 齊娜，朱青，李蔚然，等.基于產學研用雙驅動雙導向的虛擬現實技術實踐課程教學改革[J].計算機教育，2024（7）：49-55，60.

[2] 王志瓊，劉廣武，劉津彤，等.多維協同虛擬仿真創新實踐教學體系構建[J].實驗室研究與探索，2021，40（5）：197-201.

[3] 胡紹彬，郭玲玲，劉小雙.混合式教學模式下提升驗證性實驗“兩性一度” 的探索與實踐[J].實驗科學與技術，2024，22（4）：54-58.

[4] 王霞.基于“崗課賽證” 融通的教學模式探析：以Unity3D基礎與應用為例[J].電腦知識與技術，2023，19（12）：152-154，180.

[5] 李森，鄭嵐.促進質量提升的課堂教學評價改革[J].課程 教材 教法，2019，39（12）：56-62.

[6] 吳美杰，張婷，劉瑞靜.基于OBE實驗課程考核評價改革研究與實踐[J].實驗室科學，2024，27（5）：142-146.

【通聯編輯：王力】