虛擬現(xiàn)實技術(shù)在新工科建設(shè)中的應(yīng)用研究

滕 菲,李慶華

(長春大學(xué) 機械與車輛工程學(xué)院，長春 130022)

1 新工科建設(shè)的內(nèi)涵

1.1 新工科建設(shè)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(shè)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(fù)旦大學(xué)和天津大學(xué)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(fù)旦共識”。2017年4月8日，教育部在天津大學(xué)再次召開了關(guān)于新工科建設(shè)的研討會，在會上明確了新工科建設(shè)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(shè)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(shè)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(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)、專業(yè)人才培養(yǎng)新模式、新的教學(xué)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(xué)科的理解定式。學(xué)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(xué)術(shù)劃分，所以學(xué)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(xué)科的定義也應(yīng)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(xué)科。新興學(xué)科是指新出現(xiàn)的學(xué)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(xué)科。新型學(xué)科是指新工科除了新的工科學(xué)科，還包括對舊工科學(xué)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(xué)科。新生的學(xué)科是通過學(xué)科之間交叉融合產(chǎn)生的，包括工科和其他學(xué)科之間交叉融合，工科之間的交叉融合產(chǎn)生的新學(xué)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)為其他專業(yè)和學(xué)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(shè)面向科技的發(fā)展和改革的方向，并為社會建設(shè)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(shè)要為社會經(jīng)濟發(fā)展提供服務(wù)，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(shè)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(xué)內(nèi)容和教學(xué)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(shè)的突破點。新工科建設(shè)更加注重自然科學(xué)、人文藝術(shù)、社會科學(xué)及其他各學(xué)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(xué)習(xí)系統(tǒng)，讓學(xué)生經(jīng)過創(chuàng)新、實踐和基于項目的學(xué)習(xí)，以及產(chǎn)學(xué)研等方式與企業(yè)合作，讓學(xué)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(dǎo)，鍛煉實踐動手能力。

開放性，新工科建設(shè)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(xué)資源開放、對課程建設(shè)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(xué)生的學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)質(zhì)量。

2 新工科建設(shè)總體思路

新工科建設(shè)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(xué)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(shè)的總體思路不同于傳統(tǒng)工科，新工科建設(shè)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(xué)習(xí)和實踐。新工科建設(shè)的總體思路主要有以下幾點。

2.1 打破學(xué)科限制，科學(xué)合理地重新對專業(yè)進行劃分

新工科建設(shè)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(yù)測，預(yù)測國家未來需要的新工科專業(yè)，培養(yǎng)相應(yīng)領(lǐng)域的卓越工程人才?！丁笆濉眹覒?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(luò)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(shè)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(xué)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(xué)科間的界限，注重學(xué)科間的融合和交叉?！肮た?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(xué)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(shè)中的重點。新工科的培養(yǎng)體系的建立，應(yīng)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(xué)分管理方法，加入彈性學(xué)制，加入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等課程，鼓勵學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和實踐活動并可獲得相應(yīng)的學(xué)分。

2.3 改進教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)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(shè)的教學(xué)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(shè)中，對教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容進行修訂，添加新工藝和新技術(shù)等，增加相應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)、課程設(shè)計、畢業(yè)實踐等。隨著網(wǎng)絡(luò)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(xué)方式。采用這些新技術(shù)的教學(xué)方式，將信息技術(shù)和教學(xué)深度融合，可以豐富教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加教學(xué)深度，提高教學(xué)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(xué)生提供更多實踐機會，提升創(chuàng)新實踐能力。新工科建設(shè)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(shè)聯(lián)合實訓(xùn)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(xué)生能夠把理論知識應(yīng)用到實踐中。合作的企業(yè)應(yīng)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(xué)內(nèi)容也要具有前沿性，讓學(xué)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(xué)生接觸企業(yè)先進的設(shè)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(xué)生能夠認識到自己的不足并去主動學(xué)習(xí)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(xué)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(shè)更注重學(xué)生實踐的能力，激發(fā)學(xué)生自己實踐的興趣。實訓(xùn)基地、實驗室和校企合作等方式，都是為了給學(xué)生提供實踐的機會。新工科更注重學(xué)生的教學(xué)實驗、實習(xí)實訓(xùn)、科學(xué)實踐和工程實踐，完善實踐教學(xué)體系可以有效提高學(xué)生對知識的轉(zhuǎn)化，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。新工科建設(shè)應(yīng)為學(xué)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(xué)生的創(chuàng)業(yè)進行孵化[2]。

2.6 加強教師隊伍建設(shè)

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(xué)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(xué)術(shù)壓力，進行科學(xué)研究，但研究和企業(yè)實際應(yīng)用脫節(jié)。新工科建設(shè)對高校教師提出了更高的要求，教師應(yīng)具有較強的工程實踐能力，很多學(xué)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(shè)。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(xué)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、建筑、商業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)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(shè)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(shè)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(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)和北京航空航天大學(xué)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(shè)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域已得到很多應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實技術(shù)改變了傳統(tǒng)的授課方式，教學(xué)不再局限于教室，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式可以突破時間和空間的限制。新工科建設(shè)中，對教學(xué)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(xué)中也已有大量的應(yīng)用，主要應(yīng)用在課堂教學(xué)、虛擬實驗室、科學(xué)研究，同時在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、產(chǎn)學(xué)研和創(chuàng)設(shè)新專業(yè)等方面也有所應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對教師上課遇到的問題以及學(xué)生學(xué)習(xí)過程中提出的各種模型和實驗等進行虛擬操作，讓學(xué)生更直觀地學(xué)習(xí)。實驗教學(xué)不僅是理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，更是培養(yǎng)學(xué)生動手解決實際問題、自我學(xué)習(xí)、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(xué)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(xué)方式比較枯燥,導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)方案，引入大量3D模型，當(dāng)老師為學(xué)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(yīng)的3D模型，并將模型呈現(xiàn)在屏幕上。學(xué)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(xué)方式，不僅有助于學(xué)生理解理論知識，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)。例如分析化學(xué)課程，教師在課堂講解理論知識時，學(xué)生會因為缺乏感觀上的認知會影響學(xué)習(xí)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(yīng)速度慢、反應(yīng)時間長，采用虛擬實驗都可以解決這類問題，可以讓學(xué)生及時看到反應(yīng)結(jié)果，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，便于學(xué)生理解和記憶，提高了教學(xué)效果。

圖2 平面圖形轉(zhuǎn)換3D模型

傳統(tǒng)的工科實驗教學(xué)受到設(shè)備和場地的限制，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，實驗設(shè)備需要不斷更新，由于經(jīng)費和場地限制，實驗室設(shè)備更新比較緩慢。由于有些工科課程有拆裝實習(xí)，如汽車類課程有發(fā)動機的拆裝實驗等，實驗設(shè)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(xué)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(shè)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(xué)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(xué)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(shè)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(yīng)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(xué)及科研領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在教學(xué)中，由于核磁共振儀器價格昂貴且數(shù)量有限，導(dǎo)致學(xué)生實際動手機會少，直接影響了學(xué)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(shè)備可查看設(shè)備信息，360°近距離和遠距離查看實驗設(shè)備，還可以對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過切割和透視方式查看，并對設(shè)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(xué)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(xué)習(xí)，為學(xué)生提供更加生動的感性學(xué)習(xí)材料，方便學(xué)生把抽象的理論和概念形象化、直觀化，方便學(xué)生理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又可以克服傳統(tǒng)教學(xué)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(shè)是一個長期的探索過程。新工科建設(shè)是對傳統(tǒng)工科教學(xué)的改革，新工科建設(shè)比傳統(tǒng)工程教育更注重新技術(shù)和新知識的學(xué)習(xí)，也更注重知識的應(yīng)用和學(xué)生的實踐、創(chuàng)新能力培養(yǎng)。在實際教學(xué)中，由于場地、設(shè)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(xué)質(zhì)量。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)降低了學(xué)生的實驗練習(xí)成本，交互式的操作模式促進了老師與學(xué)生的教學(xué)互動，強化學(xué)生對實驗操作流程的記憶，有利于改善教學(xué)效果。在新工科建設(shè)的道路上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會有更多的應(yīng)用。