基于分層多維度體系的虛擬現(xiàn)實技術(shù)實踐教學(xué)改革

摘要：圍繞新工科培養(yǎng)特色創(chuàng)新型人才的目標(biāo)，本文通過分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)實踐教學(xué)中存在的問題，構(gòu)建了一個分層次、多維度的實踐教學(xué)體系。該體系包含三個關(guān)鍵舉措：一是增設(shè)融合人工智能和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的綜合類與創(chuàng)新型實驗，形成基礎(chǔ)-綜合-創(chuàng)新的三模塊遞進(jìn)式實驗內(nèi)容；二是采用線上線下混合教學(xué)模式，結(jié)合多樣化教學(xué)方法，建立貫穿課前預(yù)習(xí)、課中實踐、課后拓展的全流程教學(xué)新范式；三是實施多維度教學(xué)評價機(jī)制，將學(xué)科競賽成績納入考核體系，并顯著提高過程性評價權(quán)重。經(jīng)過三年教學(xué)實踐驗證，學(xué)生學(xué)科競賽獲獎率持續(xù)提升，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目立項數(shù)量逐年增長，有效證明了該體系對學(xué)生綜合實踐能力和創(chuàng)新探索意識的顯著促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；新工科；實踐教學(xué)改革；多維度；創(chuàng)新探索

中圖分類號：G642" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）19-0123-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、數(shù)字媒體技術(shù)等專業(yè)的核心選修課程，融合了人機(jī)交互、計算機(jī)技術(shù)、美術(shù)學(xué)等多學(xué)科知識，是典型的新興交叉學(xué)科。該課程對新工科建設(shè)提出的培養(yǎng)具有科學(xué)和創(chuàng)新思維、知識面廣、工程實踐能力強(qiáng)、終身學(xué)習(xí)能力的新型工科人才具有重要作用[1]。然而，當(dāng)前高校虛擬現(xiàn)實技術(shù)實踐教學(xué)仍存在諸多問題：課程知識點過于繁雜，缺乏系統(tǒng)性的整體設(shè)計與優(yōu)化；實踐教學(xué)內(nèi)容相對固化且更新滯后，靈活性不足，難以實現(xiàn)因材施教的教學(xué)目標(biāo)；實驗類型以驗證型為主，學(xué)生僅需機(jī)械模仿實驗流程即可完成，缺乏對探究過程的深入理解；創(chuàng)新性實踐項目未能融入人工智能、增強(qiáng)現(xiàn)實等前沿技術(shù)，與行業(yè)發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生參與興趣低。這些問題直接影響了教學(xué)效果與質(zhì)量。因此，亟須對虛擬現(xiàn)實技術(shù)課程的實踐教學(xué)體系進(jìn)行系統(tǒng)性改革與優(yōu)化，以滿足新工科背景下對跨學(xué)科復(fù)合型人才的培養(yǎng)需求，為新興產(chǎn)業(yè)提供高質(zhì)量人才儲備。

本文基于實踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織模式和評價方法三大核心維度，構(gòu)建了分層次、多維度的實踐教學(xué)體系。通過具體實驗案例的實證研究，探索教學(xué)改革的實施路徑。采用項目式教學(xué)理念，創(chuàng)新性地設(shè)計了包含課前準(zhǔn)備、課堂實施、師生互動和課后總結(jié)的“三階段”教學(xué)路徑，旨在通過系統(tǒng)化的教學(xué)改革，全面提升學(xué)生在新工科背景下的實踐創(chuàng)新能力和復(fù)雜問題解決能力。

1 構(gòu)建分層次多維度實踐教學(xué)體系

根據(jù)“新工科”多元化、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)理念[2]，結(jié)合計算機(jī)類專業(yè)培養(yǎng)方案和學(xué)科特點，構(gòu)建分層次多維度實踐教學(xué)體系，如圖1所示。

實驗內(nèi)容采用遞進(jìn)式設(shè)計方法，在原有的基礎(chǔ)型實驗上，增設(shè)綜合類實驗和創(chuàng)新型實驗?zāi)K，形成循序漸進(jìn)、逐層提升的實驗教學(xué)項目。在教學(xué)中采取線上線下混合式教學(xué)模式，融入多樣化教學(xué)方法，如探究式、翻轉(zhuǎn)課堂等，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的時間和空間。在考核方式上設(shè)計多維度考核評價方案，包括對學(xué)生知識、能力、素養(yǎng)3個維度的評價，教師評價與小組評價相結(jié)合等方式，加大過程化考核的占比，實現(xiàn)全方位多角度評價學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。

1.1 分層遞進(jìn)式實驗教學(xué)內(nèi)容

教高函〔2019〕8號文件中強(qiáng)調(diào) ，一流本科課程應(yīng)體現(xiàn)“兩性一度”，即“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”，拓展內(nèi)容寬度和廣度[3]。通過梳理原有虛擬現(xiàn)實技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容和知識點，增設(shè)一系列具有挑戰(zhàn)度、豐富性的綜合型和創(chuàng)新型實驗項目，構(gòu)建模塊化、交叉融合的實驗教學(xué)內(nèi)容。

（1） 基礎(chǔ)型實驗?zāi)K以演示/驗證類實驗為主，通過虛擬引擎軟件的UI設(shè)計、動畫系統(tǒng)、粒子組件、渲染等基礎(chǔ)實驗（表1） ，吸引學(xué)生興趣，訓(xùn)練動手實踐能力，強(qiáng)化對理論核心知識的理解與掌握，為后續(xù)綜合性項目的設(shè)計與開發(fā)打好基礎(chǔ)。

（2） 綜合型實驗以問題需求為導(dǎo)向，從產(chǎn)業(yè)需求、社會需求、學(xué)科競賽等方面提煉選題。與基礎(chǔ)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(cè)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(nèi)容，拓展學(xué)生發(fā)展渠道，注重人才培養(yǎng)全過程[4]，鍛煉學(xué)生針對不同領(lǐng)域解決復(fù)雜工程問題的高階思維能力。

（3） 創(chuàng)新型實驗在綜合型實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步融入人工智能、增強(qiáng)現(xiàn)實等前沿技術(shù)，使實驗項目更具挑戰(zhàn)性和前瞻性。實驗過程中鼓勵學(xué)生將部分實驗成果轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，如表3所示。創(chuàng)新型實驗采取科研項目研究流程，學(xué)生圍繞具體選題進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、方案設(shè)計、團(tuán)隊分工、課題實施及總結(jié)。通過這類實驗，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實事求是的科研素養(yǎng)。

1.2 多元化教學(xué)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(xué)資源探索多元化教學(xué)組織模式。具體地，理論教學(xué)采用“超星學(xué)習(xí)通+微信公眾號+QQ群”融合的線上平臺，采取翻轉(zhuǎn)式課堂組織教學(xué)。如課前在線上平臺發(fā)布微課視頻、任務(wù)點、前測引導(dǎo)學(xué)生自習(xí)；課堂上教師基于前測統(tǒng)計數(shù)據(jù)有針對性的講解教學(xué)內(nèi)容重點難點，同時借助線上平臺發(fā)布主題討論和小游戲互動，吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；課后利用超星學(xué)習(xí)通討論區(qū)和QQ群在線答疑，同時在公眾號不定期推送前沿技術(shù)文章、趣味虛擬現(xiàn)實項目。

實驗教學(xué)基于虛擬引擎軟件和希翼平臺虛擬仿真實驗環(huán)境，完成演示和驗證型實驗內(nèi)容。綜合/創(chuàng)新型實驗項目安排在課后拓展階段，學(xué)生以組隊的形式進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。線上平臺實現(xiàn)實驗教學(xué)資源（實驗指導(dǎo)手冊、參考資料） 發(fā)布，實驗報告提交和在線批閱功能。

多元化教學(xué)法的融合激發(fā)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(jié)的問題，提升了教學(xué)效果。

1.3 多維度實驗教學(xué)評價方法

傳統(tǒng)教學(xué)評價將學(xué)生的發(fā)展簡化為一個個數(shù)字，其主體素養(yǎng)培育的多樣化需求被擱置[5]。面向新工科人才培養(yǎng)的需求，虛擬現(xiàn)實技術(shù)實踐課程的教學(xué)評價應(yīng)逐漸從關(guān)注總結(jié)性評價轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅剡^程性評價，通過階段化考核引導(dǎo)學(xué)生重視實驗過程、提高實驗技能、內(nèi)化實驗知識和培養(yǎng)創(chuàng)新意識。課程建立的多維度實驗教學(xué)評價方案如圖2所示。

（1） 評價維度。圍繞課程培養(yǎng)目標(biāo)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)實驗考核包括3個評價維度，即實驗知識考核、實驗?zāi)芰己撕蛯嶒炈仞B(yǎng)考核。實驗知識考核學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程中掌握理論知識的情況，基礎(chǔ)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(tǒng)、動畫系統(tǒng)、地形系統(tǒng)、UGUI、粒子系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)等） ；綜合型實驗須掌握虛擬現(xiàn)實項目的開發(fā)流程和方法、人機(jī)交互設(shè)計理論、VR硬件設(shè)備開發(fā)方法等；創(chuàng)新型實驗需掌握經(jīng)典AI應(yīng)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(qiáng)現(xiàn)實基本原理和開發(fā)方法。實驗?zāi)芰己藢W(xué)生實驗過程中表現(xiàn)出來的各方面能力，如針對復(fù)雜項目進(jìn)行分析統(tǒng)籌的能力、撰寫各項文檔的規(guī)范化寫作能力。實驗素養(yǎng)考核學(xué)生平時實驗過程中表現(xiàn)出的主觀意識，如編寫代碼的嚴(yán)謹(jǐn)性、團(tuán)隊合作意識等。

（2） 評價內(nèi)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(chuàng)新項目可以抵扣兩項平時實驗，參加學(xué)科競賽或創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目獲獎的學(xué)生根據(jù)個人貢獻(xiàn)給予一定加分獎勵。教師在設(shè)計教學(xué)評價時，將3個評價維度融入每個環(huán)節(jié)，以達(dá)到新工科人才培養(yǎng)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(xué)生自評相結(jié)合，更加注重突出學(xué)生的主體地位。如教師根據(jù)實驗過程記錄表、任務(wù)分工表、討論記錄表[6]，對學(xué)生3個評價維度的達(dá)成度給以評價。在項目演示答辯環(huán)節(jié)，其他小組根據(jù)演示表現(xiàn)對答辯小組進(jìn)行打分，同時小組成員根據(jù)本人在項目中的實際貢獻(xiàn)進(jìn)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(xué)改革實施方案

以虛擬現(xiàn)實技術(shù)課程中的“動畫系統(tǒng)”基礎(chǔ)實驗為例，說明實踐教學(xué)改革方案及實施過程。

2.1 教學(xué)案例

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

實驗要求熟悉和掌握動畫系統(tǒng)的基本功能，包括動畫剪輯的創(chuàng)建、角色模型的導(dǎo)入與設(shè)置、Animator組件的設(shè)置、動畫狀態(tài)機(jī)的管理以及動畫的腳本控制，最終實現(xiàn)一個簡單的角色動畫（如行走和跳躍） 。在完成基礎(chǔ)實驗后，通過自主調(diào)研和教師啟發(fā)，選擇綜合性實驗或提出創(chuàng)新型課題方案，如虛擬漫游展廳、基于手勢識別的化學(xué)虛擬實驗、火災(zāi)逃生訓(xùn)練等。學(xué)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(shù)學(xué)、人機(jī)交互、化學(xué)、應(yīng)急管理等學(xué)科知識，具有典型學(xué)科交叉的特點。學(xué)生除了具備基礎(chǔ)實驗技能，還需掌握綜合性知識才能達(dá)成實驗?zāi)繕?biāo)。

2.2 教學(xué)實施

本案例以掌握動畫系統(tǒng)模塊功能為實驗任務(wù)，在實驗教學(xué)中貫徹“開放”“創(chuàng)新”的教學(xué)思路，個人在完成軟件技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，以小組為單位，開放研究內(nèi)容，創(chuàng)新實驗理念。教學(xué)實施分為以下3個階段。

準(zhǔn)備階段，教師在線上平臺發(fā)布實驗任務(wù)，推送動畫原理、三維角色動畫制作等微視頻，設(shè)置10個單選題的小測試，學(xué)生在規(guī)定時間完成自學(xué)及前測。根據(jù)在線平臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，準(zhǔn)確掌握學(xué)生的基本情況，調(diào)整教學(xué)策略，因材施教。

實踐階段，課堂上講解動畫系統(tǒng)的實驗基礎(chǔ)知識及分析實驗?zāi)繕?biāo)。學(xué)生對照前測結(jié)果，清楚知道本次實驗應(yīng)達(dá)到的知識和能力掌握程度。教師根據(jù)實驗的重點和難點，在超星學(xué)習(xí)通上發(fā)布主題討論帖，學(xué)生通過回帖實時互動，活躍課堂氣氛。動畫系統(tǒng)的基礎(chǔ)型實驗屬于必做環(huán)節(jié)，要求每位學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識及技能。在完成基礎(chǔ)實驗后，學(xué)生根據(jù)興趣、能力自行組隊，選擇1～2個綜合型實驗進(jìn)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(fā)融入少數(shù)民族文化主題，引導(dǎo)學(xué)生小組通過文獻(xiàn)調(diào)研自主擬定實驗方案，教師指出方案中的不足，驅(qū)動學(xué)生反復(fù)修改，直至最終確定完善方案。實驗過程中，根據(jù)小組成員的特長，教師鼓勵采用多樣化方法開展實驗設(shè)計。在實驗答辯環(huán)節(jié)，通過現(xiàn)場演示和師生交流，提升學(xué)生溝通協(xié)作、分析解決問題的能力。綜合實驗答辯成績優(yōu)異的小組，教師組織小組研討會，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合專業(yè)和產(chǎn)業(yè)需求，主動尋找課題進(jìn)行創(chuàng)新研究，如基于手勢識別的化學(xué)虛擬實驗、基于AI的校園元宇宙系統(tǒng)等。這類開放創(chuàng)新型課題的實施，不僅為優(yōu)秀學(xué)生的成長提供快速通道，也增強(qiáng)了團(tuán)隊成員的創(chuàng)新探索意識，激發(fā)了協(xié)作交流能力。

總結(jié)階段，本次課程結(jié)束后，學(xué)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(nèi)容，對共性問題統(tǒng)一講解，結(jié)合學(xué)生意見對下一輪教學(xué)設(shè)計進(jìn)行修改，讓學(xué)生真正參與教學(xué)實施過程中。

3 教學(xué)效果

經(jīng)過持續(xù)建設(shè)與優(yōu)化，虛擬現(xiàn)實技術(shù)課程逐步形成一種適合新工科培養(yǎng)要求的多維度實踐教學(xué)體系。不同類型的實踐教學(xué)項目累計達(dá)到30個，構(gòu)成了系列化、遞進(jìn)式的實驗教學(xué)內(nèi)容。對比實施實踐教學(xué)改革之前（2018年） 和之后（2021年） 的實驗考核結(jié)果，如圖3所示，良好以上成績?nèi)藬?shù)占比提高，不及格比例下降。

近年來，學(xué)生參加中國大學(xué)生計算機(jī)設(shè)計大賽、全國高校數(shù)字藝術(shù)設(shè)計大賽等學(xué)科競賽均取得優(yōu)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(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目國家級立項4項。極大提升了學(xué)生的綜合實踐能力及創(chuàng)新能力。圖4展示了部分學(xué)生的獲獎作品。

4 結(jié)語

交叉學(xué)科是當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點領(lǐng)域。在新工科背景下，開展新興交叉學(xué)科的實踐教學(xué)改革具有重要意義。本研究以虛擬現(xiàn)實技術(shù)課程為例，針對當(dāng)前課程實踐教學(xué)中存在的問題，提出構(gòu)建分層次、多維度的實踐教學(xué)體系，并從重構(gòu)實驗內(nèi)容、完善教學(xué)模式、優(yōu)化評價指標(biāo)3個方面進(jìn)行教學(xué)改革與實踐。經(jīng)過多年的探索，教學(xué)效果較以往有了顯著提升，學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合實踐能力都得到了明顯增強(qiáng)。本課程的教學(xué)改革實踐為其他新興交叉學(xué)科的實驗教學(xué)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(xué)科技術(shù)、豐富線上教學(xué)資源，從而更好地培養(yǎng)適應(yīng)虛擬現(xiàn)實、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)需求的復(fù)合型創(chuàng)新人才。

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【通聯(lián)編輯：王力】