利用虛擬仿真技術(shù)培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的路徑研究

陳曉兵 于坤 肖紹章 高麗 呂如夢

摘要：為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，作者以基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識和工程知識構(gòu)建創(chuàng)新知識鏈，以學(xué)習(xí)興趣、系統(tǒng)思維和創(chuàng)新實踐構(gòu)建創(chuàng)新驅(qū)動鏈，通過知識鏈對接驅(qū)動鏈接，構(gòu)建了“雙鏈對接”的三層能力培養(yǎng)模型，并在不同層次上，采用不同的對接過程和學(xué)習(xí)方法，以虛擬仿真技術(shù)建立實踐內(nèi)容體系，利用云計算模式構(gòu)建創(chuàng)新實踐平臺。實踐證明，本文所構(gòu)建的路徑能夠有效地提升學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力;培養(yǎng)模型;實踐云平臺;虛擬仿真技術(shù)

中圖分類號：G642.0? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）05-0104-04

《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》（教高〔2018〕2號）明確指出，要推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育緊密結(jié)合，深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程體系、教學(xué)方法、實踐訓(xùn)練等關(guān)鍵領(lǐng)域改革。創(chuàng)新能力是指運用已有的知識經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)新問題、新事物，提出新辦法、新觀點，通過反復(fù)實踐解決新問題、創(chuàng)造新事物的能力。[1-2]高等學(xué)校的根本任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的專業(yè)應(yīng)用人才，因此在人才培養(yǎng)過程中應(yīng)融入創(chuàng)新教育內(nèi)容，通過分析問題、構(gòu)建思路、實施運作、驗證方案、反饋修改的螺旋式思維訓(xùn)練，將創(chuàng)新實踐活動與專業(yè)實踐教學(xué)有機融合、有效銜接。[3-5]

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用到教育活動中，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效率，豐富了教學(xué)手段。[6]將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到創(chuàng)新實踐教育中，有助于大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。創(chuàng)新能力培養(yǎng)涉及創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式、課程體系和學(xué)習(xí)方法等方面[7-9]，因此，筆者所在學(xué)校的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在創(chuàng)新實踐訓(xùn)練過程中，把創(chuàng)新教育融入專業(yè)教育，以創(chuàng)新知識鏈對接創(chuàng)新驅(qū)動鏈，圍繞能力培養(yǎng)模型、內(nèi)容體系、平臺建設(shè)等方面開展了創(chuàng)新能力培養(yǎng)路徑的研究。

● 創(chuàng)新能力培養(yǎng)模型

1.模型結(jié)構(gòu)

要進(jìn)行創(chuàng)新實踐活動，既要具備創(chuàng)新所需要的知識，又要對解決的問題有興趣，具備系統(tǒng)思維能力，同時還要進(jìn)行一定的創(chuàng)新實踐訓(xùn)練。筆者將創(chuàng)新能力的形成因素分為創(chuàng)新知識鏈和創(chuàng)新驅(qū)動鏈兩類。創(chuàng)新知識鏈包括開展創(chuàng)新活動應(yīng)具備的基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識和解決復(fù)雜問題的工程知識;創(chuàng)新驅(qū)動鏈因素是指創(chuàng)新活動所需要的內(nèi)在元素，包括學(xué)習(xí)興趣、系統(tǒng)思維和創(chuàng)新實踐活動。

以創(chuàng)新知識鏈對接驅(qū)動鏈，通過學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，通過掌握專業(yè)知識培養(yǎng)系統(tǒng)思維能力，通過解決復(fù)雜工程問題開展創(chuàng)新實踐活動。在對接過程中，利用計算機虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)構(gòu)建創(chuàng)新實踐內(nèi)容體系，其中包括實驗室實驗項目、各級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目、教師科研項目、畢業(yè)設(shè)計課題等形式。

筆者通過分層實施，將創(chuàng)新能力培養(yǎng)分為“基礎(chǔ)興趣—專業(yè)思維—工程創(chuàng)新”三個層次，構(gòu)建“雙鏈對接”的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模型，如圖1所示，以期實現(xiàn)創(chuàng)新知識鏈和驅(qū)動鏈的對接。

2.模型層次

（1）“基礎(chǔ)—興趣”層

主要面向一年級的學(xué)生，以三維建模、模擬仿真技術(shù)為主線，通過基礎(chǔ)知識和基本工具的學(xué)習(xí)，引入數(shù)字城市建模仿真應(yīng)用場景，拓展專業(yè)新技術(shù)視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。基于學(xué)生興趣和特長，采用線上、線下混合式教學(xué)方法，在教師引導(dǎo)和指導(dǎo)下選擇實驗項目。

該層次學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、Unity3D基礎(chǔ)、3DMax基礎(chǔ)、WebGL基礎(chǔ)開發(fā)、三維激光掃描設(shè)備使用方法、點云數(shù)據(jù)的初步處理方法。開設(shè)的實驗項目主要包括三維激光測量建模、Kinect三維重建、全景VR攝像漫游、點云數(shù)據(jù)建模、三維模型渲染、Unity制作動畫等。

（2）“專業(yè)—思維”層

主要面向二、三年級學(xué)生，以虛擬現(xiàn)實交互式開發(fā)為技術(shù)主線，通過學(xué)習(xí)計算機虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的編程工具，培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)編程方法和編程環(huán)境，進(jìn)行相關(guān)算法學(xué)習(xí)。引入數(shù)字城市場景、軌道交通交互漫游應(yīng)用背景，以大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目為載體，鼓勵學(xué)生早進(jìn)實驗室，實施問題導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生分析、思考能力，訓(xùn)練學(xué)生系統(tǒng)思維。

該層次學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括3DMax高級應(yīng)用、Unity3D應(yīng)用開發(fā)、C#/C++程序設(shè)計、人機交互開發(fā)（Leap Motion）。開設(shè)的實驗項目主要有城市場景三維漫游、軌道交通HTC Vive交互開發(fā)、城市場景Leap Motion交互開發(fā)。

（3）“工程—實踐”層

主要面向四年級學(xué)生，以工程應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)為主線，針對工程項目中的實際問題，通過綜合分析問題、設(shè)計解決方案、融入創(chuàng)新思維，解決工程項目中的實際問題。引入智能輔助駕駛、個性化產(chǎn)品設(shè)計、智能制造等工程項目，教師提供開源學(xué)習(xí)代碼和環(huán)境，學(xué)生以個人獨立研究、小組合作研究、個人研究與集體討論相結(jié)合的形式開展創(chuàng)新實踐訓(xùn)練，推行以“學(xué)生為中心”的探究式學(xué)習(xí)。

該層次學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括圖像處理、模式識別、機器學(xué)習(xí)算法庫、OpenCV應(yīng)用開發(fā)、Java Web應(yīng)用開發(fā)、WebGL/WebCAD應(yīng)用開發(fā)。開設(shè)的實驗項目主要有AR交通標(biāo)志識別、三維產(chǎn)品展示、參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計等。

● 創(chuàng)新實踐云平臺架構(gòu)

1.實驗系統(tǒng)建設(shè)

創(chuàng)新能力培養(yǎng)需要結(jié)合專業(yè)課程建設(shè)和加強實驗系統(tǒng)建設(shè)。[10-11]在創(chuàng)新實踐訓(xùn)練中要讓學(xué)生在實驗室就有機會學(xué)習(xí)和了解使用最新技術(shù)、接觸最先進(jìn)的設(shè)備，讓師生充分利用、共享各類實驗資源和工具，提高實驗室資源利用效率。[12-13]

筆者以虛擬仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為主線，以創(chuàng)新訓(xùn)練項目為載體，建設(shè)服務(wù)于不同模型層次的創(chuàng)新實驗系統(tǒng)。基于已有的設(shè)備，建設(shè)、集成了Kinect三維建模系統(tǒng)、VR全景攝像系統(tǒng)、3D投影融合系統(tǒng)、3D投影環(huán)幕系統(tǒng)、音視頻采集系統(tǒng)、HTC頭顯系統(tǒng)、3D打印系統(tǒng)、無人機飛控等實驗系統(tǒng)。設(shè)計、開發(fā)了實驗項目、大學(xué)生創(chuàng)新項目、工程實踐問題、畢業(yè)設(shè)計課題等創(chuàng)新訓(xùn)練項目187項，建立了創(chuàng)新實驗室工位80個。

2.實踐云平臺構(gòu)建

目前，AR/VR設(shè)備運算處理能力不足以完全支撐“擬真”的運算量。[14-15]計科與技術(shù)專業(yè)在現(xiàn)有的云計算中心基礎(chǔ)上，運用虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實、圖形圖像處理、數(shù)據(jù)庫和軟件開發(fā)等技術(shù)，搭建創(chuàng)新實踐云平臺，采用云計算模式進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形處理，降低對實驗端設(shè)備的性能配置需求，實現(xiàn)虛擬仿真、體驗、應(yīng)用和多人遠(yuǎn)程交互共享，大幅降低使用成本，提升學(xué)習(xí)者體驗。創(chuàng)新實踐云平臺構(gòu)建按照實踐教學(xué)服務(wù)的多層次（IaaS、PaaS和SaaS）類型進(jìn)行資源的按需劃分和規(guī)劃，充分利用已有的教學(xué)實踐條件和資源。

筆者建設(shè)的創(chuàng)新實踐云平臺擁有100T的存儲容量，配備了高性能的GPU，設(shè)置了多用戶運行環(huán)境，完成了IaaS、PaaS、SaaS層實踐教學(xué)服務(wù)的部署和配置：IaaS層包括虛擬化存儲設(shè)備、云桌面網(wǎng)關(guān)、云桌面應(yīng)用設(shè)備等;PaaS層包括云計算資源包、虛擬化資源包、云計算實驗管理系統(tǒng)和實驗工具集;SaaS層包括三個能力層次的創(chuàng)新訓(xùn)練項目。創(chuàng)新實踐平臺滿足了學(xué)生計算機仿真創(chuàng)新實踐訓(xùn)練的需求，平臺架構(gòu)如圖2所示。

● 創(chuàng)新實踐訓(xùn)練成效

學(xué)生通過計算機仿真創(chuàng)新實踐平臺，在教師的指導(dǎo)下開展自主式、探究式創(chuàng)新實踐訓(xùn)練，并通過申報各級大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目、參加學(xué)科競賽、發(fā)表論文、申請專利和軟件著作權(quán)等形式，形成創(chuàng)新訓(xùn)練成果。學(xué)生通過不同層次的訓(xùn)練完成的實驗項目如圖3所示，其中（a）（b）屬于“基礎(chǔ)—興趣”層創(chuàng)新訓(xùn)練項目結(jié)果，（c）（d）（e）屬于“專業(yè)—思維”層創(chuàng)新訓(xùn)練項目結(jié)果，（f）（g）（h）屬于“工程—實踐”層創(chuàng)新訓(xùn)練項目結(jié)果。

目前，創(chuàng)新實踐平臺和資源建設(shè)正在不斷完善和豐富，已有18～20級300余名學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新實驗室開展自主探究式學(xué)習(xí)，學(xué)生通過創(chuàng)新實踐平臺訓(xùn)練，收獲了一批創(chuàng)新訓(xùn)練成果，計算機虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺建設(shè)初見成效。

● 結(jié)語

筆者以創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，構(gòu)建了“雙鏈對接”的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模型，利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)了不同層次的創(chuàng)新實踐訓(xùn)練項目，建設(shè)了虛擬仿真創(chuàng)新實踐云平臺。通過融合計算機領(lǐng)域發(fā)展的新技術(shù)、新方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使其挖掘自身潛能，推行探究式學(xué)習(xí)，訓(xùn)練系統(tǒng)思維，解決實際問題，為學(xué)生提供開源學(xué)習(xí)平臺和環(huán)境，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

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作者簡介：陳曉兵（1971—），男，江蘇淮安人，教授，博士。研究方向為CAD&CG、虛擬現(xiàn)實。

基金項目：江蘇省高等教育教改研究項目（2019JSJG126），淮陰工學(xué)院教學(xué)改革研究重點課題（2017XJGA03），淮陰工學(xué)院校企共建精品課程“軟件測試與質(zhì)量保證”（Z202B18527）。

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