計算機類研究生的VR實踐創(chuàng)新能力提升研究

韓慧妍，況立群，熊風光，張元，楊曉文

(中北大學大數(shù)據(jù)學院國家級計算機及應用虛擬仿真實驗教學中心，山西 太原 030051)

在新工科建設背景下，教育部提出要培養(yǎng)碩士綜合運用所學知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，與本科生相比，研究生更注重的是培養(yǎng)其實踐創(chuàng)新能力[1]。因此，研究生開設的所有課程都應該以培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力為導向，進行課程體系的設計，為達成畢業(yè)要求打下扎實基礎[2]。

虛擬現(xiàn)實(VR)是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術，已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界、學術界乃至我國政府重點布局的一個熱點領域，廣泛應用在生活的方方面面，國內(nèi)許多高校的計算機類碩士都開設了VR技術課程，該課程具有概念抽象、內(nèi)容廣泛、知識點多、實踐性強的特點[3]。傳統(tǒng)的教學方法課程目標設置不合理、講授領域沒有側重，評價則采用期末小論文“一錘定音”制，無法考查學生對課程基礎知識的掌握程度、應用于工程實踐的能力和創(chuàng)新思維素養(yǎng)。基于此，課程團隊老師進行了課程教改，根據(jù)畢業(yè)要求重新凝練了課程目標，基于課程目標進行了教學設計，采用多元模式進行評價，最終達成了課程目標。

1 課程目標

(1)知識目標：掌握VR的構成要素、特點、建模、渲染等基礎知識，熟練掌握VR引擎Unity3d軟件的使用方法，能熟練使用全景圖像、全景視頻軟件進行VR內(nèi)容的制作，具備從事VR相關專業(yè)工作所需的專業(yè)知識。

(2)能力目標：能夠使用Unity3d完成天空、地形、樹木等的制作，能夠將各類VR內(nèi)容集成，使用外設進行交互，具備應用VR基礎知識分析、解決復雜VR工程問題的能力。

(3)素養(yǎng)目標：能夠以小組的形式進行綜合性項目設計，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新思維能力及團隊協(xié)作的素養(yǎng)。

2 教學設計

本課程存在以下三大教學痛點：

(1)課程目標與本科生相同，跟不上“知識、能力、素養(yǎng)”三位一體畢業(yè)要求的步伐。

(2)課程知識點多、雜、分散、抽象，實踐性強，目前的教學資源和手段難以解決。

(3)評價模式過于單一，無法體現(xiàn)本課程的實踐特色。

本文圍繞課程目標，針對以上教學痛點，提出教學設計思路：(1)思政融入教學。(2)課程內(nèi)容優(yōu)化。(3)教學模式創(chuàng)新。(4)評價手段多元。

2.1 思政融入教學

本文從課程不同知識點出發(fā)，將思政元素融入課堂，培養(yǎng)學生愛專業(yè)、愛黨、愛國精神，提升其團隊協(xié)作意識，推動思政立體化育人[4]，如表1所示。

表1 VR技術課程教學內(nèi)容與思政對照關系

2.2 課程內(nèi)容優(yōu)化

VR體系結構如圖1所示，包括硬件、軟件、人機接口以及VR內(nèi)容。VR從內(nèi)容主體而言屬于計算機科學領域內(nèi)的技術[5]，因此選擇與計算機相關的核心教學內(nèi)容，簡述光學、聲學和心理學領域的理論。中北大學計算機類學生沒有硬件開發(fā)基礎，因此在講授技術理論時偏軟不偏硬，對于VR硬件設備，只需要學會如何使用并在此基礎上做軟件開發(fā)。當前VR行業(yè)缺乏內(nèi)容，因此將工程實踐重點設置為VR內(nèi)容開發(fā)的三大技術(基于三維圖形技術、基于圖像建模和基于三維引擎)。從三大課程目標出發(fā)，突出計算機專業(yè)特點，按照強應用、重能力、強創(chuàng)新的原則優(yōu)化重構教學內(nèi)容，涵蓋四大教學模塊，如圖2所示。

圖1 VR體系結構

圖2 基于課程目標重構教學內(nèi)容

2.3 教學模式創(chuàng)新

本課程采用對分課堂教學模式，提高學生的參與度，增強其多方面能力。

(1)講授階段：教師對課程內(nèi)容進行提綱挈領的講授，對課程重點和難點給出必要的提示，通過學院大屏、環(huán)幕等各類VR設備形象具體地展示各類2D、3D形式的VR內(nèi)容，引導學生辨認其開發(fā)技術。

(2)獨立學習階段：查找相關國內(nèi)外文獻，撰寫關于VR前沿技術的小論文；尋找自己研究課題與VR的結合點，做成可以展示和講解的PPT，提升學生從事科研工作的能力、邏輯思維能力和對基礎知識的理解能力。

(3)小組項目設計環(huán)節(jié)：分組進行綜合項目設計，編程語言不限，內(nèi)容要求涵蓋VR的全部體系結構，借助VR設備進行交互，將知識傳授、能力培養(yǎng)和素養(yǎng)提升融為一體。

(4)全班交流環(huán)節(jié)：每個同學展示、講解其PPT。每個小組演示其項目，并進行適當?shù)慕换?，其余同學及老師提出疑問，小組成員進行回答，通過答辯的方式提升學生語言表達能力和高階思維能力，培養(yǎng)其挑戰(zhàn)自我、集體意識、科學求真的素養(yǎng)。

基于以上教學模式，達到理論與實踐閉環(huán)、學習與研究閉環(huán)。

(1)理論與實踐閉環(huán)

本課程通過VR設備展示、經(jīng)典案例導引、關鍵技術突破、小組成員合作、全班經(jīng)驗分享的方式，達到理論與實踐閉環(huán)，提升學習興趣、鍛煉批判思維能力、激勵實踐創(chuàng)新能力。

(2)學習與研究閉環(huán)

通過課程學習、專業(yè)實踐、科研訓練、學術交流相結合的方式，達到學習與研究閉環(huán)，從而將其培養(yǎng)成為從事科學研究、管理或獨立擔負專門技術工作能力的高級專門人才。

2.4 評價手段多元

本課程采用全過程多元評價模式，總成績=小論文(20%)+PPT展示答辯(30%)+綜合項目演示答辯(50%)，其中小論文由老師根據(jù)其撰寫的新穎性、概括性和全面性進行綜合評價，PPT、綜合項目成績由自我評價(15%)、同學評價(15%)和教師評價(70%)構成。各考核方式對課程目標達成的權重占比分配見表2，各考核環(huán)節(jié)對各課程目標的覆蓋率見表3，由Ai和A計算分、總課程目標的達成度。

表2 各考核方式對教學目標達成評價的權重占比分配

表3 第k個考核環(huán)節(jié)對課程目標的覆蓋率分配

第i個課程目標的達成度Ai，基于各考核環(huán)節(jié)k的貢獻加權求和，即Ai=∑(Gik×Wik)。其中：Gik表示第k種考核方式支撐第i個課程目標的達成度。Bi表示第i個課程目標所對應的試題分數(shù)總和。多個課程目標再根據(jù)比例加權求和，就得到課程的目標達成度A(A=∑(Ai×Pi))，其值大于等于0.60表示目標達成。

3 目標達成評價效果及后期改進

本文采用定量和定性評價分析課程目標的達成情況，定量評價基于課程目標，定性評價基于學生問卷調(diào)查及學院碩導評教結果。兩種評價都進行歸一化操作，如果二者都大于0.6，說明目標已達成；反之，目標未達成。

3.1 定量評價

課程的各項評價指標的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示。分、總課程目標達成度如表5所示，二者均大于0.6，說明已經(jīng)達到了本課程的教學目標，分組綜合項目設計結果如圖3所示，包括校園漫游、虛擬演練、管件識別、手勢識別、瞳孔識別、人臉識別等。

表4 各個環(huán)節(jié)對分課程目標達成度情況

圖3 部分項目設計成果

3.2 定性評價

學期末對35個學生進行滿意度調(diào)查，包括課堂講授、參與式教學、理論與實踐結合、教學方法共四個指標點。達成度包括不滿意、一般、比較滿意、很滿意、不適用五個等級，統(tǒng)計結果如表6所示，顯示學生的滿意度較高。從碩導評教結果來看，其評價也比較高。但兩類評價中還存在“比較滿意”的選項，說明教學仍然需要改進。

3.3 后期改進

本課程教改雖然取得了一些成績，但仍發(fā)現(xiàn)一些問題，可以作為后期課程體系建設、教學過程和考核分析的指導意見。具體包括：

(1)課程內(nèi)容與時俱進，淘汰過時的內(nèi)容，加深課程內(nèi)容和實際問題的結合，進一步培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。

(2)教學過程中能夠將已購置Hololens、大疆無人機、Kinect、Leapmotion、三維手持掃描儀、3D環(huán)幕等VR設備利用起來，使分散、抽象的理論知識具體化、視覺化和實踐化。

表5 課程目標達成度

表6 學生評教滿意度調(diào)查結果

縱觀VR技術教學過程，本文首次嘗試對分課堂模式，經(jīng)過一輪完整教學實踐，說明本課程教改效果較好。在今后的教學過程中，將繼續(xù)深化對分課堂模式，緊跟VR技術的發(fā)展步伐，深挖思政元素，根據(jù)畢業(yè)要求凝練課程目標，進一步提升學生實踐創(chuàng)新能力，為將其培養(yǎng)為從事計算機研究與應用開發(fā)的高級專門人才奠定堅實的基礎。