虚拟现实技术本科专业课程体系探索

王莉莉 吴健 赵沁平

摘 要：随着经济、社会发展对虚拟现实技术创新和应用需求的迅速增长，虚拟现实技术专业创新型、开发型、应用型等各类人才缺口不断扩大。本文针对虚拟现实技术本科专业，面向创新人才培养，阐述了虚拟现实技术专业课程体系建设的背景和意义，确定了虚拟现实技术专业创新人才培养的目标，论述了面向创新人才培养的虚拟现实技术专业课程体系建设的指导思想，然后给出了一套完整的虚拟现实技术专业课程体系范例，包含课程设置、教学进程和实践设计，最后对整个课程体系的特点进行了讨论与总结，为高等学校虚拟现实技术本科专业课程教学提供了参考。

关键词：虚拟现实;创新人才;课程体系;课程设置

虚拟现实作为下一代通用计算平台和未来互联网的交互环境，可以拓展人类感知能力，改变各行业产品运营形态和服务模式，在工业、医疗、教育、军事、文化娱乐和智慧城市等领域均显示出广阔的应用前景，“虚拟现实+”已成为发展趋势，并强劲催生形成一个新兴技术产业。美国、欧盟、日本等国家纷纷抢滩新一代虚拟现实技术源头，虚拟现实技术成为国际竞争热点。随着虚拟现实技术在现实社会中的不断实践应用以及领域技术的迅速发展，产业界对虚拟现实技术人才培养提出了迫切要求。作为培养计算机专业人才的高等学校，应根据社会发展对虚拟现实技术专业人才的要求，结合各高校自身特点来建立培养方案，才能更有针对性地为社会输送所需要的各类高质量虚拟现实技术专业人才，并推动虚拟现实专业的发展。本文着眼于高等学校虚拟现实技术本科专业创新人才培养中的课程建设，提出了一套具有夯实基础、重视专业、强调交叉特点的全新的课程体系，为培养具有创新精神与能力、全球化视野、终身学习能力、跟踪虚拟现实领域技术发展能力及解决虚拟现实领域挑战性问题能力的新一代高素质创新人才提供支撑。

一、背景与意义

新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。虚拟现实正是这一轮变革的重要新兴技术，跨界融合了多个领域的技术，形成了具有巨大发展前景的新兴产业。为服务国家战略目标、顺应行业发展变革，教育部于2020年新增设了“虚拟现实技术”本科专业，将虚拟现实技术纳入本科教育范畴，为中国虚拟现实技术和产业发展，以及更高层次虚拟现实专业人才培养打下良好的人才基础。2020年第一批高校开设了“虚拟现实技术”本科专业，2021年又新增了一批高校，目前共有14家高校开设了该本科专业。这些高校在办学理念、人才培养目标、培养模式等方面各有所长、各具特色，各校之间特别需要加强联动交流，相互借鉴，汇聚力量推动专业发展，而且也迫切需要根据自己学校的办学历史、条件与优势，制订有自身特色的培养方案和课程体系，建设多样化的虚拟现实技术专业，培养社会所需要的各类虚拟现实领域人才。

然而，对于虚拟现实技术这个全新的本科专业，如何培养符合国家、行业所需要的创新人才是一个亟须解决的问题。目前大家对如何确立本科生教育指导思想、如何制订人才培养目标、如何完善人才培养计划、如何合理设置课程体系、如何定位专业培养方向、如何强化引导专业认知等问题进行了一些探索，但对创新人才培养还没有形成明晰的专业教育理念和合理的教育教学方案。

课程是人才培养方案的基本构成要素，是教学内容的载体，是专业培养目标的基石。课程体系建设是专业建设的重要环节，是实现创新人才培养目标的重要保证。虚拟现实技术专业是计算机学科类中的应用技术型专业，它以计算机学科为基础，自身专业性特色鲜明，并且具有较强的学科交叉特点，因此针对虚拟现实技术专业人才培养的课程体系需要具有计算机学科扎实的理论基础，又要有鲜明的虚拟现实专业性，还要体现多学科融合的特点。

虚拟现实技术专业课程体系建设旨在科学地安排教学内容，合理地规划教学进程，系统地制订实现培养目标的规划方案，引导学生充分发挥自身优点，在本科阶段的学习生活中掌握虚拟现实技术本科专业的基本知识技能，在实践中逐渐领会应用所学知识解决真实世界的各种相关问题，培养学生的自主创新能力，达到虚拟现实技术本科专业的毕业要求。

二、創新人才培养目标

虚拟现实技术本科专业创新人才培养目标在于培养具有良好人文素养以及强烈的事业心、使命感及担当精神，具有创新精神与能力、全球化视野、终身学习能力及跟踪虚拟现实领域技术发展的能力，系统掌握虚拟现实专业的基础理论和专业技能，具有提出并以学科交叉方式解决虚拟现实领域挑战性问题的能力，具有团队合作与组织管理能力，能参与国际竞争的虚拟现实专业高水平人才，或能在工业、医疗、国防、文化、娱乐等行业领域胜任虚拟现实项目设计、开发、管理等工作的应用型专门人才[1]。学生毕业5年后，能就虚拟现实相关问题，综合考虑技术、经济、法律、伦理等因素，分析、制订解决方案，并管理有关项目的实施;能在职业发展中具有担当精神、行动力、感染力和领导力;能与虚拟现实领域国内外同行、客户和公众有效沟通;能始终坚持学习和自我完善，能紧跟技术发展趋势，并具有对虚拟现实及相关新兴技术与应用的敏锐性和洞察力。

创新型虚拟现实技术专业本科生的毕业要求包括4个层次、12个方面能力的要求，如图1所示。第一个层次为研究能力，包括问题分析、方法研究和设计/开发解决方案;第二个层次为工程能力，包括工程知识、使用现代工具的能力以及对工程与社会的认识;第三个层次为合作能力，包括沟通、个人与团队协作能力和项目管理能力;第四个层次为综合素养，包括职业规范、环境与可持续发展和终身学习能力。培养学生能够对虚拟现实技术应用中存在的问题进行自主分析、研究;具备解决问题所需的工程知识，并能够利用专业相关的现代工具和所具备的知识，设计/开发解决方案，在实践中能够与团队沟通合作，参与项目的管理，最后在专业应用中考虑工程与社会、自然环境的关系，坚持可持续发展，并具有终身学习的能力。

三、课程体系建设指导思想

社会信息化给我们带来三大变化：算力成为人类生产力和国家竞争力的重要基础，计算机应用能力、一定程度的计算思维和相关领域软件应用编程能力成为所有学科高层次人才应具有的基本能力，计算机类学科创新人才成为国家的战略性科技人才。计算已成为理论推导、科学实验以外的第三种科学研究的手段，同时，计算也日益成为前两种手段不可或缺的支撑技术。计算机类人才培养质量是生命线，特别是本科生的培养，坚实、系统的学科基础知识和熟练、创新的算法设计、编程能力是计算机类本科人才今后继续深造、攀登高峰的强劲双足，强基是本科人才培养的根本。成熟的学科都有自己的核心概念，自己的根基、主干和分支理论与知识体系。数学是认识自然、探索自然、改造自然的基础科学工具。数学的核心概念是数、形和运算，根基是集合论和逻辑。计算机学科的核心概念是计算、算法，根基是离散数学、线性代数、概率论，主干是数据结构、算法设计与分析、逻辑电路设计、计算机组成、操作系统、编译原理（其中，后四门课要有大的课程设计）。每一位计算机类本科生都必须学好这九门课。可计算理论、计算机接口、数据库管理系统、计算机网络、计算机图形学、芯片设计这六门课，不同学校可根据自身特点和学生的兴趣意愿，选其二三。在新型信息学科不断涌现的背景下，明确计算机学科的根基、主干课程，是计算机学科类本科生必须坚守和强化的基本知识和核心能力。

计算成为各学科新发展的引擎和催化剂，例如计算化学、计算材料学、计算社会学等。“互联网+”“人工智能+”，以及我们强调的“虚拟现实+”等，归根到底是“计算+”。计算机应用能力日益成为大学生就业的基本能力。计算机学科是知识内容迭代更新比较快的学科，但有其不变的核心知识和基本能力，要让本科生夯实这些基础。同时要及时更新迭代专业知识。科研成果转化要向产业化转化，也要向教学特别是本科教学转化。除了扎实的计算机学科基础，虚拟现实技术创新型本科生的培养还涉及特色鲜明的虚拟现实专业知识，覆盖虚拟现实实物虚化、虚物实化和虚拟世界物理仿真的全过程。同时，它不局限于传统一对多的理论教学，更多的是以专业实践为教学载体[2]，在实践中将虚拟现实技术专业相关理论应用起来，强化学生对专业知识的理解，使得学生对专业知识从陌生到了解，再到熟悉、深入，体现了迭代性原则。

此外，虚拟现实技术还具有多学科交叉特性，由于虚拟现实技术与其他领域专业的高关联性，实践中往往涉及诸多领域的知识技能，不同的项目实践往往涉及不同的领域知识，并由学生自主选择、因材施教，体现了灵活性原则。在实践过程中，交叉领域的项目往往能够带动多专业、多高校共同协作，为学生创建更具有深度和广度的应用拓展平台，体现了协同性原则。最后，专业实践是与时俱进的项目，学生通过参与不断更新的虚拟现实专业项目中，能够第一时间了解虚拟现实技术领域最前沿的应用和研究，体现了进化性原则。

根据培养目标和上述指导思想，我们归纳出虚拟现实技术本科专业创新人才培养中课程体系建设的指导性原则。

（1）为了使学生具有扎实的计算能力基础，成为可继续深造、进行理论创新和具有原始创新能力的人才，课程需覆盖数学、物理、工程基础，以及计算机科学技术学科的核心课程;

（2）为了使学生成为虚拟现实领域的创新人才，课程需覆盖虚拟现实的理论基础与专业技术课程;

（3）为了使学生将来能够以学科交叉的方式去解决虚拟现实领域的挑战性问题，课程需要覆盖多学科内容，以及通识课程;

（4）为了提高学生的动手能力，提高学生的国际竞争力，课程体系应将理论学习与实践紧密结合，在学习理论知识的基础上加强实践能力训练。

综上所述，虚拟现实技术专业创新人才培养中的课程设置既要注重夯实学生理论基础，也要重视虚拟现实核心专业知识，还要强化多学科交叉的作用，力求在当前快速发展的虚拟现实技术产业背景下，为培养一批具有可持续竞争力的创新人才提供参照[3]。

四、課程体系

1.课程设置

遵循上述指导思想，并对应虚拟现实技术专业课程体系应具有的夯实基础、重视专业、强化交叉三个特点，面向本科生研究能力、工程能力、合作能力和综合素养四层次能力的培养，参照其他相关专业工科生培养的课程体系，我们首先将课程划分为三大类：基础课程、专业课程和通识课程。

基础课程的设置主要针对学生工科基础理论与工程能力培养，体现了课程体系夯实基础的特点。基础课程主要包括数学与自然基础类、工程基础类和外语类相关课程。计算机学科的核心是计算，虚拟现实技术专业是建立在计算机科学之上的模拟仿真现实世界，虚实融合的专业方向涉及许多现实世界基础科学理论。因此，数学与物理等自然科学学科基础课程是本专业基础课程中不可或缺的。工程基础类课程是培养学生个人工程能力的主要课程，有利于学生建立工程意识，对培养其以工程的思路分析问题、解决问题的能力起到潜移默化的作用。这些课程的学习是为了促使学生形成相对稳定的、可以承担压力的心智，能够辨别区分问题的主次，抓住并解决自己承担任务的主要矛盾。可以依据所具备的技术水平、架构状态、人力及其他投入状况，选择并设定实现路径、协作方式和基础设备，并可以实施对现实理解、资源控制、规划建设，以及包含工作流程在内的协作管理。同时，工程能力的核心要素是对工作对象进行分析、抽象、归纳、总结的能力，也就是要求学生面对其要完成的任务，在解决问题的时候不断地思考任务要达到的核心目标和科学合理的关键路径，不断地研究抽象出更准确、更简洁的方法。然后将自己抽象的方法在新的实践中进行检验，不断磨炼。外语类课程则是提高学生的英语等外语的听说读写能力，使学生将来从事研究或工程研发工作时能够高效获取国际前沿信息，发表自己的成果，以及与外国同行进行交流，是学生能够具有国际竞争力的必要条件。

专业课程的设置主要培养学生从事计算和虚拟现实专业技术研发能力，体现了课程体系重视专业的宗旨。专业课程主要包括计算核心专业类、虚拟现实核心专业类和一般专业类课程。虚拟现实技术专业方向的基础是计算机科学，因此计算核心专业类课程也是虚拟现实技术专业核心课程必不可少的重要部分。虚拟现实核心专业类课程是虚拟现实技术本科专业的核心特色课程，该系列课程体现了虚拟现实技术专业的核心特点和知识体系，是培养虚拟现实技术专业学生专业素养的主要课程。通过介绍虚拟现实技术专业的主要基础理论算法、虚拟现实技术系统基础、人机交互模式和进行虚拟现实技术专业实验，培养学生对虚拟现实专业知识深层次的认知和对虚拟现实技术系统的分析能力，具备从事虚拟现实技术相关工作的基本能力和技术创新能力。一般专业类课程则是培养学生进行虚拟现实技术实践的能力，以及针对虚拟现实技术的创新研究能力。该系列课程旨在使学生对虚拟现实技术领域应用和研究有较充分的了解，为学生将来从事虚拟现实技术相关工作或研究提供案例，鼓励学生发展个人兴趣，在虚拟现实实践环节融入兴趣专业方向知识，进行虚拟现实技术方向专业创新实践和展示。专业类课程重视学生对本专业知识技能的培养，是虚拟现实技术专业本科培养中的重要环节，是学生将来顺利从事虚拟现实技术领域工作和研究的根本保障。

通识课程主要在于提高学生的综合素养，也体现了课程体系学科交叉的特点。除了常规的思政类、体育类、军理类之外，针对本专业特点，还包括专业核心通识课程和博雅类通识课程，旨在拓展学生文化素质和通识知识面，培养学生的担当精神、行动力、感染力和领导力。专业核心通识课程的设置考虑了虚拟现实技术专业背景，将虚拟现实技术系统中涉及的电子信息工程、控制工程、伦理学、软件工程等领域知识囊括了进来，培养学生对虚拟现实技术在现实应用中可能存在的各方面问题有清晰的认识。博雅类通识课程主要通过讲座形式，邀请有关行业、企业人士针对不同主题为学生进行讲述，提高学生综合素养和社会认知。

专业课程和通识课程也都对学生合作能力培养有着非常积极的作用。在通识课程实施过程中，鼓励学生多沟通交流，抒发观点，努力提高自身综合素养，增强与他人沟通的能力。在专业实践课程中，学生需要合作完成专业课程实践项目设计，与同专业或不同专业背景的伙伴进行沟通讨论，确定实践项目目标、项目分工和管理，团结协作完成虚拟现实技术系统实践。在这一过程中能够充分锻炼学生在参与较大型项目时的团队协作意识，从他人的认知和观点中认识到自己的不足，发现自己的优势，在合作中发挥自己的长处，提升自己的协作能力。

上述各类课程在虚拟现实技术本科专业课程中的学分占比分别是：基础课程占36%，专业课程占43%，通识课程占21%。

本文提出的虚拟现实技术本科专业课程设置总图如图2所示，该图反映了本专业四年本科所学习的全部课程以及各门课程之间的关系。本文将本科培养方案中四年的课程分为三个层次，分别对应基础课程、通识课程和专业课程。

基础课程包括数学与自然基础类、工程基础类和外语类相关课程。数学与自然基础课程主要包括工科数学分析、高等数学、概率统计、信息类基础物理学、工科大学物理和基础物理实验，课程设置目的在于为学生打好本专业涉及的自然科学基础。工程基础类基础课程包括信息类离散数学、数据结构、程序设计、电子设计、工程认知及工程图学等工程学科基础课程，课程中包含丰富的工程实践训练，培养学生进行程序设计、算法设计、绘制工程图等专业相关工程能力。外语类基础课程主要是大学英语课，提高学生的英语等外语的听说读写能力，培养学生将来从事技术研究或工程研发工作时高效获取国际前沿信息，发表自己的研发成果和国际交流的能力。

专业课程包括计算核心专业类、虚拟现实核心专业类和一般专业类课程。在新型信息学科不断涌现的今天，明确计算机核心专业课程的根基、主干地位是计算机类相关学科本科生必须坚守和强化的基础，因此，包括算法设计分析、计算机组成、计算机网络、操作系统等计算核心专业类课程应作为本专业学生必须掌握的基础知识。在明确计算为根基的基础上，加入虚拟现实核心专业类课程，包括实时三维图形基础、虚拟现实技术基础、虚拟现实理论和算法、人机交互、虚拟现实系统基础、虚拟现实实验等，通过理论和实践两方面使得学生全面掌握虚拟现实技术，并学会设计和开发虚拟现实系统。最后，一般专业类课程以虚拟现实技术为主题，从职业发展和研究现状两方面向学生介绍虚拟现实技术前沿应用，引导学生在未来发展中赶上虚拟现实技术发展的浪潮，在實践中发展和创新虚拟现实技术、系统与应用。

通识课程除了常规的思政类、体育类、军事理论类之外，针对本专业特点，还包括专业核心通识课程和博雅类通识课程。专业核心通识课程以计算科学为导向，为学生介绍相关学科领域前沿发展;博雅类通识课程为学生建立人才自信、树立道德榜样，旨在拓展学生文化素质和通识知识面，培养学生的担当精神、行动力、感染力和领导力[4]。

综上，虚拟现实技术本科专业课程设置主要将学科课程分为基础课程、通识课程和专业课程，以夯实基础、重视专业、强化交叉作为导向，增设虚拟现实技术方向特色专业课，强化专业学生实践中的学科交叉和团队合作，培养具有创新精神和能力、团队合作能力、全球化视野和终身学习能力的虚拟现实领域创新人才。

2.教学进程安排

由于课程学习存在先后顺序，我们对所有三大类课程按照大一到大四的学期时序进行了教学进程的安排，如图3所示。

上述教学进程安排的主要特点是基础课程集中在大一至大二上学期学习，专业课程集中在大二、大三期间学习，通识课程贯穿整个本科学习期间。具体来说，学生在大一期间主要学习自然科学基础课程，包括数学和物理基础课程。由于虚拟现实技术专业课程中诸如实时三维图形基础等课程要求学生进行先导基础课程数学分析、基础物理以及程序设计等工程基础课的学习，因此将数学与自然科学类和工程基础类基础课程集中安排在大一期间进行教学。之后，在大二、大三阶段，学习虚拟现实技术专业课程，其中核心课程系列包括：计算机组成、操作系统、计算机网络、虚拟现实理论算法，配套安排计算核心课程设计及虚拟现实实验，使学生在实践中学习和巩固专业知识。最后通识课程作为培养学生综合素养的课程体系，参照其他工科类课程，贯穿整个大学期间进行安排，在培养专业技术人才的同时建立健全学生心理素质教育和道德培养。

3.实践设计

我们设置的虚拟现实技术本科专业课程中包含了丰富的实践课，包括基础类课程实验和专业课程实验。基础类课程实验包括基础物理实验（1）、基础物理实验（2）、程序设计基础训练、电子设计基础训练、工程认知基础训练（信息类）5门，均为课内实验，即在课上进行课程理论和算法的实现与验证。

专业课程实验包括课内实验和自主综合实验。其中，课内实验是学生在专业理论课程学习的同时实现所学到的算法等，包括计算机组成课程设计、操作系统课程设计、计算机网络课程设计等。自主综合实验课包括虚拟现实实验（1）和虚拟现实实验（2），自主综合实验课往往包含多门课程的理论知识，不与某一门课程直接挂钩，并且一般需要学生进行组队协作才能完成。虚拟现实实验（1）要求学生完成虚拟现实技术系统中的某一算法或某一模块的功能;虚拟现实实验（2）协作完成一套虚拟现实系统，比如医学系统原型、混合现实维修系统、航空航天视景仿真等，除了提供的选题之外，课程鼓励学生根据自己的兴趣或者自主选修课方向，自行设计原创的虚拟现实系统实验，鼓励学生跨领域/专业合作，通过学科交叉进行自主创新，锻炼学生的团队沟通和协作能力。

五、讨论和分析

1.夯实基础与重视专业：实践型教学强化并内化专业基础和技能

实践型教学模式注重夯实基础，并在专业实践认知中贯彻基础知识的巩固和应用，引导学生不局限于纸上谈兵，而是学以致用[5]。理论基础的讲解以教师为主体，通过教师口头或文本的解释，间接传达给学生，这一过程可以使得学生打好理论基础，而在理论实际应用中存在和发生的问题都需要学生在实践中去解决。在专业实践过程中，学生成为知识获取的主体，每位学生都可能遇到不同的问题，老师则成为解惑者。如此一来，学生一方面强化了对老师讲授的理论基础的理解，另一方面也在理论应用实践中强化了专业技能。

2.强化交叉：学科交叉助力创新人才培养

虚拟现实具有显著的学科交叉特点，是辐射性很强的新兴信息技术。虚拟现实技术本科专业设置学科交叉实践环节，能够培养学生在不同领域运用专业知识解决实际问题的能力，在此过程中强化基础理论、总结学科交叉可能遇到的问题并在团队协作和导师指导下寻找解决问题的办法，培养学生自主解决问题的能力。在学科交叉实践过程中，学生作为研究主体，是连接各个学科专业导师/学生的桥梁，要积极参与团队协作，这也能激发其对研究项目的使命感和担当精神[6]。

进入21世纪以来，越来越多的创新成果难以局限于一个领域的进展或应用产生，创新更多地要靠多个领域人才团队的组合，将各自的特色和优势有机结合起来产生更富实用性、创造性、吸引性的创新果实[7]。因此，学科交叉既是助力创新人才培养的推动器，也是创新不可缺少的重要机制。

3.增强实践教学，强化学生团队合作和组织能力

面向创新人才培养的虚拟现实技术本科专业课程设置突出了学生团队合作，并强调团队合作中学生的主体地位。课程充分发挥了虚拟现实技术专业的特色，让学生自主选择专业选修方向，并在课程实践中融入其他专业方向的知识，由学生自主组织研究团队，协调团队合作，发挥学生的主观能动性、责任感和使命感，在实践教学中强化学生团队合作和组织能力[8]。

4.面向虚拟现实产业发展，培养高素质创新人才

目前，虚拟现实技术产业发展迅速，产业发展离不开人才的发展，虚拟现实技术领域人才缺口大，并且急需能够引领产业发展方向的高素质创新人才。面向创新人才培养的虚拟现实技术本科专业课程设置抓住了本专业方向交叉性强的特点，以研究型教学模式为推动力，在夯实基础、重视专业、强化交叉的指导思想下，充分发挥实践教学的优势，在以学生为主体的团队合作下培养具有创新精神、全球化视野和终身学习能力的高素质人才。

参考文献：

[1]“计算机教育20人论坛”报告编写组. 计算机教育与可持续竞争力[M]. 北京：高等教育出版社，2019.

[2] 蒋宗礼. 计算机类专业人才专业能力构成与培养[J]. 中国大学教学，2011（10）：11-14.

[3] 郑纬民. 计算机专业大学生的系统能力培养[J]. 中国大学教学，2021（5）：19-23.

[4] 陈志勇，叶桦畅，张笑钦. 计算机类专业的课程思政：核心元素、基本原则与实施策略[J]. 中國大学教学，2021（4）：34-38，65.

[5] 施佳欢，蔡颖蔚，郑昱. 一流本科课程建设的实践路径——以南京大学优质课程建设为例[J]. 中国大学教学，2021（4）：49-53.

[6] 刘晶静. 基于团队建设的教学模式探索——以工科类本科专业课程教学为例[J]. 课程教育研究，2020（52）：93-94.

[7] 冯小明，曹伟地，刘小华. 原创性研究引领学生创新能力的培养[J]. 中国大学教学，2021（5）：15-18.

[8] 李一凡，王晶，王长远. 虚拟现实技术在急诊医学教育中的应用[J]. 医学研究杂志，2020，49（12）：147-149.

[责任编辑：余大品]