基于虚拟现实技术驱动的新工科教学改革实践——以创新方法类课程为例

秦广久，丛东升，高永艳，王 伟，邢鲁义

(山东建筑大学 a.机电工程学院；b.后勤管理处；c.体育教学部；d.土木工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

新工科是服务于新时代“创新驱动高质量发展”工程教育改革的主导战略方向，其本质是以“信息技术”为牵引，形成现代化、高效化、智能化的教育方向，包括新时代创新型人才培养、新学科专业建设等内容[1-2]。在新工科的大背景下，为了高质高效培养高素质、高水平的创新型人才，目前已有不少高校开设了创新方法类的相关课程(含思政课程)，如“创造性思维及创新设计”“创新思维与创新方法”“创新方法与工程训练”“发明问题解决理论”等[3-4]。创新方法类课程旨在通过科学创新思维方法训练和科技伦理教育，全力培养青年学生的责任感、使命感，以及精益求精的奋发进取精神、不计得失的无私奉献精神和大国工匠的开拓创新精神。鉴于该类课程存在授课内容涉及多学科交叉且更新迅速、授课的具体内容与其对象的专业背景耦合相对较弱、课堂教学方式尤为单一、考核机制不够健全等问题，在当前新工科的大背景下，如何将现代先进教学手段巧妙融入创新方法类课程的教学改革实践之中，进而有效解决教学过程中课程讲授内容、课堂教学方式、课程考核机制等所涉及的各种难题，不断提高教学效果，最终达到培养高素质、高水平的创新型、复合型人才的效果与目的，已逐步成为新时代教学改革的前瞻性课题，同时也是教改政策制定与调整方面尤为重要的发展趋势[5-9]。

1 新工科背景下虚拟现实技术驱动的教学

虚拟现实技术(VR)是利用信息技术在事先创造的“真实”环境中对人体的各种感官和触觉进行精准模拟，其具有交互性强、真实感强、对人的心理模仿性强等诸多特征及优点，并在多个领域得到了广泛应用和大力推广。虚拟现实教学技术是现代科学中较为先进的教学手段之一，是将虚拟现实技术融合到高等教育课堂教学之中，通过辅助课堂教学来增加课堂的趣味性和互动性，提升学生的学习兴趣和听课质量，进而更为高效地提高教师的教学效率、教学质量和教学效果。通常情况下，其对于互动性相对较强的实践类课程更具一定的适用性[10-13]。

2 创新方法类课程的特点

2.1 创新方法类课程的内容知识体系重构存在较大难度

随着新工科新技术的迅猛发展，边缘学科、交叉学科也在不断涌现，知识成果转化周期明显缩短，创新方法类课程的知识点也在明显增多，内容体系越发变得庞大。对于作为“舶来品”的诸多创新性方法，比如TRIZ、AD、QFD等等，其与新工科类专业知识的结合度往往不够密切，与社会实践的需求也存在明显的脱节现象，亟待选择科学有效的创新方法类课程内容，采取合理手段对创新方法知识体系加以科学重构。与此同时，还需结合新工科类专业知识，实现“中国化”，将新工科、新技术融入到具体的课程内容与教学改革实践之中，不断提高学生解决工程实际问题的水平与能力。

2.2 创新方法类课程的教学手段和方式较为单一

随着现代教学新技术、新方法、新手段的不断发展和完善，创新方法类课程单一的课堂讲授已无法满足新时代青年大学生对知识的高度渴求。特别是在新媒体技术、虚拟现实技术等先进科学技术的高速发展背景下，对教师的讲授方式也就提出了更高的要求。因而，急需在创新方法类课程教学课堂中融入虚拟现实技术，利用其互动性、趣味性等特点，开展启发式、探究式的教学改革新模式。

2.3 创新方法类课程的考核机制与评价体系尤为复杂

创新方法类课程体系庞大、覆盖面广，目前已涵盖智能制造、人工智能、机械电子工程、机械工程、土木工程、城市地下空间工程、矿业工程、安全工程、测绘工程、遥感科学与技术、机械电子工程、机械设计制造及其自动化、车辆工程、管理工程等学科(专业)[14-17]，体现在理学、工学、农学、医学、军事学、管理学等学科门类，专业背景极为广泛[18-21]。课程知识点内容相对较多，采用卷面期末考试和课堂表现的考核方式已经难以全面开展、精准实施，且无法合理、有效地反映教师的授课质量和学生的学习成效，也尚未形成相对健全的考核体系与评价机制[22-25]。因此，需要在创新方法类课程教学的全过程中对学生的学习效果和创新能力进行全面、准确、公平、客观的评价与考核。

3 教学改革的具体实施措施

3.1 基于教研相融的课程内容系统重构

新工科背景下创新方法类课程的知识内容需紧密结合新经济、新产业的更新和发展，全力融合多交叉学科的知识，进而提高其时效性和实效性。新工科背景下的授课教师应不断跟踪行业新技术的革新及发展，实现最前沿科研成果、技术与创新方法类理论核心知识点的有机融合，如质量功能展开(亦称“质量屋”)、仿生学、数字孪生、功能分析建模拓展、超系统资源的获取方式等等，以及利用最新工程案例构建TRIZ发明原理应用资源库，全面引导广大本(专)科生更好地将学习理论知识和解决实际问题相结合，最终达到提升课堂教学质量的效果[26-30]。

创新方法类课程内容在重构过程中，需要对相关知识点进行有效地梳理和升华，尤其对于TRIZ发明原理应用场景的构建、技术冲突和物理冲突的问题提炼，以及发明原理和物理原理案例库等方面，更需开展更为系统的探究。通过本类课程的教学，让授课教师更加清晰地掌握新工科、新产业、新技术的发展方向和关键卡脖子问题，同时对教师研究领域的拓展具有一定的促进作用，实现“教研相长”，基于教研相融的课程内容示意图如图1所示。

图1 基于教研相融的课程内容示意图

3.2 基于虚拟现实技术(VR)的探究式教学方法重构

探究式教学方法是指学生在教师的引导下，积极主动地参与到教学活动的全周期及全过程，从而培养其发现问题、分析问题和解决问题的能力与水平。将虚拟现实技术互动性强、趣味性好等优点融入至创新方法类课程教学全过程之中。课前通过VR云平台进行自主学习，课中需通过VR资源及智慧课堂进行协作学习，课后则通过VR实训平台完成探究学习，形成以VR为载体的课前-课中-课后“全时空”探究式教学组织形式，达到“老师易教、学生易学”的目的，基于“云VR”的全时空探究式教学模式流程图如图2所示。

图2 基于“云VR”的全时空探究式教学模式流程图

基于创新方法类课程的虚拟教学场景是为学生设置与主题紧密相关的一系列教学内容，课前需将相关教学内容全部导入，让学生处于虚拟的现实课堂场景之中，进一步丰富其课前知识，进而为课堂教学做好有效准备。同时，在课件制作过程中融入了VR动态演示方式，表达创新方法类课程中的诸多知识点。学生借助“VR+教学云平台”进入相应的课程模块学习相应的VR教学资源，各阶段的学习活动需要在教师指定的时间内自主完成。教师则采用由VR“黑板”、移动设备、智慧课堂管理系统等组成的VR智慧课堂，形成“以学生为主体、以教师为主导”的教学新机制。严格按照“教师讲授、分组讨论、弹题互动、手机学习、随堂测试”的教学方式组织课堂教学，实现学生自主讨论、沉浸体验、交联互动的课堂教学和协作学习新模式。引入课外实践环节，通过“VR+教学云平台”发布相关实践案例，学生在移动端进行分组讨论并上传Word报告和PPT课件，教师开展在线点评，待收集共性问题后进行课堂探究式授课，学生也可随时利用VR资源进行自主探究式的学习和讨论。

3.3 基于全过程管理的考核方式重构

为了使课堂的教学效果得到充分保证，需要对考核方式进行全面重构。基于全过程管理的创新方法类课程考核方式由课堂输入质量(T)、探究式学习质量(Q)、课堂输出质量(S)和团队参与度(P)组成，前三部分基础分都为30分，后一部分基础分10分，学生互评系数分别为K1、K2、K3、K4，创新方法类课程分数配置如图3所示。

图3 创新方法类课程分数配置图

课堂输入质量由学生课堂表现(T1)和听课质量(T2)组成。学生课堂表现基础分设置为15分，如课堂考勤、课堂规范等；听课质量基础分设置为15分，根据“VR+教学云平台”的参与数据和平台答题质量进行评价。探究式学习质量由学习质量(Q1)和书面报告(Q2)组成。学习质量基础分设置为20分，包括：报告选题、学习内容、小组讨论；书面报告基础分设置为10分，以最终提交书面报告为准。课堂输出质量由课堂报告(S1)和课堂讨论(S2)组成。课堂报告基础分为25分，包括报告质量和答辩质量；课堂讨论基础分设置为5分，根据问题提问的积极性和答题质量计分。团队参与度(P)，设定3人组的基础分设置为15分，2人组的基础分设置为10分，同时，小组自行制定相应分值分配规则，将每位同学基础分值进行分配，但每位同学最多基础分设置不超过10分。

综上可知，每名学生的最终考核成绩由式(1)表示为

(1)

式中：n为班级总人数；i为第i个学生，其取值范围为[1，n]；K1i、K2i、K3i、K4i分别为第i个学生的互评系数，其取值范围为[0，1]。

全过程管理的考核方式是将课堂教学的各个环节进行有效分解，形成有效的教学行为分值考核闭环模型，克服了课堂讲授和期末考试的单一最终成绩考核方式，最大限度地保证学生的参与度和实际的教学质量及效果。

4 结语

文章以培养基础知识扎实、富有创新精神、堪当民族大任的新时代高素质、高水平的创新型、复合型人才为出发点，依据“课程内容-教学方法-考核方式”的教学新模式，重构课程内容、创新教学方法、改进考核方式，解决创新方法类课程内容知识体系选择困难、课堂教学方式尤为单一、考核机制不够健全等关键科学问题，实现了对新工科背景下虚拟现实技术(VR)驱动的创新方法类课程教学改革的深入系统探索，主要体现在以下三个方面。

(1)实现了传统创新思维与现代创新方法之间的有机融合，结合最新科技发展与学生在新工科背景下成才的新需求，有效重构全新的教学内容与课程体系。

(2)在研究手段方面，将虚拟现实技术与数字孪生技术有机融合，结合虚拟教学资源与教师在云计算方面的学术科研成果，科学搭建全时空教学平台，创建全周期学习环境。

(3)将创新方法理论与教学研究实践有机融合，结合人才需求导向与师生在教与学过程中的互动设计，形成科学的评价体系与考核机制，激发学生的潜能，全面提高学生的综合素质，为德智体美劳全面发展创新型人才的开发及培养奠定坚实的基础。