虚拟现实技术视域下新型人才培养实验教学体系的思考与实践

摘要：本文在分析新时代需要的新型人才特点的基础上，提出适应新型人才特点的V-形培养模式，结合互联网、虚拟现实、扩展现实等元宇宙相关技术，探索实验教学环境中虚拟与现实的有机融合。通过将V-形培养模式应用于苏州大学计算机学院专业课程，显著提高学生的创新能力，为学生的全面发展奠定基础。

关键词：新型人才；虚拟现实；实验教学体系

引言

高等教育作为创新型国家建设的主体，承担着创新人才培养的重大使命[1]。新的时代赋予高等教育新的任务：首先，教育的导向要从培养规模化、标准化的人才向培养“应用创新”“集成创新”的人才转变，从培养同质人才向培养“个性自由”“独立发展”的人才转变；其次，经济社会的发展依靠国家科技实力的支撑，而发展科技实力的关键在于自主创新，教育的改革目标是要培养“自主创新”“原始创新”的人才；最后，世界强国首先是高教强国，发达国家走向高等教育强国在很大程度上得益于教育理念的创新[2]，培养“理念创新”的人才，才能从根本上使高等教育走向新的高度。因此，新的时代需要拥有以下特征的新型人才：具有适应现代科技发展的综合性应用创新能力；具有开拓精神独立思维的原始创新能力；具有广博精深的开放性跨界运用能力。

1. 建设思路

传统的实验教学多为演示性和验证性的实验，偏重告诉学生“怎么做”，欠缺能激发学生积极主动地探索学习、求异创新的能力，显然与培养新型人才的目标相悖[3]。因此，要培养新时代的新型人才，首先必须对实验教学的过程进行梳理和重构，建立一个“以学生为中心”“以问题为中心”的新的能力培养实验教学体系[4]，推动学生独立思考及个性发展，启发他们从“怎么做”过渡到“做什么”。传统的实验课程分为课内、课外两部分，而新型人才培养实验教学体系将实验的硬件设备抽离出来搬到网上，将实验过程重新划分、整合，构建一个虚拟现实的实验教学环境，学生可以随时随地利用最新的设备和技术、先进的实践和体验环境完成他们的创新想法[5-6]。

新型人才培养实验教学体系对新型人才培养机制进行全面规划，划分为“应用创新”“原始创新”“理念创新”三个具有递进关系的层面，每个层面都为上一个层面提供技术支撑，同时又为下一个层面提供动力，形成一个V形的结构，如图1所示。

V-形新型人才培养模式进行了全面的规划，明确了每个层面的内涵、多样的项目形式和详细的功能，如表1所示。

具体来说：（1）在应用创新层面，以IT资源为核心，系统按需求随机构建，应用形态按需求可多样变化，突出应用创新，以基本的组合和IT资源的域内应用为主，为不同领域的不同应用提供方案和实现路径。在这个层面上，横向通过交互作用使IT资源服务于域内的应用创新，纵向为上层的“原始创新”提供支撑，满足来自原始创新层面的各种新需求。（2）在原始创新层面，以对象为核心，以构建独特对象模型和新颖的运行机制机理为主，重构与再造域内资源，为新的业务模型、运作机理提供虚拟仿真和体验服务。在这个层面，横向通过交互作用实现域内资源的重构与再造、实现机制创新和模式创新，纵向为更高层的“理念创新”提供支撑。（3）在理念创新层面，以概念为核心，以多元文化碰撞和不同领域融合为主，为各种领域的交互、碰撞、融合提供平台，为理解和深化提供空间，突出“理念创新”。在这个层面，横向通过交互作用实现域间资源的交融、实现智能创新和创意呈现，纵向依托社会进步为原始创新提供动力。

虚拟现实的实验教学体系和V-形新型人才培养模式，从理念上根本改变了传统的实验教学模式，从满足新时代新型人才培养的需求出发，有分有合，层次递进，为各专业、各层次的学生提供了跨门类、跨学科的创新实验教学新模式。

2. 实验教学体系构建

2.1 架构

理念的落实依靠新手段的支撑，根据教学体系建设目标，规划构建一个部署在云平台上的虚拟与现实融合的新型人才培养实验教学体系[7]，其架构如图2所示。

在规划和具体实践上，把该实验教学体系划分为平台层、中间支撑层、应用层三个部分。

（1）平台层：借鉴云平台的资源虚拟化方法，建设了一个线上实验资源平台，将所有的实验硬件设备和资源虚拟化，对硬件实验资源进行重构，建设一个标准化、规范化的实验资源池，实验资源可以通过资源池实现跨平台共享，学生可根据自己的实际需要申请使用。

（2）中间支撑层：该层又分为应用创新平台、原始创新平台、概念创新平台三个部分，对应上节提到的三个层面的人才培养需求。该层位于平台层和应用层之间，包含用到的各种组件和集成的各种接口，提供支持信息访问、传递、协作的集成化环境。

（3）应用层：由虚实结合的线上实验系统、真实场景的线下体验系统、实验数据存储三个部分组成。学生提出实验资源分配请求后，资源请求处理通过动态资源分配算法由资源配置控制系统分配相应实验资源[8-9]。同时，线下体验系统提供真实环境，学生可以随时把线上完成的实验转换到线下进行体验、研究和改进。

2.2 实现流程

基于虚实结合的线上实验系统和真实场景的线下体验系统的新型人才培养模式，因人而异、因“材”施教，培养激发了学生的创新性、主动性和创造性，通过虚拟与现实的融合，形成了专业能力、创新能力和综合素质一体化的全面培养的实验教学新模式。

（1）应用创新阶段以提供平台、资源为主，线上集成了所有的实验资源和设备，学生可以根据自己的需要选取实验设备。此阶段既可以让学生完成规定的验证性实验，更能满足学生应用创新的想法，提供给学生创造和创新的平台。此阶段的实现流程如图3所示。

（2）原始创新层面提供多种工具和环境，学生可以利用线上的工具为自己线下的想法提供支撑。在线上实验过程中，学生如果发现自己的想法存在问题或者与预计的实验结果存在偏差，可以在线下重新思考、优化自己的方案，然后回到线上调整实验资源配备，再到线下进行体验，如此循环往复，激励学生在应用创新的基础上，不断深入研究、改进已有的方案。

（3）概念创新层面随着应用的不断深入，从IT领域出发，服务于更多领域，实现“互联网+”实验，线上发现问题、线下改进方案，线上重构和线下形成新的创新灵感，不断交替进行。

2.3 虚实结合的线上内容体系

与云计算中资源虚拟化方法相似，线上内容体系先部署了一个云平台，然后将实验课程所需要的硬件资源池化后，部署在这个云平台上，形成实验课程的资源池，利用动态资源分配算法对实验课程资源池的硬件设备进行资源配置，并通过网络发布给学生，这种方式使得实验课程资源池具备与云资源池同样的伸缩性。

按照类别将课程实验资源进行分类，接入实验课程资源池，成为线上资源，实现线下资源的线上转化。接入的总体结构如图4所示。

在云计算技术中的资源池化技术基础上提出了一个虚拟现实的课程实验资源池化的方法，如图5所示。

将N路非标准电信号输入至输入模块，通过其内置的非标准转换电路进行采样、量化及编码处理，进而转换成标准电压信号。随后，控制模块内的可编程GPU并行处理器会根据输入模块预定义的编码指令，通过调整电平的高低来控制继电器阵列中各节点的开关状态。最后，将经过处理的信号通过总线槽顺利输出。

在对实验资源进行池化后，我们给学生提供了一个基于真实设备的真实实验环境。此外，我们借鉴云资源虚拟化的方法，将资源重新整合、池化，再通过网络提供给学生，实现实验资源的互通共享，因此这个实验平台又是“虚拟的”。另外，我们在平台上还整合了大量学习视频，并提供小组讨论、学习社区、在线协助等多种形式的学习方式，最大限度地提高实验效果。

2.4 真实场景的线下体验系统

我们在构建了虚实结合的线上内容体系以后，采用物联网、虚拟现实、大数据分析等多种相关技术搭建一个线下体验平台，提供一个验证的环境，让学生对实验过程和结果有真切的体验。同时，线下还提供先进技术和设备的展示、体验空间，让学生及时了解最新的前沿技术，可以开阔学生的思路，为学生提供新的创意空间。

虚实结合的线上实验给学生提供了理想的实验环境，但是这样的环境可能无法使学生遇到一些常见的故障和问题。例如，在嵌入式的组网实验中，学生通过完成网上的实验已经基本了解组网的基本过程和步骤，并组网成功。然而在线下体验环节，在按步骤对所有设备进行组装和配置后，却发现网络无法联通，经过再三确认和排查，才发现问题是缺乏天线导致。

平台提供多种实验环境让学生对其设计的作品进行测试。例如，有一位学生设计了一种可以遥控的扫地机器人，需要一个场景满足这个机器人在扫地过程中遇到的一切可能情况（清扫模式、路线规划、安全监控、功能识别等），以及对扫地效果的测试。

线下体验平台还提供了一个可视化的实验室，用虚拟现实进行行人拥挤的模拟展示，用身临其境的虚拟环境展示了环境和人员密集处人群行为的现实，高性能的模拟和高效的渲染帧速率技术。

3. 新型人才培养实验教学体系的实践

苏州大学秉承以学生为核心的理念，遵循兴趣与专业相融合、激发学生主动思考与创新能力培养的原则，在计算机学院专业课程积极探索实施了综合设计实验与特色创新实验。在新的实验模式中，苏州大学将实验设备通过池化方法全部放到网上，如图6所示。

该实验平台由四大组件构成：首先是移动开发终端，这是一种嵌入式实验资源；其次是移动网络，为实验课程提供了网络支持；再次是移动网络池化装置，将移动开发终端与移动网络资源整合至一个资源池中，实现统一管理、调配与控制；最后是可伸缩的云开发平台，该平台集成了实验所需的所有软、硬件资源。

此外，该实验平台还提供了一个针对移动网络业务而设计的软件开发与测试环境，在完成实验的同时，学生可以在这个真实的场景中拥有真实的体验。

结语

强化综合性、设计性和创新性实验项目，秉持以学生为核心，促进知识传授、能力培养与素质提升协调并进的教育理念，是当代教育改革与发展的必然趋势。未来阶段，教育工作者需在现有基础上持续探索并研究新型人才培养实验教学体系在其他课程中的改革潜力，同时，将服务平台的使用对象从本科生、研究生拓展至更多学生群体乃至社会人士。此外，平台的应用范围也应从PC端向移动端延伸，从广度和深度上全面深化实践综合设计与特色创新实验教学模式[10]，以充分发挥其在新型人才培养中的关键作用。

参考文献：

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