计算机类研究生的VR实践创新能力提升研究

韩慧妍，况立群，熊风光，张元，杨晓文

(中北大学大数据学院国家级计算机及应用虚拟仿真实验教学中心，山西 太原 030051)

在新工科建设背景下，教育部提出要培养硕士综合运用所学知识发现问题、分析问题和解决问题的能力，与本科生相比，研究生更注重的是培养其实践创新能力[1]。因此，研究生开设的所有课程都应该以培养学生实践创新能力为导向，进行课程体系的设计，为达成毕业要求打下扎实基础[2]。

虚拟现实(VR)是20世纪发展起来的一项全新的实用技术，已经成为产业界、学术界乃至我国政府重点布局的一个热点领域，广泛应用在生活的方方面面，国内许多高校的计算机类硕士都开设了VR技术课程，该课程具有概念抽象、内容广泛、知识点多、实践性强的特点[3]。传统的教学方法课程目标设置不合理、讲授领域没有侧重，评价则采用期末小论文“一锤定音”制，无法考查学生对课程基础知识的掌握程度、应用于工程实践的能力和创新思维素养。基于此，课程团队老师进行了课程教改，根据毕业要求重新凝练了课程目标，基于课程目标进行了教学设计，采用多元模式进行评价，最终达成了课程目标。

1 课程目标

(1)知识目标：掌握VR的构成要素、特点、建模、渲染等基础知识，熟练掌握VR引擎Unity3d软件的使用方法，能熟练使用全景图像、全景视频软件进行VR内容的制作，具备从事VR相关专业工作所需的专业知识。

(2)能力目标：能够使用Unity3d完成天空、地形、树木等的制作，能够将各类VR内容集成，使用外设进行交互，具备应用VR基础知识分析、解决复杂VR工程问题的能力。

(3)素养目标：能够以小组的形式进行综合性项目设计，培养实践创新思维能力及团队协作的素养。

2 教学设计

本课程存在以下三大教学痛点：

(1)课程目标与本科生相同，跟不上“知识、能力、素养”三位一体毕业要求的步伐。

(2)课程知识点多、杂、分散、抽象，实践性强，目前的教学资源和手段难以解决。

(3)评价模式过于单一，无法体现本课程的实践特色。

本文围绕课程目标，针对以上教学痛点，提出教学设计思路：(1)思政融入教学。(2)课程内容优化。(3)教学模式创新。(4)评价手段多元。

2.1 思政融入教学

本文从课程不同知识点出发，将思政元素融入课堂，培养学生爱专业、爱党、爱国精神，提升其团队协作意识，推动思政立体化育人[4]，如表1所示。

表1 VR技术课程教学内容与思政对照关系

2.2 课程内容优化

VR体系结构如图1所示，包括硬件、软件、人机接口以及VR内容。VR从内容主体而言属于计算机科学领域内的技术[5]，因此选择与计算机相关的核心教学内容，简述光学、声学和心理学领域的理论。中北大学计算机类学生没有硬件开发基础，因此在讲授技术理论时偏软不偏硬，对于VR硬件设备，只需要学会如何使用并在此基础上做软件开发。当前VR行业缺乏内容，因此将工程实践重点设置为VR内容开发的三大技术(基于三维图形技术、基于图像建模和基于三维引擎)。从三大课程目标出发，突出计算机专业特点，按照强应用、重能力、强创新的原则优化重构教学内容，涵盖四大教学模块，如图2所示。

图1 VR体系结构

图2 基于课程目标重构教学内容

2.3 教学模式创新

本课程采用对分课堂教学模式，提高学生的参与度，增强其多方面能力。

(1)讲授阶段：教师对课程内容进行提纲挈领的讲授，对课程重点和难点给出必要的提示，通过学院大屏、环幕等各类VR设备形象具体地展示各类2D、3D形式的VR内容，引导学生辨认其开发技术。

(2)独立学习阶段：查找相关国内外文献，撰写关于VR前沿技术的小论文；寻找自己研究课题与VR的结合点，做成可以展示和讲解的PPT，提升学生从事科研工作的能力、逻辑思维能力和对基础知识的理解能力。

(3)小组项目设计环节：分组进行综合项目设计，编程语言不限，内容要求涵盖VR的全部体系结构，借助VR设备进行交互，将知识传授、能力培养和素养提升融为一体。

(4)全班交流环节：每个同学展示、讲解其PPT。每个小组演示其项目，并进行适当的交互，其余同学及老师提出疑问，小组成员进行回答，通过答辩的方式提升学生语言表达能力和高阶思维能力，培养其挑战自我、集体意识、科学求真的素养。

基于以上教学模式，达到理论与实践闭环、学习与研究闭环。

(1)理论与实践闭环

本课程通过VR设备展示、经典案例导引、关键技术突破、小组成员合作、全班经验分享的方式，达到理论与实践闭环，提升学习兴趣、锻炼批判思维能力、激励实践创新能力。

(2)学习与研究闭环

通过课程学习、专业实践、科研训练、学术交流相结合的方式，达到学习与研究闭环，从而将其培养成为从事科学研究、管理或独立担负专门技术工作能力的高级专门人才。

2.4 评价手段多元

本课程采用全过程多元评价模式，总成绩=小论文(20%)+PPT展示答辩(30%)+综合项目演示答辩(50%)，其中小论文由老师根据其撰写的新颖性、概括性和全面性进行综合评价，PPT、综合项目成绩由自我评价(15%)、同学评价(15%)和教师评价(70%)构成。各考核方式对课程目标达成的权重占比分配见表2，各考核环节对各课程目标的覆盖率见表3，由Ai和A计算分、总课程目标的达成度。

表2 各考核方式对教学目标达成评价的权重占比分配

表3 第k个考核环节对课程目标的覆盖率分配

第i个课程目标的达成度Ai，基于各考核环节k的贡献加权求和，即Ai=∑(Gik×Wik)。其中：Gik表示第k种考核方式支撑第i个课程目标的达成度。Bi表示第i个课程目标所对应的试题分数总和。多个课程目标再根据比例加权求和，就得到课程的目标达成度A(A=∑(Ai×Pi))，其值大于等于0.60表示目标达成。

3 目标达成评价效果及后期改进

本文采用定量和定性评价分析课程目标的达成情况，定量评价基于课程目标，定性评价基于学生问卷调查及学院硕导评教结果。两种评价都进行归一化操作，如果二者都大于0.6，说明目标已达成；反之，目标未达成。

3.1 定量评价

课程的各项评价指标的统计数据如表4所示。分、总课程目标达成度如表5所示，二者均大于0.6，说明已经达到了本课程的教学目标，分组综合项目设计结果如图3所示，包括校园漫游、虚拟演练、管件识别、手势识别、瞳孔识别、人脸识别等。

表4 各个环节对分课程目标达成度情况

图3 部分项目设计成果

3.2 定性评价

学期末对35个学生进行满意度调查，包括课堂讲授、参与式教学、理论与实践结合、教学方法共四个指标点。达成度包括不满意、一般、比较满意、很满意、不适用五个等级，统计结果如表6所示，显示学生的满意度较高。从硕导评教结果来看，其评价也比较高。但两类评价中还存在“比较满意”的选项，说明教学仍然需要改进。

3.3 后期改进

本课程教改虽然取得了一些成绩，但仍发现一些问题，可以作为后期课程体系建设、教学过程和考核分析的指导意见。具体包括：

(1)课程内容与时俱进，淘汰过时的内容，加深课程内容和实际问题的结合，进一步培养学生分析问题、解决问题的能力。

(2)教学过程中能够将已购置Hololens、大疆无人机、Kinect、Leapmotion、三维手持扫描仪、3D环幕等VR设备利用起来，使分散、抽象的理论知识具体化、视觉化和实践化。

表5 课程目标达成度

表6 学生评教满意度调查结果

纵观VR技术教学过程，本文首次尝试对分课堂模式，经过一轮完整教学实践，说明本课程教改效果较好。在今后的教学过程中，将继续深化对分课堂模式，紧跟VR技术的发展步伐，深挖思政元素，根据毕业要求凝练课程目标，进一步提升学生实践创新能力，为将其培养为从事计算机研究与应用开发的高级专门人才奠定坚实的基础。