虚拟现实技术在新工科建设中的应用研究

滕 菲,李庆华

(长春大学 机械与车辆工程学院，长春 130022)

1 新工科建设的内涵

1.1 新工科建设定义

“新工科”的概念是在2017年《高等工程教育研究》第一期中的《加快发展和建设新工科——主动使用和引领新科技》一文中正式提出的。2017年2月18日，教育部在复旦大学和天津大学召开了关于新工科的高等工程教育发展战略研讨会，形成了标志着我国工程教育即将进行改革的“复旦共识”。2017年4月8日，教育部在天津大学再次召开了关于新工科建设的研讨会，在会上明确了新工科建设和改革的行动路线，即“天大行动”，拉开了全国范围内的以新工科建设为主题的工程教育改革的帷幕[1]。

从全球的新科技革命、新工业革命到新经济发展，工科的发展方向也发生了较大改变，如图1所示，传统的工科教育理念已经不适用于现代的工科教育。教育部将新工科建设的主要研究内容总结为“五个新”，分别为新的教育理念、新的学科专业结构、专业人才培养新模式、新的教学质量和分类的新体系。新工科的理解首先要打破对传统的工科对学科的理解定式。学科是人类根据对客观世界的认知和根据共性特征对知识体系进行的学术划分，所以学科的分类方法由于人类自身的主观性存在一定的局限性。随着经济的发展和科技产业的变革，学科的定义也应该采用与时俱进的标准进行新的划分。新工科重新定义了工科，包括新兴、新型和新生学科。新兴学科是指新出现的学科，主要是因为科技和产业的发展，由此孕育出的新产业和新技术产生的学科。新型学科是指新工科除了新的工科学科，还包括对旧工科学科的转型和升级，包括对其培养目标、培养方式的改革和内涵的扩展，形成新的学科。新生的学科是通过学科之间交叉融合产生的，包括工科和其他学科之间交叉融合，工科之间的交叉融合产生的新学科。

图1 工科发展过程

新工科是把新的内涵注入工科中，让工科能够适应现代的社会和经济发展，新工科代表“工科+”，工科可以和新专业、新理念、新结构、新模式、新技术、新体系等结合在一起形成新的形态。新工科仍然是一个由一系列工科专业构成的系统，系统中的各个专业并不是孤立存在的，而是互相关联的，从而构成了一个整体。人们认识的传统的工科是冶金、动力、材料、采矿、机械制造等，近年来随着经济和科技发展，工科已经逐渐和互联网、信息化、大数据和智能化等结合，已经渐渐地升级了工科的基本属性。

1.2 新工科特征

新工科建设也是从人才需求的角度提出的，培养不同领域的高能力人才。新工科建设是基于工科发展现状和方向，以及新技术、新产业以及传统产业的专业升级转型提出的方法。新工科主要有以下5个特征：引领性、创新性、交融性、实践性和开放性。

引领性是指新工科引领未来工程产业转型和创新发展的方向。新工科建设为其他专业和学科教育改革和发展起到引领的作用，为工业的发展起到支撑的作用。新工科的建设面向科技的发展和改革的方向，并为社会建设和发展提供引领性人才。

创新性是新科技和新产业不断发展的动力。新工科建设要为社会经济发展提供服务，要关注新科技、新技术和新业态的发展方向，因此，新工科建设的培养目标和培养方式都要与时俱进，对传统的教学内容和教学方式要进行创新和改革。

交叉和融合是科技创新的源泉，也是新工科建设的突破点。新工科建设更加注重自然科学、人文艺术、社会科学及其他各学科之间的交叉和融合。

实践性，新工科比传统的工科教育更加注重实践能力的培养。新工科通过更加完善的培养目标和学习系统，让学生经过创新、实践和基于项目的学习，以及产学研等方式与企业合作，让学生能够得到业内经验丰富的专业人士的实际指导，锻炼实践动手能力。

开放性，新工科建设不仅要做到工程教育要对产业界开放和科技社会开放，还要对教学资源开放、对课程建设开放，更要做到对工科教育管理的开放，改革传统的授课方式和考核方式。通过这些开放性的措施增加学生的学习效率、学习兴趣和学习质量。

2 新工科建设总体思路

新工科建设是对工科的重新定义，是对工程教育的一次改革。传统的工科教育的学科结构、人才培养模式、教育方式和考核方式等需要进行改革。新工科建设的总体思路不同于传统工科，新工科建设需要从多方面推动机制创新、思想创新、模式创新，同时注重理论学习和实践。新工科建设的总体思路主要有以下几点。

2.1 打破学科限制，科学合理地重新对专业进行划分

新工科建设要对国家未来的科技和产业发展的方向和需求进行研究和预测，预测国家未来需要的新工科专业，培养相应领域的卓越工程人才。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出超前布局的4个新兴产业，即信息网络领域、核技术领域、空天海洋领域和生物技术领域，这些产业的未来发展正是新工科建设的人才培养方向。随着科技和产业的发展，不断地催生出新的产业和新科技，传统的工科学科定义和专业划分已不能满足需求。新工科对工科的定义，要打破传统工科的定义，突破学科间的界限，注重学科间的融合和交叉。“工科+工科”“工科+理科”和“工科+社科”这三种新专业模式，可以打破学科间的界限，开创新的专业。

2.2 对培养体系进行改革和完善

新工科人才培养体系是工程人才培养的基础，是新工科建设中的重点。新工科的培养体系的建立，应该打破传统的方式，提出多元化、多维度和开放性的工科人才培养方式。培养方式中可以增加新的模块，改革学分管理方法，加入弹性学制，加入创新创业等课程，鼓励学生参加创新创业和实践活动并可获得相应的学分。

2.3 改进教学内容、教学方法和教学方式

随着科技发展，工程上使用的科技和技术都在不断更新，新工科建设的教学内容也要跟上科技发展的步伐，把落后的知识剔除，不断增加新科技和新知识。在新工科建设中，对教学大纲和教学内容进行修订，添加新工艺和新技术等，增加相应的实践环节、课程设计、毕业实践等。随着网络技术和信息技术的发展，移动互联网、虚拟现实、大数据和云计算等新技术的发展，为工程教育提供了新的教学方式。采用这些新技术的教学方式，将信息技术和教学深度融合，可以丰富教学方法，提高学生学习兴趣，增加教学深度，提高教学质量。

2.4 加强校企合作构建工程教育平台

校企合作能够为学生提供更多实践机会，提升创新实践能力。新工科建设需要注重对人才的创新实践能力的培养，校企合作建设联合实训基地和联合实验室，把专业课程知识转化成具体的项目案例和工程项目，让学生能够把理论知识应用到实践中。合作的企业应该是与新工科专业相关且具备产业特征的单位，合作的企业教学内容也要具有前沿性，让学生能够了解产业现状和未来发展方向。校企合作可以让学生接触企业先进的设备、工艺和技术，以及企业的管理规范，了解企业的人才需求，让学生能够认识到自己的不足并去主动学习企业所需的知识。校企合作能够实现资源共享、优势互补、互惠互赢，不断提高学生的实践和创新能力。

2.5 注重实践和创新创业能力培养

传统的工科教育注重理论教育，对实践能力培养较弱。新工科建设更注重学生实践的能力，激发学生自己实践的兴趣。实训基地、实验室和校企合作等方式，都是为了给学生提供实践的机会。新工科更注重学生的教学实验、实习实训、科学实践和工程实践，完善实践教学体系可以有效提高学生对知识的转化，提高学习质量。新工科建设应为学生提供高品质的创新创业平台，以高品质实践平台对学生的创业进行孵化[2]。

2.6 加强教师队伍建设

近年来，全国范围内的高校教师数量在迅速增长，很多年轻的博士毕业后直接走上大学讲台，缺少实际的企业从事工程的经历，很多教师迫于学术压力，进行科学研究，但研究和企业实际应用脱节。新工科建设对高校教师提出了更高的要求，教师应具有较强的工程实践能力，很多学校采用企事业单位锻炼等形式为教师提供工程实践机会。同时以实践为主题，通过科研院所、企业等，加强对双师型教师队伍的建设。高校要引入制造业紧缺人才和领军人才，推行高校教师双师型教师计划，增加教师的现场工程经验。

3 虚拟现实技术

虚拟现实技术(Virtual Reality Technique，简称VR)，是20世纪由美国兴起的一门新的综合性技术，它以计算机技术为核心，将计算机仿真技术、计算机图形学、人工智能、网络并行技术、多媒体技术和传感技术融合在一起。VR技术通过计算机技术能够创建一个三维动态视景虚拟环境，用户进入该空间时，有一种身临其境的感觉，用户可通过传感头盔、数据笔和数据手套等数据传感设备，与虚拟环境进行交互，实时操作虚拟环境中的对象，并可感受其操作引起的变化。这种技术目前已广泛应用在工业、农业、教育、建筑、商业、军事、医学和娱乐等领域。在工业领域中可以采用虚拟现实技术对工业模型进行静态和动态性能分析，优化模型设计，可以减少实体样机制作，降低产品研发成本，提高产品质量和性能。波音777飞机设计就是采用了虚拟现实技术进行研发的著名实例。目前,清华大学、浙江大学、华中科技大学和北京航空航天大学都在虚拟工业样机制作领域有很多的研究成果。

4 虚拟现实技术在新工科建设中的应用

虚拟现实技术在教育领域已得到很多应用，虚拟现实技术改变了传统的授课方式，教学不再局限于教室，教学内容和教学方式可以突破时间和空间的限制。新工科建设中，对教学内容和方式都提出了更高的要求，虚拟现实技术在工科教学中也已有大量的应用，主要应用在课堂教学、虚拟实验室、科学研究，同时在创新创业、产学研和创设新专业等方面也有所应用。虚拟现实技术可以对教师上课遇到的问题以及学生学习过程中提出的各种模型和实验等进行虚拟操作，让学生更直观地学习。实验教学不仅是理论联系实际的重要环节，更是培养学生动手解决实际问题、自我学习、培养创新精神和创造力的重要途径，而虚拟实验教学则为此种能力的培养提供了强有力的保障[3]。

工科理论课程通常比较抽象，采用传统的教学方式比较枯燥,导致学生缺乏学习兴趣，并且难以理解原理，采用虚拟现实技术可以把抽象的理论教学转化得更加直观且感性。例如,《机械制图》课程是机械类必修专业基础课，需要培养学生的空间思维能力，而这种空间思维能力只用语言很难准确表达，尤其对于空间感较差的学生，很难把平面图想象成三维立体形状[4]。采用虚拟现实技术可以使用增强现实教学方案，引入大量3D模型，当老师为学生讲解平面图形时，可用手机或者平板的摄像头，对平面图形进行扫描，虚拟现实软件通过识别平面图形能够匹配相应的3D模型，并将模型呈现在屏幕上。学生可对模型进行旋转、缩放等操作，如图2所示。这种新颖的教学方式，不仅有助于学生理解理论知识，还能激发学生的学习兴趣。工科的很多专业课程也可以采用这种类似的方式辅助课堂教学。例如分析化学课程，教师在课堂讲解理论知识时，学生会因为缺乏感观上的认知会影响学习效果。课堂上采用虚拟实验可以解决这一问题，并且有些实验反应速度慢、反应时间长，采用虚拟实验都可以解决这类问题，可以让学生及时看到反应结果，增加了学生学习兴趣，便于学生理解和记忆，提高了教学效果。

图2 平面图形转换3D模型

传统的工科实验教学受到设备和场地的限制，随着科学技术发展，实验设备需要不断更新，由于经费和场地限制，实验室设备更新比较缓慢。由于有些工科课程有拆装实习，如汽车类课程有发动机的拆装实验等，实验设备难免会有磨损、损坏等情况。有些实验还具有一定的危险性，不能进行演示和操作。虚拟现实技术能解决以上这些传统实验教学中的问题。采用虚拟现实技术可以建立虚拟仿真实验室，可以不受场地、设备和仪器数量限制等，同时虚拟实验易于扩展，能够增加实验教学的深度和广度。如图3所示，采用虚拟现实实验不仅能实现学生单人交互虚拟实验，也可以进行多人协作、多人协同的多视角虚拟实验，如图4所示。

图3 发动机虚拟拆装

图4 多人协作汽车拆装实验

由于有些实验项目设备过于昂贵，所以很多实验不能操作和演示。例如核磁共振技术由于具有准确、迅速、不破坏样品、分辨率高等优点，现已成为药物分析鉴定、反应机理追踪、有机合成物、蛋白质结构解析的重要技术手段，在教学及科研领域得到了广泛的应用。在教学中，由于核磁共振仪器价格昂贵且数量有限，导致学生实际动手机会少，直接影响了学生科研能力的培养。采用虚拟现实技术可以虚拟3D实验场景，点击虚拟场景中的核磁共振分析设备可查看设备信息，360°近距离和远距离查看实验设备，还可以对设备内部结构通过切割和透视方式查看，并对设备的分支部件进行查看。虚拟实验系统还可以对化合物进行测定，学生可以根据实验提示，对实验进行自主操作，以此熟悉实验操作步骤，如图5所示。

图5 核磁共振分析仪器仿真实验

在现实课堂和实验中，难以进行的演示和操作，都可以采用虚拟现实技术进行虚拟实验学习，为学生提供更加生动的感性学习材料，方便学生把抽象的理论和概念形象化、直观化，方便学生理解，提高学生学习兴趣，又可以克服传统教学中的种种限制。

5 结论

工程教育与国家的产业发展密切相连，新工科建设是一个长期的探索过程。新工科建设是对传统工科教学的改革，新工科建设比传统工程教育更注重新技术和新知识的学习，也更注重知识的应用和学生的实践、创新能力培养。在实际教学中，由于场地、设备、资金和安全的限制，有些实验和操作等不能进行演示和操作，而虚拟现实技术可以解决这些困难。虚拟现实技术把枯燥的理论知识转化成感性的认知，更好地提高了教学质量。运用虚拟现实技术降低了学生的实验练习成本，交互式的操作模式促进了老师与学生的教学互动，强化学生对实验操作流程的记忆，有利于改善教学效果。在新工科建设的道路上，虚拟现实技术将会有更多的应用。