从虚拟现实技术管窥新兴工科人才培养

从虚拟现实技术管窥新兴工科人才培养

赵沁平

摘 要：虚拟现实技术是多学科交叉融合产生的新技术，虚拟现实产业是战略性新兴产业。介绍了虚拟现实技术的发展及应用，探讨了由多学科交叉融合形成的新兴工科的特点，并对新工科人才培养中需要处理好的四个关系做了阐释。

关键词：新工科;虚拟现实;交叉融合;人才培养

一个国家和民族的人才培养需要优化的、充满活力、与时俱进的教育体系和人才培养机制，包括基础教育、本科教育、研究生教育，涉及第一课堂、第二课堂、第三课堂，以及基础课程、专业课程等各个方面。近年来，随着社会对新兴工科人才需求日趋旺盛，新工科建设及其人才培养也引起各级政府和越来越多高校的重视。

虚拟现实是多学科交叉融合形成的新兴技术领域，作为战略性新兴产业的生长点，近年来进入快速发展期。虚拟现实在战略前沿、学科交叉、产教融合等方面的特点，满足新工科的发展理念与共识。下面就从虚拟现实科学技术领域入手，谈一谈对新工科人才培养方面的思考。

一、虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）的目标是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实/构想环境在视、听、触觉等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用，相互影响，可以产生亲临相应真实/构想环境的感受和体验。从实现技术、呈现方式和应用对象的不同，虚拟现实还可细分出增强现实（Augmented Reality， AR）、增强虚拟（Augmented Virtual， AV）和混合现实（Mixed Reality， MR）等。为论述方便起见，本文不做区分，统称其为虚拟现实技术。

虚拟现实是随着计算机技术，特别是高性能计算、计算机图形学和人机自然交互技术的发展，人类在模拟真实世界方向上达到的最新境界。现在云计算、边缘计算、人工智能，还有5G的发展，都将赋能虚拟现实技术，推动虚拟现实技术及其应用的进一步快速发展。

虚拟现实是一项可能的颠覆性技术。它致力于突破2D显示，实现各种机制的三维显示;突破键盘鼠标输入方式，实现手眼行协调的自然交互;突破显示屏幕的物理尺寸限制，实现360度全景显示;突破时空局限，使体验者沉浸在历史、未来、宇观和微观的逼真环境中。

虚拟现实技术的上述颠覆性会对未来产生重大影响，是继个人电脑、智能手机之后的又一新的计算平台，是各行业发展的新的信息支撑平台，是新的媒体形态，是互联网未来的新入口和新环境，可以带来新的发展思维和新的技术路线。未来人类面临的将是现实和虚拟两个世界，或者是虚实混合的新世界。

虚拟现实的概念出现于20世纪60年代，经过几十年的发展，虚拟现实在军事、航空航天、装备制造、智慧城市、医疗、教育等许多行业取得令人瞩目的应用成果，成为行业发展的新的信息技术平台，“VR +”成为发展的趋势。同时，虚拟现实快速进入大众消费领域，如游戏、旅游、电子商务等，具有广阔的应用前景。

构建一个虚拟现实系统大体包括四方面技术：数据获取、分析建模、绘制呈现、传感交互。每一方面又都包含如下领域技术：如芯片与核心器件，包括GPU、PPU、专用芯片、传感器等;硬件设备包括数据采集、头戴显示、裸眼3D、定位跟踪、体感自然交互等设备;软件特别是平台软件与研发工具软件，包括图形引擎、物理引擎、建模、视频图像处理等。由此可见虚拟现实是一个多学科高度交叉融合的科学技术领域。

随着虚拟现实技术和应用的发展，会形成三类VR新型产业。一是行业类VR产业，将会出现大量行业VR应用系统，助推各行业实现升级换代式的发展。二是大众消费类VR产业，形成VR游戏娱乐、VR旅游、VR电商等大众消费的新领域。三是专业化VR产业，如VR芯片与器件产业，显示与交互设备产业，数据、模型和VR服务产业等。虚拟现实技术和产业需求决定了虚拟现实人才培养的内容。

二、一類新兴工科的特点

新兴工科的产生主要有两种渠道。一是从母学科成长分化而来，例如计算机学科产生于电子学科和数学（计算机软件）;二是由多学科交叉融合形成新兴学科，环境科学、虚拟现实、人工智能等学科大致如此。

多学科交叉融合形成的新兴学科主要呈现以下特点：

（1）以新兴技术为核心。新兴技术经过几十年发展，逐步成熟，开始显现应用效果和市场潜力，带来旺盛的人才需求，使得早期以培养硕士、博士为主的科学研究方向，转化为培养较大规模，包括本科、专科在内的多层次人才的新兴学科专业。从人才培养的角度来看，新兴技术一定要成为相应新工科专业的核心知识和核心课程体系，比如虚拟现实的核心就是计算机图形学、自然人机交互等;人工智能则要以启发式搜索、机器推理、机器学习等为核心知识和核心课程体系。

（2）具有“+”的特点。多学科交叉融合形成的新兴学科具有一定的通用性，对人类生活和经济、社会许多行业的发展带来深刻影响，具有“XXX +”的特征。前文已经介绍了“VR+”的相关情况，同时我们还可以看到“智能+”，实际上芯片也有“+”的特征。新兴学科“+”的特点正在有力支撑和快速促进各行各业的发展。这一特点也与人才培养的课程设计有关，因而对新工科专业人才的知识面和复合性提出了要求。

（3）计算技术是支撑。计算技术是这些新兴学科领域的支撑技术，因此一般性计算机知识和软件编程能力应当是这些学科专业人才的基本要求。

（4）技术发展迅速。 新兴技术都处于发展阶段，学科专业的知识更新迭代迅速，要求人才有比较强的学习、创新和适应能力。

以上四方面的特点，对新工科人才培养提出了一定的基本要求。广大教师要充分利用已有的丰富教学经验，发挥第一课堂、第二课堂、第三课堂的育人作用，共同推动人才培养质量提升。

三、需要处理好的几个关系

（1）通识教育和专业教育的关系。改革开放之前本科教育是我国教育的最高层次，各行业的高层次人才，包括高校教师和科技人员基本都是本科毕业生。改革开放之后，我国设立学位制度，增加了硕士和博士两类高层次人才培养，本科教育成为高等教育的基础。本科教育既要向社会输送优秀专业人才，又要向研究生教育输送优质生源，要具有较高的人文素养，新兴工科专业也是如此。因此，不同高校要明确自己新兴工科本科教育的培养目标，把握好通识与专业教育课程的布局、设置和安排。

（2）新兴/交叉学科与母学科的关系。虚拟现实涉及和源自计算机、控制、光学、机械等多个学科。今天的人工智能是早期人工智能、模式识别、智能控制、自然语言处理等多个方向的统称。新兴/交叉学科源自不同的学科，有各自的特点和应用领域，其发展与母学科的发展密切相关。是从母学科分离出来单独设立新的学科，还是依然各自在母学科中由不同学科合作进行科学研究和人才培养，这是值得认真思考的问题。各高校的校情不同，人才培养的模式和机制选择也应有所不同，不宜一刀切。

（3）系统集成与学科交叉的区别和关系。一般装备，大到飞机、舰船，小到手机、VR头戴显示器，都是不同专业产品的集成，涉及集成创新，这不同于学科交叉融合。也有许多产品是不同学科交叉融合创新的结果，创新的重要源泉。因此，新兴工科专业建设和人才培养，需要考虑系统集成与学科交叉的区别和关系。

（4）学科交叉科学研究与交叉学科人才培养的区别和关系。学科交叉研究是不同学科的专家围绕一个共同的对象和目标进行合作研究，交叉学科人才培养是要培养具有不同学科知识的复合型人才。两者都应主要靠机制解决。各高校采取的模式、体制可以是多样化的，都应该追寻各具特色的发展道路。

综上所述，在新工科专业建设与人才培养过程中，要遵循学科发展规律、人才培养规律和办学规律，因校而异，夯基础、重特色，多样化培养高素质高质量新兴工科人才。

[责任编辑：余大品]