陳曉兵 于坤 肖紹章 高麗 呂如夢(mèng)

摘要：為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，作者以基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)和工程知識(shí)構(gòu)建創(chuàng)新知識(shí)鏈，以學(xué)習(xí)興趣、系統(tǒng)思維和創(chuàng)新實(shí)踐構(gòu)建創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)鏈，通過(guò)知識(shí)鏈對(duì)接驅(qū)動(dòng)鏈接，構(gòu)建了“雙鏈對(duì)接”的三層能力培養(yǎng)模型，并在不同層次上，采用不同的對(duì)接過(guò)程和學(xué)習(xí)方法，以虛擬仿真技術(shù)建立實(shí)踐內(nèi)容體系，利用云計(jì)算模式構(gòu)建創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。實(shí)踐證明，本文所構(gòu)建的路徑能夠有效地提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力;培養(yǎng)模型;實(shí)踐云平臺(tái);虛擬仿真技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.0? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）05-0104-04

《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》（教高〔2018〕2號(hào)）明確指出，要推動(dòng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育緊密結(jié)合，深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程體系、教學(xué)方法、實(shí)踐訓(xùn)練等關(guān)鍵領(lǐng)域改革。創(chuàng)新能力是指運(yùn)用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題、新事物，提出新辦法、新觀點(diǎn)，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐解決新問(wèn)題、創(chuàng)造新事物的能力。[1-2]高等學(xué)校的根本任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的專業(yè)應(yīng)用人才，因此在人才培養(yǎng)過(guò)程中應(yīng)融入創(chuàng)新教育內(nèi)容，通過(guò)分析問(wèn)題、構(gòu)建思路、實(shí)施運(yùn)作、驗(yàn)證方案、反饋修改的螺旋式思維訓(xùn)練，將創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)與專業(yè)實(shí)踐教學(xué)有機(jī)融合、有效銜接。[3-5]

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用到教育活動(dòng)中，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效率，豐富了教學(xué)手段。[6]將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到創(chuàng)新實(shí)踐教育中，有助于大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。創(chuàng)新能力培養(yǎng)涉及創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式、課程體系和學(xué)習(xí)方法等方面[7-9]，因此，筆者所在學(xué)校的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練過(guò)程中，把創(chuàng)新教育融入專業(yè)教育，以創(chuàng)新知識(shí)鏈對(duì)接創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)鏈，圍繞能力培養(yǎng)模型、內(nèi)容體系、平臺(tái)建設(shè)等方面開(kāi)展了創(chuàng)新能力培養(yǎng)路徑的研究。

● 創(chuàng)新能力培養(yǎng)模型

1.模型結(jié)構(gòu)

要進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，既要具備創(chuàng)新所需要的知識(shí)，又要對(duì)解決的問(wèn)題有興趣，具備系統(tǒng)思維能力，同時(shí)還要進(jìn)行一定的創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練。筆者將創(chuàng)新能力的形成因素分為創(chuàng)新知識(shí)鏈和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)鏈兩類。創(chuàng)新知識(shí)鏈包括開(kāi)展創(chuàng)新活動(dòng)應(yīng)具備的基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)和解決復(fù)雜問(wèn)題的工程知識(shí);創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)鏈因素是指創(chuàng)新活動(dòng)所需要的內(nèi)在元素，包括學(xué)習(xí)興趣、系統(tǒng)思維和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。

以創(chuàng)新知識(shí)鏈對(duì)接驅(qū)動(dòng)鏈，通過(guò)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)掌握專業(yè)知識(shí)培養(yǎng)系統(tǒng)思維能力，通過(guò)解決復(fù)雜工程問(wèn)題開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。在對(duì)接過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)構(gòu)建創(chuàng)新實(shí)踐內(nèi)容體系，其中包括實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、各級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、教師科研項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)課題等形式。

筆者通過(guò)分層實(shí)施，將創(chuàng)新能力培養(yǎng)分為“基礎(chǔ)興趣—專業(yè)思維—工程創(chuàng)新”三個(gè)層次，構(gòu)建“雙鏈對(duì)接”的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模型，如圖1所示，以期實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新知識(shí)鏈和驅(qū)動(dòng)鏈的對(duì)接。

2.模型層次

（1）“基礎(chǔ)—興趣”層

主要面向一年級(jí)的學(xué)生，以三維建模、模擬仿真技術(shù)為主線，通過(guò)基礎(chǔ)知識(shí)和基本工具的學(xué)習(xí)，引入數(shù)字城市建模仿真應(yīng)用場(chǎng)景，拓展專業(yè)新技術(shù)視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?；趯W(xué)生興趣和特長(zhǎng)，采用線上、線下混合式教學(xué)方法，在教師引導(dǎo)和指導(dǎo)下選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

該層次學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、Unity3D基礎(chǔ)、3DMax基礎(chǔ)、WebGL基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)、三維激光掃描設(shè)備使用方法、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的初步處理方法。開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括三維激光測(cè)量建模、Kinect三維重建、全景VR攝像漫游、點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模、三維模型渲染、Unity制作動(dòng)畫(huà)等。

（2）“專業(yè)—思維”層

主要面向二、三年級(jí)學(xué)生，以虛擬現(xiàn)實(shí)交互式開(kāi)發(fā)為技術(shù)主線，通過(guò)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的編程工具，培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)編程方法和編程環(huán)境，進(jìn)行相關(guān)算法學(xué)習(xí)。引入數(shù)字城市場(chǎng)景、軌道交通交互漫游應(yīng)用背景，以大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目為載體，鼓勵(lì)學(xué)生早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)施問(wèn)題導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生分析、思考能力，訓(xùn)練學(xué)生系統(tǒng)思維。

該層次學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括3DMax高級(jí)應(yīng)用、Unity3D應(yīng)用開(kāi)發(fā)、C#/C++程序設(shè)計(jì)、人機(jī)交互開(kāi)發(fā)（Leap Motion）。開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有城市場(chǎng)景三維漫游、軌道交通HTC Vive交互開(kāi)發(fā)、城市場(chǎng)景Leap Motion交互開(kāi)發(fā)。

（3）“工程—實(shí)踐”層

主要面向四年級(jí)學(xué)生，以工程應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為主線，針對(duì)工程項(xiàng)目中的實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)綜合分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案、融入創(chuàng)新思維，解決工程項(xiàng)目中的實(shí)際問(wèn)題。引入智能輔助駕駛、個(gè)性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、智能制造等工程項(xiàng)目，教師提供開(kāi)源學(xué)習(xí)代碼和環(huán)境，學(xué)生以個(gè)人獨(dú)立研究、小組合作研究、個(gè)人研究與集體討論相結(jié)合的形式開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練，推行以“學(xué)生為中心”的探究式學(xué)習(xí)。

該層次學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括圖像處理、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫(kù)、OpenCV應(yīng)用開(kāi)發(fā)、Java Web應(yīng)用開(kāi)發(fā)、WebGL/WebCAD應(yīng)用開(kāi)發(fā)。開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有AR交通標(biāo)志識(shí)別、三維產(chǎn)品展示、參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)等。

● 創(chuàng)新實(shí)踐云平臺(tái)架構(gòu)

1.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)

創(chuàng)新能力培養(yǎng)需要結(jié)合專業(yè)課程建設(shè)和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)。[10-11]在創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練中要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室就有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)和了解使用最新技術(shù)、接觸最先進(jìn)的設(shè)備，讓師生充分利用、共享各類實(shí)驗(yàn)資源和工具，提高實(shí)驗(yàn)室資源利用效率。[12-13]

筆者以虛擬仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為主線，以創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目為載體，建設(shè)服務(wù)于不同模型層次的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?；谝延械脑O(shè)備，建設(shè)、集成了Kinect三維建模系統(tǒng)、VR全景攝像系統(tǒng)、3D投影融合系統(tǒng)、3D投影環(huán)幕系統(tǒng)、音視頻采集系統(tǒng)、HTC頭顯系統(tǒng)、3D打印系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)飛控等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、工程實(shí)踐問(wèn)題、畢業(yè)設(shè)計(jì)課題等創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目187項(xiàng)，建立了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室工位80個(gè)。

2.實(shí)踐云平臺(tái)構(gòu)建

目前，AR/VR設(shè)備運(yùn)算處理能力不足以完全支撐“擬真”的運(yùn)算量。[14-15]計(jì)科與技術(shù)專業(yè)在現(xiàn)有的云計(jì)算中心基礎(chǔ)上，運(yùn)用虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、圖形圖像處理、數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件開(kāi)發(fā)等技術(shù)，搭建創(chuàng)新實(shí)踐云平臺(tái)，采用云計(jì)算模式進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形處理，降低對(duì)實(shí)驗(yàn)端設(shè)備的性能配置需求，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真、體驗(yàn)、應(yīng)用和多人遠(yuǎn)程交互共享，大幅降低使用成本，提升學(xué)習(xí)者體驗(yàn)。創(chuàng)新實(shí)踐云平臺(tái)構(gòu)建按照實(shí)踐教學(xué)服務(wù)的多層次（IaaS、PaaS和SaaS）類型進(jìn)行資源的按需劃分和規(guī)劃，充分利用已有的教學(xué)實(shí)踐條件和資源。

筆者建設(shè)的創(chuàng)新實(shí)踐云平臺(tái)擁有100T的存儲(chǔ)容量，配備了高性能的GPU，設(shè)置了多用戶運(yùn)行環(huán)境，完成了IaaS、PaaS、SaaS層實(shí)踐教學(xué)服務(wù)的部署和配置：IaaS層包括虛擬化存儲(chǔ)設(shè)備、云桌面網(wǎng)關(guān)、云桌面應(yīng)用設(shè)備等;PaaS層包括云計(jì)算資源包、虛擬化資源包、云計(jì)算實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)工具集;SaaS層包括三個(gè)能力層次的創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)滿足了學(xué)生計(jì)算機(jī)仿真創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練的需求，平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

● 創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練成效

學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，在教師的指導(dǎo)下開(kāi)展自主式、探究式創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練，并通過(guò)申報(bào)各級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目、參加學(xué)科競(jìng)賽、發(fā)表論文、申請(qǐng)專利和軟件著作權(quán)等形式，形成創(chuàng)新訓(xùn)練成果。學(xué)生通過(guò)不同層次的訓(xùn)練完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如圖3所示，其中（a）（b）屬于“基礎(chǔ)—興趣”層創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目結(jié)果，（c）（d）（e）屬于“專業(yè)—思維”層創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目結(jié)果，（f）（g）（h）屬于“工程—實(shí)踐”層創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目結(jié)果。

目前，創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)和資源建設(shè)正在不斷完善和豐富，已有18～20級(jí)300余名學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展自主探究式學(xué)習(xí)，學(xué)生通過(guò)創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)訓(xùn)練，收獲了一批創(chuàng)新訓(xùn)練成果，計(jì)算機(jī)虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)初見(jiàn)成效。

● 結(jié)語(yǔ)

筆者以創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，構(gòu)建了“雙鏈對(duì)接”的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模型，利用虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)了不同層次的創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目，建設(shè)了虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐云平臺(tái)。通過(guò)融合計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的新技術(shù)、新方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使其挖掘自身潛能，推行探究式學(xué)習(xí)，訓(xùn)練系統(tǒng)思維，解決實(shí)際問(wèn)題，為學(xué)生提供開(kāi)源學(xué)習(xí)平臺(tái)和環(huán)境，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

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作者簡(jiǎn)介：陳曉兵（1971—），男，江蘇淮安人，教授，博士。研究方向?yàn)镃AD&CG、虛擬現(xiàn)實(shí)。

基金項(xiàng)目：江蘇省高等教育教改研究項(xiàng)目（2019JSJG126），淮陰工學(xué)院教學(xué)改革研究重點(diǎn)課題（2017XJGA03），淮陰工學(xué)院校企共建精品課程“軟件測(cè)試與質(zhì)量保證”（Z202B18527）。

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