產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革項目申報書-面向虛擬孿生的跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計與科教融合實踐

2023年美麗軟件科技有限公司教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目申請書項目名稱：面向虛擬孿生的跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計與科教融合實踐負(fù)責(zé)人：聯(lián)系電話：工作郵箱：學(xué)校名稱：通信地址：二○二三年七月制填表說明(1)全日制本科高校在職教師或在校學(xué)生；(2)原則上不接受之前已獲得過同類項目資助的重復(fù)2.有關(guān)項目內(nèi)容、具體要求和說明請參考項目申報指3.項目負(fù)責(zé)人填寫的內(nèi)容由所在單位負(fù)責(zé)審核，所填內(nèi)容必須真實、可靠。4.申請書由項目負(fù)責(zé)人填寫并手寫簽名，報送所在高校主管部門審查、簽署意見并蓋章后，將掃描文件上傳到項目平臺()。項目概況(單選)項目負(fù)責(zé)人(主要教學(xué)及科研工作)獲得藍(lán)橋杯軟件設(shè)計大賽省賽二等獎2020.10操作系統(tǒng)慕課設(shè)計和制作的探究2024.6疫情下教師在線教學(xué)能力提升的探究項目主要成員(不含項目負(fù)元宇宙是依托互聯(lián)網(wǎng)存在的平行于現(xiàn)實的數(shù)字世界。2021年被稱為“元宇宙元年”，增強/虛擬現(xiàn)實、人工智能、云計算、區(qū)塊鏈、5G等眾多技術(shù)高速發(fā)展，也為新冠疫情下的在線教學(xué)模式提供了從數(shù)字化到智能化的全新轉(zhuǎn)型思路。隨著元宇宙逐漸從概念演變?yōu)楝F(xiàn)實，如何推進元宇宙相關(guān)技術(shù)的教育教學(xué)以及利用元宇宙的特點促進教育方式變革成為人們關(guān)心的問題。本期特開辟“元宇宙教學(xué)”專題，邀請多位該領(lǐng)域?qū)＜疑钊胩接懺钪嫦嚓P(guān)技術(shù)與計算機領(lǐng)域教育教學(xué)融合的可行性。虛擬孿生是實現(xiàn)元宇宙的重要技術(shù)系統(tǒng)，其概念衍生于數(shù)字孿生，數(shù)字孿生出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，目前在制造業(yè)已經(jīng)被廣泛接受。數(shù)字孿生作為一種實現(xiàn)物理產(chǎn)品向信息空間映射的關(guān)鍵技術(shù)，通過充分利用布置在產(chǎn)品各部分的傳感器，對產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)分析與建模，將產(chǎn)品在不同真實場景中的全生命周期過程反映出來，近乎實時地呈現(xiàn)產(chǎn)品的實際情況。數(shù)字孿生的目標(biāo)僅僅是物理實體，其定義并不涵蓋對智能實體行為、人類組織形態(tài)、人工系統(tǒng)演化等領(lǐng)域的描述，也缺乏虛實動態(tài)實時互動。隨著元宇宙概念被廣泛關(guān)注以及人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，一個脫胎于數(shù)字孿生、更加細(xì)分的概念——虛擬孿生被提出。虛擬孿生是以真實世界中物理實體、智能實體和組織實體為對象，集成運用物理機理建模、智能行為建模、認(rèn)知情感建模等建模仿真技術(shù)以及傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)，對真實世界中各類實體的特征、行為、形成過程和性能等進行描述和建模，構(gòu)建具有空間精確映射、虛實全息互聯(lián)、自我演化學(xué)習(xí)、持續(xù)調(diào)整優(yōu)化等特點的高逼真性仿真系統(tǒng)。虛擬孿生將“孿生”的對象從物理產(chǎn)品擴展到了智能制造、智慧城市等更宏大、更豐富的場景，成為構(gòu)建元宇宙真實感和效率的重要手段

[1]。雖然目前元宇宙和虛擬孿生都處于發(fā)展初期階段，但是相關(guān)產(chǎn)業(yè)的廣闊前景已經(jīng)毋庸置疑。在此背景下，高校在響應(yīng)社會重大需求、培養(yǎng)面向未來的高水平創(chuàng)新型人才方面，肩負(fù)重要歷史使命和社會責(zé)任。1.2面向虛擬孿生的教學(xué)挑戰(zhàn)性虛擬孿生是多種技術(shù)交叉、融合、延伸的創(chuàng)新領(lǐng)域，高校在教育中通過跨學(xué)科、跨領(lǐng)域方式培養(yǎng)復(fù)合型人才已經(jīng)成為共識，形成了教育改革的發(fā)展趨勢

[2]。虛擬孿生關(guān)鍵技術(shù)涉及建模與仿真、VR/AR/MR、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等，技術(shù)的復(fù)雜性只是一方面，另一方面是虛擬孿生作為一個復(fù)雜的虛實融合空間，人機交互也是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，涵蓋了人、機、物、環(huán)境多種要素，交互技術(shù)和設(shè)計決定了人在虛擬孿生世界中的體驗感受和能力邊界。面對這一具有前瞻性、創(chuàng)新型和復(fù)雜性的學(xué)科領(lǐng)域，如何在教學(xué)內(nèi)容、資源建設(shè)、教學(xué)實施等各個教學(xué)環(huán)節(jié)中將多學(xué)科交叉融合的教學(xué)理念落在實處，實現(xiàn)培養(yǎng)順應(yīng)時代和社會發(fā)展要求的高水平人才目標(biāo)，是一個極具挑戰(zhàn)的問題。為此，以專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)為方向指引，建設(shè)面向虛擬孿生的跨學(xué)科課程體系，并將科教融合作為行動框架，在教學(xué)中進行探索和實踐，希望以此為虛擬孿生相關(guān)方向人才培養(yǎng)、教育教學(xué)提供一種新的思路。本次項目的實施為后續(xù)企業(yè)與高校的合作搭建了平臺，具有橋梁的作用，項目實施的意義較大。2.項目培訓(xùn)方式：本項目培訓(xùn)的方式更加多元化，采用線上線下、理論+實踐相結(jié)合的培訓(xùn)方式。大數(shù)據(jù)分析相關(guān)師資培訓(xùn)研議報告及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)相關(guān)學(xué)習(xí)資料等，。在進行線下培訓(xùn)時，采用理論+實踐的培訓(xùn)方式，不僅要注重理論知識，還要注重實戰(zhàn)鍛煉，在實學(xué)習(xí)成效。為了提高教師的學(xué)習(xí)效率，以及更好地掌握教師培訓(xùn)情況，本項目采用以任務(wù)為導(dǎo)向，將培訓(xùn)內(nèi)容分解成每天的學(xué)習(xí)任務(wù)，最后以學(xué)習(xí)日志和課程設(shè)計的形式提交。除進行線下培訓(xùn)外，還可以帶領(lǐng)高校教師參觀企業(yè)，組織專任教師去企業(yè)頂中去。項目實施的途徑和方式更加多元化，更具有趣味性，可以訓(xùn)。3.項目培訓(xùn)內(nèi)容：本項目實施目的是提高教師專業(yè)技能、教學(xué)能力和課程建設(shè)水平。本項目對教師專業(yè)技能的培訓(xùn)更注重教師實踐能力的提升，培訓(xùn)內(nèi)容不拘泥于課本理論，側(cè)重于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在企業(yè)中的實際應(yīng)用。通過實際項目演練，加深教師對所學(xué)知識點的理解和掌握，使得教師通過培訓(xùn)達到大數(shù)據(jù)專業(yè)的能力要求。虛擬孿生的目標(biāo)是解決數(shù)字系統(tǒng)與物理系統(tǒng)間無縫連接，智能生命體的行為與情感表達，社會群體智能的建模與仿真，人機之間、虛實之間自然交互等問題，在現(xiàn)實世界和虛擬世界之間建立交互共融的橋梁，其核心是構(gòu)建人、虛擬世界和現(xiàn)實世界三者之間的自然交互與融合，涉及信息技術(shù)、設(shè)計理論、社會科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)的多學(xué)科交叉。我校數(shù)字媒體與虛擬現(xiàn)實方向?qū)儆谠O(shè)計學(xué)和計算機技術(shù)的交叉學(xué)科，因此制訂人才培養(yǎng)目標(biāo)為：面向數(shù)字媒體與虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，培養(yǎng)具有新的科技、人文、藝術(shù)觀念和素質(zhì)的高端創(chuàng)新設(shè)計與專業(yè)設(shè)計人才，教學(xué)內(nèi)容體系建設(shè)的重點是多學(xué)科知識要素的交叉融合。在面向虛擬孿生的教學(xué)體系設(shè)計中，針對人、虛擬世界和現(xiàn)實世界3個研究對象，提煉構(gòu)成教學(xué)內(nèi)容的知識要素，如圖1所示，主要包含兩個維度：構(gòu)建虛擬世界及虛實融合計算的技術(shù)范疇和可直接感知、交互、反饋及認(rèn)知的設(shè)計范疇。（1）針對虛擬孿生中的人，主要從實體人和虛擬人兩個角度展開教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。①在技術(shù)范疇，對于實體人，其核心是對人體行為的感知計算；對于虛擬人，其核心是對人體行為的建模與仿真。包括如何獲取人的外觀、姿態(tài)等宏觀表現(xiàn)，人的表情、手勢等微觀表現(xiàn)以及虛擬人智能體仿真等。②在設(shè)計范疇，對于實體人，其核心是對人行為方式與情感表現(xiàn)的理解；對于虛擬人，其核心是對虛擬人呈現(xiàn)的衍生設(shè)計。包括交互行為設(shè)計與評估、情感化設(shè)計與評估、虛擬形象設(shè)計、虛擬人動畫設(shè)計、虛擬人社交設(shè)計等。（2）針對虛擬孿生中的虛擬世界，主要從虛擬內(nèi)容生成和呈現(xiàn)兩個角度展開教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。①在技術(shù)范疇，對于虛擬內(nèi)容生成，其核心包括物理實體的建模及虛擬物體的建模計算，包括基于視覺的三維物體及場景建模、基于程序的虛擬物體及場景建模、基于人工智能的虛擬內(nèi)容生成、流體的仿真與建模等；對于虛擬內(nèi)容的呈現(xiàn)，其核心是虛擬場景的渲染計算，包括實時全局光照渲染技術(shù)、風(fēng)格化渲染技術(shù)、有限計算資源條件下的渲染優(yōu)化等。②在設(shè)計范疇，虛擬內(nèi)容生成和呈現(xiàn)合為一體，其核心是虛擬世界觀的構(gòu)造，包括空間設(shè)計、造型設(shè)計、材質(zhì)與色彩肌理設(shè)計、光照設(shè)計、渲染風(fēng)格設(shè)計等。（3）針對虛擬孿生中的現(xiàn)實世界，主要從現(xiàn)實世界的智能感知與虛實融合兩個角度展開教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。①在技術(shù)范疇，對于現(xiàn)實世界的智能感知，其核心是現(xiàn)實世界場景特征的實時計算與語義理解，包括基于視覺的現(xiàn)實世界場景地圖實時構(gòu)建、場景元素的識別、場景地圖的語義分割等；對于現(xiàn)實世界與虛擬世界的虛實融合，其核心是虛實融合一致性計算，涵蓋幾何一致性、外觀一致性和行為一致性，包括基于視覺的相機位姿的實時計算、場景遮擋計算、場景光照計算、虛擬內(nèi)容的自適應(yīng)分布計算等。②在設(shè)計范疇，現(xiàn)實世界的智能感知與虛實融合密切結(jié)合，其核心是人與虛實世界的融合與交互，包括情境感知的智能交互設(shè)計、場景感知的虛擬內(nèi)容智能呈現(xiàn)策略設(shè)計、虛實對象融合的交互模式與界面設(shè)計、虛實融合場景的導(dǎo)航設(shè)計、虛實融合系統(tǒng)界面設(shè)計等。人、虛擬世界、現(xiàn)實世界3個對象構(gòu)成了虛擬孿生虛實交互的框架，從中提煉構(gòu)建面向虛擬孿生的跨學(xué)科本研一體化教學(xué)內(nèi)容體系，按照知識要素的邏輯關(guān)系、不同學(xué)習(xí)階段學(xué)生的認(rèn)知水平，將其科學(xué)合理地配置至課程中，包括三維建?；A(chǔ)、三維動畫基礎(chǔ)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)、VR交互設(shè)計、VR內(nèi)容生成、VR影像創(chuàng)作、人機交互與用戶體驗設(shè)計研究、VR/AR創(chuàng)新設(shè)計等多門課程，形成貫穿學(xué)生大一到大四乃至研究生學(xué)習(xí)階段的完整課程體系，見表1。3科教融合的教學(xué)實踐模式

跨學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，為面向虛擬孿生的教學(xué)實踐構(gòu)建了兼具基本理論體系的完整性、前瞻性和開放性的多元化知識體系。為了真正實現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，跨學(xué)科內(nèi)容的教學(xué)不是簡單將跨學(xué)科知識要素進行疊加，在教學(xué)實施過程中要以問題為視角，使各學(xué)科知識形成有機整體，彼此不可或缺、相互聯(lián)系。教學(xué)不能停留在單向向?qū)W生輸出知識內(nèi)容，而要將科教融合作為行動框架具體指導(dǎo)教學(xué)實踐，讓跨學(xué)科知識為學(xué)生真正掌握并能轉(zhuǎn)化運用于實踐、融會貫通，實現(xiàn)淺層學(xué)習(xí)向深層學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)化。依托我校虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室和數(shù)字媒體北京市重點實驗室，將所承擔(dān)的國家級科研項目引入教學(xué)，通過多種教學(xué)實踐模式使教學(xué)與科研形成良性互動，提升育人效果。將科教融合的教學(xué)實踐模式分為課內(nèi)的研究型教學(xué)和課外環(huán)節(jié)的本科生科研兩大類，具體的實施路徑如圖2所示。3.1研究型教學(xué)實踐研究型教學(xué)強調(diào)的是打破傳統(tǒng)被動接受式教學(xué)，以學(xué)生為中心，充分調(diào)動和激活其創(chuàng)新意識和探究能力，通過科研與教學(xué)的有機結(jié)合，形成以探索知識和發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式。在面向虛擬孿生的教學(xué)實踐中具體采取微課題驅(qū)動教學(xué)的模式以及組建跨學(xué)科課程作為實施路徑。3.1.1

微課題驅(qū)動教學(xué)在面向大三、大四高年級的教學(xué)中，以教師承擔(dān)的重要科研項目為背景，根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)置若干微課題，學(xué)生自主選題，在微課題的研究過程中完成課程學(xué)習(xí)。在具體實施中，以微課題任務(wù)為驅(qū)動、以問題為導(dǎo)向開展課堂教學(xué)，以設(shè)計方案和作品原型為最終產(chǎn)出。課堂采用模塊化教學(xué)方式，即將課程內(nèi)容劃分成幾個模塊，在每一個教學(xué)模塊中教師將相應(yīng)的理論知識打碎、重新整合并融入實踐，學(xué)生學(xué)習(xí)后立刻應(yīng)用于微課題的研究和實踐中。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以組隊、分工合作的形式提出問題，利用各種研究方法分析問題并找到解決方案，在序列化的教學(xué)模塊中完成整個學(xué)習(xí)過程和大作業(yè)。教學(xué)過程充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，學(xué)生通過每一個具體的目標(biāo)實現(xiàn)有意義的產(chǎn)出，主動學(xué)習(xí)、思考，從而更深層次地理解和掌握知識內(nèi)容，最大限度激發(fā)主動性和創(chuàng)新能力。同時，微課題都來源于科研項目，科研成果能夠反映虛擬孿生領(lǐng)域前沿成果和進展，真實的項目情境可以激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識。以大三的VR內(nèi)容生成課程為例，課程面向虛擬孿生中虛擬世界的內(nèi)容生成與呈現(xiàn)及其與現(xiàn)實世界的融合，主要教學(xué)內(nèi)容包含技術(shù)層面的虛實融合一致性計算，設(shè)計層面的虛擬內(nèi)容生成、虛實對象融合的交互模式和界面設(shè)計。針對課程內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，引入“基于華為河圖平臺的虛擬孿生創(chuàng)新設(shè)計”項目，連續(xù)兩年分別在北京798藝術(shù)區(qū)、北航校園，以不同場景下的真實需求為導(dǎo)向開展教學(xué)實踐。具體來說，把物理世界的場景按照功能分割成若干子區(qū)域，比如北航校園劃分成教學(xué)區(qū)、科研區(qū)、生活區(qū)等，以此形成若干微課題，以不同區(qū)域中人的真實需求為導(dǎo)向，開展模塊化教學(xué)，并指導(dǎo)學(xué)生開展基于現(xiàn)實世界場景的虛實融合設(shè)計。為了降低大作業(yè)實現(xiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)性，將行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的虛實融合內(nèi)容創(chuàng)作與發(fā)布平臺——華為河圖引入教學(xué)，將項目資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，學(xué)生在平臺上開展研究和創(chuàng)作，可以更專注于課程本體知識和學(xué)習(xí)目標(biāo)。學(xué)生在完成學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中，始終以問題視角進行知識的建構(gòu)，并學(xué)會站在設(shè)計和技術(shù)的頂層，以產(chǎn)品的高度把握整個研究過程，按照科學(xué)規(guī)律開展設(shè)計實踐，將設(shè)計和技術(shù)更有效地融合。通過設(shè)計作品也能夠外化學(xué)習(xí)的成果，激發(fā)學(xué)習(xí)動力?？傊?，微課題驅(qū)動的教學(xué)有助于將跨學(xué)科的教學(xué)理念真正落實在教學(xué)實踐中，對教師而言，科研成果反哺教學(xué)，實現(xiàn)以研促教，形成良性互動。3.1.2

跨學(xué)科課程實踐面向虛擬孿生這樣一個技術(shù)與設(shè)計交織的復(fù)雜數(shù)字體系，跨學(xué)科內(nèi)容的設(shè)計是在計算機技術(shù)與設(shè)計學(xué)交叉領(lǐng)域范疇內(nèi)，領(lǐng)域外的知識壁壘很難打破，比如人工智能、大數(shù)據(jù)、計算機圖形學(xué)、微電子等專業(yè)的知識。在以科研項目為背景的實踐過程中，這一方面給學(xué)生微課題設(shè)計實現(xiàn)帶來了局限，往往最終只能以概念方案的形式來展示成果，無法真正技術(shù)實現(xiàn)，不利于對設(shè)計的驗證；另一方面，缺乏多學(xué)科人員分工合作的真實科研情境還原，學(xué)科間的隔閡與封閉限制了對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

[3]。為了解決此問題，探索打通培養(yǎng)機制，在本專業(yè)研究生課程“VR/AR創(chuàng)新設(shè)計研究”中，將選課權(quán)限同步向本校計算機學(xué)院、人文學(xué)院的學(xué)生開放，并將來自3個學(xué)科方向的學(xué)生按照1:1:1的比例組成跨學(xué)科研究小組共同完成課程學(xué)習(xí)和實踐。以2022年的課程為例，以數(shù)字會展的VR/AR體驗設(shè)計為命題，以數(shù)字會展中用戶的真實需求為切入點開展研究型教學(xué)，小組中來自不同專業(yè)的學(xué)生進行分工協(xié)作，從自身專業(yè)視角積極主動設(shè)計完善解決方案。人文學(xué)院的學(xué)生來自社會學(xué)、心理學(xué)、教育學(xué)等專業(yè)方向，在小組中側(cè)重通過社會科學(xué)的研究方法，以人為中心發(fā)現(xiàn)問題和需求，引導(dǎo)項目研究形成正確的科技觀，展現(xiàn)元宇宙科技下的人文關(guān)懷；數(shù)字媒體專業(yè)方向的學(xué)生側(cè)重用設(shè)計學(xué)的方法和視角將發(fā)現(xiàn)的問題轉(zhuǎn)化為創(chuàng)意方案，將整個設(shè)計流程規(guī)范化，成為設(shè)計和技術(shù)之間的橋梁；計算機學(xué)院的學(xué)生來自虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人工智能方向，更側(cè)重用技術(shù)的視角驗證設(shè)計是否成立，并將方案進行技術(shù)實現(xiàn)。總的來看，不同專業(yè)的學(xué)生通過協(xié)作和共創(chuàng)，互相啟發(fā)，完成群體性的知識建構(gòu)過程以及從設(shè)計方案到技術(shù)實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化，提高了綜合分析解決問題能力，學(xué)生普遍認(rèn)為這是一次非常珍貴的學(xué)科交叉學(xué)習(xí)和實踐的機會。未來，將通過對培養(yǎng)機制的研究和改革，將跨學(xué)科課程模式進一步實施運用于本科課程中。通過本課題的研究，力求達到以下預(yù)期目標(biāo)：（1）對區(qū)域代表性企業(yè)進行調(diào)查走訪，通過調(diào)查結(jié)果分析得到圍繞軟件工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案要求及畢業(yè)要求的解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新能力需求報告；（2）校企雙方教師嘗試在嵌入式核心課程的實踐教學(xué)中將OBE教學(xué)模式進行應(yīng)用，包括共同進行項目選擇、案例設(shè)計、場景設(shè)計及實施過程；（3）校企雙方教師在課程設(shè)計中加入師生協(xié)同創(chuàng)新，制定過程化考核機制，完善軟件工程專業(yè)課程體系；（4）形成帶有實踐效果的應(yīng)用研究報告；（5）發(fā)表教學(xué)改革論文1-2篇。2023年8月-2023年1月：開展性工科產(chǎn)教融合、校企合作模式相關(guān)外政策及文獻的整理，并對相關(guān)文獻和法規(guī)進行研究探索，深入理解國家對新工科專業(yè)人才需求的具體標(biāo)準(zhǔn)和方向，并以此為基礎(chǔ)對國內(nèi)知名高校新工科專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀進行調(diào)研，收集整理