楊 靜 吉曉陽

1.貴州大學(xué)公共大數(shù)據(jù)國家重點實驗室，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，培養(yǎng)高校創(chuàng)新型人才存在一些普遍問題：培養(yǎng)模式不完善、缺少實踐機會、實際問題解決能力弱，以及整體創(chuàng)新能力的有待提高［1］。為了降低創(chuàng)新設(shè)計類學(xué)科的創(chuàng)新門檻，給學(xué)生提供更多設(shè)計方案的反饋，并提供一個學(xué)習交流的社區(qū)，論文提出元宇宙技術(shù)引領(lǐng)下的新工科創(chuàng)新設(shè)計類課程教學(xué)方法，以元宇宙教育教學(xué)平臺為媒介［2］，通過促進“產(chǎn)—學(xué)—研”的緊密結(jié)合，探索在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下創(chuàng)新工程教育教學(xué)方法，來解決新工科創(chuàng)新設(shè)計類專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力缺乏的根本問題，從而提高工程教育效率，提升教學(xué)質(zhì)量。

在創(chuàng)新設(shè)計類課程中，元宇宙中的產(chǎn)品將不再受限于物理材料和生產(chǎn)流水線的限制。元宇宙還可以幫助使產(chǎn)品更具可持續(xù)性，因為改變設(shè)計或創(chuàng)造新的變體，將不再需要額外的生產(chǎn)過程或產(chǎn)生更多新材料的浪費。在產(chǎn)品設(shè)計方面，工業(yè)元宇宙平臺允許用戶模擬產(chǎn)品應(yīng)用過程中的環(huán)境因素，并基于元宇宙平臺上設(shè)計的產(chǎn)品模型，直觀、準確地模擬產(chǎn)品各部分的工作原理，從而有效驗證產(chǎn)品性能［3］；在協(xié)同設(shè)計方面，創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計可以突破區(qū)域限制，支持多方協(xié)同設(shè)計，讓用戶參與到產(chǎn)品設(shè)計中，并能在元宇宙平臺上體驗自己設(shè)計的產(chǎn)品。在用戶體驗方面，用戶通過更深入?yún)⑴c元宇宙平臺的產(chǎn)品研發(fā)，生產(chǎn)更貼近用戶需求的產(chǎn)品，從而增強用戶體驗。

一、元宇宙技術(shù)

元宇宙是具備新社會系統(tǒng)的數(shù)字生活空間，其是通過科技手段進行鏈接與創(chuàng)造，并由現(xiàn)實世界映射并進行相互互動的虛擬世界［4］。元世界本質(zhì)上是現(xiàn)實世界的虛擬化和數(shù)字化過程，需要在內(nèi)容生產(chǎn)、經(jīng)濟系統(tǒng)以及用戶感受等方面進行改造提升［5］。然而，元宇宙的演變是漸進的，以共享的基礎(chǔ)設(shè)施、標準和協(xié)議為基礎(chǔ)，通過融合不同的工具、平臺，從而最終成形［6］。元宇宙通過增強現(xiàn)實技術(shù)給用戶營造沉浸式體驗，借助數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建現(xiàn)實世界的鏡像，使用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建經(jīng)濟系統(tǒng)，將現(xiàn)實世界與虛擬世界在文化、經(jīng)濟、社交等系統(tǒng)上緊密融合，并且用戶可以完成內(nèi)容生產(chǎn)和世界編輯［7-8］。元宇宙產(chǎn)業(yè)體系分為基礎(chǔ)設(shè)施層、核心層和應(yīng)用服務(wù)層。

應(yīng)用層包含經(jīng)濟系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、身份系統(tǒng)等，經(jīng)濟系統(tǒng)中包括：數(shù)字人、虛擬場景、虛擬人社交、虛擬人辦公、虛擬人生產(chǎn)、虛擬人學(xué)習等；行業(yè)端應(yīng)用服務(wù)包括：虛擬工廠、生產(chǎn)制造、營銷銷售、大數(shù)據(jù)治理等；形成完整的“元宇宙”后，其將賦能工業(yè)、教育、視頻、娛樂、媒體、文化創(chuàng)意、會展、日常辦公等領(lǐng)域［9］，打造信息消費新商業(yè)模式，帶來人類生產(chǎn)生活方式的顛覆性變化。

核心層由虛擬化、數(shù)字化、數(shù)字孿生、虛實共生技術(shù)與產(chǎn)品支持。其中包含接入“元宇宙”的各類終端以及這些終端所需要的基礎(chǔ)軟硬件，如：芯片、顯示器件、可穿戴設(shè)備、VR、AR、XR、MR 等；時空生成包含將真實物體數(shù)字化所需的技術(shù)工具，如：操作系統(tǒng)、3D 建模、數(shù)字孿生、實時渲染、導(dǎo)航定位、融媒體平臺、設(shè)計平臺等；交互體驗包含“元宇宙”中的各類交互技術(shù)，例如，動作捕捉、眼動追蹤、語音交互、力反饋；產(chǎn)業(yè)平臺包括游戲、社交、學(xué)習平臺、隨機接口等；虛擬社會架構(gòu)包括信用體系、安全體系［10］、道德倫理等。

基礎(chǔ)設(shè)施層包含通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（5G/6G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等）、算力基礎(chǔ)設(shè)施（數(shù)據(jù)中心、智能計算中心、分布式存儲等）和新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施（云計算、區(qū)塊鏈、人工智能等），主要負責數(shù)據(jù)的實時傳輸、存儲計算、挖掘分析；區(qū)塊鏈搭建經(jīng)濟體系，解決安全問題［11］等。

二、新工科創(chuàng)新設(shè)計類課程存在的主要問題

（一）新工科創(chuàng)新設(shè)計類課程創(chuàng)新起點太高，可繼承共享的資源少

設(shè)計一個用于實際生活的完整機械系統(tǒng)，對任何一個學(xué)生來說都極具挑戰(zhàn)性。因為大部分學(xué)生缺少可以學(xué)習的先驗知識，并且缺乏改進已有系統(tǒng)的“微創(chuàng)新”機會［12］。目前，機械領(lǐng)域還沒有真正的學(xué)習交流社區(qū)，且學(xué)生在設(shè)計時既沒有可以參考的直觀模型，也不能學(xué)習到完整的機械設(shè)計方案，導(dǎo)致目前大部分學(xué)生進行創(chuàng)新思考的機會很少。

（二）沒有驗證知識的機會，進而無法獲得知識的反饋，很難進步

新工科創(chuàng)新設(shè)計類課程是一門強調(diào)實踐的學(xué)科。在沒有實際制造的情況下，通常無法驗證學(xué)生設(shè)計或改進的機械、裝置或完整的機電系統(tǒng)是否合理或具有實用性。然而，這種實際制作的機會極少，而通過計算機仿真來檢驗的門檻太高，又缺少提供分享和交流的學(xué)習社區(qū)平臺，使得學(xué)生無法對創(chuàng)新設(shè)計的合理性進行驗證，也就無法獲得反饋進而對創(chuàng)新設(shè)計類模型和方案進行改進和創(chuàng)新。

（三）缺乏“企業(yè)—學(xué)生—教師”之間的交流共享平臺

非常缺乏諸如源碼、設(shè)計方案、完整的創(chuàng)新設(shè)計模型等共享資源，以及“企業(yè)—學(xué)生—教師”之間圍繞設(shè)計問題能夠方便溝通交流的平臺。目前，學(xué)術(shù)論文和專利是創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)域知識共享重用的主要來源，但這些遠遠不能滿足創(chuàng)新設(shè)計類專業(yè)學(xué)生對知識創(chuàng)新的需求。數(shù)據(jù)、方案和模型的開源共享更具有繼承性、重用性以及延續(xù)性，可以看出，提高創(chuàng)新設(shè)計類學(xué)科創(chuàng)造性的一個重要途徑，就是缺乏開放貢獻交流平臺，進而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三、元宇宙技術(shù)引領(lǐng)下的新工科創(chuàng)新設(shè)計類課程改革探索

（一）元宇宙課程思政

元宇宙環(huán)境下的新工科創(chuàng)新設(shè)計類課程，將具有“虛實融合化、沉浸互動化、場景個性化、智能服務(wù)化”的特點［13-14］。新工科創(chuàng)新設(shè)計類課程思政，旨在多維立體地展現(xiàn)歷史文化，讓學(xué)生回顧相關(guān)歷史文化。采用元宇宙交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)等，對相關(guān)課程歷史和政治，從時間與空間進行重構(gòu)，讓學(xué)生能夠在有限的時間和空間里，切身感受到相關(guān)課程的無窮魅力與韻味，引發(fā)學(xué)生對該課程文化認同，可以足不出戶，實現(xiàn)穿越時空隧道，身臨其境感受相關(guān)課程的悠久歷史；通過元宇宙新工科創(chuàng)新設(shè)計類課程的時空密碼，將相關(guān)課程的過去、現(xiàn)在、未來，通過虛實結(jié)合的手法巧妙展現(xiàn)，通過體驗和想象，不斷勾勒出對創(chuàng)新設(shè)計類課程的全新理解。

（二）元宇宙實踐教學(xué)

元宇宙需要以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實質(zhì)是5G、人工智能、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)、VR、AR、腦機接口、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的交叉作用、相互促進的結(jié)果［15］。元宇宙的“沉浸感”“低延時”“隨時隨地”特性，不僅對VR/AR 硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)提出更高的要求，還需要強大的云計算和大數(shù)據(jù)能力。將創(chuàng)新設(shè)計類課程進行數(shù)字化、網(wǎng)格化、智能化，解決上課過程中可能的各種問題；在基于元宇宙知識圖譜數(shù)據(jù)連通、碰撞的基礎(chǔ)上進行融合分析，去發(fā)現(xiàn)元宇宙引領(lǐng)下的學(xué)生上課學(xué)習規(guī)律、與企業(yè)的互動規(guī)律；通過元宇宙對學(xué)生數(shù)據(jù)資源進行管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)空間和現(xiàn)實空間的聯(lián)動，通過元宇宙對數(shù)據(jù)有序組織與提煉，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律、支撐決策、凝結(jié)智慧，讓所有的數(shù)據(jù)變得有生命，實現(xiàn)教育元宇宙全生命周期的大數(shù)據(jù)治理，輔助學(xué)生進行創(chuàng)新設(shè)計，提高教師教學(xué)水平。

（三）元宇宙課后管理

通過課程元宇宙平臺可進一步了解學(xué)生對課后的學(xué)習情況，以及給予學(xué)生“微創(chuàng)新”的機會去改進現(xiàn)有的系統(tǒng)。通過在元宇宙中留存往屆學(xué)生的課程作品，使得當前學(xué)生能夠直觀感受到課程的學(xué)習成果。同時，這也提供了先驗知識以能夠?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進行創(chuàng)新或者了解別人的想法，以更好地完成自己的作品。教師通過在元宇宙中查看學(xué)生作品的完成情況，能夠及時掌握當前的學(xué)習狀況，從而根據(jù)實際情況去增強新工科創(chuàng)新設(shè)計課程中學(xué)生薄弱的地方。通過元宇宙平臺，用智能化數(shù)據(jù)分析的方式，深入剖析學(xué)生知識掌握情況和課后反饋情況，并從中發(fā)現(xiàn)學(xué)生想法或者作品的閃光點，更好地引導(dǎo)學(xué)生通過元宇宙平臺，實現(xiàn)自己的想法或者進一步完善自己的作品。通過課程元宇宙平臺進行課后管理，是對完善新工科創(chuàng)新設(shè)計課程進一步探索，讓課后管理變得更加直觀高效，從而提升教學(xué)質(zhì)量。

（四）元宇宙“企業(yè)—學(xué)生—教師”之間的交流平臺

通過教育元宇宙平臺，可在創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)時，設(shè)計產(chǎn)品使用的環(huán)境因素、人文因素等進行重建，基于教育元宇宙平臺設(shè)計的產(chǎn)品模型，可以直觀準確地模擬產(chǎn)品的各部分是如何工作的，并有效驗證產(chǎn)品的性能。教育元宇宙能夠突破地域限制，支持“企業(yè)—學(xué)生—教師”之間的交流共享，共同設(shè)計［16］。學(xué)生還可以在教育元宇宙平臺上參與產(chǎn)品設(shè)計，以及感受其他設(shè)計的產(chǎn)品。在學(xué)生體驗方面，教育元宇宙平臺上的產(chǎn)品開發(fā)，需要學(xué)生的深度參與，則可以進一步吸引學(xué)生的積極性并提升參與度。

四、結(jié)語

打造教育元宇宙平臺是培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型人才的搖籃，對于促進我國領(lǐng)域創(chuàng)新，提升我國新工科行業(yè)競爭力有著重要的推動作用。在元宇宙技術(shù)引領(lǐng)下，打造新工科創(chuàng)新設(shè)計類課程，優(yōu)化教學(xué)方法，有助于教師融入課程思政內(nèi)容，推動教學(xué)改革，讓“企業(yè)—學(xué)生—教師”交流共享，以教育元宇宙的方式發(fā)揮創(chuàng)造的積極性。