楊 靜 吉曉陽(yáng)

1.貴州大學(xué)公共大數(shù)據(jù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(shí)踐機(jī)會(huì)、實(shí)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(jì)類學(xué)科的創(chuàng)新門檻，給學(xué)生提供更多設(shè)計(jì)方案的反饋，并提供一個(gè)學(xué)習(xí)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(jì)類課程教學(xué)方法，以元宇宙教育教學(xué)平臺(tái)為媒介［2］，通過(guò)促進(jìn)“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(lái)解決新工科創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(jì)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?yàn)楦淖冊(cè)O(shè)計(jì)或創(chuàng)造新的變體，將不再需要額外的生產(chǎn)過(guò)程或產(chǎn)生更多新材料的浪費(fèi)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，工業(yè)元宇宙平臺(tái)允許用戶模擬產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)程中的環(huán)境因素，并基于元宇宙平臺(tái)上設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型，直觀、準(zhǔn)確地模擬產(chǎn)品各部分的工作原理，從而有效驗(yàn)證產(chǎn)品性能［3］；在協(xié)同設(shè)計(jì)方面，創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以突破區(qū)域限制，支持多方協(xié)同設(shè)計(jì)，讓用戶參與到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，并能在元宇宙平臺(tái)上體驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。在用戶體驗(yàn)方面，用戶通過(guò)更深入?yún)⑴c元宇宙平臺(tái)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(qiáng)用戶體驗(yàn)。

一、元宇宙技術(shù)

元宇宙是具備新社會(huì)系統(tǒng)的數(shù)字生活空間，其是通過(guò)科技手段進(jìn)行鏈接與創(chuàng)造，并由現(xiàn)實(shí)世界映射并進(jìn)行相互互動(dòng)的虛擬世界［4］。元世界本質(zhì)上是現(xiàn)實(shí)世界的虛擬化和數(shù)字化過(guò)程，需要在內(nèi)容生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)以及用戶感受等方面進(jìn)行改造提升［5］。然而，元宇宙的演變是漸進(jìn)的，以共享的基礎(chǔ)設(shè)施、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議為基礎(chǔ)，通過(guò)融合不同的工具、平臺(tái)，從而最終成形［6］。元宇宙通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)給用戶營(yíng)造沉浸式體驗(yàn)，借助數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，使用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界在文化、經(jīng)濟(jì)、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(jì)系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、身份系統(tǒng)等，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中包括：數(shù)字人、虛擬場(chǎng)景、虛擬人社交、虛擬人辦公、虛擬人生產(chǎn)、虛擬人學(xué)習(xí)等；行業(yè)端應(yīng)用服務(wù)包括：虛擬工廠、生產(chǎn)制造、營(yíng)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(huì)展、日常辦公等領(lǐng)域［9］，打造信息消費(fèi)新商業(yè)模式，帶來(lái)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(shí)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(shí)空生成包含將真實(shí)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(shí)時(shí)渲染、導(dǎo)航定位、融媒體平臺(tái)、設(shè)計(jì)平臺(tái)等；交互體驗(yàn)包含“元宇宙”中的各類交互技術(shù)，例如，動(dòng)作捕捉、眼動(dòng)追蹤、語(yǔ)音交互、力反饋；產(chǎn)業(yè)平臺(tái)包括游戲、社交、學(xué)習(xí)平臺(tái)、隨機(jī)接口等；虛擬社會(huì)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(jì)算中心、分布式存儲(chǔ)等）和新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施（云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能等），主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、存儲(chǔ)計(jì)算、挖掘分析；區(qū)塊鏈搭建經(jīng)濟(jì)體系，解決安全問題［11］等。

二、新工科創(chuàng)新設(shè)計(jì)類課程存在的主要問題

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

設(shè)計(jì)一個(gè)用于實(shí)際生活的完整機(jī)械系統(tǒng)，對(duì)任何一個(gè)學(xué)生來(lái)說(shuō)都極具挑戰(zhàn)性。因?yàn)榇蟛糠謱W(xué)生缺少可以學(xué)習(xí)的先驗(yàn)知識(shí)，并且缺乏改進(jìn)已有系統(tǒng)的“微創(chuàng)新”機(jī)會(huì)［12］。目前，機(jī)械領(lǐng)域還沒有真正的學(xué)習(xí)交流社區(qū)，且學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)既沒有可以參考的直觀模型，也不能學(xué)習(xí)到完整的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致目前大部分學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思考的機(jī)會(huì)很少。

（二）沒有驗(yàn)證知識(shí)的機(jī)會(huì)，進(jìn)而無(wú)法獲得知識(shí)的反饋，很難進(jìn)步

新工科創(chuàng)新設(shè)計(jì)類課程是一門強(qiáng)調(diào)實(shí)踐的學(xué)科。在沒有實(shí)際制造的情況下，通常無(wú)法驗(yàn)證學(xué)生設(shè)計(jì)或改進(jìn)的機(jī)械、裝置或完整的機(jī)電系統(tǒng)是否合理或具有實(shí)用性。然而，這種實(shí)際制作的機(jī)會(huì)極少，而通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)檢驗(yàn)的門檻太高，又缺少提供分享和交流的學(xué)習(xí)社區(qū)平臺(tái)，使得學(xué)生無(wú)法對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，也就無(wú)法獲得反饋進(jìn)而對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)類模型和方案進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。

（三）缺乏“企業(yè)—學(xué)生—教師”之間的交流共享平臺(tái)

非常缺乏諸如源碼、設(shè)計(jì)方案、完整的創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型等共享資源，以及“企業(yè)—學(xué)生—教師”之間圍繞設(shè)計(jì)問題能夠方便溝通交流的平臺(tái)。目前，學(xué)術(shù)論文和專利是創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)共享重用的主要來(lái)源，但這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足創(chuàng)新設(shè)計(jì)類專業(yè)學(xué)生對(duì)知識(shí)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(jì)類學(xué)科創(chuàng)造性的一個(gè)重要途徑，就是缺乏開放貢獻(xiàn)交流平臺(tái)，進(jìn)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(jì)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(jì)類課程，將具有“虛實(shí)融合化、沉浸互動(dòng)化、場(chǎng)景個(gè)性化、智能服務(wù)化”的特點(diǎn)［13-14］。新工科創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(duì)相關(guān)課程歷史和政治，從時(shí)間與空間進(jìn)行重構(gòu)，讓學(xué)生能夠在有限的時(shí)間和空間里，切身感受到相關(guān)課程的無(wú)窮魅力與韻味，引發(fā)學(xué)生對(duì)該課程文化認(rèn)同，可以足不出戶，實(shí)現(xiàn)穿越時(shí)空隧道，身臨其境感受相關(guān)課程的悠久歷史；通過(guò)元宇宙新工科創(chuàng)新設(shè)計(jì)類課程的時(shí)空密碼，將相關(guān)課程的過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的手法巧妙展現(xiàn)，通過(guò)體驗(yàn)和想象，不斷勾勒出對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)類課程的全新理解。

（二）元宇宙實(shí)踐教學(xué)

元宇宙需要以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)質(zhì)是5G、人工智能、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、VR、AR、腦機(jī)接口、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的交叉作用、相互促進(jìn)的結(jié)果［15］。元宇宙的“沉浸感”“低延時(shí)”“隨時(shí)隨地”特性，不僅對(duì)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(qiáng)大的云計(jì)算和大數(shù)據(jù)能力。將創(chuàng)新設(shè)計(jì)類課程進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)格化、智能化，解決上課過(guò)程中可能的各種問題；在基于元宇宙知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)連通、碰撞的基礎(chǔ)上進(jìn)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(xí)規(guī)律、與企業(yè)的互動(dòng)規(guī)律；通過(guò)元宇宙對(duì)學(xué)生數(shù)據(jù)資源進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)空間和現(xiàn)實(shí)空間的聯(lián)動(dòng)，通過(guò)元宇宙對(duì)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(shí)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(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高教師教學(xué)水平。

（三）元宇宙課后管理

通過(guò)課程元宇宙平臺(tái)可進(jìn)一步了解學(xué)生對(duì)課后的學(xué)習(xí)情況，以及給予學(xué)生“微創(chuàng)新”的機(jī)會(huì)去改進(jìn)現(xiàn)有的系統(tǒng)。通過(guò)在元宇宙中留存往屆學(xué)生的課程作品，使得當(dāng)前學(xué)生能夠直觀感受到課程的學(xué)習(xí)成果。同時(shí)，這也提供了先驗(yàn)知識(shí)以能夠?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)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(guò)在元宇宙中查看學(xué)生作品的完成情況，能夠及時(shí)掌握當(dāng)前的學(xué)習(xí)狀況，從而根據(jù)實(shí)際情況去增強(qiáng)新工科創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程中學(xué)生薄弱的地方。通過(guò)元宇宙平臺(tái)，用智能化數(shù)據(jù)分析的方式，深入剖析學(xué)生知識(shí)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(diǎn)，更好地引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)元宇宙平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自己的想法或者進(jìn)一步完善自己的作品。通過(guò)課程元宇宙平臺(tái)進(jìn)行課后管理，是對(duì)完善新工科創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程進(jìn)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(tái)

通過(guò)教育元宇宙平臺(tái)，可在創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)，設(shè)計(jì)產(chǎn)品使用的環(huán)境因素、人文因素等進(jìn)行重建，基于教育元宇宙平臺(tái)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型，可以直觀準(zhǔn)確地模擬產(chǎn)品的各部分是如何工作的，并有效驗(yàn)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(jì)［16］。學(xué)生還可以在教育元宇宙平臺(tái)上參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以及感受其他設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。在學(xué)生體驗(yàn)方面，教育元宇宙平臺(tái)上的產(chǎn)品開發(fā)，需要學(xué)生的深度參與，則可以進(jìn)一步吸引學(xué)生的積極性并提升參與度。

四、結(jié)語(yǔ)

打造教育元宇宙平臺(tái)是培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型人才的搖籃，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)領(lǐng)域創(chuàng)新，提升我國(guó)新工科行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的推動(dòng)作用。在元宇宙技術(shù)引領(lǐng)下，打造新工科創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(dòng)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。