摘要：本文在分析新時(shí)代需要的新型人才特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)新型人才特點(diǎn)的V-形培養(yǎng)模式，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)等元宇宙相關(guān)技術(shù)，探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中虛擬與現(xiàn)實(shí)的有機(jī)融合。通過(guò)將V-形培養(yǎng)模式應(yīng)用于蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院專業(yè)課程，顯著提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，為學(xué)生的全面發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新型人才；虛擬現(xiàn)實(shí)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

引言

高等教育作為創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)的主體，承擔(dān)著創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重大使命[1]。新的時(shí)代賦予高等教育新的任務(wù)：首先，教育的導(dǎo)向要從培養(yǎng)規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的人才向培養(yǎng)“應(yīng)用創(chuàng)新”“集成創(chuàng)新”的人才轉(zhuǎn)變，從培養(yǎng)同質(zhì)人才向培養(yǎng)“個(gè)性自由”“獨(dú)立發(fā)展”的人才轉(zhuǎn)變；其次，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展依靠國(guó)家科技實(shí)力的支撐，而發(fā)展科技實(shí)力的關(guān)鍵在于自主創(chuàng)新，教育的改革目標(biāo)是要培養(yǎng)“自主創(chuàng)新”“原始創(chuàng)新”的人才；最后，世界強(qiáng)國(guó)首先是高教強(qiáng)國(guó)，發(fā)達(dá)國(guó)家走向高等教育強(qiáng)國(guó)在很大程度上得益于教育理念的創(chuàng)新[2]，培養(yǎng)“理念創(chuàng)新”的人才，才能從根本上使高等教育走向新的高度。因此，新的時(shí)代需要擁有以下特征的新型人才：具有適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的綜合性應(yīng)用創(chuàng)新能力；具有開(kāi)拓精神獨(dú)立思維的原始創(chuàng)新能力；具有廣博精深的開(kāi)放性跨界運(yùn)用能力。

1. 建設(shè)思路

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為演示性和驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，偏重告訴學(xué)生“怎么做”，欠缺能激發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)地探索學(xué)習(xí)、求異創(chuàng)新的能力，顯然與培養(yǎng)新型人才的目標(biāo)相悖[3]。因此，要培養(yǎng)新時(shí)代的新型人才，首先必須對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程進(jìn)行梳理和重構(gòu)，建立一個(gè)“以學(xué)生為中心”“以問(wèn)題為中心”的新的能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[4]，推動(dòng)學(xué)生獨(dú)立思考及個(gè)性發(fā)展，啟發(fā)他們從“怎么做”過(guò)渡到“做什么”。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程分為課內(nèi)、課外兩部分，而新型人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系將實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)備抽離出來(lái)搬到網(wǎng)上，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程重新劃分、整合，構(gòu)建一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，學(xué)生可以隨時(shí)隨地利用最新的設(shè)備和技術(shù)、先進(jìn)的實(shí)踐和體驗(yàn)環(huán)境完成他們的創(chuàng)新想法[5-6]。

新型人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系對(duì)新型人才培養(yǎng)機(jī)制進(jìn)行全面規(guī)劃，劃分為“應(yīng)用創(chuàng)新”“原始創(chuàng)新”“理念創(chuàng)新”三個(gè)具有遞進(jìn)關(guān)系的層面，每個(gè)層面都為上一個(gè)層面提供技術(shù)支撐，同時(shí)又為下一個(gè)層面提供動(dòng)力，形成一個(gè)V形的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

V-形新型人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了全面的規(guī)劃，明確了每個(gè)層面的內(nèi)涵、多樣的項(xiàng)目形式和詳細(xì)的功能，如表1所示。

具體來(lái)說(shuō)：（1）在應(yīng)用創(chuàng)新層面，以IT資源為核心，系統(tǒng)按需求隨機(jī)構(gòu)建，應(yīng)用形態(tài)按需求可多樣變化，突出應(yīng)用創(chuàng)新，以基本的組合和IT資源的域內(nèi)應(yīng)用為主，為不同領(lǐng)域的不同應(yīng)用提供方案和實(shí)現(xiàn)路徑。在這個(gè)層面上，橫向通過(guò)交互作用使IT資源服務(wù)于域內(nèi)的應(yīng)用創(chuàng)新，縱向?yàn)樯蠈拥摹霸紕?chuàng)新”提供支撐，滿足來(lái)自原始創(chuàng)新層面的各種新需求。（2）在原始創(chuàng)新層面，以對(duì)象為核心，以構(gòu)建獨(dú)特對(duì)象模型和新穎的運(yùn)行機(jī)制機(jī)理為主，重構(gòu)與再造域內(nèi)資源，為新的業(yè)務(wù)模型、運(yùn)作機(jī)理提供虛擬仿真和體驗(yàn)服務(wù)。在這個(gè)層面，橫向通過(guò)交互作用實(shí)現(xiàn)域內(nèi)資源的重構(gòu)與再造、實(shí)現(xiàn)機(jī)制創(chuàng)新和模式創(chuàng)新，縱向?yàn)楦邔拥摹袄砟顒?chuàng)新”提供支撐。（3）在理念創(chuàng)新層面，以概念為核心，以多元文化碰撞和不同領(lǐng)域融合為主，為各種領(lǐng)域的交互、碰撞、融合提供平臺(tái)，為理解和深化提供空間，突出“理念創(chuàng)新”。在這個(gè)層面，橫向通過(guò)交互作用實(shí)現(xiàn)域間資源的交融、實(shí)現(xiàn)智能創(chuàng)新和創(chuàng)意呈現(xiàn)，縱向依托社會(huì)進(jìn)步為原始創(chuàng)新提供動(dòng)力。

虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和V-形新型人才培養(yǎng)模式，從理念上根本改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，從滿足新時(shí)代新型人才培養(yǎng)的需求出發(fā)，有分有合，層次遞進(jìn)，為各專業(yè)、各層次的學(xué)生提供了跨門類、跨學(xué)科的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。

2. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

2.1 架構(gòu)

理念的落實(shí)依靠新手段的支撐，根據(jù)教學(xué)體系建設(shè)目標(biāo)，規(guī)劃構(gòu)建一個(gè)部署在云平臺(tái)上的虛擬與現(xiàn)實(shí)融合的新型人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[7]，其架構(gòu)如圖2所示。

在規(guī)劃和具體實(shí)踐上，把該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系劃分為平臺(tái)層、中間支撐層、應(yīng)用層三個(gè)部分。

（1）平臺(tái)層：借鑒云平臺(tái)的資源虛擬化方法，建設(shè)了一個(gè)線上實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)，將所有的實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備和資源虛擬化，對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行重構(gòu)，建設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的實(shí)驗(yàn)資源池，實(shí)驗(yàn)資源可以通過(guò)資源池實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)共享，學(xué)生可根據(jù)自己的實(shí)際需要申請(qǐng)使用。

（2）中間支撐層：該層又分為應(yīng)用創(chuàng)新平臺(tái)、原始創(chuàng)新平臺(tái)、概念創(chuàng)新平臺(tái)三個(gè)部分，對(duì)應(yīng)上節(jié)提到的三個(gè)層面的人才培養(yǎng)需求。該層位于平臺(tái)層和應(yīng)用層之間，包含用到的各種組件和集成的各種接口，提供支持信息訪問(wèn)、傳遞、協(xié)作的集成化環(huán)境。

（3）應(yīng)用層：由虛實(shí)結(jié)合的線上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、真實(shí)場(chǎng)景的線下體驗(yàn)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三個(gè)部分組成。學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)資源分配請(qǐng)求后，資源請(qǐng)求處理通過(guò)動(dòng)態(tài)資源分配算法由資源配置控制系統(tǒng)分配相應(yīng)實(shí)驗(yàn)資源[8-9]。同時(shí)，線下體驗(yàn)系統(tǒng)提供真實(shí)環(huán)境，學(xué)生可以隨時(shí)把線上完成的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換到線下進(jìn)行體驗(yàn)、研究和改進(jìn)。

2.2 實(shí)現(xiàn)流程

基于虛實(shí)結(jié)合的線上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和真實(shí)場(chǎng)景的線下體驗(yàn)系統(tǒng)的新型人才培養(yǎng)模式，因人而異、因“材”施教，培養(yǎng)激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，通過(guò)虛擬與現(xiàn)實(shí)的融合，形成了專業(yè)能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)一體化的全面培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。

（1）應(yīng)用創(chuàng)新階段以提供平臺(tái)、資源為主，線上集成了所有的實(shí)驗(yàn)資源和設(shè)備，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要選取實(shí)驗(yàn)設(shè)備。此階段既可以讓學(xué)生完成規(guī)定的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，更能滿足學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新的想法，提供給學(xué)生創(chuàng)造和創(chuàng)新的平臺(tái)。此階段的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

（2）原始創(chuàng)新層面提供多種工具和環(huán)境，學(xué)生可以利用線上的工具為自己線下的想法提供支撐。在線上實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生如果發(fā)現(xiàn)自己的想法存在問(wèn)題或者與預(yù)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差，可以在線下重新思考、優(yōu)化自己的方案，然后回到線上調(diào)整實(shí)驗(yàn)資源配備，再到線下進(jìn)行體驗(yàn)，如此循環(huán)往復(fù)，激勵(lì)學(xué)生在應(yīng)用創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，不斷深入研究、改進(jìn)已有的方案。

（3）概念創(chuàng)新層面隨著應(yīng)用的不斷深入，從IT領(lǐng)域出發(fā)，服務(wù)于更多領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)驗(yàn)，線上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、線下改進(jìn)方案，線上重構(gòu)和線下形成新的創(chuàng)新靈感，不斷交替進(jìn)行。

2.3 虛實(shí)結(jié)合的線上內(nèi)容體系

與云計(jì)算中資源虛擬化方法相似，線上內(nèi)容體系先部署了一個(gè)云平臺(tái)，然后將實(shí)驗(yàn)課程所需要的硬件資源池化后，部署在這個(gè)云平臺(tái)上，形成實(shí)驗(yàn)課程的資源池，利用動(dòng)態(tài)資源分配算法對(duì)實(shí)驗(yàn)課程資源池的硬件設(shè)備進(jìn)行資源配置，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布給學(xué)生，這種方式使得實(shí)驗(yàn)課程資源池具備與云資源池同樣的伸縮性。

按照類別將課程實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行分類，接入實(shí)驗(yàn)課程資源池，成為線上資源，實(shí)現(xiàn)線下資源的線上轉(zhuǎn)化。接入的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在云計(jì)算技術(shù)中的資源池化技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的課程實(shí)驗(yàn)資源池化的方法，如圖5所示。

將N路非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸入至輸入模塊，通過(guò)其內(nèi)置的非標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行采樣、量化及編碼處理，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。隨后，控制模塊內(nèi)的可編程GPU并行處理器會(huì)根據(jù)輸入模塊預(yù)定義的編碼指令，通過(guò)調(diào)整電平的高低來(lái)控制繼電器陣列中各節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。最后，將經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)通過(guò)總線槽順利輸出。

在對(duì)實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行池化后，我們給學(xué)生提供了一個(gè)基于真實(shí)設(shè)備的真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。此外，我們借鑒云資源虛擬化的方法，將資源重新整合、池化，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的互通共享，因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)又是“虛擬的”。另外，我們?cè)谄脚_(tái)上還整合了大量學(xué)習(xí)視頻，并提供小組討論、學(xué)習(xí)社區(qū)、在線協(xié)助等多種形式的學(xué)習(xí)方式，最大限度地提高實(shí)驗(yàn)效果。

2.4 真實(shí)場(chǎng)景的線下體驗(yàn)系統(tǒng)

我們?cè)跇?gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的線上內(nèi)容體系以后，采用物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)分析等多種相關(guān)技術(shù)搭建一個(gè)線下體驗(yàn)平臺(tái)，提供一個(gè)驗(yàn)證的環(huán)境，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果有真切的體驗(yàn)。同時(shí)，線下還提供先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的展示、體驗(yàn)空間，讓學(xué)生及時(shí)了解最新的前沿技術(shù)，可以開(kāi)闊學(xué)生的思路，為學(xué)生提供新的創(chuàng)意空間。

虛實(shí)結(jié)合的線上實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供了理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但是這樣的環(huán)境可能無(wú)法使學(xué)生遇到一些常見(jiàn)的故障和問(wèn)題。例如，在嵌入式的組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)完成網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)基本了解組網(wǎng)的基本過(guò)程和步驟，并組網(wǎng)成功。然而在線下體驗(yàn)環(huán)節(jié)，在按步驟對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行組裝和配置后，卻發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法聯(lián)通，經(jīng)過(guò)再三確認(rèn)和排查，才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是缺乏天線導(dǎo)致。

平臺(tái)提供多種實(shí)驗(yàn)環(huán)境讓學(xué)生對(duì)其設(shè)計(jì)的作品進(jìn)行測(cè)試。例如，有一位學(xué)生設(shè)計(jì)了一種可以遙控的掃地機(jī)器人，需要一個(gè)場(chǎng)景滿足這個(gè)機(jī)器人在掃地過(guò)程中遇到的一切可能情況（清掃模式、路線規(guī)劃、安全監(jiān)控、功能識(shí)別等），以及對(duì)掃地效果的測(cè)試。

線下體驗(yàn)平臺(tái)還提供了一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)室，用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行行人擁擠的模擬展示，用身臨其境的虛擬環(huán)境展示了環(huán)境和人員密集處人群行為的現(xiàn)實(shí)，高性能的模擬和高效的渲染幀速率技術(shù)。

3. 新型人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的實(shí)踐

蘇州大學(xué)秉承以學(xué)生為核心的理念，遵循興趣與專業(yè)相融合、激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的原則，在計(jì)算機(jī)學(xué)院專業(yè)課程積極探索實(shí)施了綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與特色創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。在新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街?，蘇州大學(xué)將實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過(guò)池化方法全部放到網(wǎng)上，如圖6所示。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由四大組件構(gòu)成：首先是移動(dòng)開(kāi)發(fā)終端，這是一種嵌入式實(shí)驗(yàn)資源；其次是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)驗(yàn)課程提供了網(wǎng)絡(luò)支持；再次是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)池化裝置，將移動(dòng)開(kāi)發(fā)終端與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源整合至一個(gè)資源池中，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、調(diào)配與控制；最后是可伸縮的云開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)集成了實(shí)驗(yàn)所需的所有軟、硬件資源。

此外，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還提供了一個(gè)針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)與測(cè)試環(huán)境，在完成實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，學(xué)生可以在這個(gè)真實(shí)的場(chǎng)景中擁有真實(shí)的體驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)

強(qiáng)化綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，秉持以學(xué)生為核心，促進(jìn)知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)與素質(zhì)提升協(xié)調(diào)并進(jìn)的教育理念，是當(dāng)代教育改革與發(fā)展的必然趨勢(shì)。未來(lái)階段，教育工作者需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上持續(xù)探索并研究新型人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系在其他課程中的改革潛力，同時(shí)，將服務(wù)平臺(tái)的使用對(duì)象從本科生、研究生拓展至更多學(xué)生群體乃至社會(huì)人士。此外，平臺(tái)的應(yīng)用范圍也應(yīng)從PC端向移動(dòng)端延伸，從廣度和深度上全面深化實(shí)踐綜合設(shè)計(jì)與特色創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[10]，以充分發(fā)揮其在新型人才培養(yǎng)中的關(guān)鍵作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷金火，黃敏.中國(guó)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)：實(shí)踐、困境、優(yōu)化——基于中國(guó)部分一流大學(xué)人才培養(yǎng)實(shí)踐的研究[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2022，51（4）：126-135.

[2]杜燕鋒，于小艷.大學(xué)知識(shí)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型與人才培養(yǎng)模式變革[J].高教探索，2019（8）：21-25，31.

[3]張忠華.數(shù)字中國(guó)戰(zhàn)略與中國(guó)式教育數(shù)字化研究[J].中國(guó)教育信息化，2023，29（2）：3-14.

[4]衛(wèi)飛飛，石琦，鐘沖，等.高校實(shí)驗(yàn)室安全信息化建設(shè)探究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2020，39（10）：300-303.

[5]劉革平，高楠，胡翰林，等.教育元宇宙：特征、機(jī)理及應(yīng)用場(chǎng)景[J].開(kāi)放教育研究，2022，28（1）：24-33.

[6]王岳，陳晨，王亞平，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究[J]. 中國(guó)數(shù)字醫(yī)學(xué)，2024，19（2）：42-47，93.

[7]高穎，鐘嘯，許志國(guó)，鄭濤.基于VR的航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008（11）：2925-2930.

[8]程曦，宋鐵成.基于改進(jìn)多目標(biāo)布谷鳥(niǎo)搜索的資源調(diào)度算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2022，39（3）：241-246，253.

[9]樊俊青，王改芳.基于物聯(lián)網(wǎng)工程的新工科實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34（12）：179-182，199.

[10]王保建，王永泉，段玉崗，等.“新工科”背景下國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)與實(shí)踐[J].高等工程教育研究，2018（6）：47-54.