從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)管窺新興工科人才培養(yǎng)

趙沁平

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多學(xué)科交叉融合產(chǎn)生的新技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，探討了由多學(xué)科交叉融合形成的新興工科的特點(diǎn)，并對新工科人才培養(yǎng)中需要處理好的四個(gè)關(guān)系做了闡釋。

關(guān)鍵詞：新工科;虛擬現(xiàn)實(shí);交叉融合;人才培養(yǎng)

一個(gè)國家和民族的人才培養(yǎng)需要優(yōu)化的、充滿活力、與時(shí)俱進(jìn)的教育體系和人才培養(yǎng)機(jī)制，包括基礎(chǔ)教育、本科教育、研究生教育，涉及第一課堂、第二課堂、第三課堂，以及基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程等各個(gè)方面。近年來，隨著社會(huì)對新興工科人才需求日趨旺盛，新工科建設(shè)及其人才培養(yǎng)也引起各級政府和越來越多高校的重視。

虛擬現(xiàn)實(shí)是多學(xué)科交叉融合形成的新興技術(shù)領(lǐng)域，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的生長點(diǎn)，近年來進(jìn)入快速發(fā)展期。虛擬現(xiàn)實(shí)在戰(zhàn)略前沿、學(xué)科交叉、產(chǎn)教融合等方面的特點(diǎn)，滿足新工科的發(fā)展理念與共識(shí)。下面就從虛擬現(xiàn)實(shí)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域入手，談一談對新工科人才培養(yǎng)方面的思考。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）的目標(biāo)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)/構(gòu)想環(huán)境在視、聽、觸覺等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用，相互影響，可以產(chǎn)生親臨相應(yīng)真實(shí)/構(gòu)想環(huán)境的感受和體驗(yàn)。從實(shí)現(xiàn)技術(shù)、呈現(xiàn)方式和應(yīng)用對象的不同，虛擬現(xiàn)實(shí)還可細(xì)分出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality， AR）、增強(qiáng)虛擬（Augmented Virtual， AV）和混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality， MR）等。為論述方便起見，本文不做區(qū)分，統(tǒng)稱其為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是高性能計(jì)算、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人機(jī)自然交互技術(shù)的發(fā)展，人類在模擬真實(shí)世界方向上達(dá)到的最新境界?，F(xiàn)在云計(jì)算、邊緣計(jì)算、人工智能，還有5G的發(fā)展，都將賦能虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用的進(jìn)一步快速發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)可能的顛覆性技術(shù)。它致力于突破2D顯示，實(shí)現(xiàn)各種機(jī)制的三維顯示;突破鍵盤鼠標(biāo)輸入方式，實(shí)現(xiàn)手眼行協(xié)調(diào)的自然交互;突破顯示屏幕的物理尺寸限制，實(shí)現(xiàn)360度全景顯示;突破時(shí)空局限，使體驗(yàn)者沉浸在歷史、未來、宇觀和微觀的逼真環(huán)境中。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的上述顛覆性會(huì)對未來產(chǎn)生重大影響，是繼個(gè)人電腦、智能手機(jī)之后的又一新的計(jì)算平臺(tái)，是各行業(yè)發(fā)展的新的信息支撐平臺(tái)，是新的媒體形態(tài)，是互聯(lián)網(wǎng)未來的新入口和新環(huán)境，可以帶來新的發(fā)展思維和新的技術(shù)路線。未來人類面臨的將是現(xiàn)實(shí)和虛擬兩個(gè)世界，或者是虛實(shí)混合的新世界。

虛擬現(xiàn)實(shí)的概念出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事、航空航天、裝備制造、智慧城市、醫(yī)療、教育等許多行業(yè)取得令人矚目的應(yīng)用成果，成為行業(yè)發(fā)展的新的信息技術(shù)平臺(tái)，“VR +”成為發(fā)展的趨勢。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)快速進(jìn)入大眾消費(fèi)領(lǐng)域，如游戲、旅游、電子商務(wù)等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

構(gòu)建一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大體包括四方面技術(shù)：數(shù)據(jù)獲取、分析建模、繪制呈現(xiàn)、傳感交互。每一方面又都包含如下領(lǐng)域技術(shù)：如芯片與核心器件，包括GPU、PPU、專用芯片、傳感器等;硬件設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集、頭戴顯示、裸眼3D、定位跟蹤、體感自然交互等設(shè)備;軟件特別是平臺(tái)軟件與研發(fā)工具軟件，包括圖形引擎、物理引擎、建模、視頻圖像處理等。由此可見虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)多學(xué)科高度交叉融合的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，會(huì)形成三類VR新型產(chǎn)業(yè)。一是行業(yè)類VR產(chǎn)業(yè)，將會(huì)出現(xiàn)大量行業(yè)VR應(yīng)用系統(tǒng)，助推各行業(yè)實(shí)現(xiàn)升級換代式的發(fā)展。二是大眾消費(fèi)類VR產(chǎn)業(yè)，形成VR游戲娛樂、VR旅游、VR電商等大眾消費(fèi)的新領(lǐng)域。三是專業(yè)化VR產(chǎn)業(yè)，如VR芯片與器件產(chǎn)業(yè)，顯示與交互設(shè)備產(chǎn)業(yè)，數(shù)據(jù)、模型和VR服務(wù)產(chǎn)業(yè)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)需求決定了虛擬現(xiàn)實(shí)人才培養(yǎng)的內(nèi)容。

二、一類新興工科的特點(diǎn)

新興工科的產(chǎn)生主要有兩種渠道。一是從母學(xué)科成長分化而來，例如計(jì)算機(jī)學(xué)科產(chǎn)生于電子學(xué)科和數(shù)學(xué)（計(jì)算機(jī)軟件）;二是由多學(xué)科交叉融合形成新興學(xué)科，環(huán)境科學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等學(xué)科大致如此。

多學(xué)科交叉融合形成的新興學(xué)科主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

（1）以新興技術(shù)為核心。新興技術(shù)經(jīng)過幾十年發(fā)展，逐步成熟，開始顯現(xiàn)應(yīng)用效果和市場潛力，帶來旺盛的人才需求，使得早期以培養(yǎng)碩士、博士為主的科學(xué)研究方向，轉(zhuǎn)化為培養(yǎng)較大規(guī)模，包括本科、?？圃趦?nèi)的多層次人才的新興學(xué)科專業(yè)。從人才培養(yǎng)的角度來看，新興技術(shù)一定要成為相應(yīng)新工科專業(yè)的核心知識(shí)和核心課程體系，比如虛擬現(xiàn)實(shí)的核心就是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、自然人機(jī)交互等;人工智能則要以啟發(fā)式搜索、機(jī)器推理、機(jī)器學(xué)習(xí)等為核心知識(shí)和核心課程體系。

（2）具有“+”的特點(diǎn)。多學(xué)科交叉融合形成的新興學(xué)科具有一定的通用性，對人類生活和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)許多行業(yè)的發(fā)展帶來深刻影響，具有“XXX +”的特征。前文已經(jīng)介紹了“VR+”的相關(guān)情況，同時(shí)我們還可以看到“智能+”，實(shí)際上芯片也有“+”的特征。新興學(xué)科“+”的特點(diǎn)正在有力支撐和快速促進(jìn)各行各業(yè)的發(fā)展。這一特點(diǎn)也與人才培養(yǎng)的課程設(shè)計(jì)有關(guān)，因而對新工科專業(yè)人才的知識(shí)面和復(fù)合性提出了要求。

（3）計(jì)算技術(shù)是支撐。計(jì)算技術(shù)是這些新興學(xué)科領(lǐng)域的支撐技術(shù)，因此一般性計(jì)算機(jī)知識(shí)和軟件編程能力應(yīng)當(dāng)是這些學(xué)科專業(yè)人才的基本要求。

（4）技術(shù)發(fā)展迅速。 新興技術(shù)都處于發(fā)展階段，學(xué)科專業(yè)的知識(shí)更新迭代迅速，要求人才有比較強(qiáng)的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和適應(yīng)能力。

以上四方面的特點(diǎn)，對新工科人才培養(yǎng)提出了一定的基本要求。廣大教師要充分利用已有的豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮第一課堂、第二課堂、第三課堂的育人作用，共同推動(dòng)人才培養(yǎng)質(zhì)量提升。

三、需要處理好的幾個(gè)關(guān)系

（1）通識(shí)教育和專業(yè)教育的關(guān)系。改革開放之前本科教育是我國教育的最高層次，各行業(yè)的高層次人才，包括高校教師和科技人員基本都是本科畢業(yè)生。改革開放之后，我國設(shè)立學(xué)位制度，增加了碩士和博士兩類高層次人才培養(yǎng)，本科教育成為高等教育的基礎(chǔ)。本科教育既要向社會(huì)輸送優(yōu)秀專業(yè)人才，又要向研究生教育輸送優(yōu)質(zhì)生源，要具有較高的人文素養(yǎng)，新興工科專業(yè)也是如此。因此，不同高校要明確自己新興工科本科教育的培養(yǎng)目標(biāo)，把握好通識(shí)與專業(yè)教育課程的布局、設(shè)置和安排。

（2）新興/交叉學(xué)科與母學(xué)科的關(guān)系。虛擬現(xiàn)實(shí)涉及和源自計(jì)算機(jī)、控制、光學(xué)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科。今天的人工智能是早期人工智能、模式識(shí)別、智能控制、自然語言處理等多個(gè)方向的統(tǒng)稱。新興/交叉學(xué)科源自不同的學(xué)科，有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，其發(fā)展與母學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)。是從母學(xué)科分離出來單獨(dú)設(shè)立新的學(xué)科，還是依然各自在母學(xué)科中由不同學(xué)科合作進(jìn)行科學(xué)研究和人才培養(yǎng)，這是值得認(rèn)真思考的問題。各高校的校情不同，人才培養(yǎng)的模式和機(jī)制選擇也應(yīng)有所不同，不宜一刀切。

（3）系統(tǒng)集成與學(xué)科交叉的區(qū)別和關(guān)系。一般裝備，大到飛機(jī)、艦船，小到手機(jī)、VR頭戴顯示器，都是不同專業(yè)產(chǎn)品的集成，涉及集成創(chuàng)新，這不同于學(xué)科交叉融合。也有許多產(chǎn)品是不同學(xué)科交叉融合創(chuàng)新的結(jié)果，創(chuàng)新的重要源泉。因此，新興工科專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)，需要考慮系統(tǒng)集成與學(xué)科交叉的區(qū)別和關(guān)系。

（4）學(xué)科交叉科學(xué)研究與交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的區(qū)別和關(guān)系。學(xué)科交叉研究是不同學(xué)科的專家圍繞一個(gè)共同的對象和目標(biāo)進(jìn)行合作研究，交叉學(xué)科人才培養(yǎng)是要培養(yǎng)具有不同學(xué)科知識(shí)的復(fù)合型人才。兩者都應(yīng)主要靠機(jī)制解決。各高校采取的模式、體制可以是多樣化的，都應(yīng)該追尋各具特色的發(fā)展道路。

綜上所述，在新工科專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)過程中，要遵循學(xué)科發(fā)展規(guī)律、人才培養(yǎng)規(guī)律和辦學(xué)規(guī)律，因校而異，夯基礎(chǔ)、重特色，多樣化培養(yǎng)高素質(zhì)高質(zhì)量新興工科人才。

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