杨 静 吉晓阳
1.贵州大学公共大数据国家重点实验室，贵州 贵阳 550025；
2.贵州大学计算机科学与技术学院，贵州 贵阳 550025
随着我国经济飞速发展，培养高校创新型人才存在一些普遍问题：培养模式不完善、缺少实践机会、实际问题解决能力弱，以及整体创新能力的有待提高［1］。为了降低创新设计类学科的创新门槛，给学生提供更多设计方案的反馈，并提供一个学习交流的社区，论文提出元宇宙技术引领下的新工科创新设计类课程教学方法，以元宇宙教育教学平台为媒介［2］，通过促进“产—学—研”的紧密结合，探索在“互联网+”环境下创新工程教育教学方法，来解决新工科创新设计类专业学生创新能力缺乏的根本问题，从而提高工程教育效率，提升教学质量。
在创新设计类课程中，元宇宙中的产品将不再受限于物理材料和生产流水线的限制。元宇宙还可以帮助使产品更具可持续性，因为改变设计或创造新的变体，将不再需要额外的生产过程或产生更多新材料的浪费。在产品设计方面，工业元宇宙平台允许用户模拟产品应用过程中的环境因素，并基于元宇宙平台上设计的产品模型，直观、准确地模拟产品各部分的工作原理，从而有效验证产品性能［3］；
在协同设计方面，创新的产品设计可以突破区域限制，支持多方协同设计，让用户参与到产品设计中，并能在元宇宙平台上体验自己设计的产品。在用户体验方面，用户通过更深入参与元宇宙平台的产品研发，生产更贴近用户需求的产品，从而增强用户体验。
元宇宙是具备新社会系统的数字生活空间，其是通过科技手段进行链接与创造，并由现实世界映射并进行相互互动的虚拟世界［4］。元世界本质上是现实世界的虚拟化和数字化过程，需要在内容生产、经济系统以及用户感受等方面进行改造提升［5］。然而，元宇宙的演变是渐进的，以共享的基础设施、标准和协议为基础，通过融合不同的工具、平台，从而最终成形［6］。元宇宙通过增强现实技术给用户营造沉浸式体验，借助数字孪生技术创建现实世界的镜像，使用区块链技术构建经济系统，将现实世界与虚拟世界在文化、经济、社交等系统上紧密融合，并且用户可以完成内容生产和世界编辑［7-8］。元宇宙产业体系分为基础设施层、核心层和应用服务层。
应用层包含经济系统、社交系统、身份系统等，经济系统中包括：数字人、虚拟场景、虚拟人社交、虚拟人办公、虚拟人生产、虚拟人学习等；
行业端应用服务包括：虚拟工厂、生产制造、营销销售、大数据治理等；
形成完整的“元宇宙”后，其将赋能工业、教育、视频、娱乐、媒体、文化创意、会展、日常办公等领域［9］，打造信息消费新商业模式，带来人类生产生活方式的颠覆性变化。
核心层由虚拟化、数字化、数字孪生、虚实共生技术与产品支持。其中包含接入“元宇宙”的各类终端以及这些终端所需要的基础软硬件，如：芯片、显示器件、可穿戴设备、VR、AR、XR、MR 等；
时空生成包含将真实物体数字化所需的技术工具，如：操作系统、3D 建模、数字孪生、实时渲染、导航定位、融媒体平台、设计平台等；
交互体验包含“元宇宙”中的各类交互技术，例如，动作捕捉、眼动追踪、语音交互、力反馈；
产业平台包括游戏、社交、学习平台、随机接口等；
虚拟社会架构包括信用体系、安全体系［10］、道德伦理等。
基础设施层包含通信网络基础设施（5G/6G网络、物联网、互联网等）、算力基础设施（数据中心、智能计算中心、分布式存储等）和新技术基础设施（云计算、区块链、人工智能等），主要负责数据的实时传输、存储计算、挖掘分析；
区块链搭建经济体系，解决安全问题［11］等。
（一）新工科创新设计类课程创新起点太高，可继承共享的资源少
设计一个用于实际生活的完整机械系统，对任何一个学生来说都极具挑战性。因为大部分学生缺少可以学习的先验知识，并且缺乏改进已有系统的“微创新”机会［12］。目前，机械领域还没有真正的学习交流社区，且学生在设计时既没有可以参考的直观模型，也不能学习到完整的机械设计方案，导致目前大部分学生进行创新思考的机会很少。
（二）没有验证知识的机会，进而无法获得知识的反馈，很难进步
新工科创新设计类课程是一门强调实践的学科。在没有实际制造的情况下，通常无法验证学生设计或改进的机械、装置或完整的机电系统是否合理或具有实用性。然而，这种实际制作的机会极少，而通过计算机仿真来检验的门槛太高，又缺少提供分享和交流的学习社区平台，使得学生无法对创新设计的合理性进行验证，也就无法获得反馈进而对创新设计类模型和方案进行改进和创新。
（三）缺乏“企业—学生—教师”之间的交流共享平台
非常缺乏诸如源码、设计方案、完整的创新设计模型等共享资源，以及“企业—学生—教师”之间围绕设计问题能够方便沟通交流的平台。目前，学术论文和专利是创新设计领域知识共享重用的主要来源，但这些远远不能满足创新设计类专业学生对知识创新的需求。数据、方案和模型的开源共享更具有继承性、重用性以及延续性，可以看出，提高创新设计类学科创造性的一个重要途径，就是缺乏开放贡献交流平台，进而提高学生的创新能力。
（一）元宇宙课程思政
元宇宙环境下的新工科创新设计类课程，将具有“虚实融合化、沉浸互动化、场景个性化、智能服务化”的特点［13-14］。新工科创新设计类课程思政，旨在多维立体地展现历史文化，让学生回顾相关历史文化。采用元宇宙交互技术、电子游戏技术等，对相关课程历史和政治，从时间与空间进行重构，让学生能够在有限的时间和空间里，切身感受到相关课程的无穷魅力与韵味，引发学生对该课程文化认同，可以足不出户，实现穿越时空隧道，身临其境感受相关课程的悠久历史；
通过元宇宙新工科创新设计类课程的时空密码，将相关课程的过去、现在、未来，通过虚实结合的手法巧妙展现，通过体验和想象，不断勾勒出对创新设计类课程的全新理解。
（二）元宇宙实践教学
元宇宙需要以数据为基础，实质是5G、人工智能、区块链、云计算、大数据、VR、AR、脑机接口、物联网等技术的交叉作用、相互促进的结果［15］。元宇宙的“沉浸感”“低延时”“随时随地”特性，不仅对VR/AR 硬件技术和网络传输系统提出更高的要求，还需要强大的云计算和大数据能力。将创新设计类课程进行数字化、网格化、智能化，解决上课过程中可能的各种问题；
在基于元宇宙知识图谱数据连通、碰撞的基础上进行融合分析，去发现元宇宙引领下的学生上课学习规律、与企业的互动规律；
通过元宇宙对学生数据资源进行管理，实现数据空间和现实空间的联动，通过元宇宙对数据有序组织与提炼，从中发现规律、支撑决策、凝结智慧，让所有的数据变得有生命，实现教育元宇宙全生命周期的大数据治理，辅助学生进行创新设计，提高教师教学水平。
（三）元宇宙课后管理
通过课程元宇宙平台可进一步了解学生对课后的学习情况，以及给予学生“微创新”的机会去改进现有的系统。通过在元宇宙中留存往届学生的课程作品，使得当前学生能够直观感受到课程的学习成果。同时，这也提供了先验知识以能够对现有系统进行创新或者了解别人的想法，以更好地完成自己的作品。教师通过在元宇宙中查看学生作品的完成情况，能够及时掌握当前的学习状况，从而根据实际情况去增强新工科创新设计课程中学生薄弱的地方。通过元宇宙平台，用智能化数据分析的方式，深入剖析学生知识掌握情况和课后反馈情况，并从中发现学生想法或者作品的闪光点，更好地引导学生通过元宇宙平台，实现自己的想法或者进一步完善自己的作品。通过课程元宇宙平台进行课后管理，是对完善新工科创新设计课程进一步探索，让课后管理变得更加直观高效，从而提升教学质量。
（四）元宇宙“企业—学生—教师”之间的交流平台
通过教育元宇宙平台，可在创新设计教学时，设计产品使用的环境因素、人文因素等进行重建，基于教育元宇宙平台设计的产品模型，可以直观准确地模拟产品的各部分是如何工作的，并有效验证产品的性能。教育元宇宙能够突破地域限制，支持“企业—学生—教师”之间的交流共享，共同设计［16］。学生还可以在教育元宇宙平台上参与产品设计，以及感受其他设计的产品。在学生体验方面，教育元宇宙平台上的产品开发，需要学生的深度参与，则可以进一步吸引学生的积极性并提升参与度。
打造教育元宇宙平台是培养新工科创新型人才的摇篮，对于促进我国领域创新，提升我国新工科行业竞争力有着重要的推动作用。在元宇宙技术引领下，打造新工科创新设计类课程，优化教学方法，有助于教师融入课程思政内容，推动教学改革，让“企业—学生—教师”交流共享，以教育元宇宙的方式发挥创造的积极性。
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