浅析三维虚拟互动技术在高校美术教育中的应用

来源:用户上传      作者: 刘梵均

　　摘 要： Web3D技术是一种网络技术和三维技术相结合的技术方案，对美术教学而言，引入Web3D内容必将达到很好的在线教学效果。作为一种Web技术，Web3D技术对教学系统在时间与空间上进行了扩展，突破了时空限制的瓶颈，更易于建立虚拟实验室、虚拟教室、虚拟社区和虚拟教育系统等虚拟学习环境。作为一种计算机三维技术，Web3可以帮助学生理解和掌握与空间有关的知识，特别是美术教学的理论基础课、电脑实践课、音乐鉴赏课等。与传统的美术教育相比较，三维虚拟互动课件具有更强的交互性，可对学习研究对象进行三维交互，便于制作具有交互功能的网络三维互动课件。
　　关键词： Web 3D 三维虚拟现实 远程3D虚拟教育 3D课件
　　
　　一、引言
　　20世纪90年代，随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，三维虚拟互动技术引起我国学术界的极大兴趣与关注，三维虚拟互动技术的研究和开发，包括虚拟场景、虚拟人物、虚拟环境等，正朝着深度和广度发展。我将分析三维虚拟互动技术在美术教育中的应用，分析将这项技术在美术教育中各个方面的优势，以及对未来的美术教育的设想。随着中国的人口问题日益严重，教育问题将是整个社会的问题，也是社会发展的主要矛盾，而师质力量就是主要矛盾的主要方面。教学环境、教学设备、课堂气氛等，就是次要方面。如何利用三维虚拟技术提高教育的硬件和软件，特别针对美术教育这个范畴，我将会结合现代科技进行细致的分析和大胆的预测。
　　二、当代三维虚拟互动技术的概况
　　1.三维互动技术的基本分类
　　三维虚拟互动，包括虚拟现实与制造，以及虚拟互动，近20年来，计算机科学和信息科学迅速发展，已经和正在促使人类生活、生产方式发生革命性的变化，全球正经历着由传统经济向知识经济、网络经济的转变。利用信息技术改造传统制造业已成为现代制造业发展的必由之路，信息技术也已成为现代制造业的技术基础。
　　虚拟现实技术（Virtual reality）是众多相关科学与计算机图形学，智能控制技术和心理学等领域的最新成果。
　　虚拟制造（Virtual Manufacturing）是以计算机为基础，对计算机建模与仿真，虚拟现实，在计算机网络环境下群组协同工作，模拟产品的整个制造过程，对一系列的工序，如产品设计、加工、性能分析、销售等作出综合评价，以增强制造过程的正确决策和控制能力。
　　虚拟互动（virtual interactive）包括网络互动，以及计算机人工智能仿生互动艺术（AI），现在的网络技术已经趋于成熟，如网络通讯、网络交易、网络娱乐等。在网络户动功能上基本上是人，计算机是被动的互动形式，当虚拟互动加入人工智能仿生，那么计算机里的生物就会像现实世界的生物一样生长，而且能与生物发生互动。
　　2.三维虚拟互动技术的产生及发展
　　三维虚拟互动技术，主要是虚拟现实技术（VR）。虚拟现实技术就是用相关的学科，来源于电影技术。20世纪50年代，科学家们利用人类两眼之间的视觉位置差技术的立体电影，利用接近为人眼水平视角的宽荧幕电影，水平视角与垂直都达到360度的原理，制造出球幕电影①。现在的虚拟现实技术已经配合了多种虚拟接口传感器，如数据手套（DATA GLOVE）等。再配合现代投影器，利用VGX控制，交替显示左右眼观察图形，用户则佩戴一种左右镜片交替“开”（透光）、“闭”（遮光）的液晶光闸眼镜，虚拟出虚拟的环境和真实的触摸感。虚拟现实技术，主要目的是研究使用者的视觉与触觉，利用高科技虚拟出真实或者虚幻的人或物，令用户有种身临其境的感觉。
　　3.三维虚拟与互动技术的现状
　　目前，虚拟现实技术在航天领域中应用发展得最快。其中，777运输机的全无纸化设计，哈勃太空望远镜修复前的宇航员的训练和飞行仿真里面，运用此技术最广也最成功，利用三维空间建模降低成本，虚拟制造提供虚拟真实测试环境，计算机分析数据，减少浪费。在外国的许多拍卖会，博物馆为了保存真品，会利用三维仿真立体使虚拟再现古董或珍宝。而互动技术也越来越成熟，从网络互动到现在的真实虚拟互动，通过三维感光投影仪、感光摄像头在广州的动漫星城，利用感光的光学仪器，对投射出的3维或2维场景，进行人机互动，如人经过感光摄像头，将在液晶屏幕上看到换了2维发型的自己，还有3维感光投影仪，投影仪从天花板投影在地上的小型足球场，加上足球，利用感光设备，两个人就可以在虚拟的足球场上踢虚拟的足球。变场景后，人经过投射的范围，人经过的地方就会开出虚拟的花朵或烟花。但是投影技术还需要传播介质，如白色的墙，或幕布，还有水幕，相信将来10年内会有通过空气介质可以传播的投影仪。
　　三、三维虚拟互动技术与高校美术教育
　　1.当前高校美术教育师资力量所面临的压力
　　目前学校教师队伍老化严重，应把更多励志从事教育工作的师范院校学生，纳入教师队伍。青海西宁第十四中学庞晓丽委员说，教育部推出师范免费院校试点太少，大多数贫困家庭的孩子享受不到这项优惠政策。由于对教师考核过于单一，教师行业压力大，待遇低、家庭条件好的学生不愿报师范，尤其是西部边远地区，加上扩招的缘故，教师从二十世纪八十年代的30个人一个班，到现在的60个人一个班，间接使教育质量下降。如果能逐步扩大试点免费师范教育试点，使家境贫寒、学习优秀的师范院校学生补充到西部教育队伍，将会形成良性循环。在南部地区，人口密度集中，学校扩招情况严重，有些高中学校一个年级有16个班，更有些中专、技校，只要交学费都收，造成教学质量下降。在大学，美术教育问题也很突出，高校扩招，教师不足，编制老师有指标不能想招就招，也导致很多教师要同时教一到两科或者几科不是自己领域的课程，间接导致质量下降。
　　2.高校美术教育与教学模式的现状
　　目前高等院校艺术设计师资的解决，一部分是通过将自己院校培养出来的毕业生留校任教或引进其他艺术设计院校的毕业生直接作为教师启用，这部分教师虽然学历较高（高等院校教师目前普遍要求硕士及以上学历），但职称偏低，普遍缺少教学经验和社会实践，教学水平大打折扣；另一部分则是从美术专业转行艺术设计的，这部分教师多采用短期进修、培训或自学的方式转入艺术设计，没有接受过专业艺术设计教育，也不具备艺术设计实践经验，大多数人很难胜任艺术设计的教学工作。现在高校教学模式基本有三种模式：A类：教课书及教学参考书提供的知识；B类：教师个人知识；C类：师生互动产生的新的知识。在大部分传统模式中，课程与教学分离。教学计划和大纲由国家规定，教材和教学参考书由专家编写，教师教学参考书资料去教学，强调学生对教科内容的记忆与内化，A型知识占绝对优势，很少有B型，几乎没有C型的知识。②
　　3.三维虚拟互动技术在美术教育领域广泛运用的可行性
　　针对这种情况，三维虚拟互动技术就能基本解决美术教育的问题了。美术教育分成理论欣赏课和实操实践课：
　　（1）理论欣赏课的传统与前瞻的对比
　　①传统模式
　　老师在台上讲，学生在位子上听，加入了三维虚拟户动技术后，学生都戴上三维光闸眼镜，在老师的控制下看到三维立体的中国或外国的艺术家，而且模拟仿真，让这些艺术家做自我介绍，介绍自己的作品和制作过程，并播放艺术家们的成长过程。这是理论课用的模式，课程包括艺术概论、雕塑理论课、速写、色彩和素描的理论教学等。
　　②创新模式
　　老师拿着3D遥控器，在一个没有凳子没有桌子，只有一台电脑、四台立体投影仪，还有2―3套的数据手套的房间里教学。这是欣赏课的模式，如MTV、导演基础、音乐欣赏课、版画欣赏，等等。通过三维立体感光投影仪器，加上戴的光闸眼镜和用的数据手套，学生们会感受到虚拟真实的场面，包括战争场面、敦煌石窟里面的场面、西方宫廷内部场面、世界各个古迹的场面，等等。使用数据手套，学生们还能感受方针古董、远古武器、古人的衣物的重量、质感，等等。且无线蓝牙数据手套有传感器会根据电脑的同步数据，自行调节手套的对学生手的压强和重量，使触摸虚拟物品更加真实，再加上感光的投影仪，学生走动，电脑都会知道，并对学生附近的物品进行解说。通过蓝牙耳机，老师与学生一齐感受虚拟真实环境外，老师还负责切换场景，如果不小心摔坏了虚拟物品，电脑还能仿真落地的碎片和声音，仿真同学走在地上的声音。

　　（2）电脑实践课程
　　①传统模式
　　工业设计、工艺美术、动画、环艺、园林、平面设计、服装CAD图等运用电脑作为主要工作途径的专业，传统的教学基本都是学生一人一部电脑，老师在台上控制另一台电脑，学生在自己的电脑上看到老师的操作，从中学习软件的操作。
　　②创新模式
　　加入了三维立体感光投影仪，电脑就会摆放或一个圈，中间一个位子，顶上放4个立体投影，分别播放老师的模型四个面，呈立体形状，加上投影台，学生就不用带闸光眼镜了，直接可看到立体，而老师在台上也可以直接切换学生电脑工作的界面，投射在中间的立体画面，供老师随时批改与调整。如果有什么创作项目的话，老师与学生就共同控制一个模型，对模型的部分删减或者增加。老师还可以播放立体教程，师生一齐围在投影台前看，一齐研究步骤。特别在服装这个专业，利用感光投影和摄像机，使学生设计完立体虚拟衣服后，站在镜头面前还能换调身上的衣服，实体还没做出来就可以有该衣服穿在自己身上的效果图。或者穿在各种虚拟模特的身上，等同学完成课程的作业时，还可以虚拟大型的时装发布会。
　　（3）专业实践练习课程
　　①传统模式
　　老师带领学生上课，以需要模特或者静物的课程来举例，模特或者静物放置中间，老师与学生都围着模特或者静物写生，模特每半小时休息10分钟，学生则是45分钟一节课，这样会导致几个问题。艺术练习也是创作的一部分，只要进入状态，就很不希望被打断，因为时间问题，在很多情况下积极性就会降低。又如色彩课上，包括国画、水粉、水彩、油画、书法等，经常会因为打翻水，或者不小心搞脏衣服、板或者物品，造成清理的麻烦。在老师方面，有时候，老师会在忙于对模特的写生而忽略学生，有时候会因对某个学生的辅导而忽略其他学生的提问，更有时候会因为某些原因不能及时来上课导致学生要自己做画。在学生方面，有水平差距，如何妥善处理这些差距是提高教学质量的首要问题。
　　②创新模式
　　依然是围着模特写生，模特是通过三维立体投影、电脑虚拟投射出来的，可以随意调节模特的身材、相貌、性别、衣着等，而且能放大缩小模特的局部，如肌肉或者衣服，这样就可以把模特写生统一在一个课程上教，如人体速写、半身素描、人物速写，而学生就不再用传统的画板了，取而代之的是数位板，一张4开的数位版，数位笔会模拟各种笔的效果。利用已经存在的科技，在数位板上，老师可以随意切换板上的画面，切换至学生正在写生的画面，立刻做出修改，还可以使画面变成一半写生，一半模特，与之比较。（其实数位板就是个液晶显示器）在教室头顶上的三维投影仪，能虚拟出艺术馆走廊的环境，或者森林的环境等优美的环境，配合仿真声音，使师生们更加进入做画状态。在色彩课上，不同的型号数位笔，代替不同型号的水粉或者油画笔。电脑的画笔工具能模拟出真实的笔触效果。在陶艺或者雕塑、版画课上，开始练习阶段，完全可以用电脑虚拟出来，从而节省原料的浪费。还可以利用数据手套、光闸眼镜、数位笔仿真雕刻刀、仿真真实的压强虚拟出真实的感觉和效果。
　　（4）老师教案及备课的安排
　　①传统模式
　　老师会在上课前的前一两天的时间，把要教的课程安排好，每一节课需要教授的知识，用PPT制作成教案，或者想好静物、模特的安排，第二天按照昨天所想的去安排课程。如果老师当天有事，就可以打电话给班长安排当天的练习，或者将课程延后。
　　②创新模式
　　老师会把课程分类，把第二天的课程的场景安排进去，以及师生互动因素安排在里面，已经不是POWERPOINT简单的视频教学。利用3维立体投影仪，如何利用场景结合当天所学的知识，提高学生们的兴趣，如课程需要还可以进行不同专业的体验（上部分有解说），或者与另一个教室上课的学生进行互动，互相切磋，都可利用3维立体投影进行同步。因为教师的短缺，有时高校老师会同时上不同的课程，所以该技术为老师提供了很多的方便。当一些理论课，或者简单的素描、色彩课可以不要实体老师做陪，而是利用预先做好的虚拟老师的教育课程（可循环利用），也就是老师的教案并不局限课程，还会把自己算在内，当导入AI（人工智能），虚拟老师就可以回答一些学生常问的问题，如作品的人物背景，为什么要创作此作品。修改学生常犯的错误，如明暗问题、结构问题等。这些都要实体老师总结出来，放入电脑中，设置好教案后，老师就可以将远程传入教室的电脑里，第二天同时上其他课程的课了，或者进行远程监控或远程教育。这样老师临时有事时，课程也不必延后了。
　　四、结语
　　虽然许多内容都是通过幻想出来的，但是爱因斯坦说过：想象力远比知识重要。通过这种传统模式与创新模式的对比，更能得出创新模式的优势。学生十分了解国内教育水平的不足，更看到老师们的吃力教学。当代的教育模式，经常会使学生和老师陷入一种僵持的状态，学生没兴趣听，老师没激情教。创新模式必然要出现，除了要有先进的技术支持外，还要将先进技术用到美术教育上，如何用、怎么用、什么效果这三个问题就是我所要探讨的，也是未来创新模式的发展路线和前瞻。
　　
　　注释：
　　①周祖德.虚拟现实与虚拟制造.湖北科学技术出版社，2005.2.
　　②王大根.美术教案设计.上海人民美术出版社，2007.1.
　　
　　参考文献：
　　［1］白雪竹，李颜妮.互动艺术创新思维.中国轻工业出版社，2007，（1）.
　　［2］周祖德.虚拟现实与虚拟制造.湖北科学技术出版社，2005，（2）.
　　［3］张树生，杨茂奎，朱名铨.虚拟制造技术.西北工业大学出版社，2006，（2）.
　　［4］王大根.美术教案设计.上海人民美术出版社，2007，（1）.

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