淺析三維虛擬互動技術在高校美術教育中的應用

　　摘 要： Web3D技術是一種網絡技術和三維技術相結合的技術方案，對美術教學而言，引入Web3D內容必將達到很好的在線教學效果。作為一種Web技術，Web3D技術對教學系統在時間與空間上進行了擴展，突破了時空限制的瓶頸，更易于建立虛擬實驗室、虛擬教室、虛擬社區和虛擬教育系統等虛擬學習環境。作為一種計算機三維技術，Web3可以幫助學生理解和掌握與空間有關的知識，特別是美術教學的理論基礎課、電腦實踐課、音樂鑒賞課等。與傳統的美術教育相比較，三維虛擬互動課件具有更強的交互性，可對學習研究對象進行三維交互，便于制作具有交互功能的網絡三維互動課件。
　　關鍵詞： Web 3D 三維虛擬現實 遠程3D虛擬教育 3D課件
　　
　　一、引言
　　20世紀90年代，隨著計算機圖形學、計算機系統工程等技術的高速發展，三維虛擬互動技術引起我國學術界的極大興趣與關注，三維虛擬互動技術的研究和開發，包括虛擬場景、虛擬人物、虛擬環境等，正朝著深度和廣度發展。我將分析三維虛擬互動技術在美術教育中的應用，分析將這項技術在美術教育中各個方面的優勢，以及對未來的美術教育的設想。隨著中國的人口問題日益嚴重，教育問題將是整個社會的問題，也是社會發展的主要矛盾，而師質力量就是主要矛盾的主要方面。教學環境、教學設備、課堂氣氛等，就是次要方面。如何利用三維虛擬技術提高教育的硬件和軟件，特別針對美術教育這個范疇，我將會結合現代科技進行細致的分析和大膽的預測。
　　二、當代三維虛擬互動技術的概況
　　1.三維互動技術的基本分類
　　三維虛擬互動，包括虛擬現實與制造，以及虛擬互動，近20年來，計算機科學和信息科學迅速發展，已經和正在促使人類生活、生產方式發生革命性的變化，全球正經歷著由傳統經濟向知識經濟、網絡經濟的轉變。利用信息技術改造傳統制造業已成為現代制造業發展的必由之路，信息技術也已成為現代制造業的技術基礎。
　　虛擬現實技術（Virtual reality）是眾多相關科學與計算機圖形學，智能控制技術和心理學等領域的最新成果。
　　虛擬制造（Virtual Manufacturing）是以計算機為基礎，對計算機建模與仿真，虛擬現實，在計算機網絡環境下群組協同工作，模擬產品的整個制造過程，對一系列的工序，如產品設計、加工、性能分析、銷售等作出綜合評價，以增強制造過程的正確決策和控制能力。
　　虛擬互動（virtual interactive）包括網絡互動，以及計算機人工智能仿生互動藝術（AI），現在的網絡技術已經趨于成熟，如網絡通訊、網絡交易、網絡娛樂等。在網絡戶動功能上基本上是人，計算機是被動的互動形式，當虛擬互動加入人工智能仿生，那么計算機里的生物就會像現實世界的生物一樣生長，而且能與生物發生互動。
　　2.三維虛擬互動技術的產生及發展
　　三維虛擬互動技術，主要是虛擬現實技術（VR）。虛擬現實技術就是用相關的學科，來源于電影技術。20世紀50年代，科學家們利用人類兩眼之間的視覺位置差技術的立體電影，利用接近為人眼水平視角的寬熒幕電影，水平視角與垂直都達到360度的原理，制造出球幕電影①。現在的虛擬現實技術已經配合了多種虛擬接口傳感器，如數據手套（DATA GLOVE）等。再配合現代投影器，利用VGX控制，交替顯示左右眼觀察圖形，用戶則佩戴一種左右鏡片交替“開”（透光）、“閉”（遮光）的液晶光閘眼鏡，虛擬出虛擬的環境和真實的觸摸感。虛擬現實技術，主要目的是研究使用者的視覺與觸覺，利用高科技虛擬出真實或者虛幻的人或物，令用戶有種身臨其境的感覺。
　　3.三維虛擬與互動技術的現狀
　　目前，虛擬現實技術在航天領域中應用發展得最快。其中，777運輸機的全無紙化設計，哈勃太空望遠鏡修復前的宇航員的訓練和飛行仿真里面，運用此技術最廣也最成功，利用三維空間建模降低成本，虛擬制造提供虛擬真實測試環境，計算機分析數據，減少浪費。在外國的許多拍賣會，博物館為了保存真品，會利用三維仿真立體使虛擬再現古董或珍寶。而互動技術也越來越成熟，從網絡互動到現在的真實虛擬互動，通過三維感光投影儀、感光攝像頭在廣州的動漫星城，利用感光的光學儀器，對投射出的3維或2維場景，進行人機互動，如人經過感光攝像頭，將在液晶屏幕上看到換了2維發型的自己，還有3維感光投影儀，投影儀從天花板投影在地上的小型足球場，加上足球，利用感光設備，兩個人就可以在虛擬的足球場上踢虛擬的足球。變場景后，人經過投射的范圍，人經過的地方就會開出虛擬的花朵或煙花。但是投影技術還需要傳播介質，如白色的墻，或幕布，還有水幕，相信將來10年內會有通過空氣介質可以傳播的投影儀。
　　三、三維虛擬互動技術與高校美術教育
　　1.當前高校美術教育師資力量所面臨的壓力
　　目前學校教師隊伍老化嚴重，應把更多勵志從事教育工作的師范院校學生，納入教師隊伍。青海西寧第十四中學龐曉麗委員說，教育部推出師范免費院校試點太少，大多數貧困家庭的孩子享受不到這項優惠政策。由于對教師考核過于單一，教師行業壓力大，待遇低、家庭條件好的學生不愿報師范，尤其是西部邊遠地區，加上擴招的緣故，教師從二十世紀八十年代的30個人一個班，到現在的60個人一個班，間接使教育質量下降。如果能逐步擴大試點免費師范教育試點，使家境貧寒、學習優秀的師范院校學生補充到西部教育隊伍，將會形成良性循環。在南部地區，人口密度集中，學校擴招情況嚴重，有些高中學校一個年級有16個班，更有些中專、技校，只要交學費都收，造成教學質量下降。在大學，美術教育問題也很突出，高校擴招，教師不足，編制老師有指標不能想招就招，也導致很多教師要同時教一到兩科或者幾科不是自己領域的課程，間接導致質量下降。
　　2.高校美術教育與教學模式的現狀
　　目前高等院校藝術設計師資的解決，一部分是通過將自己院校培養出來的畢業生留校任教或引進其他藝術設計院校的畢業生直接作為教師啟用，這部分教師雖然學歷較高（高等院校教師目前普遍要求碩士及以上學歷），但職稱偏低，普遍缺少教學經驗和社會實踐，教學水平大打折扣；另一部分則是從美術專業轉行藝術設計的，這部分教師多采用短期進修、培訓或自學的方式轉入藝術設計，沒有接受過專業藝術設計教育，也不具備藝術設計實踐經驗，大多數人很難勝任藝術設計的教學工作。現在高校教學模式基本有三種模式：A類：教課書及教學參考書提供的知識；B類：教師個人知識；C類：師生互動產生的新的知識。在大部分傳統模式中，課程與教學分離。教學計劃和大綱由國家規定，教材和教學參考書由專家編寫，教師教學參考書資料去教學，強調學生對教科內容的記憶與內化，A型知識占絕對優勢，很少有B型，幾乎沒有C型的知識。②
　　3.三維虛擬互動技術在美術教育領域廣泛運用的可行性
　　針對這種情況，三維虛擬互動技術就能基本解決美術教育的問題了。美術教育分成理論欣賞課和實操實踐課：
　　（1）理論欣賞課的傳統與前瞻的對比
　　①傳統模式
　　老師在臺上講，學生在位子上聽，加入了三維虛擬戶動技術后，學生都戴上三維光閘眼鏡，在老師的控制下看到三維立體的中國或外國的藝術家，而且模擬仿真，讓這些藝術家做自我介紹，介紹自己的作品和制作過程，并播放藝術家們的成長過程。這是理論課用的模式，課程包括藝術概論、雕塑理論課、速寫、色彩和素描的理論教學等。
　　②創新模式
　　老師拿著3D遙控器，在一個沒有凳子沒有桌子，只有一臺電腦、四臺立體投影儀，還有2—3套的數據手套的房間里教學。這是欣賞課的模式，如MTV、導演基礎、音樂欣賞課、版畫欣賞，等等。通過三維立體感光投影儀器，加上戴的光閘眼鏡和用的數據手套，學生們會感受到虛擬真實的場面，包括戰爭場面、敦煌石窟里面的場面、西方宮廷內部場面、世界各個古跡的場面，等等。使用數據手套，學生們還能感受方針古董、遠古武器、古人的衣物的重量、質感，等等。且無線藍牙數據手套有傳感器會根據電腦的同步數據，自行調節手套的對學生手的壓強和重量，使觸摸虛擬物品更加真實，再加上感光的投影儀，學生走動，電腦都會知道，并對學生附近的物品進行解說。通過藍牙耳機，老師與學生一齊感受虛擬真實環境外，老師還負責切換場景，如果不小心摔壞了虛擬物品，電腦還能仿真落地的碎片和聲音，仿真同學走在地上的聲音。
　　
　　（2）電腦實踐課程
　　①傳統模式
　　工業設計、工藝美術、動畫、環藝、園林、平面設計、服裝CAD圖等運用電腦作為主要工作途徑的專業，傳統的教學基本都是學生一人一部電腦，老師在臺上控制另一臺電腦，學生在自己的電腦上看到老師的操作，從中學習軟件的操作。
　　②創新模式
　　加入了三維立體感光投影儀，電腦就會擺放或一個圈，中間一個位子，頂上放4個立體投影，分別播放老師的模型四個面，呈立體形狀，加上投影臺，學生就不用帶閘光眼鏡了，直接可看到立體，而老師在臺上也可以直接切換學生電腦工作的界面，投射在中間的立體畫面，供老師隨時批改與調整。如果有什么創作項目的話，老師與學生就共同控制一個模型，對模型的部分刪減或者增加。老師還可以播放立體教程，師生一齊圍在投影臺前看，一齊研究步驟。特別在服裝這個專業，利用感光投影和攝像機，使學生設計完立體虛擬衣服后，站在鏡頭面前還能換調身上的衣服，實體還沒做出來就可以有該衣服穿在自己身上的效果圖。或者穿在各種虛擬模特的身上，等同學完成課程的作業時，還可以虛擬大型的時裝發布會。
　　（3）專業實踐練習課程
　　①傳統模式
　　老師帶領學生上課，以需要模特或者靜物的課程來舉例，模特或者靜物放置中間，老師與學生都圍著模特或者靜物寫生，模特每半小時休息10分鐘，學生則是45分鐘一節課，這樣會導致幾個問題。藝術練習也是創作的一部分，只要進入狀態，就很不希望被打斷，因為時間問題，在很多情況下積極性就會降低。又如色彩課上，包括國畫、水粉、水彩、油畫、書法等，經常會因為打翻水，或者不小心搞臟衣服、板或者物品，造成清理的麻煩。在老師方面，有時候，老師會在忙于對模特的寫生而忽略學生，有時候會因對某個學生的輔導而忽略其他學生的提問，更有時候會因為某些原因不能及時來上課導致學生要自己做畫。在學生方面，有水平差距，如何妥善處理這些差距是提高教學質量的首要問題。
　　②創新模式
　　依然是圍著模特寫生，模特是通過三維立體投影、電腦虛擬投射出來的，可以隨意調節模特的身材、相貌、性別、衣著等，而且能放大縮小模特的局部，如肌肉或者衣服，這樣就可以把模特寫生統一在一個課程上教，如人體速寫、半身素描、人物速寫，而學生就不再用傳統的畫板了，取而代之的是數位板，一張4開的數位版，數位筆會模擬各種筆的效果。利用已經存在的科技，在數位板上，老師可以隨意切換板上的畫面，切換至學生正在寫生的畫面，立刻做出修改，還可以使畫面變成一半寫生，一半模特，與之比較。（其實數位板就是個液晶顯示器）在教室頭頂上的三維投影儀，能虛擬出藝術館走廊的環境，或者森林的環境等優美的環境，配合仿真聲音，使師生們更加進入做畫狀態。在色彩課上，不同的型號數位筆，代替不同型號的水粉或者油畫筆。電腦的畫筆工具能模擬出真實的筆觸效果。在陶藝或者雕塑、版畫課上，開始練習階段，完全可以用電腦虛擬出來，從而節省原料的浪費。還可以利用數據手套、光閘眼鏡、數位筆仿真雕刻刀、仿真真實的壓強虛擬出真實的感覺和效果。
　　（4）老師教案及備課的安排
　　①傳統模式
　　老師會在上課前的前一兩天的時間，把要教的課程安排好，每一節課需要教授的知識，用PPT制作成教案，或者想好靜物、模特的安排，第二天按照昨天所想的去安排課程。如果老師當天有事，就可以打電話給班長安排當天的練習，或者將課程延后。
　　②創新模式
　　老師會把課程分類，把第二天的課程的場景安排進去，以及師生互動因素安排在里面，已經不是POWERPOINT簡單的視頻教學。利用3維立體投影儀，如何利用場景結合當天所學的知識，提高學生們的興趣，如課程需要還可以進行不同專業的體驗（上部分有解說），或者與另一個教室上課的學生進行互動，互相切磋，都可利用3維立體投影進行同步。因為教師的短缺，有時高校老師會同時上不同的課程，所以該技術為老師提供了很多的方便。當一些理論課，或者簡單的素描、色彩課可以不要實體老師做陪，而是利用預先做好的虛擬老師的教育課程（可循環利用），也就是老師的教案并不局限課程，還會把自己算在內，當導入AI（人工智能），虛擬老師就可以回答一些學生常問的問題，如作品的人物背景，為什么要創作此作品。修改學生常犯的錯誤，如明暗問題、結構問題等。這些都要實體老師總結出來，放入電腦中，設置好教案后，老師就可以將遠程傳入教室的電腦里，第二天同時上其他課程的課了，或者進行遠程監控或遠程教育。這樣老師臨時有事時，課程也不必延后了。
　　四、結語
　　雖然許多內容都是通過幻想出來的，但是愛因斯坦說過：想象力遠比知識重要。通過這種傳統模式與創新模式的對比，更能得出創新模式的優勢。學生十分了解國內教育水平的不足，更看到老師們的吃力教學。當代的教育模式，經常會使學生和老師陷入一種僵持的狀態，學生沒興趣聽，老師沒激情教。創新模式必然要出現，除了要有先進的技術支持外，還要將先進技術用到美術教育上，如何用、怎么用、什么效果這三個問題就是我所要探討的，也是未來創新模式的發展路線和前瞻。
　　
　　注釋：
　　①周祖德.虛擬現實與虛擬制造.湖北科學技術出版社，2005.2.
　　②王大根.美術教案設計.上海人民美術出版社，2007.1.
　　
　　參考文獻：
　　［1］白雪竹，李顏妮.互動藝術創新思維.中國輕工業出版社，2007，（1）.
　　［2］周祖德.虛擬現實與虛擬制造.湖北科學技術出版社，2005，（2）.
　　［3］張樹生，楊茂奎，朱名銓.虛擬制造技術.西北工業大學出版社，2006，（2）.
　　［4］王大根.美術教案設計.上海人民美術出版社，2007，（1）.