基于虛擬仿真技術的數字顏色調色實驗教學改革探究

胡慶喆

（內蒙古藝術學院 內蒙古 呼和浩特 100010）

2018 年6 月，教育部公布了首批國家虛擬仿真實驗教學項目，并積極推動虛擬仿真實踐教學的改革及廣泛應用。數字顏色調色作為戲劇與影視學類、視覺藝術類課程教學內容中最重要的組成部分和顏色理論最重要的實踐環節，部分知識點理論性強、實踐操作難度系數大、簡單的二維化軟件難以滿足多樣化人才的培養一直是相關專業在教學過程中存在的難題。“虛擬仿真教學系統通過整合多媒體資源提供高仿真、可視化的教學內容，能夠創設具有臨場感、沉浸感和交互性的實踐教學情境。”將虛擬仿真技術運用到數字顏色調色的教學過程中，形成有關數字顏色的基礎知識學習與基本技能訓練的一個虛擬化綜合性實踐平臺，是解決這一難題的有效途徑和手段。因此，內蒙古藝術學院以培養和訓練學生專業操作能力和實際應用能力為目標，以戲劇與影視學、視覺傳達類專業學生為對象，以相關專業課程為依托，搭建了虛擬仿真數字顏色調色技法實驗教學平臺，在促進教學改革的同時，大大提高了教學質量。

一、數字顏色調色實踐教學研究背景闡述

通過對學界數字顏色調色相關理論與實踐論文資料的整理與分析，筆者發現數字顏色調色實踐教學研究主要還是集中在傳統的理論講授和軟件操作層面，缺乏實踐教學上的創新。

數字顏色調色與虛擬仿真技術的結合在實踐教學中可以對學生學習和實踐的完整過程進行記錄、對比和評估，可以形成比較完善的大數據信息，實踐證明，大數據的應用對于完善教學過程的科學性、合理性能夠提供必要的數據依據，是有效提升教學質量必不可少的手段和措施。

截至2021 年底，本實驗課程在內蒙古藝術學院教已經成功開展了兩輪教學。2020年秋季學期，在信息素養教育課程中進行了第一輪教學，授課學生190 人。2020 年秋季學期，在非線性編輯、媒體融合與編播、電子藝術編輯三門課程開展了第二輪教學，授課學生達到了1131 人。此次教學改革可以使戲劇與影視學、視覺傳達等相關專業的學生在掌握數字圖形圖像、非線性編輯、媒體制作等課程數字顏色基礎理論和基本操作的學習過程中達到“所見即所得”的學習效果，使“學生有更多機會在不同情境下去運用他們所學的知識，充分體現學生的首創精神，而且學生可以根據自身的行動反饋來形成對數字顏色調色的認識和解決實際問題的方案，從而提高教學質量。”

二、數字顏色調色虛擬仿真實驗教學改革的特色

精細化實驗設計。“實驗教學是幫助學生理解客觀世界運動規律、掌握知識生產能力的重要方式，是在客觀知識學習與實踐技能培養之間建立聯系的有效手段。”“真實情境可以增加學習者對學習內容的認知維度，彌補其自身對知識意義建構的不足，調節其認知難度。”數字顏色調色虛擬仿真實驗教學改革，解決了在實際教學過程中學生很難找到具體的實物形態來開展實驗的問題。把抽象的理論知識具象化，充分考慮實際工作中所通用的、常規的操作模式，細化理論的每一個知識點和操作參數，實驗時每一個參數均具化、均可調，實驗過程操作性強，實驗結果明確清晰。

該仿真實驗以實際運用過程為依據，以真實項目素材為基礎，充分利用“互聯網+”、“虛擬現實”、開放式在線學習平臺（MOOC）等現代教育技術手段，通過虛擬化實驗環境培養學生理論知識綜合運用與創新思維和創造性設計能力。

多樣化教學方法。本虛擬仿真實驗教學改革以學生為中心，采用案例實驗法、情景實驗法、比較實驗法等，具有探究學習與趣味性密切結合的特點。實驗由學生主導，學生獨立操作實驗步驟，在大大增強學習興趣的同時，提高了自主學習能力。指導教師在教學過程中，教授實驗方法，演示實驗步驟，在學生獨立完成實驗過程的同時予以指導，通過提問、質疑等方式充分激發學生的想象力，讓學生的創新意識、發現問題與解決問題的能力得到充分提高，調動學生學習的積極性。讓學生直觀感受數字圖像相關理論知識的原理、作用和意義，并通過親手實操深刻理解數字顏色調色的方法和技巧。

系統化評價體系。本虛擬仿真實驗教學改革采用多指標評價方法，對理論知識學習采取在線測評（小試題），對綜合實操訓練采取操作跟蹤評價，對實驗報告和總結采取主觀判別和綜合評估，最終形成學生虛擬仿真實驗的總體評價成績。

本實驗的評價機制可以對學生的實驗過程完整記錄，按照統一的評價標準，更加客觀、公正地對學生的學習效果、實驗步驟、實驗成績給予系統評價。系統的反饋機制可以對實驗過程進行全面系統的統計分析，為授課教師完善實驗提供數據和參考，進一步提高教學效果。

三、虛擬仿真技術在數字顏色調色實驗教學中的設計與實施

內蒙古藝術學院自2020 年實行將虛擬仿真技術引入到數字顏色調色課程當中的實驗教學改革，取得了良好的教學效果。在此過程中，老師們不斷調整實驗教學思路，完善實驗教學環境，在有效加強理論知識講授的同時，使課堂上的每一位同學都能夠通過直觀、形象的實驗操作進行有效地實踐和分析。一方面培養了學生理論指導實踐的能力，另一方面也加強了學生對于數字顏色理論的深層次認知。

將虛擬仿真技術與數字顏色調色課程結合主要是從數字顏色的基本混色模式、基本調色方法出發，通過設計具體、可感的實驗環境控制數字顏色的各項參數值變化進行調色。為使實驗案例不僅能夠具備典型性和實用性，并且更加符合實際的教學應用，實驗平臺在采用大量生活中具有典型顏色特點圖例的同時，還充分借鑒了常用商品化軟件的操作形式。在具體教學過程中的設計與實施需要注意以下幾點：

（一）了解相關的數字顏色原理

基本數字顏色模式。RGB 顏色模式是基于自然界中三色光的混色模式：等值的紅色、綠色合成黃色；等值的紅色、藍色合成品紅色；等值的藍色、綠色合成青色。最大值的紅色、藍色、綠色合成白色，最小值合成黑色，其余等值狀態可合成灰色。

CMYK 顏色模式是基于顏料的混色模式：等值的青色、品紅色合成藍色；等值的青色、黃色合成綠色；等值的品紅色、黃色合成紅色；因實際上不能合成黑色，需要補充添加黑色原色。

HSB 顏色模式是基于人眼對色彩的觀察來定義：色相（H）規定了顏色的根本性質，飽和度（S）指明顏色的強度或純度，亮度（B）指明顏色的明暗程度。

常用顏色調色方法。中灰曲線（Gamma 曲線）顏色調色：人眼對圖像亮度的視覺感受和自然圖像本身的亮度具有一定的非線性關系，這個關系用Gamma 曲線值表示。Gamma 值對數字圖像的調整作用可概括為：“當調大gamma時，表現為總體提亮，原暗部占據更多明暗范圍、易于分辨細節。 當減小gamma 時，表現為總體壓暗，原亮部占據更多明暗范圍、易于分辨細節。”

三維顏色查找表（3DLUT）顏色調色：3D LUT（3D Look-Up-Table)是對于數字圖像建立的立體顏色映射表，由輸入的RGB 三個通道顏色值按照3D LUT 的三個查找表做映射，得到轉換后的顏色進行輸出。在實際應用中，事先根據調色需要，制作出3D LUT 調色預設文件，在對特定數字圖像調色時，通過導入這個預設文件，則圖像相應的顏色值就會被調整替換到預設的顏色上。

光源、色溫和白平衡對顏色的影響：不同溫度的光源產生的光線顏色不同，光源顏色稱為色溫。冷光源表現為色溫越高，光線越偏藍。暖光源色溫越低，光線越偏紅。對于同一個景物，在不同的冷暖光源環境下，其所呈現出的顏色不同，冷光偏藍，暖光偏黃，對景物拍攝形成的照片圖像顏色也有所偏差，為了消除這些色彩偏差，達到還原真實色彩的目的，引入了白平衡的概念。白平衡的原理是根據光源不同的色溫對應的顏色，增加相反的顏色，就可以抵消掉偏色的影響。

（二）核心要素仿真設計與實施

虛擬仿真實驗結構的設計與實施。針對教學要求，按照內在邏輯規律和知識技能遞進關系，模塊化構建實驗環節，引導學生自主選擇，自由發揮，創造性地進行實驗。

虛擬仿真實驗功能的設計與實施。以實現教學目標為原則，強化學、思、練的融合統一，突出學習功能、實驗功能、評價功能。實驗軟件充分借鑒主流商品化軟件的特點，使學生的實驗更加貼合實際應用，做到學、練、用相統一。

虛擬仿真實驗場景的設計與實施。選擇內蒙古地區“沙漠、草原、雪原”等地域特色和“那達慕盛會、敖包祭祀”等民族文化特色素材。學生在學習知識技能的同時，可以感受到祖國壯美絢麗的自然景觀和豐富多彩的民俗文化，從而鑄牢學生中華民族共同體意識，起到思政進課堂的效果。

知識單項訓練采取“減法式場景設計”，強調針對性和集中性。調色綜合應用采取“加法式場景設計”，突出實驗的復雜性和多元性。

虛擬仿真實驗仿真應用的設計與實施。仿真實際應用中把各調色參數的數據具化為滑塊、推桿等，方便操作，達到“所見即所得”的操作效果。仿真實際應用中常見商品化軟件的界面和模式，達到“所學即所用”的學習效果。

（三）實驗教學過程的設計與實施

前序課程教學完成后，將實驗課程涉及到的數字顏色理論及調色技法所有專題問題和應用案例下發給學生，學生自主學習數字顏色相關理論，針對實驗內容進行預習和準備。教師根據班級容量和實驗安排，讓學生自行分組形成若干實驗小組。

實驗課階段分為基礎實驗和綜合實驗，老師通過課前預先布置的專題問題，引導學生進入實驗學習環節，學生登錄進入實驗課程平臺開始在線實驗。學生根據自身知識掌握程度和預學習情況自由選擇實驗模塊進行實驗。在實驗中，對數字顏色理論知識和基本調色技能掌握后，學生可以進行線上測試答題，系統記錄測試成績。之后進入綜合調色實驗階段。該階段充分考查學生前期實驗中知識和技能的掌握程度，根據綜合調色的實驗任務，學生充分發揮能動性，自由選擇場景模式，創新性地進行實驗設計和操作，完成系統要求的實驗目標。實驗時，學生在老師的引導下根據所學理論對實驗步驟和操作進行嘗試和探究，找出解決問題的辦法，在實驗系統上驗證改進的效果，提交實驗結果。此階段，實驗系統也將記錄學生的實驗情況并給出該階段實驗成績。

實驗完成后，學生撰寫實驗報告并在線提交，老師對實驗報告給出成績評定并提交系統。系統根據實驗全程計算出綜合得分作為學生該實驗課的綜合成績。該階段可根據學生實驗情況和知識技能掌握情況安排在課上進行或是課后線上進行。對于基礎知識薄弱的學生（例如大一新生，剛接觸計算機或是剛接觸計算機設計軟件的同學），由于課時限制，可以安排在實驗課后再上線完成實驗報告。對于有一定的計算機操作基礎和接觸過計算機設計軟件的同學，可以在實驗課中直接完成實驗報告。對于兩種不同情況，老師在給成績時可酌情考慮。

整個實驗過程以學生自主學習為主，老師在實驗期間只起到引導、釋疑和推動作用。

四、數字顏色調色虛擬仿真實驗教學改革的意義

有效降低數字顏色調色軟件成本。計算機多媒體軟件一直是數字顏色調色實踐教學的重要內容，近年來，國外軟件公司憑借技術壟斷優勢，對常用的教學軟件進行捆綁式銷售，并按年收取高額的軟件使用費，這筆費用已然成為國內各大高校教學中的巨大開支之一。而數字顏色調色虛擬仿真實驗教學系統完全可以自主開發，成本低廉，在有效降低教學成本的同時，也積極響應了國家有關軟件正版化的政策。

有效降低數字顏色調色學習難度。數字顏色調色一直是內蒙古藝術學院廣播電視編導、室內設計、視覺傳達等專業的核心課程內容。在實際教學過程中發現，大部分學生在經過數字顏色理論與實踐操作課程學習后，還是難以熟練運用Photoshop、Painter 等專業軟件進行數字顏色調色。數字顏色調色虛擬仿真實驗操作簡單，特別適合剛剛進入大學的低年級藝術類學生。兩輪的實驗教學改革結果表明，該實驗系統已經成為內蒙古藝術學院相關專業教學的必要教學手段和工具。

打破數字顏色調色學習空間限制。在實驗教學改革中采用的虛擬仿真實驗教學平臺采取模塊化設計，簡單修改即可嵌入其他相關課程的系列實驗中，作為數字顏色調色實驗的子項目，在大大節約開發成本的同時，學生進行虛擬仿真實驗操作可以不受儀器設備、實驗器材的制約，無需特定環境場地，有網絡的地方就可進行實驗操作。實驗平臺的使用讓數字顏色調色理論知識具象化地呈現在學生眼前，彌補了傳統教學的不足。同時，虛擬仿真實驗環境采取BS（用戶瀏覽器-服務器）架構，學生只需要一臺可上網的PC 計算機，無需安裝額外的軟件、插件，無需進行復雜的系統配置，就能隨時隨地開展實驗。

結 語

將虛擬仿真技術引入數字顏色調色教學中，是對當前視覺藝術類教學體系的進一步完善，突破了傳統課堂教學抽象化、理論化的教學模式的局限，豐富了教學理念、教學環境和教學方式，提升了學生數字調色中處理復雜問題的實踐能力和對虛擬仿真實踐學習這種新文科實踐學習形式的適應能力，有效降低了教學成本，充分發揮了學生的主觀能動性、學習積極性及藝術創新性，解決了教學主體由教師向學生轉變過程中存在的瓶頸問題。在接下來打造國家級金課的過程中，老師們將進一步完善實驗教學理念，開放共享實驗系統資源，利用“元宇宙”技術與虛擬仿真技術相結合來設計實驗環境，更新實驗步驟，使理論與實驗教學、線上與線下教學能夠得到充分融合。

在以“融合”為建設理念的新文科大背景下，虛擬仿真實驗教學改革在全面提升新時代大學生創新素養及實踐能力的同時，培養了學生的科學精神及人文修養，不僅是新時代高等教育內涵式發展的重要體現，同時也是高校教學主動適應信息技術革命性變化的重要實踐，是后疫情時代構建“人工智能+教育”智能教育新生態的重要組成，是大力推進教育教學改革，進一步落實立德樹人教育根本任務的積極探索，對高質量的人才培養、高等教育的發展及教育體系的建設具有極其深遠的推動性意義。