基于藝術專業的虛擬仿真實驗室建設的路徑研究

范桐菲 馬丁

摘??要：正文圍繞吉林藝術學院藝術管理學院虛擬仿真實驗室的建設進行探討，概述了現階段虛擬仿真實驗室建設的基本情況，論述了虛擬仿真技術的適用性，同時對虛擬仿真技術的應用和教學資源整合問題提供說明。在藝術管理學院虛擬仿真實驗室設計目標的指導下，淺析構建該實驗室的系統架構、各功能部分、軟硬件設施等，并針對在實際應用中的虛擬仿真實驗室功能進行簡要的剖析。

關鍵詞：藝術專業??虛擬仿真?課程實踐??實驗室建設

中圖分類號：G642?????文獻標識碼：A

Research?on?the?Path?of?Virtual?Simulation?Laboratory?Construction?Based?on?Art?Specialty

FAN?Tongfei?MA?Ding

（School?of?Arts?Administration，Jilin?University?of?Arts，Changchun，Jilin?Province，?130021?China）

Abstract：The?paper?discusses?the?construction?of?the?virtual?simulation?laboratory?of?School?of?Arts?Administration?of?Jilin?University?of?Arts，summarizes?the basic?situation?of?the?construction?of?the?virtual?simulation?laboratory?at?the?present?stage，?discusses?the?applicability?of?the?virtual?simulation?technology，?and?provides?explanations?on?the?application?of?the?virtual?simulation?technology?and?the?integration?of?teaching?resources.?Under?the?guidance?of?the?design?objective?of?the?virtual?simulation?laboratory?of?School?of?Arts?Administration，?this?paper?analyzes?the?system?architecture，?functional?parts，?software?and?hardware?facilities?of?this?laboratory，?and?briefly?analyzes?the?functions?of?the?virtual?simulation?laboratory?in?practical?application.

Key?Words：Art?specialty；Virtual?simulation；Curriculum?practice；Laboratory?construction

隨著近年科技的不斷前行，特別是5G信息化手段的不斷更迭，社會市場在不斷發展進步，虛擬仿真技術的功能也被眾多藝術類高校應用到藝術實踐教學當中。虛擬仿真實驗室依托虛擬仿真及新媒體技術，融合多種軟硬件配置，是培養吉林藝術學院復合型人才的重要嘗試，為培養出掌握豐富的理論知識，具備良好實踐動手能力、項目分析能力、創新思維能力的應用型藝術專業人才。隨著電腦和互聯網的快速發展，藝術類高校普遍應用虛擬仿真實驗室作為一種新型的教育手段[1]，亦能體現出虛擬仿真技術在藝術類高校實驗室建設方面的獨到作用。

1?虛擬仿真實驗室的構建

1.1??虛擬仿真技術

虛擬仿真技術不僅是在時空間技術、遠程操控等場地得到應用，隨著時代的進步，虛擬仿真技術觸及的專業領域也越來越廣泛，虛擬仿真主要是根據真實世界里的特定場景進行數據化，虛擬場景中所有的事物都是根據現實世界進行數據化而展示出來的，進而形成虛擬仿真技術。

藝術高校虛擬仿真實驗室就是將在現實場景中各種必需信息通過一定技術來完成收集、轉換與展示，在逼真的虛擬場景中進行沉浸式、交互式學習。師生可以在實驗室系統內運行多個應用程序，這些程序將在虛擬仿真技術加持下獨立完成整合而且程序相互之間不受任何影響，可以提高虛擬仿真程序的使用效率。在藝術類高校實踐教學中根據課程教學的需要，虛擬仿真技術可以更好地整合實驗室的相關設備。虛擬仿真技術的眾多優點，除了可以提高實踐教學的效率，還可以完成一些在后疫情時代中不可能完成的項目實踐等，但同時虛擬仿真技術也存在著一定的缺點，如對實驗室的空間及設備硬件要求就比較高等。所以在構建虛擬仿真實驗室的時候，也要對以上優缺點進行思考。

1.2??虛擬仿真實驗室的構建

實驗室是在新興網絡技術、虛擬仿真技術的基礎上建設的，近年來人工智能、大數據等關鍵詞正在不斷被提及，虛擬仿真實驗室的構建也在不停歇地發生新的變化。現階段成熟的虛擬仿真技術應用在高校教育領域，也是一條共贏的道路。兩者相互促進，使藝術專業虛擬仿真實踐教學進入一個全新的階段。虛擬仿真技術的應用特點具有沉浸性、交互性、時空性以及娛樂性等，能使師生能沉浸于虛擬場景其中，孕育具有多極化的數據環境。實驗室在眾多程序的作用下完成數據化和仿真化的呈現。藝術類高校業已對虛擬仿真技術進行研究并創建適合于自身的虛擬仿真實驗室，隨著教育部關于課程改革的政策落實，藝術類高校對實驗室研發及構建的投入也在逐步加強，適應各種藝術門類的虛擬仿真實驗室也相繼建設起來。

2???虛擬仿真實驗室的設計傾向和設計特點

2.1??設計傾向

虛擬仿真技術成功應用于實驗室，進而產生各種虛擬仿真實驗室，例如：機械加工虛擬仿真實驗室、景區旅游虛擬仿真實驗室等，這些實驗室極大地提升了高校實驗教學水平[2]。藝術專業課程實踐教學通過虛擬仿真實驗室對所需的實踐教學場景進行再創造。虛擬仿真實驗室的設計構思，有已經發展起來的5G網絡電子設備的采購及實驗室其他軟硬件設施的全面設計及綜合建設。為學生搭建一個教育場景，使學生沉浸其中，科技感十足的操作可以讓學生對專業課程實踐部分的學習更感興趣，通過對時間和空間的超越，將專業課程的理論知識形象化。對實踐教學的整個過程也可以通過系統交互進行實時的跟蹤并以數據和影像的形式記錄下來。實驗室的教學功能可以普遍提升學生的實踐效率，學生可以通過實驗室儲存的數據完整地掌握自身實踐時的每個細節。專業教師根據學生不同的專業素質、理論課程學習狀態選擇不同的實踐方法，設計相應的項目要求。利用虛擬仿真實驗室的設計將專業教師的授課需求充分實現。

2.2??設計特點

實驗室將利用虛擬仿真技術在其內部擺脫時空的限制，使藝術專業課程實踐教學在實驗室中顯得更具開放性，使課堂氛圍更加輕松，讓學生能夠真正進入虛擬現實環境中，并與之產生互動，這種實踐教學模式幾乎可以擴展到所有的藝術專業課程中。真正地實現師生通過校園內網在實驗室管理平臺訪問共享資源，相關專業課程資源線上共享模式也可提升學生在理論學習和實踐學習時的效率。學生在理論學習和實踐學習過程中遇到的所有問題均可在系統內找到相應的資料，并由教師進行互動解答并通過進行虛擬仿真的實際操作來找到問題的答案，同時專業教師在系統中也能對學生在整個實踐教學中所表現出的狀態給予正確的專業指導。

3?藝術專業虛擬仿真實驗室的設計思維

藝術專業虛擬仿真實驗室的建設要始終遵循系統軟件、設備硬件的迭代更新與發展的理念，以及實驗室虛擬仿真技術開發和運行保障均是為實踐教學而服務的原則。在專業課程具體使用的環節，可以有效地將校園高速網絡、實驗室服務器、電腦終端設備及實驗室虛擬仿真設備等現有硬件設備通過系統資源強大的整合能力體現出優勢來。

3.1??虛擬仿真實驗室實踐教學環境的交互性

虛擬仿真實驗室的實踐教學環境是將專業課程所需的真實環境通過數字錄制轉碼，然后再通過利用電腦圖像建模軟件技術合成的，學生在虛擬仿真實驗室里進行的各種專業課程實踐教學項目都將不受時空環境的束縛，甚至可以自由選擇實踐教學項目中的某些環節進行互動操作，借助學生自身對所接觸社會市場的感知體會能力，幫助和啟發學生思維快速進入虛擬仿真實驗場景，全方位收獲虛擬環境中所容納的各類時空信息和邏輯思維，然后收集學生對實驗項目的意見和建議并篩選其中有益的內容，逐步優化實驗規則并適當增加實驗主體[3]。這將會充分展現虛擬仿真技術的交互感。

3.2??藝術專業虛擬仿真數字資源的整合與共享

藝術專業虛擬仿真實驗室的構建，是為了讓學生在進行實踐教學的過程中掌握專業課程實踐教學的原理以及具體方法，同時提高實踐技能。

實驗室現能夠在網絡中實現專業課程實踐教學資源的儲存、傳播和共享，通過實現對全體師生的線上資源全開放，學生可以在線上設計實踐項目計劃、觀看自己進行實踐的視頻回放查缺補漏以及在線師生互動，另外專業課教師也可通過大數據分析研究對學生的專業能力進行對比分析，對學生的專業學習進程計劃進行差異性指導安排。師生發出的指令通過實驗室系統發給其他虛擬仿真設備，然后再操作具體設備進行實踐教學演練。吉林藝術學院藝術管理學院致力于培養應用型、創新型藝術人才，虛擬仿真實驗室依托網絡技術的優勢，搭建起網絡數據儲存共享平臺，整合基礎理論性、實踐教學性、專業拓展性等資料。

4??虛擬仿真實驗室的系統實現

4.1??實驗系統的結構

虛擬仿真實驗室的各組成部分（實踐、數據呈現、操作及考核）之間相互整合，關系到系統與硬件設備的穩定使用。虛擬仿真實驗室的網絡系統涵蓋多種遠程服務器及內部網絡服務器。實驗室服務器的主要構成部分是借助多種虛擬仿真設備與專業課程實踐教學軟硬件。專業課教師及虛擬仿真實驗室專職教師則可以借助網絡服務器直接訪問實驗室系統中的線上共享資料數據。通過VPN接入局域網的優勢，可以實現網絡與實驗室服務器的安全互聯。

4.2??實踐部分

虛擬仿真實驗室實踐部分的功能包括仿真成像、虛擬視角和交互使用界面。仿真成像包括時空轉換、人物動作、選項加載和虛擬場景的再現，按照專業課程實踐教學項目開發的順序自動生成。虛擬視角是通過虛擬設備（一般是虛擬體感設備等）變換操作者的虛擬視角，學生和專業課教師可通過監視器中的客觀視角觀看現場的實踐效果。交互使用界面包括虛擬場景內語音文字顯示、虛擬場景切換及相關控制按鍵等功能，通過交互使用界面和虛擬體感設備操作來實現虛擬場景內信息顯示、虛擬場景切換、項目工作流程內容說明等演示模組。師生軟硬件功能操作主要用Unity3D的UGUI系統和代碼實現。

4.3??數據呈現部分

數據呈現部分是基于虛擬仿真技術將真實實踐場景進行虛擬設計。數據呈現部分的場景數據設計包括多種體感設備選擇等。數據呈現部分中的設備都有相應的按鈕選項，通過體感設備或懸空鼠標操作可以快速操控學生的視角進行切換。數據呈現部分有一項重要的功能是虛擬場景巡游——包括虛擬場景內的人物移動和虛擬視角切換。虛擬場景內人物位置移動設計與虛擬視角切換設計相類似，均為通過體感設備等來操作，師生控制虛擬場景內人物前后左右移動、視角的切換和人物高度的調整，進行相應的虛擬場景漫游。

4.4??操作部分

操作部分包括交互使用界面、虛擬視角切換、穿戴體感及鼠標鍵盤等設備具體操作等。交互使用界面主要是針對虛擬場景部分當前操作流程的必要語音文字顯示，標記學生具體完成的每一步項目實踐操作，通過點擊按鈕在幾個虛擬場景及項目任務存檔間快速切換或可選擇重新選擇開始起點。

虛擬視角切換被設計為使用VR/AR相關體感設備進行相關實操，以便將視角切換到最佳的狀態。具體的步驟將直接采用相關體感設備點擊觸發進行操作。所有在虛擬場景中可以進行虛擬操作的事物，使用相關體感設備操作觸發語音文字顯示，使用相關體感設備具體操作時，學生將停留在時空靜止當中以便進行顯示的選擇，以便虛擬場景顯示出具體操作的相應物體或內容。穿戴體感等設備操作是便于學生在實踐項目中進行觀察或操作，增加實踐操作的科技性及多樣性。

4.5??考核部分

虛擬仿真實驗室涵蓋實踐教學與教學管理，教學管理包含考核部分。眼下藝術專業課程教學實踐考核評價體系廣泛存在不客觀、內容不全面等問題，實驗室的考核部分的具體操作是：在教學實踐項目工作中，事先就學生的項目實踐計劃進行設計溝通，由專業教師和實驗室教師通過電腦監視器和系統內保存的實踐教學數據來觀察學生的實踐過程，教師采用結構式表格項目進行評分，并及時同學生及專業系主任進行教學實踐反饋。通過此種考核評估，增長了學生的專業活力、師生溝通能力作為考評的內容，與傳統的理論考試和教學實踐考核相比較均取得了較好的效果，彌補了以往學生只重視期末得分而輕視學習過程、專業技能不足的情況，將提升學生專業素質。

5???虛擬仿真實驗室的應用

虛擬仿真實驗室能夠運用虛擬仿真技術為藝術專業提供實踐教學的一切需要的虛擬環境，在這種實踐條件下實現全新的虛實（線上+線下）結合的教學模式。

5.1??提高實踐教學效率

在進行虛擬仿真實踐教學中，其先進的教學體驗將對以往的教學模式產生相當程度的積極影響，使專業教師的教學更具有效果[4]。在藝術專業的教學計劃安排中，很多專業課程均是理論與技能結合課，但專業課實踐分數在期末總成績中并沒有單獨體現或占比不超過總成績的20%，招致學生對課程實踐部分的重視程度不夠。

在虛擬仿真實驗室中能夠將藝術專業傳統實踐方法轉變為自主型教學項目實踐，學生可以自主地?在系統平臺中根據專業課教師設置的差異性選項來選擇教學項目實踐活動，此舉既培養了學生的自主專業思維、獨立思考能力，同時也能增強學生在實踐教學中的具體操作和反饋分析能力。學生可以結合自己所學的專業課理論知識來完成教學實踐項目，通過高水平的教學實踐與項目管理，綜合性的虛擬仿真實驗室，就能夠實現培養復合型、應用型、開放型的優秀青年創業人才，全面提升學生的動手能力和創業能力。

5.2??加強師生交流意識

前文中也提到，很多藝術專業課程分配的實踐學時很有限，導致師生間的溝通交流不及時，學生并不能從根本上分析并解決實際問題。這間接地導致學生實踐機會少、動手能力差、專業理論知識無法轉化為實踐教學成果，培養學生明確情況差異、找到問題本質、提出有效措施的既定目標并沒有實現。

現階段藝術專業學生結合自身的專業技能水平在實驗室系統中進行自主選擇教學項目實踐，并根據學生理論水平針對性地?制定階梯式任務，這種線上+線下的教學板塊，為學生在實驗室的實操營造了良好的學習氛圍。教師也可以在實驗室系統中對學生的具體操作進行同步指導，通過這種師生間在專業實操中的交流互動能夠很好地表現出全新模式的實踐教學方式。這種實踐教學方式就能夠更好地根據學生理論學習的程度和教學實踐的表現組織專項實操訓練。再通過引入對學生整體表現的觀察記錄和一定數量的網絡培訓內容來革新教學實踐課程考核。

5.3??實踐教學時空條件不受限制

實驗室通過虛擬仿真技術拓展了實踐教學的時空，以往專業教師要帶領整班或分組同學去校外實踐基地進行項目活動，時間和地點及項目的對接都不好控制，學生還極易發生意外。現今學生在虛擬仿真實驗室中具體專業項目實操時將不再受到時空條件的影響，學生的實踐能力在虛擬環境下也將得到大幅提升。以往在教學實踐中，專業教師無法對教學實踐項目的演習、完成度、討論提交報告等環節進行及時反應。還有些學生因為跟不上進度，久之整體的參與度就下降了。學校也很難安排整班學生在后疫情時代離開學校到外省市進行教學實踐活動，學校和專業教師對一些突發事件都無法掌控，學生的安全無法得到保證。虛擬仿真實驗室打破了時空條件對學生實踐教學操作的種種限制，在模擬真實場景的背景下，使學生從中獲取交互式和沉浸式學習的興趣，且減少人身危險等問題的發生[5]。實驗室的虛擬場景設計和數據采集儲存共享功能也可得到充分的體現[6]。

6??結語

藝術專業具有很強的特殊性，對學生的創意思維能力有較高的要求。虛擬仿真實驗室又是培養學生自主思維、鍛煉動手能力的重要場景，是藝術專業實踐教學的重要組成，在培養教育當代藝術專業學生創新能力和創業能力的過程中具有極其重要的作用。實驗室相關專業教學項目的整合、分類，具體實踐項目的統籌規劃等，都通過虛擬仿真實驗室的設計傾向和特點、實驗室系統的實現、實驗室的應用管理來完善實驗室的建設路徑與舉措。充分施展虛實融合背景下技術的優勢、高質量項目、整合體驗成為急需深入探究的問題，實驗室有助于提升學生的專業創新能力及學習興趣，虛擬仿真技術也可以通過在藝術專業的實踐教學中，實現系統平臺數據數據資源同享、軟硬件設施完善、遠程操控三者相結合，也能夠通過增加專業課程教學實踐課時的方式，對培養學生的創新思維、動手能力起很大的作用，既提高教學實踐的效率，也促進藝術專業虛擬仿真實驗室的建設。

參考文獻

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