20　虛擬現(xiàn)實技術(shù)在素描課程教學(xué)中*

周增輝 ZHOU Zenghui湖南信息學(xué)院，長沙410051（Hunan Institute of Information Technology，410051 Changsha）

20虛擬現(xiàn)實技術(shù)在素描課程教學(xué)中*

周增輝 ZHOU Zenghui
湖南信息學(xué)院，長沙410051（Hunan Institute of Information Technology，410051 Changsha）

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，素描作為藝術(shù)設(shè)計專業(yè)的基礎(chǔ)課程，學(xué)生要想更好地觀察以及描繪觀察對象，需要認真控制燈光、明暗等元素。運用虛擬現(xiàn)實方法構(gòu)建的場景卻能夠更加輕松地施行交互控制進而成為素描教學(xué)中的重要觀察手段。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上開發(fā)制作的素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)，能夠起到豐富教學(xué)手段、改革教學(xué)方法和提高教學(xué)效果的作用。

素描；虛擬現(xiàn)實；人機交互

一、引言

虛擬現(xiàn)實是從英文“Virtual Reality”一詞翻譯過來的，簡稱“VR技術(shù)”?！癡irtual”是“虛擬”的意思、“Reality”是“真實”的意思，合并而言就是“虛擬現(xiàn)實”。該詞語是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀(jì)八十年代創(chuàng)造出來的，也稱“靈境技術(shù)”或“人工環(huán)境”，于是國內(nèi)就有人依此翻譯為“靈境”或“幻真”［1］1。虛擬現(xiàn)實技術(shù)實際上是綜合了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)和顯示技術(shù)等多種實用技術(shù)，并且在多維的信息空間中創(chuàng)建了一個虛擬的信息環(huán)境，能夠使用戶具有身歷其境的沉侵感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力，更為重要的是有助于啟發(fā)構(gòu)思。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，作為一種新的管理方法和技術(shù)，虛擬系統(tǒng)在項目管理進程中正在發(fā)揮著愈來愈重要的作用。首先，由于硬件設(shè)備投入的費用非常昂貴，所以虛擬系統(tǒng)通常被用在那些在現(xiàn)實生活中容易出現(xiàn)風(fēng)險的教學(xué)活動諸如軍事、醫(yī)療、工程等。隨著技術(shù)的更新和發(fā)展，在基礎(chǔ)教學(xué)中，越來越多的人使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來講授化學(xué)、物理、藝術(shù)等學(xué)科的課程。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)長期以來被用于教育和培訓(xùn)：Hratman更進一步地使用虛擬現(xiàn)實環(huán)境來檢測學(xué)生的空間認知能力［2］；Park et al發(fā)現(xiàn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作的地圖能夠進一步提高學(xué)生的空間想象能力［3］；美國芝加哥大學(xué)的電子可視化實驗室和交互計算環(huán)境實驗室設(shè)計、制作出了一款名為“美妙（NICE）”的兒童教育產(chǎn)品，其實是“敘述性、身歷其境感、合作互動環(huán)境”的簡稱，宗旨則是“讓我們在虛擬世界里一起學(xué)習(xí)和成長”［4］。前景美好，于是人們認為很有必要開發(fā)一個新的教育系統(tǒng)，來幫助教師減少壓力，保證教學(xué)質(zhì)量；同時這個系統(tǒng)還能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，給學(xué)生提供一種直觀的交互學(xué)習(xí)環(huán)境，進而就能有質(zhì)量的完成既定的教學(xué)任務(wù)。

二、研究目的

在傳統(tǒng)的素描教學(xué)中，學(xué)生繪畫時需要同時考慮明暗、燈光、顏色、角度等種種元素，這些元素同時也在相互影響相互作用。教師通常需要發(fā)現(xiàn)并糾正學(xué)生的種種問題，這必然要增大教師的工作量。同時由于學(xué)生經(jīng)常被動地接受建議，也會降低他們主動發(fā)現(xiàn)問題的積極性。為了有效地解決上述問題，筆者于是應(yīng)用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)、制作了此款交互式素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

在開發(fā)、制作的過程中，筆者希望實現(xiàn)下列目標(biāo)。

第一，通過應(yīng)用素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)的實時交互技術(shù)，有效減輕教師的教學(xué)壓力，甚至能夠解決中學(xué)美術(shù)師資短缺的問題。

第二，通過展現(xiàn)素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)的趣味性和交互功能，能夠有效地吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

第三，素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)的在線學(xué)習(xí)功能能夠打破時間和空間的限制，加之虛擬現(xiàn)實技術(shù)在空間、陰影、材質(zhì)表現(xiàn)等方面具有極大的優(yōu)勢，這些都可以有效彌補傳統(tǒng)媒體在互動交流方面的缺陷與不足。

三、系統(tǒng)構(gòu)建以及學(xué)習(xí)功能

1.系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)由以下三個部分組成。

第一部分：模型。根據(jù)課程目標(biāo)和課程內(nèi)容要求，為了訓(xùn)練學(xué)生素描造型能力，教師通常會將各種各樣的物體細分成一個個基本的單元。這些虛擬模型通常由平面和曲面構(gòu)成。例如圓錐體、球體、圓柱體是由曲面構(gòu)成的三維物體，而正方體、四棱錐、六棱柱則是由平面構(gòu)成的三維物體。眾所周知，這兩類物體是最基本的幾何體。使用幾何體的目的在于將復(fù)雜的物體分解成簡單的基本元素，比如人的頭就可以看成是由球體、圓柱體、長方體等基本單元構(gòu)成的復(fù)雜對象。通過對簡單的幾何體進行繪畫訓(xùn)練，就可以掌握物體的明暗規(guī)律和繪畫造型表現(xiàn)手法。之后再面對復(fù)雜對象的時候，學(xué)生便可以依靠獲得的經(jīng)驗，將生活中的真實物體分解成簡單的幾何體并予以重構(gòu)。這種訓(xùn)練可以增強學(xué)生在素描繪畫中的觀察能力和分析能力。

第二部分：構(gòu)建虛擬現(xiàn)實交互操作環(huán)境。為了順應(yīng)在線學(xué)習(xí)的新趨勢，教師可以將素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)成網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生借此通過因特網(wǎng)或局域網(wǎng)進行在線學(xué)習(xí)，也可以先下載學(xué)習(xí)系統(tǒng)文件，安裝到電腦上后進行交互式的操作學(xué)習(xí)。文件可以彌補傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法在時間和空間方面的不足。筆者希望通過消除學(xué)生在自然觀察過程中所遇到的多種相互干擾的不利因素，同時給學(xué)生提供互動的學(xué)習(xí)環(huán)境，以此提高學(xué)習(xí)的積極性和主動性。素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)的交互操作功能，改變了學(xué)生以往被動學(xué)習(xí)的模式，能夠讓學(xué)生更有自己的想法，并且可以自主改變繪畫物體的類型、角度、光線、材質(zhì)等元素。

筆者開發(fā)、制作的系統(tǒng)屬于桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，這套人機交互系統(tǒng)的硬件設(shè)備是屏幕、鼠標(biāo)以及鍵盤。在軟件方面，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能提供特殊的空間概念、實時三維圖片的燈光/陰影計算功能、紋理貼圖計算功能就可以為素描教學(xué)提供一種非常真實的交互式的學(xué)習(xí)場景。

第三部分：紙質(zhì)練習(xí)。筆者的研究采用探究式的學(xué)習(xí)策略：通過紙上練習(xí)獲得種種經(jīng)驗，同時按照每次課程的主題練習(xí)紙上的繪畫技巧，最終逐步獲得了更好的素描繪畫能力。素描課程的學(xué)習(xí)，不能只停留在嘴上，需要學(xué)生進行大量的實踐練習(xí)。學(xué)生只有在紙上進行了不斷地修改、練習(xí)、調(diào)整，通過數(shù)量的積累引起質(zhì)變，才能夠真正掌握素描觀察的方法和表現(xiàn)手段。

2.學(xué)習(xí)功能

虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品是向人們尤其是青少年提供生動的課堂和娛樂手段的最佳平臺，它具有三維聲像效果，能進行交互操作［1］26。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通常需要用到許多種元素來構(gòu)成三維空間體系，比如光源、視角、幾何形體、動物、材質(zhì)以及貼圖。盡管它們只是一個虛擬現(xiàn)實的場景，但是需要創(chuàng)建家具、墻上的畫、桌布以及其他各種物體模型，再加上燈光、材質(zhì)、攝像機等各種元素的共同作用，才能構(gòu)建成一個真實的素描教室。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的此款素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有下列功能。

第一，能夠和真實的素描學(xué)習(xí)環(huán)境相匹配；

第二，具有人性化的操作界面（見圖1）；

圖1　素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)操作界面

第三，能夠進行多角度的觀察；

第四，能夠?qū)⒁曇袄屯七h，即學(xué)生可以通過物體遠近距離的變化來觀察物體的細節(jié)以及與整體的關(guān)系（見圖2）；

圖2　縮放功能展示

第五，能夠更換場景中的虛擬模型。通過更換虛擬模型，學(xué)生可以觀察到不同物體的結(jié)構(gòu)以及不同物體的光影變化（見圖3）；

圖3　變換虛擬物體展示

第六，能夠改變虛擬物體的材質(zhì)；

第七，能夠改變燈光的位置和角度（見圖4）。

圖4　陰影練習(xí)展示

四、研究方法

1.實驗設(shè)計

參與者是藝術(shù)設(shè)計專業(yè)大學(xué)一年級的學(xué)生，其中男生140名、女生175名。在教學(xué)過程中學(xué)生被分成了兩個組：第一虛擬組，使用虛擬現(xiàn)實素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)，第二傳統(tǒng)組，在傳統(tǒng)教學(xué)方法的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)。

為了解決觀察角度問題，傳統(tǒng)組通常會將座位擺放成圓形，盡可能地讓學(xué)生的學(xué)習(xí)不受自身所處位置的影響而發(fā)生繪畫角度的改變。虛擬組的學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中使用了素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)，因此教師也就采用了探究式的教學(xué)方式，此種教學(xué)方式和傳統(tǒng)組被動接受式的方式完全不同。虛擬組學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時掌握了不少深入思考、認真探究的方法。兩個組的課程都在教室進行，授課的時間也完全一樣，即每周30小時，共計8周。

2.評價

評價本次實驗的結(jié)果由三部分內(nèi)容組成，即抓形能力、三維造型能力和明暗協(xié)調(diào)能力。可以作如下的解釋。

（1）抓形能力。這是用來評估學(xué)生抓形能力的。所謂的“抓形能力”是指學(xué)生所繪畫面的外輪廓線是否流暢、空間透視關(guān)系是否準(zhǔn)確、各個物體的大小比例關(guān)系是否正確，等等。

（2）三維造型能力。主要考察學(xué)生是否能夠通過塑造黑白、明暗關(guān)系來表達物體的體積感以及場景的空間感。

（3）明暗協(xié)調(diào)能力?？疾鞂W(xué)生是否能夠表達出在不同光源條件下物體的明暗及投影變化，明暗層次是否準(zhǔn)確豐富、不同材質(zhì)的質(zhì)感表現(xiàn)是否恰當(dāng)。

五、實驗結(jié)果

1.實驗前的結(jié)果

學(xué)生在實驗前三種能力的平均值如表1所示。筆者發(fā)現(xiàn)，在實驗前的結(jié)果中，兩組學(xué)生在這三種能力方面的表現(xiàn)都不太好。但是兩組學(xué)生卻有一個共同的特點，即相對于明暗協(xié)調(diào)能力而言，他們更善于抓形；兩組中各個方面能力較強或者較差的學(xué)生，是被筆者有意識地進行了平均分配的。

表1　實驗前平均結(jié)果對比表

2.實驗后的結(jié)果

實驗后的平均結(jié)果對比顯示了三種能力的結(jié)果和實驗前比較相似。如果兩相比較，虛擬組的表現(xiàn)則更好于傳統(tǒng)組（見表2）。

表2　實驗后平均結(jié)果對比表

3.實驗前后結(jié)果的對比

表3顯示這三種能力的排名順序并沒有太大變化。從高到低的排名順序依次是抓形能力、三維造型能力以及明暗協(xié)調(diào)能力。這些結(jié)果表明此次實驗所采用的傳統(tǒng)教學(xué)方式也能夠提高學(xué)生的上述三種能力。筆者并沒有發(fā)現(xiàn)此次實驗對學(xué)生的所有能力有任何特別的壞的影響。

表3　傳統(tǒng)組實驗前后平均結(jié)果對比

表4顯示了這三種能力的排名順序也沒有發(fā)生太大的改變。實驗表明，虛擬現(xiàn)實素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)在提高學(xué)生的繪畫能力方面也是具有效用的。

表4　虛擬組實驗前后平均結(jié)果對比

4.協(xié)方差分析

筆者針對兩個小組成員這三種能力在實驗前后的變化做了協(xié)方差分析，結(jié)果表明虛擬現(xiàn)實素描教學(xué)系統(tǒng)和傳統(tǒng)教學(xué)方式在培養(yǎng)學(xué)生抓形能力、三維造型能力、明暗協(xié)調(diào)能力方面具有同樣的作用。但是應(yīng)用素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)進行教學(xué)實踐，對培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和繪畫創(chuàng)造性以及表現(xiàn)力方面，能夠產(chǎn)生更好的效果。

六、結(jié)論

綜合上文的分析和討論，筆者認為此次開發(fā)、制作的虛擬現(xiàn)實素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有如下不可忽略的功能。

第一，虛擬現(xiàn)實素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)對于素描課程的教學(xué)有著積極的意義。這是一種新的視覺藝術(shù)課程教學(xué)方法。本次實驗所得的成果對進一步開發(fā)、制作提供了有益的啟示。

第二，虛擬現(xiàn)實教學(xué)學(xué)習(xí)活動通過將虛擬現(xiàn)實技術(shù)的獨特性和教學(xué)方法的有機融合，增強了素描教學(xué)的可操作性甚至是趣味性。

第三，虛擬現(xiàn)實素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)用探究式的學(xué)習(xí)方法，能夠讓學(xué)生較為自主地獲得素描所需要的概念和技術(shù)。

第四，虛擬現(xiàn)實素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)擁有視點轉(zhuǎn)換、燈光/陰影轉(zhuǎn)換、改變虛擬物體等實時交互功能，這些功能都能有效地減少教師的工作量，提高教學(xué)質(zhì)量。

本次研究所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，增強了學(xué)生素描能力。應(yīng)用計算機來模擬繪畫對象的體積、空間、光線、材質(zhì)、角度等元素，給學(xué)生提供了新的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)感受，較好地達到了既定的研究目標(biāo)。

［1］ 張菁，張?zhí)祚Y，陳懷友.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

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［3］JohnPark，GlendaCarter，SusanButler，Dav idSlykhuis，andAngeliaReid-Griffin.Re-Dimensional Thinking in Earth Science: From 3-D Virtual Reality Panoramas to 2-D ContourMaps［J］. Journal of Interactive Learning Research， vol. 19， no. 1， pp. 75-90（16）， 2008.

［4］ 湯悅明.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2008：78.

Application of Virtual Reality Technique on Sketch Teaching

In the traditional teaching mode Sketch is a basic course of Artistic Design. Students need to control the lights, shading and other factors in order to get a better observation and painting of the objects. The scene built by VR (Virtual Reality) will be easier to make interactive control so that it becomes an important means of observation in sketch teaching. The sketch learning system has been developed based on the application of VR, which can enrich teaching means, develop teaching methods and improve teaching effi ciencies.

sketch；Virtual Reality；man-machine interaction

J023

A

10.3963/j.issn.2095-0705.2016.03.020（0118-05）

2016-04-09

湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃立項課題“虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校素描課程教學(xué)中的研究與實踐”（XJK015CXX005）；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目立項，“環(huán)境設(shè)計專業(yè)素描課程多媒體教學(xué)軟件開發(fā)與應(yīng)用研究”。

周增輝，湖南信息學(xué)院人文藝術(shù)系講師。