“5G+虛擬仿真”技術(shù)下本科藝用解剖課程的教學(xué)模式探索與實(shí)踐

印琦1 常鴻飛通信作者

摘要：在科技發(fā)展日新月異的當(dāng)今時(shí)代，以網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的教學(xué)方式逐漸成為世界教學(xué)發(fā)展的一種趨勢(shì)。結(jié)合本學(xué)科特點(diǎn)，遵循“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、資源共享”的原則，整合現(xiàn)有資源和增加解剖學(xué)虛擬仿真教學(xué)資源，探索構(gòu)建以網(wǎng)絡(luò)為紐帶，以虛擬仿真教學(xué)資源為內(nèi)涵，方便學(xué)生學(xué)習(xí)藝用解剖學(xué)為宗旨的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[1]。本文介紹了藝用解剖學(xué)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)資源，總結(jié)平臺(tái)建設(shè)和使用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)解剖學(xué)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的未來(lái)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：5G環(huán)境；虛擬仿真；藝用解剖；教學(xué)模式

1. 概念的界定

藝用解剖課程是美術(shù)學(xué)專業(yè)必修課程之一。通過(guò)對(duì)人體解剖圖譜、圖冊(cè)的學(xué)習(xí)臨摹，使學(xué)生了解人體構(gòu)造，在繪畫(huà)過(guò)程中對(duì)人體各個(gè)動(dòng)作形態(tài)所涉及的人體構(gòu)造知識(shí)正確體現(xiàn)。學(xué)生在繪制人體頭像畫(huà)、半身像、全身像繪畫(huà)時(shí)，需要對(duì)人體結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)知識(shí)進(jìn)行了解，在此基礎(chǔ)上才能創(chuàng)作出寫(xiě)實(shí)逼真的人體肖像繪畫(huà)作品。5G技術(shù)的信息傳輸速度可以為高清三維信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸提供支撐，從而使三維的高清模型畫(huà)面能夠在云端與多個(gè)終端用戶之間實(shí)時(shí)互聯(lián)。國(guó)內(nèi)關(guān)于虛擬仿真技術(shù)的研究比發(fā)達(dá)國(guó)家晚，但隨著我國(guó)5G技術(shù)的成熟，以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)也逐漸得到高度重視，國(guó)內(nèi)各高校也在對(duì)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行積極探索。

虛擬仿真技術(shù)最大的特點(diǎn)是真實(shí)、可互動(dòng)、有一定的情景性等。這一技術(shù)最早在教育領(lǐng)域的應(yīng)用是虛擬仿真校園。如：西安交通大學(xué)的工程漫游實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出世界級(jí)水平的虛擬、仿真的計(jì)算機(jī)應(yīng)用成果；同濟(jì)大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，配置了較為先進(jìn)的設(shè)備，可以真實(shí)地展示建筑的結(jié)構(gòu)與景觀。上海大學(xué)CIMS中心研制出一套較為完整的以IRIX虛擬科技園區(qū)環(huán)境為基礎(chǔ)的漫游系統(tǒng)[2]。

我國(guó)本科藝用解剖課程的教學(xué)模式，絕大多數(shù)還是以解剖圖例圖譜為根據(jù)，進(jìn)行臨摹、描繪、拓展訓(xùn)練，圖譜的展示方式還是較為傳統(tǒng)的二維展示。雖然從圖譜圖例的展示呈現(xiàn)手法上，已從紙質(zhì)繪本展示升級(jí)成為投影儀或電子教室系統(tǒng)，但是終究不能升級(jí)為直觀的三維立體的仿真級(jí)體驗(yàn)。教學(xué)過(guò)程中的互動(dòng)行為更是稀少。而“虛擬仿真”技術(shù)可以最大限度地滿足本科藝用解剖課程教學(xué)需求。

虛擬仿真技術(shù)使身處在實(shí)景（教室）環(huán)境中的學(xué)生可以和美術(shù)大師及其相關(guān)藝用解剖作品進(jìn)行對(duì)話，可以對(duì)人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)解構(gòu)分析，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。虛擬仿真技術(shù)與本科藝用解剖教學(xué)相結(jié)合，可以促進(jìn)藝用解剖課程體系與新媒體技術(shù)進(jìn)一步融合發(fā)展，豐富演示方法和相關(guān)學(xué)術(shù)理論，促進(jìn)多學(xué)科交融，同時(shí)引領(lǐng)認(rèn)知與思維要領(lǐng)的新模式轉(zhuǎn)變。從教學(xué)手法的創(chuàng)新、突破，到以5G技術(shù)環(huán)境為支撐，利用虛擬仿真技術(shù)將課程內(nèi)容進(jìn)行“引導(dǎo)式”“沉浸式”“反思式”的演示革新，從而為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)搭建新的學(xué)習(xí)平臺(tái)，激發(fā)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)的能力。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)虛擬仿真技術(shù)上的革新、實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)及公共性互動(dòng)裝置的研究較為廣泛，也有部分研究者在教學(xué)方面進(jìn)行了研究探索，但如何使虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)改革中發(fā)揮互動(dòng)性、沉浸性和引導(dǎo)性，是當(dāng)下亟待解決的研究課題。

2. 學(xué)科融合后的實(shí)用價(jià)值

美術(shù)學(xué)屬于文科范疇，而解剖學(xué)屬于醫(yī)學(xué)工科，藝用解剖本身已經(jīng)具有了明顯的學(xué)科交叉融合跡象。而虛擬仿真技術(shù)的介入使得藝用解剖課程的學(xué)科交叉更為明顯，將抽象的解剖學(xué)可以具象地展示給學(xué)生觀看。（1）虛擬仿真技術(shù)是一種綜合性演示技術(shù)，通過(guò)在教學(xué)中的應(yīng)用，可以使本科學(xué)生利用虛擬設(shè)備來(lái)感受和體驗(yàn)藝用解剖教學(xué)的變革，并從感性層面上滿足教學(xué)的互動(dòng)感、體驗(yàn)感及沉浸感，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行理性層面的探索和思考。（2）在借鑒境外高校虛擬仿真課堂教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將新的教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行對(duì)比分析，推進(jìn)“主動(dòng)課堂”為核心理念的課堂改革及相應(yīng)的教學(xué)方法和手段創(chuàng)新，探索出基于“虛擬仿真”技術(shù)行之有效的課堂教學(xué)模式和多維互動(dòng)教學(xué)體系，提高本課程教學(xué)質(zhì)量。

虛擬仿真技術(shù)在本課程中的靈活運(yùn)用，可以循序漸進(jìn)地發(fā)掘?qū)W生獨(dú)特的天賦和興趣，使學(xué)生的潛能得到最大限度地培養(yǎng)和開(kāi)發(fā)，這也是我們需要研究和推廣的重要內(nèi)容。在今后的教學(xué)改革中，項(xiàng)目將一直持續(xù)關(guān)注對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)課堂改革和實(shí)踐性課程教學(xué)模式的接軌，希望通過(guò)一系列改革舉措為課堂教學(xué)的連續(xù)性以及課程結(jié)構(gòu)一體化銜接的設(shè)計(jì)提供有參考價(jià)值的試點(diǎn)范例[3]。

教改目標(biāo)：

（1）本課題將5G技術(shù)作為信息傳輸環(huán)境支撐，研究藝用解剖課程的授課全過(guò)程，篩選出可以采用虛擬仿真技術(shù)的授課環(huán)節(jié)，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的融入，使學(xué)生可以通過(guò)操控來(lái)主動(dòng)參與到互動(dòng)學(xué)習(xí)中。

（2）通過(guò)虛擬仿真技術(shù)使被動(dòng)灌輸式的講授模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)參與式的探索型課堂教學(xué)模式，進(jìn)一步改變本科生的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)感。

（3）通過(guò)“技術(shù)+藝術(shù)”的完美結(jié)合，在虛擬仿真體驗(yàn)的過(guò)程中感受人體結(jié)構(gòu)在空間的穿插，將教法和學(xué)法有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建科學(xué)合理的教學(xué)體系。

（4）虛擬仿真教學(xué)作為一種沉浸式、開(kāi)放式的教學(xué)模式，對(duì)教師自身的素質(zhì)和教學(xué)設(shè)計(jì)都有很高的要求，要求教師具備嚴(yán)密的邏輯思維能力和良好的沉浸、互動(dòng)能力，要善于調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性、寓教于樂(lè)，實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)課堂”的教學(xué)理念改革。

3. 教學(xué)模式的創(chuàng)新

在藝用解剖課堂融入虛擬仿真技術(shù)后，課堂教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：利用5G技術(shù)在云端設(shè)備與終端設(shè)備之間建立高速率數(shù)據(jù)的傳播途徑。在5G環(huán)境中，信息傳播速率能夠達(dá)到三維立體模型的實(shí)時(shí)同步展示，學(xué)生端與教師端的三維數(shù)據(jù)傳輸及展示可以達(dá)到幾乎實(shí)時(shí)同步的效果。分析本科藝用解剖課程授課環(huán)節(jié)中的各個(gè)部分，篩選出可以利用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié)。按照頭頸部、軀干、上肢、下肢以及骨骼、全身解構(gòu)等不同的關(guān)鍵詞建立系統(tǒng)的族庫(kù)篩選項(xiàng)。設(shè)置不同級(jí)別的層級(jí)關(guān)系，使結(jié)締組織、肌肉組織、皮膚、毛發(fā)等層級(jí)按需顯示，是本教學(xué)模式最為創(chuàng)新之處。按照篩選項(xiàng)利用虛擬仿真系統(tǒng)建立三維可視化數(shù)據(jù)庫(kù)，綁定邏輯動(dòng)作操控代碼，使得學(xué)生可以通過(guò)互動(dòng)裝置進(jìn)行主動(dòng)式參與并進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)。搭建課前預(yù)習(xí)階段引導(dǎo)式教學(xué)模塊，建設(shè)課后反思式的虛擬仿真藝用解剖習(xí)題庫(kù)，如圖1所示。

通過(guò)將虛擬仿真技術(shù)加入創(chuàng)新多維互動(dòng)教學(xué)體系，可以使學(xué)生的思維能力和空間感知力得到一定提升，尤其是可以通過(guò)虛擬仿真技術(shù)更加直觀地向?qū)W生展示三維空間中藝用解剖的虛擬仿真模型。虛擬仿真互動(dòng)教學(xué)體系拆分成三部分，即引導(dǎo)式互動(dòng)模塊（課程前）、沉浸式互動(dòng)模塊（課堂中）、反思式互動(dòng)模塊（課業(yè)后），改變?cè)瓉?lái)的以課中、課后為主導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，構(gòu)建引導(dǎo)課前、交互課中和反思課后的學(xué)習(xí)新模式，極大限度發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。創(chuàng)建“主動(dòng)課堂”[4]。配合學(xué)堂云系統(tǒng)完善線上課堂的教學(xué)資源的整理，讓所有上課班級(jí)的學(xué)生都能參與線上的教學(xué)部分，同時(shí)學(xué)堂云中也可以共享所有的教學(xué)資源。三維的教學(xué)資源需要更為龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)共享平臺(tái)，并且要能夠滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)資源需求，因此必須在服務(wù)器中實(shí)時(shí)更新三維教學(xué)資源的數(shù)據(jù)庫(kù)，以便學(xué)生下載觀摩使用需求。

4. 虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)模式實(shí)施步驟

虛擬演播教學(xué)平臺(tái)融入課堂后，需要有較為清晰的實(shí)施步驟。我們定義了以下步驟，將會(huì)通過(guò)三個(gè)學(xué)年的周期對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，并將教學(xué)評(píng)價(jià)的反饋信息統(tǒng)計(jì)，不斷更新教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的共性問(wèn)題和個(gè)性問(wèn)題，尋找解決辦法并積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，如圖2所示。

4.1 首先應(yīng)滿足并完善5G教學(xué)環(huán)境的搭建及設(shè)備的實(shí)時(shí)互聯(lián)測(cè)試

這項(xiàng)任務(wù)是一切的前提。目前5G技術(shù)的應(yīng)用存在一定的缺陷，只能在一間教室的空間環(huán)境中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的營(yíng)造，如遇隔墻等阻擋信號(hào)的情況，5G信息傳輸會(huì)大打折扣[5]。內(nèi)容需要學(xué)生及任課教師熟練運(yùn)用虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的操作軟件，因此在課前應(yīng)該進(jìn)行不少于4課時(shí)的軟件基本操作技能培訓(xùn)。課堂中需要用到虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)資源。學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備并利用虛擬仿真演示軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型任意角度拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、透明度調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)隱藏、顯示、分離及著色，能夠?qū)崿F(xiàn)仰視、俯視等觀察效果，各結(jié)構(gòu)都有中英文名稱及功能解釋。人體斷層瀏覽，可通過(guò)拖動(dòng)橫、矢、冠3個(gè)方向的虛擬切面對(duì)三維模型進(jìn)行切割，得到任意位置的斷面圖像，能夠任意放大、縮 小、平移等，可保存截圖。分析本科藝用解剖課程授課環(huán)節(jié)中的各個(gè)部分，篩選出可以利用虛擬仿真系統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)。按照頭頸部、軀干、上肢、下肢以及骨骼、全身解構(gòu)等不同的關(guān)鍵詞，建立系統(tǒng)的族庫(kù)篩選項(xiàng)，按照篩選項(xiàng)利用虛擬仿真系統(tǒng)建立三維可視化數(shù)據(jù)庫(kù)。綁定邏輯動(dòng)作操控代碼，使得學(xué)生可以通過(guò)互動(dòng)裝置進(jìn)行主動(dòng)式參與，并進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)。

4.2 構(gòu)建藝用解剖課程資源族庫(kù)

多維互動(dòng)教學(xué)體系的構(gòu)建，更加側(cè)重互動(dòng)式學(xué)習(xí)和自主式思考。沉浸式互動(dòng)模塊——虛擬仿真技術(shù)呈現(xiàn)課程，沉浸體驗(yàn)、交互討論課程中側(cè)重深度沉浸式感知和情景交互式體驗(yàn)。反思式互動(dòng)模塊——知識(shí)拓展訓(xùn)練，互動(dòng)反思。課業(yè)后更加注重知識(shí)的消化和積累，通過(guò)反思互動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)知識(shí)體系的拓展。

4.3 建立教學(xué)評(píng)價(jià)反饋體系

通過(guò)學(xué)生對(duì)虛擬仿真教學(xué)改革的真實(shí)評(píng)價(jià)，建立并完善課程改革機(jī)制，對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)反饋信息進(jìn)行恰當(dāng)處理，是虛擬仿真教學(xué)體系不斷改善的必經(jīng)之路。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題[6]。建立重難點(diǎn)討論評(píng)價(jià)板塊，收集并集中處理學(xué)生提出的各種問(wèn)題，對(duì)共性問(wèn)題進(jìn)行集中輔導(dǎo)答疑，對(duì)個(gè)性問(wèn)題進(jìn)行一對(duì)一幫扶指導(dǎo)。建設(shè)課后反思式的虛擬仿真藝用解剖習(xí)題庫(kù)，設(shè)立討論區(qū)，為學(xué)生提問(wèn)與討論提供平臺(tái)。

結(jié)語(yǔ)

美術(shù)教育是我國(guó)高等學(xué)校本科教育中不可或缺的一部分。對(duì)于類似這種需要極佳空間想象力的課程來(lái)說(shuō)，無(wú)疑成為第一批傳統(tǒng)教育方式向信息化虛擬仿真教學(xué)模式改革的重要試點(diǎn)課程之一。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將抽象的課堂內(nèi)容具象化，使學(xué)生能夠直觀地對(duì)人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，讓課堂主動(dòng)式學(xué)習(xí)模式得以實(shí)施，不僅改進(jìn)了教學(xué)效果，對(duì)學(xué)科交叉融合也做出了探索和改進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介：印琦，碩士研究生，講師，研究方向：美術(shù)學(xué)、數(shù)字媒體藝術(shù)；通信作者：常鴻飛，碩士研究生，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)、藝術(shù)設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：2020年陜西省教育科學(xué)規(guī)劃課題——“5G+虛擬仿真”技術(shù)下本科藝用解剖課程的教學(xué)模式探索與實(shí)踐（編號(hào)：SGH20Q296）。