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

20虛擬現(xiàn)實(shí)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(zhǎng)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(jì)專(zhuān)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(duì)象，需要認(rèn)真控制燈光、明暗等元素。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)方法構(gòu)建的場(chǎng)景卻能夠更加輕松地施行交互控制進(jìn)而成為素描教學(xué)中的重要觀察手段。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上開(kāi)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(shí)；人機(jī)交互

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)是從英文“Virtual Reality”一詞翻譯過(guò)來(lái)的，簡(jiǎn)稱(chēng)“VR技術(shù)”。“Virtual”是“虛擬”的意思、“Reality”是“真實(shí)”的意思，合并而言就是“虛擬現(xiàn)實(shí)”。該詞語(yǔ)是由美國(guó)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(lái)的，也稱(chēng)“靈境技術(shù)”或“人工環(huán)境”，于是國(guó)內(nèi)就有人依此翻譯為“靈境”或“幻真”［1］1。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)際上是綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)和顯示技術(shù)等多種實(shí)用技術(shù)，并且在多維的信息空間中創(chuàng)建了一個(gè)虛擬的信息環(huán)境，能夠使用戶(hù)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(shí)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(xiàng)目管理進(jìn)程中正在發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用。首先，由于硬件設(shè)備投入的費(fèi)用非常昂貴，所以虛擬系統(tǒng)通常被用在那些在現(xiàn)實(shí)生活中容易出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的教學(xué)活動(dòng)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(lái)越多的人使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)講授化學(xué)、物理、藝術(shù)等學(xué)科的課程。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)被用于教育和培訓(xùn)：Hratman更進(jìn)一步地使用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境來(lái)檢測(cè)學(xué)生的空間認(rèn)知能力［2］；Park et al發(fā)現(xiàn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的地圖能夠進(jìn)一步提高學(xué)生的空間想象能力［3］；美國(guó)芝加哥大學(xué)的電子可視化實(shí)驗(yàn)室和交互計(jì)算環(huán)境實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、制作出了一款名為“美妙（NICE）”的兒童教育產(chǎn)品，其實(shí)是“敘述性、身歷其境感、合作互動(dòng)環(huán)境”的簡(jiǎn)稱(chēng)，宗旨則是“讓我們?cè)谔摂M世界里一起學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)”［4］。前景美好，于是人們認(rèn)為很有必要開(kāi)發(fā)一個(gè)新的教育系統(tǒng)，來(lái)幫助教師減少壓力，保證教學(xué)質(zhì)量；同時(shí)這個(gè)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(dòng)力，給學(xué)生提供一種直觀的交互學(xué)習(xí)環(huán)境，進(jìn)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(huà)時(shí)需要同時(shí)考慮明暗、燈光、顏色、角度等種種元素，這些元素同時(shí)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(wèn)題，這必然要增大教師的工作量。同時(shí)由于學(xué)生經(jīng)常被動(dòng)地接受建議，也會(huì)降低他們主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的積極性。為了有效地解決上述問(wèn)題，筆者于是應(yīng)用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)、制作了此款交互式素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

在開(kāi)發(fā)、制作的過(guò)程中，筆者希望實(shí)現(xiàn)下列目標(biāo)。

第一，通過(guò)應(yīng)用素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(wèn)題。

第二，通過(guò)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(dòng)性和積極性。

第三，素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)的在線(xiàn)學(xué)習(xí)功能能夠打破時(shí)間和空間的限制，加之虛擬現(xiàn)實(shí)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(shì)，這些都可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)媒體在互動(dòng)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(gè)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(huì)將各種各樣的物體細(xì)分成一個(gè)個(gè)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(lèi)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(jiǎn)單的基本元素，比如人的頭就可以看成是由球體、圓柱體、長(zhǎng)方體等基本單元構(gòu)成的復(fù)雜對(duì)象。通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單的幾何體進(jìn)行繪畫(huà)訓(xùn)練，就可以掌握物體的明暗規(guī)律和繪畫(huà)造型表現(xiàn)手法。之后再面對(duì)復(fù)雜對(duì)象的時(shí)候，學(xué)生便可以依靠獲得的經(jīng)驗(yàn)，將生活中的真實(shí)物體分解成簡(jiǎn)單的幾何體并予以重構(gòu)。這種訓(xùn)練可以增強(qiáng)學(xué)生在素描繪畫(huà)中的觀察能力和分析能力。

第二部分：構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)交互操作環(huán)境。為了順應(yīng)在線(xiàn)學(xué)習(xí)的新趨勢(shì)，教師可以將素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生借此通過(guò)因特網(wǎng)或局域網(wǎng)進(jìn)行在線(xiàn)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(jìn)行交互式的操作學(xué)習(xí)。文件可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法在時(shí)間和空間方面的不足。筆者希望通過(guò)消除學(xué)生在自然觀察過(guò)程中所遇到的多種相互干擾的不利因素，同時(shí)給學(xué)生提供互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，以此提高學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)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(dòng)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(huà)物體的類(lèi)型、角度、光線(xiàn)、材質(zhì)等元素。

筆者開(kāi)發(fā)、制作的系統(tǒng)屬于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，這套人機(jī)交互系統(tǒng)的硬件設(shè)備是屏幕、鼠標(biāo)以及鍵盤(pán)。在軟件方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能提供特殊的空間概念、實(shí)時(shí)三維圖片的燈光/陰影計(jì)算功能、紋理貼圖計(jì)算功能就可以為素描教學(xué)提供一種非常真實(shí)的交互式的學(xué)習(xí)場(chǎng)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(guò)紙上練習(xí)獲得種種經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)按照每次課程的主題練習(xí)紙上的繪畫(huà)技巧，最終逐步獲得了更好的素描繪畫(huà)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(jìn)行大量的實(shí)踐練習(xí)。學(xué)生只有在紙上進(jìn)行了不斷地修改、練習(xí)、調(diào)整，通過(guò)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(shí)產(chǎn)品是向人們尤其是青少年提供生動(dòng)的課堂和娛樂(lè)手段的最佳平臺(tái)，它具有三維聲像效果，能進(jìn)行交互操作［1］26。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通常需要用到許多種元素來(lái)構(gòu)成三維空間體系，比如光源、視角、幾何形體、動(dòng)物、材質(zhì)以及貼圖。盡管它們只是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景，但是需要?jiǎng)?chuàng)建家具、墻上的畫(huà)、桌布以及其他各種物體模型，再加上燈光、材質(zhì)、攝像機(jī)等各種元素的共同作用，才能構(gòu)建成一個(gè)真實(shí)的素描教室。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)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(shí)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(jiàn)圖1）；

圖1　素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)操作界面

第三，能夠進(jìn)行多角度的觀察；

第四，能夠?qū)⒁曇袄屯七h(yuǎn)，即學(xué)生可以通過(guò)物體遠(yuǎn)近距離的變化來(lái)觀察物體的細(xì)節(jié)以及與整體的關(guān)系（見(jiàn)圖2）；

圖2　縮放功能展示

第五，能夠更換場(chǎng)景中的虛擬模型。通過(guò)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(jiàn)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(jiàn)圖4）。

圖4　陰影練習(xí)展示

四、研究方法

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參與者是藝術(shù)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)大學(xué)一年級(jí)的學(xué)生，其中男生140名、女生175名。在教學(xué)過(guò)程中學(xué)生被分成了兩個(gè)組：第一虛擬組，使用虛擬現(xiàn)實(shí)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(wèn)題，傳統(tǒng)組通常會(huì)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(huà)角度的改變。虛擬組的學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)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(dòng)接受式的方式完全不同。虛擬組學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)掌握了不少深入思考、認(rèn)真探究的方法。兩個(gè)組的課程都在教室進(jìn)行，授課的時(shí)間也完全一樣，即每周30小時(shí)，共計(jì)8周。

2.評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)本次實(shí)驗(yàn)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?？梢宰魅缦碌慕忉?。

（1）抓形能力。這是用來(lái)評(píng)估學(xué)生抓形能力的。所謂的“抓形能力”是指學(xué)生所繪畫(huà)面的外輪廓線(xiàn)是否流暢、空間透視關(guān)系是否準(zhǔn)確、各個(gè)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(guò)塑造黑白、明暗關(guān)系來(lái)表達(dá)物體的體積感以及場(chǎng)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(dá)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.實(shí)驗(yàn)前的結(jié)果

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前三種能力的平均值如表1所示。筆者發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)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(gè)共同的特點(diǎn)，即相對(duì)于明暗協(xié)調(diào)能力而言，他們更善于抓形；兩組中各個(gè)方面能力較強(qiáng)或者較差的學(xué)生，是被筆者有意識(shí)地進(jìn)行了平均分配的。

表1　實(shí)驗(yàn)前平均結(jié)果對(duì)比表

2.實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果

實(shí)驗(yàn)后的平均結(jié)果對(duì)比顯示了三種能力的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)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(jiàn)表2）。

表2　實(shí)驗(yàn)后平均結(jié)果對(duì)比表

3.實(shí)驗(yàn)前后結(jié)果的對(duì)比

表3顯示這三種能力的排名順序并沒(méi)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(shí)驗(yàn)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(méi)有發(fā)現(xiàn)此次實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)前后平均結(jié)果對(duì)比

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

表4　虛擬組實(shí)驗(yàn)前后平均結(jié)果對(duì)比

4.協(xié)方差分析

筆者針對(duì)兩個(gè)小組成員這三種能力在實(shí)驗(yàn)前后的變化做了協(xié)方差分析，結(jié)果表明虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和繪畫(huà)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(rèn)為此次開(kāi)發(fā)、制作的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)于素描課程的教學(xué)有著積極的意義。這是一種新的視覺(jué)藝術(shù)課程教學(xué)方法。本次實(shí)驗(yàn)所得的成果對(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、制作提供了有益的啟示。

第二，虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)通過(guò)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的獨(dú)特性和教學(xué)方法的有機(jī)融合，增強(qiáng)了素描教學(xué)的可操作性甚至是趣味性。

第三，虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)素描學(xué)習(xí)系統(tǒng)擁有視點(diǎn)轉(zhuǎn)換、燈光/陰影轉(zhuǎn)換、改變虛擬物體等實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)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(dòng)性，增強(qiáng)了學(xué)生素描能力。應(yīng)用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬繪畫(huà)對(duì)象的體積、空間、光線(xiàn)、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(dá)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(shí)技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［2］ Nathan W. Hartman， Patrick E.Connolly，Jeffrey W. Gilger， Gary R. Bertoline，and Justin Heisler.Virtual Realitybased spatial skills assessment and its role in computer graphics education［R］. Presentation Proceedings of the ACM SIGGRAPH Annual Conference， Boston，Massachusetts，Research on the Application of Virtual RealityinArtsCoreCurriculaKoun-TemSun，Hsin-TeChan，Kuan-ChienMeng261USA，2006.Article#46see:http://portal.acm.org/ citation.cfm？id=1179342&dl=GUIDE&coll=GUI DE&CFID=15151515&CFTOKEN=6184618

［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(shí)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(xiàng)課題“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校素描課程教學(xué)中的研究與實(shí)踐”（XJK015CXX005）；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目立項(xiàng)，“環(huán)境設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)素描課程多媒體教學(xué)軟件開(kāi)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。