（昆明理工大學(xué) 城市學(xué)院 650051）

2018年3月，虛擬現(xiàn)實(shí)教育和仿真教學(xué)在教育部辦公廳首批“新工科”建設(shè)項(xiàng)目中出現(xiàn)（教高廳函[2018]17號）；9月，教育部公布了《教育部對十三屆全國人大一次會議第6527號建議的答復(fù)》，提出加強(qiáng)高等學(xué)校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境建設(shè)要求；隨后，職業(yè)教育與成人教育司發(fā)布2018年《普通高等學(xué)校高等職業(yè)教育（?？疲I(yè)目錄》，增加了虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，明確了專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)；6月，教育部高等教育司公布了《首批國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目》（教高函[2018]6號），實(shí)驗(yàn)教學(xué)已從“純線下”教育3.0時代邁向了“純線上”教育4.0時代。

為此，祖強(qiáng)等研究了國家級示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目申報策略，提出以評促建的思路；岳耀賓等，探討了虛擬仿實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中心的共享、教學(xué)和管理問題，提出仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建要易于實(shí)現(xiàn)；張曉旭，將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用于公共藝術(shù)設(shè)計(jì)；王剛，開發(fā)了系列陶瓷工藝特色虛擬仿真優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源并實(shí)施了教學(xué)。本文通過相關(guān)研究和探索的基礎(chǔ)上，對藝術(shù)類仿真教學(xué)需要具備的功能和作用進(jìn)行分析總結(jié)，梳理了仿真平臺項(xiàng)目建設(shè)的思路，給出平臺設(shè)施建設(shè)的建議，以期在結(jié)合專業(yè)教學(xué)基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個實(shí)踐性強(qiáng)，覆蓋面廣，成本低，易于復(fù)制，利用率高的教學(xué)平臺構(gòu)建方案。

一、仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)情況分析

（一）各地學(xué)校建設(shè)情況

在國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的引領(lǐng)下，閩南師范大學(xué)、桂林理工大學(xué)、江南大學(xué)、鄭州輕工業(yè)學(xué)院、貴州民族大學(xué)、福建師范大學(xué)音樂學(xué)院、武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院等藝術(shù)類學(xué)科，已有完善的仿真教學(xué)平臺。

閩南師范大學(xué)傳播藝術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，2016年獲省級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心稱號，設(shè)有五個仿真實(shí)驗(yàn)室。基于潤尼爾公司開發(fā)的教學(xué)管理平臺，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有用戶登錄系統(tǒng)，具備選題、虛擬實(shí)驗(yàn)、信息查詢、答疑等功能?！坝耙晥雒嬲{(diào)度虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”具有一定特色，運(yùn)用Unity3D引擎開發(fā)，以虛代實(shí)，較好的將影視拍攝原理與知識與虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合。

桂林理工大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，2016年度評為區(qū)級仿真教學(xué)中心，服務(wù)于藝術(shù)學(xué)院6個本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和公共課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，設(shè)有三個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?；诼銛?shù)字技術(shù)有限公司開發(fā)的G-Magic虛擬仿真系統(tǒng)，運(yùn)用SkectchUp、3dsMax和DVS3D技術(shù)在小間距LED展示系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了3D 主動式立體VR漫游教學(xué)；非專業(yè)學(xué)生可運(yùn)用平臺軟件，進(jìn)行教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)。武漢某大學(xué)藝術(shù)學(xué)院、云南某學(xué)院仿真教學(xué)中心也采用了同樣系統(tǒng)和設(shè)備。

（二）國家首批仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目情況

對國家首批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（八類105個）研究分析得知：虛擬仿真項(xiàng)目基于3D仿真、WebGL、動畫等藝術(shù)類CG技術(shù)進(jìn)行融合開發(fā)；表1中，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目約61.9%使用Unity3D專業(yè)級游戲引擎開發(fā)，其余14.29%用Animate CC（原Flash軟件）；管理平臺開發(fā)工具以Visual Studio（約占56.19%）和Eclipse為主（約占33.33%）；表2中，后臺數(shù)據(jù)庫約56.19%使用Mysql，33.33%用SQL Server。

表1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目主要開發(fā)工具統(tǒng)計(jì)

表2 管理平臺主要數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)

（三）目前藝術(shù)類仿真平臺建設(shè)情況分析

根據(jù)案例分析、實(shí)地體驗(yàn)、公司詢價和會議研討得出：

1.從國家首批仿真項(xiàng)目來看，仿真項(xiàng)目具有很強(qiáng)的代入感，可操作性強(qiáng)。其通過互聯(lián)網(wǎng)面向高校和社會免費(fèi)開放所提供的教學(xué)策略，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)封閉、覆蓋難、利用率低等瓶頸，是一項(xiàng)突破性的教學(xué)方式。

2.目前，大部分藝術(shù)類仿真教學(xué)平臺還處于動手實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室的混合教學(xué)，能進(jìn)行遠(yuǎn)程和在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的項(xiàng)目不多，具有巨大的研究空間和市場價值。

3.通過實(shí)地體驗(yàn)，部分基于VR仿真設(shè)備尚未成熟（主動立體3D技術(shù)目前還不穩(wěn)定，有輕微屏閃現(xiàn)象），由于軟件大部分由企業(yè)自主研發(fā)，軟件與硬件的兼容性還不夠高，設(shè)備和軟件的采購需謹(jǐn)慎。

4.仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)費(fèi)用高昂，要實(shí)現(xiàn)較好的體驗(yàn)效果至少需400萬以上的資金投入，其中，教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)、展示等公司自研軟件以及為學(xué)校定制教學(xué)項(xiàng)目占總金額三分之一。

從上述研究表明，多數(shù)仿真教學(xué)項(xiàng)目基于Unity3D、動畫、VR和AR等技術(shù)開發(fā)，屬于藝術(shù)設(shè)計(jì)和信息工程等專業(yè)范疇。綜合類工科院校完全可根據(jù)學(xué)科特色，跨專業(yè)整合資源，形成仿真項(xiàng)目的教學(xué)開發(fā)和科研體系，是降低建設(shè)成本，維系平臺高效運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建

（一）建設(shè)思路

藝術(shù)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)定位于遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過在現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)空間、設(shè)備和師資條件下，利用有限的資金，規(guī)劃建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。該平臺建設(shè)根據(jù)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。項(xiàng)目建設(shè)后，能有效改善工程背景下藝術(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)條件和研究條件，促進(jìn)VR專業(yè)教學(xué)和人才培養(yǎng)。

（二）建設(shè)目標(biāo)

1.滿足藝術(shù)設(shè)計(jì)系專業(yè)虛擬仿真（VR）項(xiàng)目教學(xué)，并支撐基于產(chǎn)教融合、校企合作的“工作室項(xiàng)目化”教學(xué)模式的深化，實(shí)現(xiàn)基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)仿真項(xiàng)目教學(xué)與實(shí)訓(xùn)平臺。

2.兼顧教師科研、校企合作、社會服務(wù)等功能。實(shí)現(xiàn)虛擬仿真（VR）在遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)協(xié)作、虛擬展示、非遺數(shù)字化保護(hù)等方向的應(yīng)用；深化校企合作模式的教學(xué)改革；兼顧面向校內(nèi)工科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

（三）教學(xué)平臺建設(shè)

圖1，依托學(xué)校的工科背景，結(jié)合藝術(shù)設(shè)計(jì)系在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）教學(xué)的特色優(yōu)勢，將更新的技術(shù)應(yīng)用和設(shè)計(jì)思維帶入學(xué)生課堂，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心由七個平臺構(gòu)建。

圖1 虛擬仿真（VR）實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)規(guī)劃框架示意圖

1.服裝設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺 面向服裝與服飾設(shè)計(jì)專業(yè)開放，開展服裝設(shè)備原理、服飾材料、人體結(jié)構(gòu)辨識等仿真教學(xué)。采用VR影視和三維動畫技術(shù)建設(shè)仿真教學(xué)項(xiàng)目，幫助學(xué)生理解縫紉機(jī)、刺繡機(jī)、平板切割機(jī)、蒸汽熨斗等設(shè)備的部件構(gòu)成及使用原理，熟悉設(shè)備使用流程和方法，對不同服裝面料、人體結(jié)構(gòu)有個全面了解，提高學(xué)生對服裝設(shè)計(jì)的認(rèn)知。

2.產(chǎn)品虛擬實(shí)驗(yàn)平臺 面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)，運(yùn)用三維立體仿真技術(shù)建設(shè)教學(xué)項(xiàng)目，等比復(fù)原工業(yè)產(chǎn)品，讓學(xué)生在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。例如：基于人體結(jié)構(gòu)定制的衣服、運(yùn)動鞋和珠寶，基于人體工程學(xué)的椅子等設(shè)計(jì)產(chǎn)品；同時，開展第二課堂，兼顧工科大型設(shè)備的模型復(fù)原，銜接教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)。

3.印刷、包裝設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺 面向視覺傳達(dá)專業(yè)，針對傳統(tǒng)印刷工藝和原理，進(jìn)行仿真項(xiàng)目的建設(shè)。重點(diǎn)針對印刷行業(yè)的設(shè)備進(jìn)行了解，通過對印刷設(shè)備結(jié)構(gòu)展示和VR視頻情景再現(xiàn)，使學(xué)生了解印刷的同時，理解包裝設(shè)計(jì)的制作工藝；同時，兼顧工科仿真教學(xué)項(xiàng)目的UI設(shè)計(jì)與制作。

4.室內(nèi)外虛擬場景實(shí)驗(yàn)平臺 面向環(huán)境設(shè)計(jì)和動畫等專業(yè)，通過使用VR拍攝技術(shù)對住宅、酒店、辦公場所等地進(jìn)行仿真教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維；人體工程學(xué)、裝飾材料和裝修原理的三維展示，也能夠加深學(xué)生的理解，提高教學(xué)質(zhì)量；同時，兼顧仿真教學(xué)項(xiàng)目的辦公空間設(shè)計(jì)與建設(shè)。

5.展示設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺 面向環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)和視覺傳達(dá)專業(yè)，使學(xué)生通過遠(yuǎn)程VR直播的形式，對展臺、展柜和展廳環(huán)境進(jìn)行仿真教學(xué)，并通過VR實(shí)景拍攝和三維建模，開展VR數(shù)字博物館、舞臺設(shè)計(jì)等展示內(nèi)容創(chuàng)作。

6.VR短視頻創(chuàng)作虛擬實(shí)驗(yàn)平臺 面向播音主持、數(shù)字媒體藝術(shù)和動畫等專業(yè)。除主持直播仿真教學(xué)外，運(yùn)用VR設(shè)備進(jìn)行全景圖和全景微電影的拍攝與制作。創(chuàng)作內(nèi)容不但可上傳至優(yōu)酷VR、橙子VR、UtoVR等平臺做VLog資源，還可以與百度地圖等平臺銜接，制作VR街景動圖；同時兼顧工科專業(yè)的VR MOOC教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)。

7.三維動畫與數(shù)字交互創(chuàng)作虛擬實(shí)驗(yàn)平臺 面向動畫、數(shù)字媒體藝術(shù)和視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)等專業(yè)。通過運(yùn)用仿真設(shè)備，實(shí)施VR游戲研發(fā)、VR動畫創(chuàng)作、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)等設(shè)計(jì)創(chuàng)作；同時，兼顧整合工科仿真項(xiàng)目的制作，整合項(xiàng)目資源，為其余六個平臺提供運(yùn)行保障。

（四）教學(xué)平臺設(shè)施建設(shè)

1.虛擬仿真（VR）展示系統(tǒng)

容納30-40人教學(xué)，為教學(xué)提供仿真教學(xué)演示、仿真考試、仿真作品展示等功能，同時兼顧多人VR交互系統(tǒng)的投屏監(jiān)控。展示系統(tǒng)由小間距LED教學(xué)演示大屏、大屏控制PC電腦、智能無線傳屏設(shè)備和控制臺組成，具備可調(diào)色溫、無線傳屏等功能。大屏控制PC電腦為專業(yè)圖形工作站電腦，需滿足8K VR影像的流暢播放。

2.虛擬仿真（VR）交互開發(fā)

由多人交互系統(tǒng)、三維掃描系統(tǒng)、動作捕捉系統(tǒng)、VR全景拍攝系統(tǒng)4部分構(gòu)成，用于各專業(yè)虛擬仿真（VR）項(xiàng)目化教學(xué)、虛擬仿真（VR）課件研發(fā)和VR設(shè)備租賃，同時兼顧學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽、職業(yè)技能競賽等第二課堂的開展。

（1）多人交互系統(tǒng)。多人交互系統(tǒng)主要由HTC VIVE Pro套件和專業(yè)工作站構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)多名學(xué)生（至少5至10人）同時在線進(jìn)行交互實(shí)訓(xùn)，并承擔(dān)藝術(shù)類各專業(yè)的Unity3D交互設(shè)計(jì)、VR互動游戲、VR引擎動畫、VR室內(nèi)設(shè)計(jì)等課程教學(xué)和師生科研功能。配置有無線接收器、追蹤器、定位支架等HTC套件，以及多人適配軟件和針對Unity3D的開發(fā)插件，便于數(shù)字媒體藝術(shù)、動畫等專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行三維角色仿真項(xiàng)目的二次開發(fā)。

（2）三維掃描系統(tǒng)。三維掃描系統(tǒng)采用準(zhǔn)工業(yè)級手持式LED白光高精度三維掃描儀，能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零部件、小型古文物、服飾、人像等模型掃描功能，為產(chǎn)品專業(yè)提供產(chǎn)品部件掃描，為動畫和數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)提供古文物復(fù)古、三維角色等立體模型掃描，為服裝專業(yè)提供服裝數(shù)據(jù)記錄，為環(huán)境藝術(shù)專業(yè)提供小空間取樣等功能。支持彩色紋理掃描，能導(dǎo)出OBJ、STL、ASC、PLY等格式數(shù)據(jù)，銜接3dsMax、Maya、Unity3D等軟件，便于搜集真實(shí)數(shù)據(jù)。

（3）動作捕捉系統(tǒng)。動作捕捉系統(tǒng)由動作捕捉套件、動捕手套和相關(guān)配件組成，用于人員動作仿真模擬。系統(tǒng)需基于慣性傳感原理，便于攜帶，裝配便捷，具備無線傳輸能力，可高效在不同環(huán)境中實(shí)現(xiàn)動態(tài)運(yùn)動動作的數(shù)據(jù)捕捉，續(xù)航時間不少于3小時，捕捉不少于17個點(diǎn)，數(shù)據(jù)兼容Unity3D、UE4、Maya、3dsMax等骨骼系統(tǒng)。

（4）VR全景視頻系統(tǒng)。VR全景視頻系統(tǒng)由專業(yè)級視頻拍攝設(shè)備和入門級拍攝設(shè)備構(gòu)成，滿足學(xué)生進(jìn)行VR全景視頻拍攝、虛擬仿真（VR）展廳等的項(xiàng)目開發(fā)。專業(yè)級設(shè)備2套，設(shè)2個機(jī)位，定位于8K影視VR視頻錄制；具有防抖、HDR錄制、遠(yuǎn)距離傳輸監(jiān)看等功能；入門級拍攝設(shè)備40套，攜帶方便，能錄制4K以上30fps運(yùn)動影像，具備直播、防抖、慢動作、HDR錄制等功能。為數(shù)字媒體藝術(shù)、播音主持、動畫等專業(yè)，提供VR影視拍攝和作品創(chuàng)作條件。

3.教學(xué)軟件和輔助設(shè)備

軟件分為虛擬仿真（VR）編輯軟件和VR內(nèi)容展示平臺，用于藝術(shù)專業(yè)在虛擬仿真（VR）教學(xué)、內(nèi)容創(chuàng)作和效果展示。

（1）仿真軟件。采用全國高校主流仿真制作軟件Unity3D引擎進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)。理由為：第一，國家首批認(rèn)定的仿真教學(xué)項(xiàng)目約61.9%由Unity3D開發(fā)；第二，目前，大部分藝術(shù)類專業(yè)開設(shè)有Unity3D課程，可鏈接教學(xué)，學(xué)生畢業(yè)后可在對口公司進(jìn)行就業(yè)；第三，有全國統(tǒng)一的教材和學(xué)習(xí)材料，且模型庫素材豐富；第四，軟件支持WIN、IOS、Android等平臺，所有的實(shí)時交互系統(tǒng)和功能都可以在短時間內(nèi)輕松實(shí)現(xiàn)；最后，軟件針對初級用戶免費(fèi)，沒有教學(xué)負(fù)擔(dān)。

（2）遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)管理和考試平臺。平臺建設(shè)主要用于遠(yuǎn)程交互協(xié)同、考核、作品展示等功能，實(shí)現(xiàn)對外提供虛擬仿真（VR）實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。該平臺數(shù)據(jù)庫需基于Mysql或SQL Server，支持PC、移動終端訪問，便于實(shí)訓(xùn)考核；具備用戶身份管理、認(rèn)證和計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)，能提供用戶認(rèn)證和授權(quán)等級識別等管理功能，以及病毒防御功能；教師可發(fā)布公告，新建試卷，自定義考試時間；支持學(xué)生內(nèi)部討論、上傳和發(fā)布作品等；公司能為校方開發(fā)針對Unity3D第三方交互插件和銜接代碼，便于作品校外發(fā)布和展示。

（3）存儲設(shè)備和服務(wù)器。存儲設(shè)備用于存儲和調(diào)用VR作品、三維模型和貼圖等素材，銜接顯示系統(tǒng)；教學(xué)信息化內(nèi)容存入學(xué)校專用大型服務(wù)器，鏈接至校園門戶網(wǎng)站，因此建議不再重復(fù)建設(shè)。

（4）實(shí)訓(xùn)桌椅和其他輔助設(shè)備。配有40人可移動教學(xué)實(shí)訓(xùn)桌椅和5人交互工作臺，根據(jù)教學(xué)現(xiàn)場進(jìn)行定制；配置有路由器、交換機(jī)、教學(xué)擴(kuò)音設(shè)備、話筒等輔助設(shè)備，根據(jù)教學(xué)實(shí)際場地進(jìn)行布置。

三、總結(jié)

該平臺結(jié)合了仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)和仿真項(xiàng)目研發(fā)雙重功能，針對藝術(shù)設(shè)計(jì)系七個平臺開展教學(xué)，除滿足VR虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)、VR視頻拍攝、VR全景圖片生成、三維模型掃描、三維角色動態(tài)記錄、虛擬仿真資源存儲等教學(xué)功能外，同時為遠(yuǎn)程仿真教學(xué)的管理和考核奠定基礎(chǔ)。該構(gòu)建方案實(shí)踐性強(qiáng)、覆蓋面廣、成本低、可利用率高，能促進(jìn)藝術(shù)類專業(yè)教學(xué)和人才培養(yǎng)，為虛擬仿真平臺建設(shè)和教學(xué)提供參考和借鑒。平臺的建設(shè)還有完善和升級空間，可根據(jù)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改良。