应用射击三维动画模拟教学设计的研究

纪毓琴,　孙杰栋,　姚　坤

(中国人民公安大学警务指挥战术系， 北京　100038)



应用射击三维动画模拟教学设计的研究

纪毓琴,孙杰栋,姚坤

(中国人民公安大学警务指挥战术系， 北京100038)

摘要随着计算机技术和图形技术的快速发展，三维动画已成为计算机图形学和艺术相结合的产物。3ds Max作为一款优秀的三维动画制作软件，以其功能完善、易学易用、制作效果高、渲染真实感极强的特点，深受使用者青睐。目前三维动画越来越多地应用于体育教育技术领域，并取得了良好效果。由于三维动画具有很强的空间立体化表现优势，因此，应用射击采用三维动画模拟形式辅助教学，可以更好地在教学中增强学生的认知和理解，丰富教学手段，提高学生参与学习的主动性、互动性及操作性。它可作为课上模拟教学，亦可以将射击教学与数字化技术相结合，作为网络课程便于学生自学。

关键词警用手枪； 三维动画； 模块设计； 模拟教学

0引言

应用射击既是公安院校的特色教学科目，也是人民警察行动执法和处置危机事件必须掌握的技能之一。然而，长期以来应用射击教学模式相对落后，传统的视频教学表现形式都是以图片和文字的形式记录下来的，在呈现画面时，仅呈现出一个角度，无法添加更多的图片文字内容；书籍教材只是提供给学生文字和图片的信息，无法生动地表现射击过程；多媒体课件虽然融合书籍和视频教材的优势，但仍然无法多角度生动表现射击动作。

因此，如何转变传统射击教学模式，使其能够与先进技术相结合，朝着现代化和数字化的方向发展，是我们广大的警务实战射击教育工作者在新时期所面临的一项新的问题和挑战。

近年来，随着科技的不断进步与发展，数字技术在体育教学中也得到了广泛的应用，一系列数字体育教学产品应运而生，并在实际教学中获得了良好的反馈。有鉴于此，如果以虚拟现实的表现方式研发模拟仿真应用射击教学软件，可以集合视频、书籍、多媒体课件的诸多优势，同时具备多视角手动操作观看动作的特点，则该软件可形成一本生动、丰富、全面的电子教材供射击教学使用。

如果在射击教学中运用3ds Max三维动画软件以及Unity 3D游戏引擎对射击教学进行模拟仿真，一方面可将运动的整体过程真实地模拟出来，制作出多角度、虚拟的动态场面。在课堂上，教师可以利用三维动画向学生展示枪械的构造和操作技巧，这样既能让课堂教学变得更加生动，使得教师的教学手段更加丰富，也能通过互动来提升学生的学习兴趣和课堂参与度。与此同时，学生通过三维动画虚拟仿真形式学习射击技术，可以使其加深对所学知识的理解，更好地掌握知识和技术要领。另一方面，三维动画的空间立体化特性使其具有极强的空间表现优势，通过使用这一技术，教师可在教学环境中模拟出接近真实的学习场景。在射击教学中运用三维虚拟仿真技术，可使教学不受场地与器材的限制。更为重要的是，它能切实减少实弹射击所带来的安全风险。学生利用虚拟仿真技术学习射击，不但有助于迅速理解理论基础知识，还能在课堂上更快地掌握正确方法和技术要领。由于虚拟仿真技术所具有的不受空间和条件限制的特性，教师还可基于这一技术制作射击课程软件，并上传校园网，供学生课下自学或练习使用。虚拟仿真技术的应用，使得射击教学能够真正向现代化和科学化转变，大步迈入数字化时代。

1研究内容与研究方法

1.1研究内容

从警用手枪应用射击教学实践需求出发，研发警用手枪射击仿真模拟教学软件，使之服务于教学和训练。教学软件采用虚拟现实和物理原理组合设计，通过虚拟技术、半实物仿真技术，以及充分利用计算机仿真系统强大的数据处理能力来模拟射手技术动作和不同的目标、不同类型人物角色的运动方式，利用这种方式达到简易操作和灵活多变的教学效果。实现了用变换软件系统来取代耗资巨大的硬件系统，达到模拟实战教学的目的。

(1)警务应用射击教学与虚拟仿真技术结合

将虚拟仿真技术应用于警务教学领域当中，用虚拟仿真技术模拟真实射击动作及场景，将射击动作再现出来，使其情景化、形象化。

(2)射击虚拟仿真与射击教学实践相结合

研究立足于警用射击教学与警用射击虚拟仿真技术的结合点上，在学生从综合的理论教学与三维演示教学中掌握基础技术之后，有效地实施警用射击贴近实战需要的应用教学。

(3)创建数字化模拟仿真教学方式

以三维的形式将射击技能与射击理论、射击实践融合到一起，设计警用手枪应用射击仿真模拟教学方案等软件的研究。

1.2研究方法

采用文献资料法、问卷调查法、案例调研法、统计分析法、运动分析法、演示法和数据统计法等研究方法，对所研究内容进行查阅、对比、分析、演示、统计和制作。

首先，一方面收集整理警用射击教学训练相关图片、文字及视频资料；另一方面，理清研究步骤及内容，并同时查阅与三维动画和特效技术相关的论文及权威报刊书籍资料，并对部分理论依托和佐证进行参考借鉴。对真实案例进行调研，作为强有力的理论支持补充资料。

在对已掌握的资料进行初步分析后，通过向各大公安院校及各省厅、市公安局培训部门散发调查问卷，来进一步了解并归纳整理其对射击教学内容及培训要求的建议及需求，从而为研究结论提供更深层次的现实理论依据。

通过对已收集的三维动画和特效技术，以及现实教学和应用需求等因素进行分层次分析归纳和总结，并利用统计分析法归纳出项目研究基本设计思路。

运用运动分析法，通过对射击技术动作过程进行分析与总结，得出其运动规律，并进行推演。通过技术等演绎方法，对警用射击特征进行总结和分析后，将其演绎提升到具体研究项目设计的一般规律并加以应用。

2三维动画与应用射击教学

2.1三维动画技术基本概念

作为一种新兴信息技术，三维(又称3D)动画技术的产生是与近年来计算机软硬件技术的飞速发展所密不可分的。它主要分为二维动画和三维动画两种。三维动画因为多了高度这个维度，再加之原来的长度和宽度，构成了三维，相比于二维，使用者能够更加充分的发挥其创作空间，更加生动和形象的表现出角色、物体或场景的特点和立体感，也能够更加接近现实世界中景物在人眼中的成像。使用者还可根据具体需求来自由设定诸如虚拟摄像机机位，灯光效果，模型的运动轨迹等参数，并给模型表面覆加材质，最后把所有元素整合在一起通过计算机的处理就可以生成三维动画。

2.2射击教学主要内容的组成

(1)射击学原理

射击学原理是研究发射与命中的科学，学习掌握射击原理是为了摸索射击规律，正确掌握射击要领，从而提高枪支射击的命中率。通过文字的方式介绍射击学相关的理论知识，文化背景，起源发展。讲解发射和后座原理、弹道高、瞄准、初速度及其实用意义等。

(2)武器常识

枪械使用相关知识主要包括依法使用武器，杀伤性武器、非杀伤性武器、警用制式枪械相关知识，枪械的管理、佩带、型号、性能、诸元、作用效果，使用环境，枪支的分解与结合方法、安全操作，故障排除方法，枪弹伤的急救与预防等。

(3)射击技术动作

射击技术是警用手枪射击仿真模拟教学软件内容的核心部分。利用三维虚拟现实手段展示射击动作要领以及技术特点。

① 基础射击技术动作组成

手枪基础射击技术是由据枪、瞄准、击发3部分技术动作组成，如表1所示。

表1　射击技术组成与要领

②实训射击技术组成

警用射击实训教学主要包括射击学理、基本射击技术、快掏枪技术、应用射击技术和战术射击应用技能等教学环节。通过这一课程的学习，力求使学生掌握依法使用武器，打击和制止各种犯罪行为的技能。教学要求学生了解射击的简易学理以及警用武器的分类、特点、技术诸元等相关知识；此外，学生还应领会警用武器的分解结合知识，知晓如何排除一般故障及枪械保养等知识，并能够掌握基础射击、快掏枪应用射击技术和快速战术射击技能。如表2所示。

表2　实训射击技术组成

3三维动画模拟教学软件方案的设计

警用手枪射击仿真模拟教学软件是以虚拟现实为核心技术，设计思路主要以学生的学习需求和教师的教学需求为主线，学生学习内容的设计原则是系统、全面，使用原则是便捷，教师则从教学手段和方法的角度，将软件内容模块细分，合理的安排内容的次序，让学生能够循序渐进地掌握这门学科。

3.1教学软件架构设计

软件模块主要分为射击学理论、射击仿真教学、战术射击、视频教学、软件帮助五个内容模块，这些内容包含丰富的理论知识、图片资料、视频资料和生动的射击三维动画，全面细致地介绍了手枪射击这门学科，学生和老师可以在该软件中查到需要的学习和教学资料，如图1所示。

3.2虚拟仿真建模及角色动画设计

(1)仿真建模设计

图1　软件模块设计

仿真建模主要包括人物建模和手枪建模，仿真人物模型是指依照真实人物比例在计算机上呈现的人体模型。人体外部主要是由骨骼结构和肌肉组织组成，在运动过程中，皮肤会随着骨骼的弯曲和肌肉的伸缩而变化，而建立仿真虚拟人体时，只需采用骨骼和皮肤两个层次。由于肌肉部分并不呈现在外面，所以在人机系统的设计中，虚拟人体忽略了人体内部的肌肉组织，重点用皮肤的模型描述人体外部的形状，同时通过骨骼关节的运动，表现控制虚拟人体的动作。人物建模是用3ds Max设计的，在人物模型制作之前，要先对“警用手枪射击仿真模拟教学软件”中的人物进行设计，为了更加符合教学内容，虚拟人物从外形到服装完全按照现今警务人员的形象设计。设计方案完成后，才能开始进行实质的建模工作。

(2)角色动画设计

射击角色动画是教学的核心部分，学生通过教学软件掌握射击动作的主要途径就是观看角色动画。所以，角色动画的制作必须严谨细致，任意一个动作都必须具有专业性，严格按照视频中真人演示和射击学的动作要领进行手动K帧制作。为了更好地完成动画制作，需要现场录制射击教师的动作，从正面、背面、左侧和右侧分别录制。动画师制作动画时，从四个角度来进行对比操作，反复核对动画的准确性，保证动作的高质量。

3.3操作功能模块设计

主菜单包括：射击学理论、仿真教学、视频演示、战术射击、软件帮助、退出系统6项，涵盖所有手枪射击的教学内容，保证教学软件的专业性和完整性。如图2所示。

图2　软件主菜单界面效果图

3.4应用射击仿真模拟教学软件交互设计

传统的教材一般为图书类和视频录像类，以图书图解的方式学习动作，学生理解起来相对比较困难，而且学习效率低，学习者不容易掌握正确的动作姿势。为了能够让学习者理解动作，就必须把教材中的整套动作需要分解成多个图，同时需要配上更多的文字解释才能被学习者理解。

三维的仿真虚拟人物，可以通过计算机呈现射击动作画面，射击动作完全按照真实的专业射击标准，在3ds Max中实现。加入到警用手枪射击仿真模拟教学软件后，可以通过鼠标的操作进行360°的旋转，全视角的学习射击技术动作。方向可以自由选择，角度可以自由转换，其便利性体现到虚拟教学软件中，为学习者提供了必要的交互，使用软件进行自主学习，学习者还可以通过按钮的交互任意获取学习资料。

4结论与建议

目前国内的基础和应用射击教学主要是使用传统的技能传授的教学方法实施教学，数字化教学模式应用相对缺乏，针对这一情况运用现代科技成果，建立三维动画模拟演示教学是一项具有实际意义的尝试。它可以改变传统、单一、枯燥且难以理解的教学模式。随着计算机网络信息技术的发展和普及，学生接受教育的方式和内容变得更加丰富、灵活。教育现代化的脚步越来越快，现代信息技术已进入了课堂。一个优秀的教师要不断吸取现代化科学知识来丰富和充实自己，并将自己所掌握的先进技术运用于教学之中，为学生营造一个开放的，能够通过多种途径和方式来学习知识的现代化教学环境。因此，教师应当做到变革其教学思想，运用现代教育观念，通过使用现代化的教学手段，取得最理想的课堂教学效果。同时，教师也应充分意识到现代信息技术的重要性，吸收掌握其精髓，并能够明确其与传统教学之间的关系。只有这样，现代信息科学技术才能在应用射击教学中起到很好的辅助作用，进入到现代化信息技术教学新时代，从而更好地丰富教学手段，提高教学质量。

参考文献

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(责任编辑陈小明)

中图分类号D035.319.2

作者简介纪毓琴(1958—)，女，山东青岛人，教授。研究方向为警用射击与警务战术教学训练。

基金项目中国人民公安大学教学研究项目“应用射击快出枪虚拟仿真教学研究”(2015JY12)。