20 虚拟现实技术在素描课程教学中*

周增辉 ZHOU Zenghui湖南信息学院，长沙410051（Hunan Institute of Information Technology，410051 Changsha）

20虚拟现实技术在素描课程教学中*

周增辉 ZHOU Zenghui
湖南信息学院，长沙410051（Hunan Institute of Information Technology，410051 Changsha）

在传统的教学模式中，素描作为艺术设计专业的基础课程，学生要想更好地观察以及描绘观察对象，需要认真控制灯光、明暗等元素。运用虚拟现实方法构建的场景却能够更加轻松地施行交互控制进而成为素描教学中的重要观察手段。在虚拟现实技术应用基础上开发制作的素描学习系统，能够起到丰富教学手段、改革教学方法和提高教学效果的作用。

素描；虚拟现实；人机交互

一、引言

虚拟现实是从英文“Virtual Reality”一词翻译过来的，简称“VR技术”。“Virtual”是“虚拟”的意思、“Reality”是“真实”的意思，合并而言就是“虚拟现实”。该词语是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪八十年代创造出来的，也称“灵境技术”或“人工环境”，于是国内就有人依此翻译为“灵境”或“幻真”［1］1。虚拟现实技术实际上是综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术和显示技术等多种实用技术，并且在多维的信息空间中创建了一个虚拟的信息环境，能够使用户具有身历其境的沉侵感，具有与环境完善的交互作用能力，更为重要的是有助于启发构思。随着虚拟现实技术的发展，作为一种新的管理方法和技术，虚拟系统在项目管理进程中正在发挥着愈来愈重要的作用。首先，由于硬件设备投入的费用非常昂贵，所以虚拟系统通常被用在那些在现实生活中容易出现风险的教学活动诸如军事、医疗、工程等。随着技术的更新和发展，在基础教学中，越来越多的人使用虚拟现实技术来讲授化学、物理、艺术等学科的课程。

虚拟现实技术长期以来被用于教育和培训：Hratman更进一步地使用虚拟现实环境来检测学生的空间认知能力［2］；Park et al发现用虚拟现实技术制作的地图能够进一步提高学生的空间想象能力［3］；美国芝加哥大学的电子可视化实验室和交互计算环境实验室设计、制作出了一款名为“美妙（NICE）”的儿童教育产品，其实是“叙述性、身历其境感、合作互动环境”的简称，宗旨则是“让我们在虚拟世界里一起学习和成长”［4］。前景美好，于是人们认为很有必要开发一个新的教育系统，来帮助教师减少压力，保证教学质量；同时这个系统还能够提高学生学习的积极性，激发学生的学习动力，给学生提供一种直观的交互学习环境，进而就能有质量的完成既定的教学任务。

二、研究目的

在传统的素描教学中，学生绘画时需要同时考虑明暗、灯光、颜色、角度等种种元素，这些元素同时也在相互影响相互作用。教师通常需要发现并纠正学生的种种问题，这必然要增大教师的工作量。同时由于学生经常被动地接受建议，也会降低他们主动发现问题的积极性。为了有效地解决上述问题，笔者于是应用3D虚拟现实技术开发、制作了此款交互式素描学习系统。

在开发、制作的过程中，笔者希望实现下列目标。

第一，通过应用素描学习系统的实时交互技术，有效减轻教师的教学压力，甚至能够解决中学美术师资短缺的问题。

第二，通过展现素描学习系统的趣味性和交互功能，能够有效地吸引学生的注意力，提高学习的主动性和积极性。

第三，素描学习系统的在线学习功能能够打破时间和空间的限制，加之虚拟现实技术在空间、阴影、材质表现等方面具有极大的优势，这些都可以有效弥补传统媒体在互动交流方面的缺陷与不足。

三、系统构建以及学习功能

1.系统构建

本系统由以下三个部分组成。

第一部分：模型。根据课程目标和课程内容要求，为了训练学生素描造型能力，教师通常会将各种各样的物体细分成一个个基本的单元。这些虚拟模型通常由平面和曲面构成。例如圆锥体、球体、圆柱体是由曲面构成的三维物体，而正方体、四棱锥、六棱柱则是由平面构成的三维物体。众所周知，这两类物体是最基本的几何体。使用几何体的目的在于将复杂的物体分解成简单的基本元素，比如人的头就可以看成是由球体、圆柱体、长方体等基本单元构成的复杂对象。通过对简单的几何体进行绘画训练，就可以掌握物体的明暗规律和绘画造型表现手法。之后再面对复杂对象的时候，学生便可以依靠获得的经验，将生活中的真实物体分解成简单的几何体并予以重构。这种训练可以增强学生在素描绘画中的观察能力和分析能力。

第二部分：构建虚拟现实交互操作环境。为了顺应在线学习的新趋势，教师可以将素描学习系统开发成网络学习平台，学生借此通过因特网或局域网进行在线学习，也可以先下载学习系统文件，安装到电脑上后进行交互式的操作学习。文件可以弥补传统学习方法在时间和空间方面的不足。笔者希望通过消除学生在自然观察过程中所遇到的多种相互干扰的不利因素，同时给学生提供互动的学习环境，以此提高学习的积极性和主动性。素描学习系统的交互操作功能，改变了学生以往被动学习的模式，能够让学生更有自己的想法，并且可以自主改变绘画物体的类型、角度、光线、材质等元素。

笔者开发、制作的系统属于桌面虚拟现实系统，这套人机交互系统的硬件设备是屏幕、鼠标以及键盘。在软件方面，虚拟现实技术能提供特殊的空间概念、实时三维图片的灯光/阴影计算功能、纹理贴图计算功能就可以为素描教学提供一种非常真实的交互式的学习场景。

第三部分：纸质练习。笔者的研究采用探究式的学习策略：通过纸上练习获得种种经验，同时按照每次课程的主题练习纸上的绘画技巧，最终逐步获得了更好的素描绘画能力。素描课程的学习，不能只停留在嘴上，需要学生进行大量的实践练习。学生只有在纸上进行了不断地修改、练习、调整，通过数量的积累引起质变，才能够真正掌握素描观察的方法和表现手段。

2.学习功能

虚拟现实产品是向人们尤其是青少年提供生动的课堂和娱乐手段的最佳平台，它具有三维声像效果，能进行交互操作［1］26。虚拟现实技术通常需要用到许多种元素来构成三维空间体系，比如光源、视角、几何形体、动物、材质以及贴图。尽管它们只是一个虚拟现实的场景，但是需要创建家具、墙上的画、桌布以及其他各种物体模型，再加上灯光、材质、摄像机等各种元素的共同作用，才能构建成一个真实的素描教室。应用虚拟现实技术开发的此款素描学习系统具有下列功能。

第一，能够和真实的素描学习环境相匹配；

第二，具有人性化的操作界面（见图1）；

图1　素描学习系统操作界面

第三，能够进行多角度的观察；

第四，能够将视野拉近和推远，即学生可以通过物体远近距离的变化来观察物体的细节以及与整体的关系（见图2）；

图2　缩放功能展示

第五，能够更换场景中的虚拟模型。通过更换虚拟模型，学生可以观察到不同物体的结构以及不同物体的光影变化（见图3）；

图3　变换虚拟物体展示

第六，能够改变虚拟物体的材质；

第七，能够改变灯光的位置和角度（见图4）。

图4　阴影练习展示

四、研究方法

1.实验设计

参与者是艺术设计专业大学一年级的学生，其中男生140名、女生175名。在教学过程中学生被分成了两个组：第一虚拟组，使用虚拟现实素描学习系统，第二传统组，在传统教学方法的指导下学习。

为了解决观察角度问题，传统组通常会将座位摆放成圆形，尽可能地让学生的学习不受自身所处位置的影响而发生绘画角度的改变。虚拟组的学生在学习过程中使用了素描学习系统，因此教师也就采用了探究式的教学方式，此种教学方式和传统组被动接受式的方式完全不同。虚拟组学生在学习知识的同时掌握了不少深入思考、认真探究的方法。两个组的课程都在教室进行，授课的时间也完全一样，即每周30小时，共计8周。

2.评价

评价本次实验的结果由三部分内容组成，即抓形能力、三维造型能力和明暗协调能力。可以作如下的解释。

（1）抓形能力。这是用来评估学生抓形能力的。所谓的“抓形能力”是指学生所绘画面的外轮廓线是否流畅、空间透视关系是否准确、各个物体的大小比例关系是否正确，等等。

（2）三维造型能力。主要考察学生是否能够通过塑造黑白、明暗关系来表达物体的体积感以及场景的空间感。

（3）明暗协调能力。考察学生是否能够表达出在不同光源条件下物体的明暗及投影变化，明暗层次是否准确丰富、不同材质的质感表现是否恰当。

五、实验结果

1.实验前的结果

学生在实验前三种能力的平均值如表1所示。笔者发现，在实验前的结果中，两组学生在这三种能力方面的表现都不太好。但是两组学生却有一个共同的特点，即相对于明暗协调能力而言，他们更善于抓形；两组中各个方面能力较强或者较差的学生，是被笔者有意识地进行了平均分配的。

表1　实验前平均结果对比表

2.实验后的结果

实验后的平均结果对比显示了三种能力的结果和实验前比较相似。如果两相比较，虚拟组的表现则更好于传统组（见表2）。

表2　实验后平均结果对比表

3.实验前后结果的对比

表3显示这三种能力的排名顺序并没有太大变化。从高到低的排名顺序依次是抓形能力、三维造型能力以及明暗协调能力。这些结果表明此次实验所采用的传统教学方式也能够提高学生的上述三种能力。笔者并没有发现此次实验对学生的所有能力有任何特别的坏的影响。

表3　传统组实验前后平均结果对比

表4显示了这三种能力的排名顺序也没有发生太大的改变。实验表明，虚拟现实素描学习系统在提高学生的绘画能力方面也是具有效用的。

表4　虚拟组实验前后平均结果对比

4.协方差分析

笔者针对两个小组成员这三种能力在实验前后的变化做了协方差分析，结果表明虚拟现实素描教学系统和传统教学方式在培养学生抓形能力、三维造型能力、明暗协调能力方面具有同样的作用。但是应用素描学习系统进行教学实践，对培养学生学习的主动性、积极性和绘画创造性以及表现力方面，能够产生更好的效果。

六、结论

综合上文的分析和讨论，笔者认为此次开发、制作的虚拟现实素描学习系统具有如下不可忽略的功能。

第一，虚拟现实素描学习系统对于素描课程的教学有着积极的意义。这是一种新的视觉艺术课程教学方法。本次实验所得的成果对进一步开发、制作提供了有益的启示。

第二，虚拟现实教学学习活动通过将虚拟现实技术的独特性和教学方法的有机融合，增强了素描教学的可操作性甚至是趣味性。

第三，虚拟现实素描学习系统应用探究式的学习方法，能够让学生较为自主地获得素描所需要的概念和技术。

第四，虚拟现实素描学习系统拥有视点转换、灯光/阴影转换、改变虚拟物体等实时交互功能，这些功能都能有效地减少教师的工作量，提高教学质量。

本次研究所开发的虚拟现实素描学习系统有效地提高了学生的学习兴趣和主动性，增强了学生素描能力。应用计算机来模拟绘画对象的体积、空间、光线、材质、角度等元素，给学生提供了新的学习方法和学习感受，较好地达到了既定的研究目标。

［1］ 张菁，张天驰，陈怀友.虚拟现实技术及应用［M］.北京：清华大学出版社，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］ 汤悦明.虚拟现实技术在教育中的应用［M］.北京：科学出版社，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

湖南省教育科学“十二五”规划立项课题“虚拟现实技术在高校素描课程教学中的研究与实践”（XJK015CXX005）；湖南省普通高等学校教学改革研究项目立项，“环境设计专业素描课程多媒体教学软件开发与应用研究”。

周增辉，湖南信息学院人文艺术系讲师。