“5G+虛擬仿真”技術下本科藝用解剖課程的教學模式探索與實踐

印琦1 常鴻飛通信作者

摘要：在科技發展日新月異的當今時代，以網絡化的虛擬仿真技術為基礎的教學方式逐漸成為世界教學發展的一種趨勢。結合本學科特點，遵循“虛實結合、能實不虛、資源共享”的原則，整合現有資源和增加解剖學虛擬仿真教學資源，探索構建以網絡為紐帶，以虛擬仿真教學資源為內涵，方便學生學習藝用解剖學為宗旨的虛擬仿真實驗教學平臺[1]。本文介紹了藝用解剖學虛擬仿真教學平臺資源，總結平臺建設和使用過程中的經驗，對解剖學虛擬仿真教學平臺的未來進行了展望。

關鍵詞：5G環境；虛擬仿真；藝用解剖；教學模式

1. 概念的界定

藝用解剖課程是美術學專業必修課程之一。通過對人體解剖圖譜、圖冊的學習臨摹，使學生了解人體構造，在繪畫過程中對人體各個動作形態所涉及的人體構造知識正確體現。學生在繪制人體頭像畫、半身像、全身像繪畫時，需要對人體結構的解剖學知識進行了解，在此基礎上才能創作出寫實逼真的人體肖像繪畫作品。5G技術的信息傳輸速度可以為高清三維信息數據的實時傳輸提供支撐，從而使三維的高清模型畫面能夠在云端與多個終端用戶之間實時互聯。國內關于虛擬仿真技術的研究比發達國家晚，但隨著我國5G技術的成熟，以及計算機系統工程和計算機圖形學的快速發展，虛擬仿真技術也逐漸得到高度重視，國內各高校也在對虛擬仿真技術的應用進行積極探索。

虛擬仿真技術最大的特點是真實、可互動、有一定的情景性等。這一技術最早在教育領域的應用是虛擬仿真校園。如：西安交通大學的工程漫游實驗室，現在已經開發出世界級水平的虛擬、仿真的計算機應用成果；同濟大學的虛擬實驗室，配置了較為先進的設備，可以真實地展示建筑的結構與景觀。上海大學CIMS中心研制出一套較為完整的以IRIX虛擬科技園區環境為基礎的漫游系統[2]。

我國本科藝用解剖課程的教學模式，絕大多數還是以解剖圖例圖譜為根據，進行臨摹、描繪、拓展訓練，圖譜的展示方式還是較為傳統的二維展示。雖然從圖譜圖例的展示呈現手法上，已從紙質繪本展示升級成為投影儀或電子教室系統，但是終究不能升級為直觀的三維立體的仿真級體驗。教學過程中的互動行為更是稀少。而“虛擬仿真”技術可以最大限度地滿足本科藝用解剖課程教學需求。

虛擬仿真技術使身處在實景（教室）環境中的學生可以和美術大師及其相關藝用解剖作品進行對話，可以對人體結構進行實時解構分析，實現人機交互。虛擬仿真技術與本科藝用解剖教學相結合，可以促進藝用解剖課程體系與新媒體技術進一步融合發展，豐富演示方法和相關學術理論，促進多學科交融，同時引領認知與思維要領的新模式轉變。從教學手法的創新、突破，到以5G技術環境為支撐，利用虛擬仿真技術將課程內容進行“引導式”“沉浸式”“反思式”的演示革新，從而為學生的自主學習搭建新的學習平臺，激發學生自主探究學習的能力。

國內外學者對虛擬仿真技術上的革新、實驗室的建設及公共性互動裝置的研究較為廣泛，也有部分研究者在教學方面進行了研究探索，但如何使虛擬仿真技術在實踐教學改革中發揮互動性、沉浸性和引導性，是當下亟待解決的研究課題。

2. 學科融合后的實用價值

美術學屬于文科范疇，而解剖學屬于醫學工科，藝用解剖本身已經具有了明顯的學科交叉融合跡象。而虛擬仿真技術的介入使得藝用解剖課程的學科交叉更為明顯，將抽象的解剖學可以具象地展示給學生觀看。（1）虛擬仿真技術是一種綜合性演示技術，通過在教學中的應用，可以使本科學生利用虛擬設備來感受和體驗藝用解剖教學的變革，并從感性層面上滿足教學的互動感、體驗感及沉浸感，進而激發學生進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改革經驗的基礎上，將新的教學模式與傳統教學模式進行對比分析，推進“主動課堂”為核心理念的課堂改革及相應的教學方法和手段創新，探索出基于“虛擬仿真”技術行之有效的課堂教學模式和多維互動教學體系，提高本課程教學質量。

虛擬仿真技術在本課程中的靈活運用，可以循序漸進地發掘學生獨特的天賦和興趣，使學生的潛能得到最大限度地培養和開發，這也是我們需要研究和推廣的重要內容。在今后的教學改革中，項目將一直持續關注對學生學習主動性的引導，實現課堂改革和實踐性課程教學模式的接軌，希望通過一系列改革舉措為課堂教學的連續性以及課程結構一體化銜接的設計提供有參考價值的試點范例[3]。

教改目標：

（1）本課題將5G技術作為信息傳輸環境支撐，研究藝用解剖課程的授課全過程，篩選出可以采用虛擬仿真技術的授課環節，通過虛擬仿真技術的融入，使學生可以通過操控來主動參與到互動學習中。

（2）通過虛擬仿真技術使被動灌輸式的講授模式轉變為主動參與式的探索型課堂教學模式，進一步改變本科生的傳統學習模式，增強學生的學習體驗感。

（3）通過“技術+藝術”的完美結合，在虛擬仿真體驗的過程中感受人體結構在空間的穿插，將教法和學法有機結合，構建科學合理的教學體系。

（4）虛擬仿真教學作為一種沉浸式、開放式的教學模式，對教師自身的素質和教學設計都有很高的要求，要求教師具備嚴密的邏輯思維能力和良好的沉浸、互動能力，要善于調動學生積極性、寓教于樂，實現“主動課堂”的教學理念改革。

3. 教學模式的創新

在藝用解剖課堂融入虛擬仿真技術后，課堂教學模式的轉變主要呈現以下特點：利用5G技術在云端設備與終端設備之間建立高速率數據的傳播途徑。在5G環境中，信息傳播速率能夠達到三維立體模型的實時同步展示，學生端與教師端的三維數據傳輸及展示可以達到幾乎實時同步的效果。分析本科藝用解剖課程授課環節中的各個部分，篩選出可以利用虛擬仿真系統進行實驗的教學環節。按照頭頸部、軀干、上肢、下肢以及骨骼、全身解構等不同的關鍵詞建立系統的族庫篩選項。設置不同級別的層級關系，使結締組織、肌肉組織、皮膚、毛發等層級按需顯示，是本教學模式最為創新之處。按照篩選項利用虛擬仿真系統建立三維可視化數據庫，綁定邏輯動作操控代碼，使得學生可以通過互動裝置進行主動式參與并進行沉浸式體驗。搭建課前預習階段引導式教學模塊，建設課后反思式的虛擬仿真藝用解剖習題庫，如圖1所示。

通過將虛擬仿真技術加入創新多維互動教學體系，可以使學生的思維能力和空間感知力得到一定提升，尤其是可以通過虛擬仿真技術更加直觀地向學生展示三維空間中藝用解剖的虛擬仿真模型。虛擬仿真互動教學體系拆分成三部分，即引導式互動模塊（課程前）、沉浸式互動模塊（課堂中）、反思式互動模塊（課業后），改變原來的以課中、課后為主導的傳統教學模式，構建引導課前、交互課中和反思課后的學習新模式，極大限度發揮學生的主觀能動性。創建“主動課堂”[4]。配合學堂云系統完善線上課堂的教學資源的整理，讓所有上課班級的學生都能參與線上的教學部分，同時學堂云中也可以共享所有的教學資源。三維的教學資源需要更為龐大的數據庫共享平臺，并且要能夠滿足不斷增長的數據資源需求，因此必須在服務器中實時更新三維教學資源的數據庫，以便學生下載觀摩使用需求。

4. 虛擬仿真教學平臺的教學模式實施步驟

虛擬演播教學平臺融入課堂后，需要有較為清晰的實施步驟。我們定義了以下步驟，將會通過三個學年的周期對其進行驗證，并將教學評價的反饋信息統計，不斷更新教學過程中出現的共性問題和個性問題，尋找解決辦法并積累教學經驗，如圖2所示。

4.1 首先應滿足并完善5G教學環境的搭建及設備的實時互聯測試

這項任務是一切的前提。目前5G技術的應用存在一定的缺陷，只能在一間教室的空間環境中進行網絡環境的營造，如遇隔墻等阻擋信號的情況，5G信息傳輸會大打折扣[5]。內容需要學生及任課教師熟練運用虛擬仿真教學平臺的操作軟件，因此在課前應該進行不少于4課時的軟件基本操作技能培訓。課堂中需要用到虛擬仿真教學平臺的數據庫資源。學生可以通過實驗室硬件設備并利用虛擬仿真演示軟件實現對三維模型任意角度拖動、旋轉、平移、縮放、透明度調節、結構隱藏、顯示、分離及著色，能夠實現仰視、俯視等觀察效果，各結構都有中英文名稱及功能解釋。人體斷層瀏覽，可通過拖動橫、矢、冠3個方向的虛擬切面對三維模型進行切割，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節中的各個部分，篩選出可以利用虛擬仿真系統的教學環節。按照頭頸部、軀干、上肢、下肢以及骨骼、全身解構等不同的關鍵詞，建立系統的族庫篩選項，按照篩選項利用虛擬仿真系統建立三維可視化數據庫。綁定邏輯動作操控代碼，使得學生可以通過互動裝置進行主動式參與，并進行沉浸式體驗。

4.2 構建藝用解剖課程資源族庫

多維互動教學體系的構建，更加側重互動式學習和自主式思考。沉浸式互動模塊——虛擬仿真技術呈現課程，沉浸體驗、交互討論課程中側重深度沉浸式感知和情景交互式體驗。反思式互動模塊——知識拓展訓練，互動反思。課業后更加注重知識的消化和積累，通過反思互動模塊，實現知識體系的拓展。

4.3 建立教學評價反饋體系

通過學生對虛擬仿真教學改革的真實評價，建立并完善課程改革機制，對教學評價反饋信息進行恰當處理，是虛擬仿真教學體系不斷改善的必經之路。通過大數據分析系統對學生的評價進行分析，實時掌握學生關注的重點和難點問題[6]。建立重難點討論評價板塊，收集并集中處理學生提出的各種問題，對共性問題進行集中輔導答疑，對個性問題進行一對一幫扶指導。建設課后反思式的虛擬仿真藝用解剖習題庫，設立討論區，為學生提問與討論提供平臺。

結語

美術教育是我國高等學校本科教育中不可或缺的一部分。對于類似這種需要極佳空間想象力的課程來說，無疑成為第一批傳統教育方式向信息化虛擬仿真教學模式改革的重要試點課程之一。利用虛擬仿真實驗教學平臺，將抽象的課堂內容具象化，使學生能夠直觀地對人體結構進行仿真分析，讓課堂主動式學習模式得以實施，不僅改進了教學效果，對學科交叉融合也做出了探索和改進。

參考文獻：

[1]陳曉佳，郭金華，李林科，等.解剖學虛擬仿真教學平臺的建設與展望[J].蘭州衛生職業教育，2018，（8）：19.

[2]江珊.虛擬現實技術在中學美術教學中的應用探討[D].湘潭：湖南科技大學，2017：15.

[3]孫斐.基于“文化+”視域下高校創業模式與PBL實踐教學的融合研究[J].湖南文藝生活（下旬刊），2020，（4）：176.

[4]王祝華.智慧思政：智慧校園環境下高校思想政治教育的實踐創新[J].中國現代教育裝備，2020，（11）：25.

[5]高慧琳，鄭保章.虛擬現實技術對受眾認知影響的哲學思考[J].東北大學學報（社會科學版），2017，19（6）：564-570.

[6]常雷.“沉浸式體驗”在視覺文化中的媒介傳播及其應用[J].山東工藝美術學院學報，2018，（3）：83-85.

作者簡介：印琦，碩士研究生，講師，研究方向：美術學、數字媒體藝術；通信作者：常鴻飛，碩士研究生，研究方向：數字媒體技術、藝術設計。

基金項目：2020年陜西省教育科學規劃課題——“5G+虛擬仿真”技術下本科藝用解剖課程的教學模式探索與實踐（編號：SGH20Q296）。