基于艺术专业的虚拟仿真实验室建设的路径研究

范桐菲 马丁

摘  要：正文围绕吉林艺术学院艺术管理学院虚拟仿真实验室的建设进行探讨，概述了现阶段虚拟仿真实验室建设的基本情况，论述了虚拟仿真技术的适用性，同时对虚拟仿真技术的应用和教学资源整合问题提供说明。在艺术管理学院虚拟仿真实验室设计目标的指导下，浅析构建该实验室的系统架构、各功能部分、软硬件设施等，并针对在实际应用中的虚拟仿真实验室功能进行简要的剖析。

关键词：艺术专业  虚拟仿真 课程实践  实验室建设

中图分类号：G642     文献标识码：A

Research on the Path of Virtual Simulation Laboratory Construction Based on Art Specialty

FAN Tongfei MA Ding

（School of Arts Administration，Jilin University of Arts，Changchun，Jilin Province， 130021 China）

Abstract：The paper discusses the construction of the virtual simulation laboratory of School of Arts Administration of Jilin University of Arts，summarizes the basic situation of the construction of the virtual simulation laboratory at the present stage， discusses the applicability of the virtual simulation technology， and provides explanations on the application of the virtual simulation technology and the integration of teaching resources. Under the guidance of the design objective of the virtual simulation laboratory of School of Arts Administration， this paper analyzes the system architecture， functional parts， software and hardware facilities of this laboratory， and briefly analyzes the functions of the virtual simulation laboratory in practical application.

Key Words：Art specialty；Virtual simulation；Curriculum practice；Laboratory construction

隨着近年科技的不断前行，特别是5G信息化手段的不断更迭，社会市场在不断发展进步，虚拟仿真技术的功能也被众多艺术类高校应用到艺术实践教学当中。虚拟仿真实验室依托虚拟仿真及新媒体技术，融合多种软硬件配置，是培养吉林艺术学院复合型人才的重要尝试，为培养出掌握丰富的理论知识，具备良好实践动手能力、项目分析能力、创新思维能力的应用型艺术专业人才。随着电脑和互联网的快速发展，艺术类高校普遍应用虚拟仿真实验室作为一种新型的教育手段[1]，亦能体现出虚拟仿真技术在艺术类高校实验室建设方面的独到作用。

1 虚拟仿真实验室的构建

1.1  虚拟仿真技术

虚拟仿真技术不仅是在时空间技术、远程操控等场地得到应用，随着时代的进步，虚拟仿真技术触及的专业领域也越来越广泛，虚拟仿真主要是根据真实世界里的特定场景进行数据化，虚拟场景中所有的事物都是根据现实世界进行数据化而展示出来的，进而形成虚拟仿真技术。

艺术高校虚拟仿真实验室就是将在现实场景中各种必需信息通过一定技术来完成收集、转换与展示，在逼真的虚拟场景中进行沉浸式、交互式学习。师生可以在实验室系统内运行多个应用程序，这些程序将在虚拟仿真技术加持下独立完成整合而且程序相互之间不受任何影响，可以提高虚拟仿真程序的使用效率。在艺术类高校实践教学中根据课程教学的需要，虚拟仿真技术可以更好地整合实验室的相关设备。虚拟仿真技术的众多优点，除了可以提高实践教学的效率，还可以完成一些在后疫情时代中不可能完成的项目实践等，但同时虚拟仿真技术也存在着一定的缺点，如对实验室的空间及设备硬件要求就比较高等。所以在构建虚拟仿真实验室的时候，也要对以上优缺点进行思考。

1.2  虚拟仿真实验室的构建

实验室是在新兴网络技术、虚拟仿真技术的基础上建设的，近年来人工智能、大数据等关键词正在不断被提及，虚拟仿真实验室的构建也在不停歇地发生新的变化。现阶段成熟的虚拟仿真技术应用在高校教育领域，也是一条共赢的道路。两者相互促进，使艺术专业虚拟仿真实践教学进入一个全新的阶段。虚拟仿真技术的应用特点具有沉浸性、交互性、时空性以及娱乐性等，能使师生能沉浸于虚拟场景其中，孕育具有多极化的数据环境。实验室在众多程序的作用下完成数据化和仿真化的呈现。艺术类高校业已对虚拟仿真技术进行研究并创建适合于自身的虚拟仿真实验室，随着教育部关于课程改革的政策落实，艺术类高校对实验室研发及构建的投入也在逐步加强，适应各种艺术门类的虚拟仿真实验室也相继建设起来。

2   虚拟仿真实验室的设计倾向和设计特点

2.1  设计倾向

虚拟仿真技术成功应用于实验室，进而产生各种虚拟仿真实验室，例如：机械加工虚拟仿真实验室、景区旅游虚拟仿真实验室等，这些实验室极大地提升了高校实验教学水平[2]。艺术专业课程实践教学通过虚拟仿真实验室对所需的实践教学场景进行再创造。虚拟仿真实验室的设计构思，有已经发展起来的5G网络电子设备的采购及实验室其他软硬件设施的全面设計及综合建设。为学生搭建一个教育场景，使学生沉浸其中，科技感十足的操作可以让学生对专业课程实践部分的学习更感兴趣，通过对时间和空间的超越，将专业课程的理论知识形象化。对实践教学的整个过程也可以通过系统交互进行实时的跟踪并以数据和影像的形式记录下来。实验室的教学功能可以普遍提升学生的实践效率，学生可以通过实验室储存的数据完整地掌握自身实践时的每个细节。专业教师根据学生不同的专业素质、理论课程学习状态选择不同的实践方法，设计相应的项目要求。利用虚拟仿真实验室的设计将专业教师的授课需求充分实现。

2.2  设计特点

实验室将利用虚拟仿真技术在其内部摆脱时空的限制，使艺术专业课程实践教学在实验室中显得更具开放性，使课堂氛围更加轻松，让学生能够真正进入虚拟现实环境中，并与之产生互动，这种实践教学模式几乎可以扩展到所有的艺术专业课程中。真正地实现师生通过校园内网在实验室管理平台访问共享资源，相关专业课程资源线上共享模式也可提升学生在理论学习和实践学习时的效率。学生在理论学习和实践学习过程中遇到的所有问题均可在系统内找到相应的资料，并由教师进行互动解答并通过进行虚拟仿真的实际操作来找到问题的答案，同时专业教师在系统中也能对学生在整个实践教学中所表现出的状态给予正确的专业指导。

3 艺术专业虚拟仿真实验室的设计思维

艺术专业虚拟仿真实验室的建设要始终遵循系统软件、设备硬件的迭代更新与发展的理念，以及实验室虚拟仿真技术开发和运行保障均是为实践教学而服务的原则。在专业课程具体使用的环节，可以有效地将校园高速网络、实验室服务器、电脑终端设备及实验室虚拟仿真设备等现有硬件设备通过系统资源强大的整合能力体现出优势来。

3.1  虚拟仿真实验室实践教学环境的交互性

虚拟仿真实验室的实践教学环境是将专业课程所需的真实环境通过数字录制转码，然后再通过利用电脑图像建模软件技术合成的，学生在虚拟仿真实验室里进行的各种专业课程实践教学项目都将不受时空环境的束缚，甚至可以自由选择实践教学项目中的某些环节进行互动操作，借助学生自身对所接触社会市场的感知体会能力，帮助和启发学生思维快速进入虚拟仿真实验场景，全方位收获虚拟环境中所容纳的各类时空信息和逻辑思维，然后收集学生对实验项目的意见和建议并筛选其中有益的内容，逐步优化实验规则并适当增加实验主体[3]。这将会充分展现虚拟仿真技术的交互感。

3.2  艺术专业虚拟仿真数字资源的整合与共享

艺术专业虚拟仿真实验室的构建，是为了让学生在进行实践教学的过程中掌握专业课程实践教学的原理以及具体方法，同时提高实践技能。

实验室现能够在网络中实现专业课程实践教学资源的储存、传播和共享，通过实现对全体师生的线上资源全开放，学生可以在线上设计实践项目计划、观看自己进行实践的视频回放查缺补漏以及在线师生互动，另外专业课教师也可通过大数据分析研究对学生的专业能力进行对比分析，对学生的专业学习进程计划进行差异性指导安排。师生发出的指令通过实验室系统发给其他虚拟仿真设备，然后再操作具体设备进行实践教学演练。吉林艺术学院艺术管理学院致力于培养应用型、创新型艺术人才，虚拟仿真实验室依托网络技术的优势，搭建起网络数据储存共享平台，整合基础理论性、实践教学性、专业拓展性等资料。

4  虚拟仿真实验室的系统实现

4.1  实验系统的结构

虚拟仿真实验室的各组成部分（实践、数据呈现、操作及考核）之间相互整合，关系到系统与硬件设备的稳定使用。虚拟仿真实验室的网络系统涵盖多种远程服务器及内部网络服务器。实验室服务器的主要构成部分是借助多种虚拟仿真设备与专业课程实践教学软硬件。专业课教师及虚拟仿真实验室专职教师则可以借助网络服务器直接访问实验室系统中的线上共享资料数据。通过VPN接入局域网的优势，可以实现网络与实验室服务器的安全互联。

4.2  实践部分

虚拟仿真实验室实践部分的功能包括仿真成像、虚拟视角和交互使用界面。仿真成像包括时空转换、人物动作、选项加载和虚拟场景的再现，按照专业课程实践教学项目开发的顺序自动生成。虚拟视角是通过虚拟设备（一般是虚拟体感设备等）变换操作者的虚拟视角，学生和专业课教师可通过监视器中的客观视角观看现场的实践效果。交互使用界面包括虚拟场景内语音文字显示、虚拟场景切换及相关控制按键等功能，通过交互使用界面和虚拟体感设备操作来实现虚拟场景内信息显示、虚拟场景切换、项目工作流程内容说明等演示模组。师生软硬件功能操作主要用Unity3D的UGUI系统和代码实现。

4.3  数据呈现部分

数据呈现部分是基于虚拟仿真技术将真实实践场景进行虚拟设计。数据呈现部分的场景数据设计包括多种体感设备选择等。数据呈现部分中的设备都有相应的按钮选项，通过体感设备或悬空鼠标操作可以快速操控学生的视角进行切换。数据呈现部分有一项重要的功能是虚拟场景巡游——包括虚拟场景内的人物移动和虚拟视角切换。虚拟场景内人物位置移动设计与虚拟视角切换设计相类似，均为通过体感设备等来操作，师生控制虚拟场景内人物前后左右移动、视角的切换和人物高度的调整，进行相应的虚拟场景漫游。

4.4  操作部分

操作部分包括交互使用界面、虚拟视角切换、穿戴体感及鼠标键盘等设备具体操作等。交互使用界面主要是针对虚拟场景部分当前操作流程的必要语音文字显示，标记学生具体完成的每一步项目实践操作，通过点击按钮在几个虚拟场景及项目任务存档间快速切换或可选择重新选择开始起点。

虚拟视角切换被设计为使用VR/AR相关体感设备进行相关实操，以便将视角切换到最佳的状态。具体的步骤将直接采用相关体感设备点击触发进行操作。所有在虚拟场景中可以进行虚拟操作的事物，使用相关体感设备操作触发语音文字显示，使用相关体感设备具体操作时，学生将停留在时空静止当中以便进行显示的选择，以便虚拟场景显示出具体操作的相应物体或内容。穿戴体感等设备操作是便于学生在实践项目中进行观察或操作，增加实践操作的科技性及多样性。

4.5  考核部分

虚拟仿真实验室涵盖实践教学与教学管理，教学管理包含考核部分。眼下艺术专业课程教学实践考核评价体系广泛存在不客观、内容不全面等问题，实验室的考核部分的具体操作是：在教学实践项目工作中，事先就学生的项目实践计划进行设计沟通，由专业教师和实验室教师通过电脑监视器和系统内保存的实践教学数据来观察学生的实践过程，教师采用结构式表格项目进行评分，并及时同学生及专业系主任进行教学实践反馈。通过此种考核评估，增长了学生的专业活力、师生沟通能力作为考评的内容，与传统的理论考试和教学实践考核相比较均取得了较好的效果，弥补了以往学生只重视期末得分而轻视学习过程、专业技能不足的情况，将提升学生专业素质。

5   虚拟仿真实验室的应用

虚拟仿真实验室能够运用虚拟仿真技术为艺术专业提供实践教学的一切需要的虚拟环境，在这种实践条件下实现全新的虚实（线上+线下）结合的教学模式。

5.1  提高实践教学效率

在进行虚拟仿真实践教学中，其先进的教学体验将对以往的教学模式产生相当程度的积极影响，使专业教师的教学更具有效果[4]。在艺术专业的教学计划安排中，很多专业课程均是理论与技能结合课，但专业课实践分数在期末总成绩中并没有单独体现或占比不超过总成绩的20%，招致学生对课程实践部分的重视程度不够。

在虚拟仿真实验室中能够将艺术专业传统实践方法转变为自主型教学项目实践，学生可以自主地 在系统平台中根据专业课教师设置的差异性选项来选择教学项目实践活动，此举既培养了学生的自主专业思维、独立思考能力，同时也能增强学生在实践教学中的具体操作和反馈分析能力。学生可以结合自己所学的专业课理论知识来完成教学实践项目，通过高水平的教学实践与项目管理，综合性的虚拟仿真实验室，就能够实现培养复合型、应用型、开放型的优秀青年创业人才，全面提升学生的动手能力和创业能力。

5.2  加强师生交流意识

前文中也提到，很多艺术专业课程分配的实践学时很有限，导致师生间的沟通交流不及时，学生并不能从根本上分析并解决实际问题。这间接地导致学生实践机会少、动手能力差、专业理论知识无法转化为实践教学成果，培养学生明确情况差异、找到问题本质、提出有效措施的既定目标并没有实现。

现阶段艺术专业学生结合自身的专业技能水平在实验室系统中进行自主选择教学项目实践，并根据学生理论水平针对性地 制定阶梯式任务，这种线上+线下的教学板块，为学生在实验室的实操营造了良好的学习氛围。教师也可以在实验室系统中对学生的具体操作进行同步指导，通过这种师生间在专业实操中的交流互动能够很好地表现出全新模式的实践教学方式。这种实践教学方式就能够更好地根据学生理论学习的程度和教学实践的表现组织专项实操训练。再通过引入对学生整体表现的观察记录和一定数量的网络培训内容来革新教学实践课程考核。

5.3  实践教学时空条件不受限制

实验室通过虚拟仿真技术拓展了实践教学的时空，以往专业教师要带领整班或分组同学去校外实践基地进行项目活动，时间和地点及项目的对接都不好控制，学生还极易发生意外。现今学生在虚拟仿真实验室中具体专业项目实操时将不再受到时空条件的影响，学生的实践能力在虚拟环境下也将得到大幅提升。以往在教学实践中，专业教师无法对教学实践项目的演习、完成度、讨论提交报告等环节进行及时反应。还有些学生因为跟不上进度，久之整体的参与度就下降了。学校也很难安排整班学生在后疫情时代离开学校到外省市进行教学实践活动，学校和专业教师对一些突发事件都无法掌控，学生的安全无法得到保证。虚拟仿真实验室打破了时空条件对学生实践教学操作的种种限制，在模拟真实场景的背景下，使学生从中获取交互式和沉浸式学习的兴趣，且减少人身危险等问题的发生[5]。实验室的虚拟场景设计和数据采集储存共享功能也可得到充分的体现[6]。

6  结语

艺术专业具有很强的特殊性，对学生的创意思维能力有较高的要求。虚拟仿真实验室又是培养学生自主思维、锻炼动手能力的重要场景，是艺术专业实践教学的重要组成，在培养教育当代艺术专业学生创新能力和创业能力的过程中具有极其重要的作用。实验室相关专业教学项目的整合、分类，具体实践项目的统筹规划等，都通过虚拟仿真实验室的设计倾向和特点、实验室系统的实现、实验室的应用管理来完善实验室的建设路径与举措。充分施展虚实融合背景下技术的优势、高质量项目、整合体验成为急需深入探究的问题，实验室有助于提升学生的专业创新能力及学习兴趣，虚拟仿真技术也可以通过在艺术专业的实践教学中，实现系统平台数据数据资源同享、软硬件设施完善、远程操控三者相结合，也能够通过增加专业课程教学实践课时的方式，对培养学生的创新思维、动手能力起很大的作用，既提高教学实践的效率，也促进艺术专业虚拟仿真实验室的建设。

参考文献

[1]周栋涎，李散散.基于数据化技术的高校虚拟仿真实验室利用效率提升探究[J].无线互联科技，2022（1）：108-109.

[2] 王慧，白红英，马丽.高校虚拟仿真实验室的精建设与改革研究[J].中国管理信息化，2019（7）：216-218.

[3]乔代富.基于虚拟仿真技术支持的经济学实验教学策略[J].吉林农业科技学院学报，2022（4）：85-88.

[4]李乐欣.高校虚拟仿真实验室建设与管理探究[J].无线互联科技，2021，18（2）：84-85.

[5]陈淑飞，新文科建设下虚拟仿真实验室教学模式探讨：基于1761份高校师生问卷调查分析[J].山东师范大学学报，2022（3）：110-120.

[6]杨彦军，张佳慧.沉浸式虛实融合环境中具身学习活动设计框架[J].现代远程教育研究，2021（4）：63-73.