“5G+虚拟仿真”技术下本科艺用解剖课程的教学模式探索与实践

印琦1 常鸿飞通信作者

摘要：在科技发展日新月异的当今时代，以网络化的虚拟仿真技术为基础的教学方式逐渐成为世界教学发展的一种趋势。结合本学科特点，遵循“虚实结合、能实不虚、资源共享”的原则，整合现有资源和增加解剖学虚拟仿真教学资源，探索构建以网络为纽带，以虚拟仿真教学资源为内涵，方便学生学习艺用解剖学为宗旨的虚拟仿真实验教学平台[1]。本文介绍了艺用解剖学虚拟仿真教学平台资源，总结平台建设和使用过程中的经验，对解剖学虚拟仿真教学平台的未来进行了展望。

关键词：5G环境；虚拟仿真；艺用解剖；教学模式

1. 概念的界定

艺用解剖课程是美术学专业必修课程之一。通过对人体解剖图谱、图册的学习临摹，使学生了解人体构造，在绘画过程中对人体各个动作形态所涉及的人体构造知识正确体现。学生在绘制人体头像画、半身像、全身像绘画时，需要对人体结构的解剖学知识进行了解，在此基础上才能创作出写实逼真的人体肖像绘画作品。5G技术的信息传输速度可以为高清三維信息数据的实时传输提供支撑，从而使三维的高清模型画面能够在云端与多个终端用户之间实时互联。国内关于虚拟仿真技术的研究比发达国家晚，但随着我国5G技术的成熟，以及计算机系统工程和计算机图形学的快速发展，虚拟仿真技术也逐渐得到高度重视，国内各高校也在对虚拟仿真技术的应用进行积极探索。

虚拟仿真技术最大的特点是真实、可互动、有一定的情景性等。这一技术最早在教育领域的应用是虚拟仿真校园。如：西安交通大学的工程漫游实验室，现在已经开发出世界级水平的虚拟、仿真的计算机应用成果；同济大学的虚拟实验室，配置了较为先进的设备，可以真实地展示建筑的结构与景观。上海大学CIMS中心研制出一套较为完整的以IRIX虚拟科技园区环境为基础的漫游系统[2]。

我国本科艺用解剖课程的教学模式，绝大多数还是以解剖图例图谱为根据，进行临摹、描绘、拓展训练，图谱的展示方式还是较为传统的二维展示。虽然从图谱图例的展示呈现手法上，已从纸质绘本展示升级成为投影仪或电子教室系统，但是终究不能升级为直观的三维立体的仿真级体验。教学过程中的互动行为更是稀少。而“虚拟仿真”技术可以最大限度地满足本科艺用解剖课程教学需求。

虚拟仿真技术使身处在实景（教室）环境中的学生可以和美术大师及其相关艺用解剖作品进行对话，可以对人体结构进行实时解构分析，实现人机交互。虚拟仿真技术与本科艺用解剖教学相结合，可以促进艺用解剖课程体系与新媒体技术进一步融合发展，丰富演示方法和相关学术理论，促进多学科交融，同时引领认知与思维要领的新模式转变。从教学手法的创新、突破，到以5G技术环境为支撑，利用虚拟仿真技术将课程内容进行“引导式”“沉浸式”“反思式”的演示革新，从而为学生的自主学习搭建新的学习平台，激发学生自主探究学习的能力。

国内外学者对虚拟仿真技术上的革新、实验室的建设及公共性互动装置的研究较为广泛，也有部分研究者在教学方面进行了研究探索，但如何使虚拟仿真技术在实践教学改革中发挥互动性、沉浸性和引导性，是当下亟待解决的研究课题。

2. 学科融合后的实用价值

美术学属于文科范畴，而解剖学属于医学工科，艺用解剖本身已经具有了明显的学科交叉融合迹象。而虚拟仿真技术的介入使得艺用解剖课程的学科交叉更为明显，将抽象的解剖学可以具象地展示给学生观看。（1）虚拟仿真技术是一种综合性演示技术，通过在教学中的应用，可以使本科学生利用虚拟设备来感受和体验艺用解剖教学的变革，并从感性层面上满足教学的互动感、体验感及沉浸感，进而激发学生进行理性层面的探索和思考。（2）在借鉴境外高校虚拟仿真课堂教学改革经验的基础上，将新的教学模式与传统教学模式进行对比分析，推进“主动课堂”为核心理念的课堂改革及相应的教学方法和手段创新，探索出基于“虚拟仿真”技术行之有效的课堂教学模式和多维互动教学体系，提高本课程教学质量。

虚拟仿真技术在本课程中的灵活运用，可以循序渐进地发掘学生独特的天赋和兴趣，使学生的潜能得到最大限度地培养和开发，这也是我们需要研究和推广的重要内容。在今后的教学改革中，项目将一直持续关注对学生学习主动性的引导，实现课堂改革和实践性课程教学模式的接轨，希望通过一系列改革举措为课堂教学的连续性以及课程结构一体化衔接的设计提供有参考价值的试点范例[3]。

教改目标：

（1）本课题将5G技术作为信息传输环境支撑，研究艺用解剖课程的授课全过程，筛选出可以采用虚拟仿真技术的授课环节，通过虚拟仿真技术的融入，使学生可以通过操控来主动参与到互动学习中。

（2）通过虚拟仿真技术使被动灌输式的讲授模式转变为主动参与式的探索型课堂教学模式，进一步改变本科生的传统学习模式，增强学生的学习体验感。

（3）通过“技术+艺术”的完美结合，在虚拟仿真体验的过程中感受人体结构在空间的穿插，将教法和学法有机结合，构建科学合理的教学体系。

（4）虚拟仿真教学作为一种沉浸式、开放式的教学模式，对教师自身的素质和教学设计都有很高的要求，要求教师具备严密的逻辑思维能力和良好的沉浸、互动能力，要善于调动学生积极性、寓教于乐，实现“主动课堂”的教学理念改革。

3. 教学模式的创新

在艺用解剖课堂融入虚拟仿真技术后，课堂教学模式的转变主要呈现以下特点：利用5G技术在云端设备与终端设备之间建立高速率数据的传播途径。在5G环境中，信息传播速率能够达到三维立体模型的实时同步展示，学生端与教师端的三维数据传输及展示可以达到几乎实时同步的效果。分析本科艺用解剖课程授课环节中的各个部分，筛选出可以利用虚拟仿真系统进行实验的教学环节。按照头颈部、躯干、上肢、下肢以及骨骼、全身解构等不同的关键词建立系统的族库筛选项。设置不同级别的层级关系，使结缔组织、肌肉组织、皮肤、毛发等层级按需显示，是本教学模式最为创新之处。按照筛选项利用虚拟仿真系统建立三维可视化数据库，绑定逻辑动作操控代码，使得学生可以通过互动装置进行主动式参与并进行沉浸式体验。搭建课前预习阶段引导式教学模块，建设课后反思式的虚拟仿真艺用解剖习题库，如图1所示。

通过将虚拟仿真技术加入创新多维互动教学体系，可以使学生的思维能力和空间感知力得到一定提升，尤其是可以通过虚拟仿真技术更加直观地向学生展示三维空间中艺用解剖的虚拟仿真模型。虚拟仿真互动教学体系拆分成三部分，即引导式互动模块（课程前）、沉浸式互动模块（课堂中）、反思式互动模块（课业后），改变原来的以课中、课后为主导的传统教学模式，构建引导课前、交互课中和反思课后的学习新模式，极大限度发挥学生的主观能动性。创建“主动课堂”[4]。配合学堂云系统完善线上课堂的教学资源的整理，让所有上课班级的学生都能参与线上的教学部分，同时学堂云中也可以共享所有的教学资源。三维的教学资源需要更为庞大的数据库共享平台，并且要能够满足不断增长的数据资源需求，因此必须在服务器中实时更新三维教学资源的数据库，以便学生下载观摩使用需求。

4. 虛拟仿真教学平台的教学模式实施步骤

虚拟演播教学平台融入课堂后，需要有较为清晰的实施步骤。我们定义了以下步骤，将会通过三个学年的周期对其进行验证，并将教学评价的反馈信息统计，不断更新教学过程中出现的共性问题和个性问题，寻找解决办法并积累教学经验，如图2所示。

4.1 首先应满足并完善5G教学环境的搭建及设备的实时互联测试

这项任务是一切的前提。目前5G技术的应用存在一定的缺陷，只能在一间教室的空间环境中进行网络环境的营造，如遇隔墙等阻挡信号的情况，5G信息传输会大打折扣[5]。内容需要学生及任课教师熟练运用虚拟仿真教学平台的操作软件，因此在课前应该进行不少于4课时的软件基本操作技能培训。课堂中需要用到虚拟仿真教学平台的数据库资源。学生可以通过实验室硬件设备并利用虚拟仿真演示软件实现对三维模型任意角度拖动、旋转、平移、缩放、透明度调节、结构隐藏、显示、分离及着色，能够实现仰视、俯视等观察效果，各结构都有中英文名称及功能解释。人体断层浏览，可通过拖动横、矢、冠3个方向的虚拟切面对三维模型进行切割，得到任意位置的断面图像，能够任意放大、缩 小、平移等，可保存截图。分析本科艺用解剖课程授课环节中的各个部分，筛选出可以利用虚拟仿真系统的教学环节。按照头颈部、躯干、上肢、下肢以及骨骼、全身解构等不同的关键词，建立系统的族库筛选项，按照筛选项利用虚拟仿真系统建立三维可视化数据库。绑定逻辑动作操控代码，使得学生可以通过互动装置进行主动式参与，并进行沉浸式体验。

4.2 构建艺用解剖课程资源族库

多维互动教学体系的构建，更加侧重互动式学习和自主式思考。沉浸式互动模块——虚拟仿真技术呈现课程，沉浸体验、交互讨论课程中侧重深度沉浸式感知和情景交互式体验。反思式互动模块——知识拓展训练，互动反思。课业后更加注重知识的消化和积累，通过反思互动模块，实现知识体系的拓展。

4.3 建立教学评价反馈体系

通过学生对虚拟仿真教学改革的真实评价，建立并完善课程改革机制，对教学评价反馈信息进行恰当处理，是虚拟仿真教学体系不断改善的必经之路。通过大数据分析系统对学生的评价进行分析，实时掌握学生关注的重点和难点问题[6]。建立重难点讨论评价板块，收集并集中处理学生提出的各种问题，对共性问题进行集中辅导答疑，对个性问题进行一对一帮扶指导。建设课后反思式的虚拟仿真艺用解剖习题库，设立讨论区，为学生提问与讨论提供平台。

结语

美术教育是我国高等学校本科教育中不可或缺的一部分。对于类似这种需要极佳空间想象力的课程来说，无疑成为第一批传统教育方式向信息化虚拟仿真教学模式改革的重要试点课程之一。利用虚拟仿真实验教学平台，将抽象的课堂内容具象化，使学生能够直观地对人体结构进行仿真分析，让课堂主动式学习模式得以实施，不仅改进了教学效果，对学科交叉融合也做出了探索和改进。

参考文献：

[1]陈晓佳，郭金华，李林科，等.解剖学虚拟仿真教学平台的建设与展望[J].兰州卫生职业教育，2018，（8）：19.

[2]江珊.虚拟现实技术在中学美术教学中的应用探讨[D].湘潭：湖南科技大学，2017：15.

[3]孙斐.基于“文化+”视域下高校创业模式与PBL实践教学的融合研究[J].湖南文艺生活（下旬刊），2020，（4）：176.

[4]王祝华.智慧思政：智慧校园环境下高校思想政治教育的实践创新[J].中国现代教育装备，2020，（11）：25.

[5]高慧琳，郑保章.虚拟现实技术对受众认知影响的哲学思考[J].东北大学学报（社会科学版），2017，19（6）：564-570.

[6]常雷.“沉浸式体验”在视觉文化中的媒介传播及其应用[J].山东工艺美术学院学报，2018，（3）：83-85.

作者简介：印琦，硕士研究生，讲师，研究方向：美术学、数字媒体艺术；通信作者：常鸿飞，硕士研究生，研究方向：数字媒体技术、艺术设计。

基金项目：2020年陕西省教育科学规划课题——“5G+虚拟仿真”技术下本科艺用解剖课程的教学模式探索与实践（编号：SGH20Q296）。