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三维数字艺术设计在计算机辅助教学中的应用


□ 刘 硕

三维数字艺术设计在计算机辅助<a href=教学中的应用图片1" />
内容摘要:本文旨在阐述为何要利用三维数字艺术设计技术来帮助计算机辅助教育以及如何才能使利用三维数字艺术设计技术的教育软件发挥其最大的功效。
关键词:计算机辅助教学 科学视觉化 计算机图形艺术设计 三维数字 艺术设计技术

一、计算机辅助教学与科学视觉化的重要性

计算机辅助教学软件自20世纪50年代出现至今的几十年间,已经从最初只具有简单示意性功能的软件逐渐发展成为在使用功能和教学效果两方面都已达到、甚至超越了目前学校课堂教学要求的有力工具。现在,计算机辅助教学软件不仅在基础教育的课堂上得到了广泛的应用,而且一些具有较强操作性和知识性、由具有多年教学经验的名师编辑的教学软件也在高等教育的课堂上得到了应用。
随着计算机技术的进一步发展,计算机图形艺术设计在义务教育、高等教育及科学普及教育过程中的作用将日益增大,计算机三维图形艺术设计已被广泛应用于计算机辅助教学系统中,产生了多媒体的教学方式和教学效果。它可以使教学过程更加生动、形象、直观,极大地提高了学生的学习兴趣,增强了教学效果,并且改变了学生的学习方式。

二、目前计算机辅助教学所遇到的问题与限制

首先,现有的教学软件仍然保留了传统纸面媒介教学时相对简单的示意性画面,虽然做出了一定的艺术处理,但是仍然不足以达到令使用者在看到画面时便对图像信息产生强烈信服感的效果。
其次,动态画面与静止画面相比,无疑具有更大的吸引力。因此,让教学软件的画面充满动感无疑是潜移默化地令使用者保持注意力集中的有效手段。
最后,虽然我们可以通过知识和经验的积累制作出富有教育性的计算机辅助教学软件来,但是仍然很难吸引那些对教学内容本身不感兴趣,或是兴趣不高的学生积极参与到课程学习活动中来。
基于以上几个主要方面的陈述,答案已经摆在我们面前,也就是三维交互技术与计算机辅助教学的结合。这不仅解决了传统教学软件缺乏足够人机交互的问题,而且具有高真实度的可操作动态画面(互动操作),不仅可以吸引使用者的注意力,而且还可以创造出一种身临其境的沉浸感。

三、如何利用三维艺术设计来帮助计算机辅助教学

传统的教学软件一直在使用平面的电脑图像技术,虽然在精心的设计和丰富的教学内容充实下,可以发挥一定的教授知识和活跃课堂的作用,但是由于这些课件并未能解决以上三个主要问题,因而始终无法发挥其应有的功效。
1. 物体细节的表现多少是影响画面所表现事物的可信程度的关键因素。那么,首先就要通过高精度三维模型和基于实物质感的材质来构建一个与真实世界极其相似的学习环境。
2. 当逼真的画面展现在我们眼前时,整个教学软件中的虚拟世界仍然是静止的。那么,要令这个世界充满生气就要靠动画师与程序员合作,令画面中的人物和可互动的物品动起来。在人机界面交互的过程中,利用平面电脑图像技术制作的课件能做到数理示意性的互动,而绝大部分的教学仍然是在真实的三维世界中进行的,所以三维的互动在这里显得尤其重要。
首先,由于比较近期的三维图形引擎都自带很好的物理碰撞模块,那么对于绝大部分物理课上的刚体力学实验,甚至一部分流体力学实验,都可以在引擎中完整地再现。
其次,可以通过三维图形引擎中的人工智能模块模拟出较为真实的课堂教学环境与虚拟学生,并在学习过程中与虚拟学生共同体验有趣的学习过程。这样不但可以培养少年儿童在基础教育中的集体意识,也可以在高等教育的环境下为使用者提供友好而又具有危机感的学习环境。
3. 计算机辅助教学特有的寓教于乐特点。例如,我们可以像电子游戏一样,将不同难度的教学内容和需要解答的问题按照难度设定分成若干的学习难度等级,从而令学生对所学科目更快地产生兴趣和沉浸感。
当然,为了达成以上三个目标,需要若干条件的配合,首先,逼真的画面需要技艺高超的三维艺术家和功能强大的三维图形引擎才能达成。其次,真实的人机互动需要优秀的物理特性模拟模块、人工智能模块和程序员,才能制作出形象逼真的电脑控制角色。最后,还需要有场景设计师、任务设计师与教育方面的专家来配合完成富有教育性的软件内容。
可以想见,随着计算机图形图像技术的不断成熟,可以重现现实世界的三维实时成像软件与硬件技术将会在五至十年内出现。当没有经过训练的眼睛无法区别虚拟与现实的时候,人们大部分的生活内容都会转移到以网络为基础的现实虚拟交互平台上来,那么,学校的教学模式也不可避免地要发生巨大的变化。具有高度实感的三维交互教学软件成为个人学习及学校教学中主体内容的趋势也将是不可避免的。如果我们能尽早突破束缚并在教学概念上进行必要的转变,那么,这不仅会对中国的教育技术起到革命性的推进作用,而且会为国产软件打开新的局面。
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