虛擬仿真技術(shù)在文物建筑教學(xué)中的應(yīng)用探索

張劍葳　吳煜楠

摘 要：本文以北京大學(xué)考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在文物建筑專業(yè)教學(xué)上所進(jìn)行的幾項(xiàng)探索性實(shí)踐項(xiàng)目為例，論述了虛擬仿真技術(shù)在文物建筑專業(yè)教學(xué)中的重要價(jià)值，評(píng)估了其相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)手段的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)分析了當(dāng)前教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)時(shí)存在的一些問題。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);文物建筑

一、背景概述

2013—2015年教育部共批準(zhǔn)了300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。由于虛擬仿真技術(shù)本身的特點(diǎn)，大部分虛擬仿真教學(xué)中心都集中在工學(xué)類、理學(xué)類、醫(yī)學(xué)類專業(yè)。與文科相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心僅有13個(gè)[1]，考古類則占據(jù)了3個(gè)席位，包括西北大學(xué)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、北京聯(lián)合大學(xué)文化遺產(chǎn)傳承應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以及北京大學(xué)考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。其中，北京聯(lián)合大學(xué)文化遺產(chǎn)傳承應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的虛擬仿真教學(xué)建設(shè)包括：搭建文物綜合保護(hù)與展示、國(guó)家級(jí)“非遺”技藝傳承實(shí)驗(yàn)教學(xué)、文化遺產(chǎn)場(chǎng)景再現(xiàn)與應(yīng)用、文化遺產(chǎn)旅游產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[2]。西北大學(xué)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心注重開展大場(chǎng)景數(shù)字化，基于考古勘探數(shù)據(jù)的分析和三維繪制、重構(gòu)，曲面曲線表示、拼接、匹配技術(shù)，文物復(fù)原與修復(fù)等創(chuàng)新性研究工作，成果應(yīng)用于秦兵馬俑復(fù)原、兵馬俑挖掘過程數(shù)字化、小雁塔幾何造型繪制及三維虛擬再現(xiàn)。可見，在眾多文科類學(xué)科中，考古學(xué)是比較適合引入虛擬仿真技術(shù)的學(xué)科，這與考古學(xué)通過研究遺跡和遺物來研究已逝去的人類古代社會(huì)這一特點(diǎn)是息息相關(guān)的。考古學(xué)的教學(xué)必須依賴大量的實(shí)物遺存和遺跡場(chǎng)景，而校內(nèi)教學(xué)又無法大量提供這些實(shí)物材料，虛擬仿真技術(shù)正是解決這一矛盾的利器。

文物建筑專業(yè)作為考古學(xué)的一個(gè)專業(yè)方向，教學(xué)同樣面臨這一問題，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要頻繁接觸大量的地面建筑遺存、建筑遺址等實(shí)物材料。在此背景下，北京大學(xué)考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心應(yīng)運(yùn)而生，在考古實(shí)踐教學(xué)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上開展了更進(jìn)一步的探索。本文針對(duì)虛擬仿真技術(shù)在文物建筑專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用作一些探討，希望起到拋磚引玉的作用。

二、虛擬仿真技術(shù)發(fā)展近況

虛擬仿真技術(shù)是指用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，其中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR技術(shù)）是其中最為重要的組成部分。2016年被稱為“VR元年”，以VR和AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）為核心的各類虛擬仿真設(shè)備開始在市場(chǎng)上大量涌現(xiàn)，VR和AR有潛力成為下一個(gè)重要計(jì)算平臺(tái)，如同個(gè)人電腦和智能手機(jī)。2016年1月高盛發(fā)布的報(bào)告指出，2025年該市場(chǎng)營(yíng)收將達(dá)到800億美元（其中450億美元為硬件營(yíng)收，350億美元為軟件營(yíng)收）[3]，并且有9大領(lǐng)域?qū)?huì)成為該技術(shù)的主要應(yīng)用市場(chǎng)，包括視頻游戲、事件直播、視頻娛樂、醫(yī)療保健、房地產(chǎn)、零售、教育、工程和軍事，它們將極大地推動(dòng)VR和AR技術(shù)的普及。

此外，攝影測(cè)量、三維掃描等技術(shù)在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益廣泛，采用這些新興的虛擬仿真技術(shù)，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量、引導(dǎo)學(xué)生興趣具有積極的作用。更重要的是，隨著硬件設(shè)備成本的下降和應(yīng)用的普及，未來基于這些設(shè)備的教學(xué)內(nèi)容很有可能成為剛性需求。

在這一大背景下，虛擬仿真技術(shù)在考古學(xué)包括文物建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用也日漸廣泛。例如利用無人機(jī)對(duì)考古遺址、建筑遺存等不可移動(dòng)文物進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，方便研究者獲取研究對(duì)象的相關(guān)信息;對(duì)可移動(dòng)文物進(jìn)行三維掃描，形成數(shù)字點(diǎn)云模型，作為對(duì)出土遺物以及現(xiàn)存文物的數(shù)字化記錄;對(duì)文物建筑進(jìn)行全景攝影記錄，形成全景照片，發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上，方便研究者在網(wǎng)絡(luò)上查看相關(guān)的建筑形制信息等。

北京大學(xué)考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心不僅關(guān)注這些虛擬仿真技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用，而且努力將這些現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目深度融合，堅(jiān)持以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，使學(xué)生不僅能夠接觸到虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用成果，同時(shí)能夠親身參與到虛擬仿真技術(shù)成果的制作中，不僅知其然，而且知其所以然。學(xué)生不僅要成為知識(shí)和技術(shù)的靈活運(yùn)用者，而且要努力成為新模式的設(shè)計(jì)者。

三、虛擬仿真技術(shù)在文物建筑教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

在文物建筑專業(yè)（包括古代建筑、建筑歷史、歷史建筑保護(hù)等專業(yè)）教學(xué)中，接觸建筑實(shí)物是十分重要的，脫離建筑本體幾乎是不可能的。由于時(shí)間空間的限制，傳統(tǒng)教學(xué)只能采用文字或圖片來滿足這種對(duì)實(shí)物的接觸需求。同時(shí)，校外實(shí)習(xí)受到時(shí)間和成本制約。虛擬仿真技術(shù)因?yàn)槠渥陨砟M現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)，有效解決了這個(gè)問題，在文物建筑課程教學(xué)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

首先，虛擬仿真技術(shù)解決了學(xué)生的在場(chǎng)問題，校內(nèi)教學(xué)也可以模擬“穿越”到經(jīng)過虛擬仿真技術(shù)重構(gòu)的古代建筑中。教師的教學(xué)內(nèi)容也有了更加直觀的依托，可以在教學(xué)過程中直接利用虛擬仿真中心的平臺(tái)，在課堂中結(jié)合“實(shí)物”教學(xué)。即便是野外實(shí)地考察，學(xué)生在同一時(shí)間也只能處于一座建筑之中，而虛擬仿真的教學(xué)資源不受時(shí)空的限制，可以隨時(shí)在多個(gè)建筑乃至多個(gè)地區(qū)間切換，這在以比較為基礎(chǔ)的古建筑形制分析學(xué)習(xí)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

其次，虛擬仿真教學(xué)資源具有可復(fù)制性，成本遠(yuǎn)低于實(shí)地考察。教學(xué)資源通過互聯(lián)網(wǎng)，可以向任何經(jīng)過認(rèn)證的用戶提供服務(wù)。因此，虛擬仿真教學(xué)資源一旦制作出來，就可以為眾多學(xué)生乃至社會(huì)上有學(xué)習(xí)需求的大眾服務(wù)，社會(huì)效益顯著。更重要的是，許多文物建筑本身是文物保護(hù)單位，其開放往往有各種限制，或由于地處偏遠(yuǎn)，人們難以到達(dá)。這對(duì)于專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)是很大的障礙。通過虛擬仿真技術(shù)，可以有效解決上述矛盾。

再次，虛擬仿真教學(xué)資源信息量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)教學(xué)資料，而不僅僅是教師為了講解某個(gè)知識(shí)點(diǎn)而專門準(zhǔn)備的教學(xué)資料。學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺(tái)可以獲得相關(guān)資料?？梢哉f，虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供了自主學(xué)習(xí)和研究的資料和平臺(tái)。很多重要文物建筑地處荒野之中，一般難以獲得這些建筑的文字與圖像資料，而這些建筑本身又是重要的研究對(duì)象。要對(duì)這些建筑進(jìn)行自主的研究，就需要實(shí)地考察，這對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、研究帶來了很高的門檻。利用虛擬仿真教學(xué)資源，學(xué)生在學(xué)校就可以獲得實(shí)地考察的信息，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究帶來了極大的便利。

最后，虛擬仿真技術(shù)下的文物建筑教學(xué)體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的理念。在教學(xué)過程中，從數(shù)據(jù)的采集到最后數(shù)據(jù)的展示與應(yīng)用，學(xué)生都參與其中。虛擬仿真技術(shù)獲取的教學(xué)資源儲(chǔ)存在服務(wù)器上，學(xué)生可以隨時(shí)獲取真實(shí)可靠的第一手考古學(xué)資料作為學(xué)習(xí)資源，為學(xué)生提供了自主式、探究式學(xué)習(xí)的平臺(tái)。這正是對(duì)教育部關(guān)于示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)要求——以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法的深入實(shí)踐。

四、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，有利于提升文物建筑專業(yè)教學(xué)質(zhì)量。但從實(shí)際情況看，還存在一些需要注意的問題。

一是課件的低幼化、游戲化傾向。部分虛擬仿真軟件忽視了教學(xué)的本質(zhì)，趨向于游戲化，誤以為通過游戲可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的或提高學(xué)生興趣。造成這一問題的原因，一方面來自于沒有認(rèn)清教學(xué)軟件設(shè)計(jì)的目的，另一方面是因?yàn)樵O(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的人與具體軟件開發(fā)者之間缺乏充分溝通、存在斷層，需求和產(chǎn)品沒有充分對(duì)應(yīng)。這種傾向，尤其常見于教學(xué)軟件的跨專業(yè)移植中。例如，開發(fā)企業(yè)為了降低成本，將原本為機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)的課件簡(jiǎn)單粗暴地移植、改版為文物保護(hù)仿真軟件，等等。

二是硬件堆砌，輕視軟件建設(shè)。2016年以來虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件開發(fā)加快，各大廠商紛紛推出最新的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、一體機(jī)，計(jì)算機(jī)廠商也推出了配合計(jì)算的高性能顯卡。與此相對(duì)應(yīng)，一些高校采購(gòu)了大量的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備。必要的采購(gòu)是絕對(duì)需要的，畢竟脫離了硬件就無法實(shí)現(xiàn)虛擬仿真。但是，要想真正把虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用好，軟件及內(nèi)容平臺(tái)本身的建設(shè)才是最為關(guān)鍵的。脫離了有價(jià)值的內(nèi)容，硬件性能再高也無用武之地。

三是迷信數(shù)據(jù)，忽視場(chǎng)景應(yīng)用。有關(guān)機(jī)構(gòu)采購(gòu)了諸如三維掃描儀、手持掃描儀、無人機(jī)等采集記錄設(shè)備后，會(huì)利用這些先進(jìn)設(shè)備開展大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄。但是，這些數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)采集回來后，常常不做進(jìn)一步的處理，僅僅是作為存檔。存檔當(dāng)然有其重要作用，但如果不在教學(xué)中加以設(shè)計(jì)使用，數(shù)據(jù)就沒有發(fā)揮出最大效用，也就沒有在教學(xué)中發(fā)揮實(shí)際作用。

五、在教學(xué)實(shí)踐中不斷打磨虛擬仿真的適應(yīng)性技術(shù)

近年來，北京大學(xué)考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行了一系列虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐。下面以我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)的“宋式古建筑斗栱虛擬拼裝課件”和“文化遺產(chǎn)VR數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)”為例作一些介紹。

（1）從教學(xué)需求出發(fā)，找到教學(xué)痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)軟件適應(yīng)性地解決問題。斗栱是中國(guó)古建筑中特別顯著的基本構(gòu)件?！耙圆臑樽妗钡牟姆葜贫仁侵袊?guó)古代建筑模數(shù)制設(shè)計(jì)、施工的基礎(chǔ)，因此對(duì)斗栱的識(shí)別和認(rèn)讀非常重要，對(duì)于理解掌握中國(guó)古建筑的基本特征、設(shè)計(jì)原理、時(shí)代特征都有不可替代的作用。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師一般會(huì)采用PPT分解的方式予以講解，但學(xué)生可能費(fèi)勁記住了名詞，卻并不真正理解各個(gè)部件搭接的原理。這正是教學(xué)的痛點(diǎn)所在。采用木構(gòu)實(shí)體模型能夠解決這一問題，但是實(shí)體模型的數(shù)量畢竟很有限，無法滿足所有學(xué)生經(jīng)常性的練習(xí)。而且，木構(gòu)模型質(zhì)量相當(dāng)大，教師上課時(shí)不易搬動(dòng)。因此，我們開發(fā)了相關(guān)軟件，虛擬與實(shí)體結(jié)合，上課時(shí)可用實(shí)體模型向?qū)W生演示，課后安排學(xué)生在電腦上模擬安裝，同時(shí)鞏固學(xué)生對(duì)斗栱專有名詞的認(rèn)知和記憶。

在建筑史教學(xué)課堂上，我們面對(duì)的教學(xué)痛點(diǎn)是二維圖片難以演示三維建筑信息。在原來的課堂教學(xué)中，教師需要準(zhǔn)備大量幻燈片才能夠講解古建筑（或古遺址）的各種專有名稱、場(chǎng)景、形制、細(xì)節(jié)和技術(shù)要點(diǎn)，但其空間位置很難通過二維圖片或照片予以清晰展現(xiàn)，不同建筑之間的形制和技術(shù)關(guān)聯(lián)也難以關(guān)聯(lián)表述。在外地實(shí)習(xí)時(shí)，古建筑野外踏查、搭腳手架上房頂進(jìn)行高空測(cè)繪作業(yè)，即使做好防護(hù)措施，也還是存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了解決上述問題，北京大學(xué)考古文博學(xué)院、考古虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)了國(guó)內(nèi)首個(gè)文化遺產(chǎn)VR數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全景影像在線瀏覽、研究信息錄入與索引、形制信息錄入與索引、文物建筑定位、文物建筑浸入式VR觀察、鏈接三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)等功能。通過本數(shù)據(jù)庫(kù)的展示系統(tǒng)，教師和研究生助教能夠便捷地在建筑上打標(biāo)簽、張貼講解和討論，本科生能夠在課堂上通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與古建筑現(xiàn)場(chǎng)建立聯(lián)系，從而對(duì)古建筑的形制進(jìn)行認(rèn)知，并輕松地與其他相關(guān)古建筑進(jìn)行鏈接學(xué)習(xí)。學(xué)生還可以戴上虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔或3D眼鏡，模擬在古建筑中行走、觀察，這就盡可能地減少了高空作業(yè)的次數(shù)，將教學(xué)中的安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

（2）以學(xué)生為本，教師親自設(shè)計(jì)、反復(fù)打磨軟件。在軟件設(shè)計(jì)過程中，我們充分考慮學(xué)生的接受心理，推敲、打磨微觀操作，同時(shí)避免游戲化。宋式古建筑斗栱虛擬拼裝課件的設(shè)計(jì)是從古代建筑重要?dú)v史文獻(xiàn)《營(yíng)造法式》的條文出發(fā)，盡可能與教學(xué)實(shí)際相結(jié)合。在軟件代碼實(shí)現(xiàn)前，我們就寫好了非常詳細(xì)的文檔腳本，規(guī)定了每一步的事件觸發(fā)、彈出的教學(xué)內(nèi)容的安排以及各種輔助功能。軟件初版實(shí)現(xiàn)后，其界面并不友好。我們從架構(gòu)、操作、反饋、鼓勵(lì)、用戶幫助等方面予以測(cè)試修改，以提升用戶體驗(yàn)，并通過增加提示功能，減少學(xué)生在構(gòu)件搜尋上的時(shí)間，把更多精力放在《營(yíng)造法式》條文與構(gòu)件的構(gòu)造上來。

（3）面向未來，虛實(shí)結(jié)合，接受與貢獻(xiàn)結(jié)合。未來的虛擬仿真教學(xué)，一定是虛實(shí)結(jié)合，將“虛擬”和“現(xiàn)實(shí)”的效能發(fā)揮到最大。就宋式古建筑斗栱虛擬搭建來說，我們以傳統(tǒng)文獻(xiàn)知識(shí)、構(gòu)造知識(shí)的提示和考核為實(shí)，軟件模擬搭建為虛;虛實(shí)結(jié)合，確保了文獻(xiàn)與實(shí)物的教學(xué)重點(diǎn)互不偏廢。而且，數(shù)字模型本身利用范圍也遠(yuǎn)不止于此：學(xué)生用數(shù)字建模軟件搭建數(shù)字模型為“虛”，配置3D打印機(jī)之后，連接打印成實(shí)體為“實(shí)”。如此，學(xué)生將完全熟練掌握了斗栱的原理。

就文化遺產(chǎn)VR數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)而言，學(xué)生不僅是數(shù)據(jù)的接受者，也是數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)者，他們?cè)趯W(xué)習(xí)和實(shí)踐過程中掌握最前沿的理論與方法。例如，“文化遺產(chǎn)保護(hù)實(shí)踐”“文化遺產(chǎn)參觀與測(cè)繪實(shí)習(xí)”是北京大學(xué)考古文博學(xué)院文物建筑專業(yè)方向?qū)W分最高的兩門必修課，教師在這兩門課中用最新的記錄技術(shù)、設(shè)備，講授、演練文物建筑和遺址的踏查、記錄與測(cè)繪技術(shù)。高年級(jí)本科生在這兩門課上需要掌握全景攝影記錄、全景攝影編輯、三維激光掃描、航拍攝影建模等技術(shù)，并編輯、提煉數(shù)據(jù)，上傳錄入到文物建筑數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣，他們不僅能掌握最新的技術(shù)和理念，也為數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的不斷充實(shí)貢獻(xiàn)力量。低年級(jí)學(xué)生則又可以在更豐富的數(shù)據(jù)中獲益，從而使教學(xué)不斷滾動(dòng)進(jìn)行。

在考古學(xué)這門以物質(zhì)文化資料和過去的社會(huì)為研究對(duì)象的學(xué)科中，未來的教學(xué)與研究必定越來越多地與虛擬仿真技術(shù)發(fā)生關(guān)聯(lián)。我們一定要堅(jiān)持從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，不斷總結(jié)教學(xué)痛點(diǎn)，吸取各方的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)探索虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用方向與應(yīng)用形式，使教學(xué)更加生動(dòng)、高效、準(zhǔn)確，同時(shí)使文化遺產(chǎn)在虛擬仿真技術(shù)的依托下活起來。

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[責(zé)任編輯：夏魯惠]