虛擬與現(xiàn)實(shí)重構(gòu)考古場(chǎng)景教學(xué)的實(shí)踐與思考

朱于心 李志榮 王晨 刁常宇

摘要：本文以埃及吉薩金字塔、中國(guó)云岡石窟和忻州九原崗北朝壁畫墓場(chǎng)景重構(gòu)為例，從文物數(shù)字化、教學(xué)設(shè)計(jì)與效果、反思與愿景等方面，闡述了如何利用新穎的科技手段和教學(xué)方法，給予學(xué)生沉浸式的教學(xué)體驗(yàn)，使得考古教學(xué)方式不再局限于現(xiàn)實(shí)課堂，并且超越在線課堂。

關(guān)鍵詞：虛擬與現(xiàn)實(shí)重構(gòu);考古教學(xué);在線課程;體驗(yàn)式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2022）02-0104-05

● 引言

建構(gòu)主義者認(rèn)為，灌輸給學(xué)生的知識(shí)無(wú)法被學(xué)生理解和接受，要深入理解和內(nèi)化知識(shí)需要由學(xué)生在具體的學(xué)習(xí)情境中去發(fā)現(xiàn)和理解。[1]即使是預(yù)先規(guī)定的、標(biāo)準(zhǔn)化的、指定的和外部決定的內(nèi)容也必須被放置在特定情境中由學(xué)生去掌握。[2]

考古學(xué)是以古代遺存為研究對(duì)象，根據(jù)古代人類各種活動(dòng)遺留下來(lái)的實(shí)物來(lái)研究人類古代社會(huì)歷史的一門科學(xué)。目前，考古實(shí)踐教學(xué)面臨的新問題包括：學(xué)生個(gè)性化選擇與課程內(nèi)容設(shè)置的錯(cuò)位、課堂與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容相脫節(jié)、實(shí)踐地點(diǎn)的連續(xù)性得不到保障和學(xué)生興趣與實(shí)踐能動(dòng)性不協(xié)調(diào)。[3]

傳統(tǒng)的考古學(xué)科的基于大量數(shù)據(jù)、文字資料、平面圖像，以教師為中心的灌輸式教學(xué)，現(xiàn)如今已不能滿足廣大師生乃至社會(huì)公眾的學(xué)習(xí)和研究需求。[4][5]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）有著各類學(xué)科交叉與相互作用的特性，是近年來(lái)被社會(huì)各界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)之一。[6]如何利用現(xiàn)今的全球化合作和信息技術(shù)手段，將豐碩的考古成果反哺教學(xué)，讓學(xué)生從感官上更好地吸收知識(shí)？這是一個(gè)值得深思和探索的命題。

● 考古教學(xué)場(chǎng)景的虛擬與現(xiàn)實(shí)重構(gòu)

1.考古教學(xué)場(chǎng)景的虛擬重構(gòu)

隨著VR技術(shù)的發(fā)展，特別是自2010年Oculus VR公司成立以來(lái)，VR設(shè)備的便捷性不斷增強(qiáng)，成本不斷下降，沉浸式體驗(yàn)效果越來(lái)越好，其在教育領(lǐng)域的巨大潛力開始得到了關(guān)注。2018年，浙江大學(xué)與哈佛大學(xué)（Harvard University）開始嘗試進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)的VR教育合作嘗試，面向兩校同時(shí)異地開設(shè)哈佛大學(xué)的VR課程：The Pyramids of Giza： Technology， Archaeology， History（《吉薩金字塔：科技、考古、歷史》）。

《吉薩金字塔：科技、考古、歷史》是近年來(lái)哈佛大學(xué)炙手可熱的全校公共選修課。課程內(nèi)容源自哈佛大學(xué)——波士頓美術(shù)館（Museum of Fine Arts，Boston）聯(lián)合考古隊(duì)1902—1947年在埃及的大量考古工作。2000年，波士頓美術(shù)館啟動(dòng)了第一期數(shù)字化吉薩項(xiàng)目。第一期數(shù)字化吉薩項(xiàng)目耗時(shí)十年，完成了吉薩考古資料的數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)。

隨著數(shù)字化吉薩項(xiàng)目的不斷進(jìn)展，2006年吉薩考古國(guó)際聯(lián)盟組建，并開始匯總整理分布在全球范圍內(nèi)的吉薩考古資料及最新的吉薩考古發(fā)掘成果。2010年，數(shù)字化吉薩項(xiàng)目在哈佛大學(xué)的支持下進(jìn)入第二階段，并開始引入多種先進(jìn)技術(shù)。目前，數(shù)字化吉薩項(xiàng)目正在試圖發(fā)揮Web3D、AI、AR、VR等技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，打造全新的網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)平臺(tái)。數(shù)字化吉薩項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，也是本課程的主講人，哈佛大學(xué)近東語(yǔ)言與文明學(xué)院教授Peter Der Manuelian認(rèn)為：數(shù)字化吉薩項(xiàng)目的最大活力來(lái)自全球化合作以及新技術(shù)運(yùn)用的熱情。

課程內(nèi)容主要聚焦于距今約4500年前建成的吉薩金字塔、獅身人面像、墓葬等文物，從古埃及歷史、藝術(shù)和考古的角度進(jìn)行理解，并介紹哈佛大學(xué)數(shù)字化吉薩項(xiàng)目的工作內(nèi)容、成果、技術(shù)與未來(lái)計(jì)劃。課程講座主要集中在古王國(guó)時(shí)期喪葬藝術(shù)與建筑的考古學(xué)信息處理，以及物主身份判定與文物返還等問題。學(xué)生除了有機(jī)會(huì)在課堂上選擇感興趣的命題進(jìn)行演講和討論外，還有機(jī)會(huì)通過3D建模將自己的成果永久留在數(shù)字化吉薩項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.考古教學(xué)場(chǎng)景的現(xiàn)實(shí)重構(gòu)

（1）利用3D打印技術(shù)1∶1重構(gòu)云岡石窟

位于山西省大同市的世界文化遺產(chǎn)云岡石窟，距今已有1500余年的歷史。云岡石窟第12窟雕刻了豐富的天人形象和中外樂器，在中國(guó)音樂舞蹈史上具有極其重要的地位。2016年8月，浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院與云岡石窟研究院合作，對(duì)云岡石窟第12窟進(jìn)行了三維數(shù)字化信息采集，采集工作包括52站三維激光掃描和55680張用于攝影測(cè)量的照片拍攝。經(jīng)過攝影測(cè)量計(jì)算和人工交互三維處理，合作團(tuán)隊(duì)成功建立了第12窟的高保真彩色三維模型，整體重構(gòu)復(fù)現(xiàn)了云岡石窟的形貌（如圖1）。

（2）縮微重構(gòu)忻州九原崗北朝壁畫墓

忻州九原崗北朝壁畫墓位于山西省忻州市區(qū)南部高地。2013年6月，山西考古研究所、忻州市文物考古研究所、山西博物院對(duì)已被盜掘的山西忻州九原崗北朝壁畫墓聯(lián)合實(shí)施搶救性考古發(fā)掘，并邀請(qǐng)浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院數(shù)字化團(tuán)隊(duì)配合考古發(fā)掘進(jìn)程，利用最先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)進(jìn)行壁畫數(shù)字化科學(xué)記錄，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字世界永久存儲(chǔ)千年前壁畫面貌的夢(mèng)想。（如圖2）。

● 教學(xué)設(shè)計(jì)及效果

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬考古田野教學(xué)，更加具有靈活性、實(shí)踐性和重現(xiàn)性。通過這種教學(xué)方法，學(xué)生可以加深對(duì)課程內(nèi)容的理解，并可以在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行充分的實(shí)踐與練習(xí)，對(duì)學(xué)到的考古知識(shí)及時(shí)鞏固。

1.虛擬重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)

哈佛大學(xué)與浙江大學(xué)在《吉薩金字塔：科技、考古、歷史》VR教育合作實(shí)踐中采用了共同授課、分別評(píng)定成績(jī)、分別授予學(xué)分的方式。哈佛大學(xué)的選課學(xué)生包括本科生與研究生，來(lái)自多個(gè)不同的學(xué)科。浙江大學(xué)選課學(xué)生包括本科生（竺可楨學(xué)院）、碩士研究生、博士研究生，來(lái)自考古學(xué)、文化遺產(chǎn)與博物館、建筑工程、數(shù)字化藝術(shù)與設(shè)計(jì)、信息與計(jì)算、遙感與地理信息、中國(guó)古代文學(xué)、地質(zhì)工程、旅游管理等多個(gè)專業(yè)和學(xué)科，課程具體設(shè)計(jì)如下表所示。

在2018年秋冬學(xué)期課程結(jié)束后，參加課程學(xué)習(xí)的學(xué)生提供了對(duì)課程的反饋意見。雙方學(xué)生認(rèn)為課程中的VR資源對(duì)輔助掌握相關(guān)知識(shí)提供了非常有用的幫助，基于VR的身臨其境學(xué)習(xí)有助于更直觀地理解吉薩遺址的狀況和考古發(fā)掘過程。特別是，中國(guó)、美國(guó)的師生在VR技術(shù)的支持下共同出現(xiàn)在4500年前的吉薩金字塔前，突破了時(shí)間和空間的局限，給大家?guī)?lái)了超出想象的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。課程中的三維建模作業(yè)也對(duì)學(xué)生切實(shí)了解和掌握吉薩考古資料非常有幫助。大家認(rèn)為通過視頻連線、VR連線進(jìn)行的互動(dòng)促進(jìn)了中西方文明觀點(diǎn)的碰撞和交融，拓展了課堂的知識(shí)范疇，是一次“超越在線課程”的體驗(yàn)。[7]

2.現(xiàn)實(shí)重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)

3D打印技術(shù)1∶1重構(gòu)云岡石窟第12窟、縮微重構(gòu)忻州九原崗北朝壁畫墓及1∶1打印部分墓內(nèi)壁畫，均在浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館展出。其作為本科生和研究生相關(guān)通識(shí)和專業(yè)課程的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)內(nèi)容，也面向社會(huì)大眾開放。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有來(lái)自本校15個(gè)學(xué)院12182人次和海內(nèi)外26所高校7377人次參加了現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)活動(dòng)。

通過虛擬和現(xiàn)實(shí)重構(gòu)考古場(chǎng)景教學(xué)，有效地提升了學(xué)生對(duì)古埃及的歷史、文化和思想的理解與把握能力，拓展了全球視野，使學(xué)生在文明互鑒中理解他人，并更加深刻地理解自己的文化與傳統(tǒng)。

● 反思與展望

綜合運(yùn)用多種信息技術(shù)不僅可以模擬顯示和觀察考古數(shù)據(jù)，而且可以與虛擬考古的對(duì)象進(jìn)行交互，具有多維度觀察和操縱考古數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。但數(shù)字化重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)也面臨一些發(fā)展的挑戰(zhàn)，需要關(guān)注、思考并規(guī)避。

1.數(shù)字化重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)的困難

（1）實(shí)施數(shù)字化重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)所需的成本遠(yuǎn)超傳統(tǒng)教育和多媒體教育，體現(xiàn)在硬件、軟件和資源制作三個(gè)方面。在硬件環(huán)境方面，VR教育除了需要為每位學(xué)生提供一套VR頭盔設(shè)備外，還需要投入更多經(jīng)費(fèi)建設(shè)VR設(shè)備的運(yùn)維環(huán)境、全景視頻采集與直播平臺(tái)、音視頻切換控制系統(tǒng)等，若有必要還需建設(shè)多人VR互動(dòng)的傳感定位系統(tǒng)、大屏幕系統(tǒng)、音響系統(tǒng)等環(huán)境。在軟件方面，需要開發(fā)專門的軟件系統(tǒng)以支持針對(duì)課堂教學(xué)所需的VR資源同步播放、學(xué)生自動(dòng)追蹤跟隨教師在VR環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)軌跡、按需加載課堂教學(xué)VR資源等功能。若要針對(duì)不同課程的教學(xué)演示需求，可能還需要為不同的課程開發(fā)獨(dú)特的軟件展示及互動(dòng)功能模塊。在VR資源方面，既需要滿足課程內(nèi)容體系的資源積累，也需要隨著教學(xué)內(nèi)容更新的資源持續(xù)制作。實(shí)際上，面向多個(gè)學(xué)科VR資源的持續(xù)性制作投入是當(dāng)前限制VR教育廣泛開展的最主要困難，其所需要的成本投入比一次性的軟硬件投入更多。[8-9]

基于3D打印的現(xiàn)實(shí)重構(gòu)，在結(jié)果呈現(xiàn)的方式上比VR技術(shù)更為自然，不需要借助復(fù)雜的顯示設(shè)備即可營(yíng)造大型的沉浸式體驗(yàn)空間。然而在當(dāng)前技術(shù)條件下，構(gòu)造大型3D打印復(fù)制的教學(xué)場(chǎng)景所需的費(fèi)用和時(shí)間都非常多，難以將其作為主要的技術(shù)手段支撐數(shù)字化重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)。

（2）實(shí)施數(shù)字化重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)需要教師掌握更多的技能。VR教育需要教師了解VR技術(shù)和VR平臺(tái)的功能、適用范圍和操作方法，對(duì)于尚未大規(guī)模普及的VR技術(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)的門檻仍然相對(duì)較高。VR教育也需要教師具備制作課程資源的能力，這會(huì)涉及一系列的三維建模、全景視頻甚至是VR編程的工作，對(duì)于絕大部分教師而言是難以實(shí)現(xiàn)的。[10]

基于3D打印重構(gòu)小型教學(xué)樣本在時(shí)間和成本上是可行的，大部分的教師都有機(jī)會(huì)接觸到小型的3D打印機(jī)并進(jìn)行少量的打印。但這仍需要教師具備3D建模、3D打印制作的基本能力，甚至需要教師了解高分子材料的相關(guān)知識(shí)以保障重構(gòu)質(zhì)量，或需要教師具備較好的美術(shù)功底以實(shí)現(xiàn)豐富色彩的手工繪制重構(gòu)。對(duì)于大部分的教師而言，同時(shí)具備上述能力也是非常困難的。

（3）數(shù)字化重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)采用的技術(shù)當(dāng)前仍然存在一定的不足。筆者在VR教學(xué)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，VR體驗(yàn)的連續(xù)時(shí)間超過10分鐘后，大部分學(xué)生會(huì)感覺到不適。若VR環(huán)境中播放的視頻或?qū)崟r(shí)渲染場(chǎng)景出現(xiàn)快速的鏡頭切換，部分學(xué)生會(huì)立刻感覺到眩暈。當(dāng)多人VR連線時(shí)，會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)延遲導(dǎo)致的溝通不暢、連接不穩(wěn)定、資源加載失敗等問題。對(duì)于遠(yuǎn)程連接的VR課堂，最大的干擾來(lái)自多個(gè)終端帶來(lái)的回音，當(dāng)軟件進(jìn)行回音抑制失敗的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的破音或聲音中斷，影響正常交流。

（4）實(shí)施數(shù)字化重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)還存在其他問題，包括由于設(shè)備水平差異影響學(xué)習(xí)的效果，從而帶來(lái)因?qū)W生經(jīng)濟(jì)條件差異帶來(lái)的公平性失衡風(fēng)險(xiǎn);已經(jīng)有技術(shù)提供在VR頭盔中集成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生注意力水平的能力，由此可能帶來(lái)關(guān)于新技術(shù)運(yùn)用過程中學(xué)生隱私權(quán)利的討論甚至是沖突;通過VR設(shè)備智能化推送與課程相關(guān)的知識(shí)將有助于拓展教育的廣度與深度，但同時(shí)可能會(huì)帶來(lái)智能算法影響學(xué)習(xí)興趣和知識(shí)范疇的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）數(shù)字化重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)與考古田野教學(xué)相互補(bǔ)充，是不可替代的。哈佛大學(xué)與浙江大學(xué)VR教育實(shí)踐的成功，依賴數(shù)字化吉薩項(xiàng)目多年的VR資源積累、雙方在教學(xué)環(huán)境的大規(guī)模投入、雙方高校和企業(yè)的高水平技術(shù)團(tuán)隊(duì)的支持，以及課堂教學(xué)過程中教授與助教的協(xié)作努力。諸多方面的困難和挑戰(zhàn)意味著VR教育的大規(guī)模推廣仍然需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。試圖復(fù)制這樣的教學(xué)方式不如結(jié)合未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行更長(zhǎng)期的準(zhǔn)備。試圖用數(shù)字化重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)替代考古田野教學(xué)既不可取，也不可能。田野考古學(xué)是考古學(xué)的基礎(chǔ)，沒有田野考古，考古學(xué)就成了無(wú)本之木，無(wú)源之水。復(fù)原實(shí)物的原貌及其所處的共存關(guān)系，只能在田野考古階段進(jìn)行。[11]

2.數(shù)字化重構(gòu)場(chǎng)景教學(xué)的展望

（1）隨著技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前VR教育的一些局限性必然隨之消失，如芯片成本的下降必然會(huì)使VR設(shè)備成本不斷降低，芯片運(yùn)算能力與展示技術(shù)的提升必然會(huì)帶來(lái)更為舒適的VR體驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步會(huì)降低遠(yuǎn)程互動(dòng)的延遲，自動(dòng)化技術(shù)會(huì)降低VR資源制作的門檻等。

（2）VR技術(shù)將逐漸滲透到每個(gè)人的生活和工作中，并逐漸培養(yǎng)用戶更多、更自然地使用VR技術(shù)的習(xí)慣。另外，教育領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新進(jìn)步將帶來(lái)大家對(duì)更好教育效果的期待，除了在考古學(xué)課程的實(shí)踐，VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、航空學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域都可應(yīng)用，也因此會(huì)催生出更多對(duì)VR技術(shù)在教育領(lǐng)域運(yùn)用的需求。

（3）若把VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛、深度運(yùn)用看作必然，就應(yīng)該提前做好準(zhǔn)備。在軟硬件方面，應(yīng)注重研發(fā)支持?jǐn)?shù)十人乃至數(shù)百人同時(shí)在線的網(wǎng)絡(luò)并行VR體驗(yàn)系統(tǒng)，開發(fā)在VR頭盔環(huán)境下更為便利的語(yǔ)音筆記、資源收藏、課程回放等功能，并結(jié)合基于人工智能的實(shí)時(shí)字幕生成、關(guān)聯(lián)信息推薦等技術(shù)提供更多學(xué)習(xí)輔助功能。

（4）博物館和遺產(chǎn)展示被公認(rèn)為大眾教育場(chǎng)所，從國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)可見，這種特殊教育場(chǎng)所在為觀眾提供“專家視角”的同時(shí)，也要鼓勵(lì)培養(yǎng)“觀眾視角”，使觀眾能夠通過對(duì)各種展示的了解，積極創(chuàng)造個(gè)人的體驗(yàn)和意義，從而形成個(gè)人的世界建構(gòu)。

● 結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)設(shè)高沉浸式的教學(xué)環(huán)境，提升教學(xué)的參與體驗(yàn)感，提高教學(xué)效率和水平，是信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的目的所在。筆者所在學(xué)校充分發(fā)揮多學(xué)科交叉協(xié)同優(yōu)勢(shì)，與國(guó)際頂尖大學(xué)深度合作，持續(xù)在文物數(shù)字化保護(hù)利用、數(shù)字化場(chǎng)景教學(xué)上不斷創(chuàng)新發(fā)展，對(duì)于中外文明交流互鑒和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體意義重大。

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作者簡(jiǎn)介：朱于心，浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館館員，碩士，研究方向文物數(shù)字化教育、博物館教育。

資助項(xiàng)目：本文受2020年浙江省教育廳科研項(xiàng)目（人文社科類）“基于VR技術(shù)的考古教育實(shí)踐”（課題編號(hào)：Y202043915）資助。