青銅器科技修復方案設計虛擬仿真實驗

摘 要：在青銅器保護與修復的學習中，存在諸多不足與問題，如：因文物的不可再生性及其極為珍貴，故無法讓學生成規(guī)模用以練習；各類科技檢測儀器昂貴，無法普及到所有開設相關專業(yè)的高校作為教學用具；傳統(tǒng)青銅器修復技藝較為復雜且教學不成體系，初學者不知從何開始學習，無法將學到的內容融會貫通，最后再加以應用?；谝陨蠁栴}，文章以真實的文物保護修復為藍本，開發(fā)青銅器科技修復方案設計虛擬仿真實驗系統(tǒng)，將青銅器保護修復與虛擬仿真全真演練相結合。通過虛擬仿真實驗，學生掌握青銅保護修復的流程及其中涉及的青銅器科技檢測、青銅器傳統(tǒng)修復技能、知識及文化要點。這對文物與博物館學專業(yè)教學中的文物修復等相關課程具有輔助作用，對學生必修的文物修復實習具有補充作用，同時也加強了對文物保護修復人才隊伍的培養(yǎng)，這也是對虛擬仿真實驗項目建設的探索。

關鍵詞：青銅器修復；虛擬仿真；X射線探傷；X射線熒光能譜；超景深顯微鏡

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.02.008

0 引言

中國傳統(tǒng)文物修復技術是中國文物保護科學體系中的一個重要分支，是國家考古和文物與博物館事業(yè)的重要組成部分。中華人民共和國成立以來，隨著考古發(fā)掘工作的開展和大量博物館的建立，我國現存文物數量正在不斷增加，文物修復技術人才成為考古發(fā)掘及博物館的必然需求。

由于館藏青銅文物十分珍貴、不可再生，且修復過程不可逆，這對修復師的修復能力有較高的要求，因此青銅文物修復實踐能力的訓練和培養(yǎng)非常重要。對學習青銅器修復的初學者來說，在實物素材不足的情況下僅能以現代材料展開相關技能的訓練。通常而言，實踐技能的學習需要專業(yè)的場地、材料及專業(yè)的指導教師，以及較長的學習周期，尤其對于青銅器修復實踐的學習，修復步驟耗時較長，所需材料昂貴，只能以較長周期開展小范圍教學才能達到效果。

針對青銅器修復實踐教學中存在的部分問題，虛擬仿真技術的引入是不可或缺的，也是對于當下實踐教學的補充。虛擬仿真技術是通過操作鍵盤、鼠標等外接設備，配合計算機模擬真實場景和過程的技術，使用方式便捷，對硬件要求低，可以突破時空的限制，彌補實踐學習所需的場地及材料等的限制，同時又可以讓初學者獲得盡量貼近真實的體驗。在青銅器修復實踐的學習中使用虛擬仿真技術不僅可以降低開展教學工作所需的成本，提高實踐教學的效果，更有助于提高學習者的實踐技術水平與能力。

目前，對于虛擬仿真的研究以及在文物保護與修復教學相關領域的應用較少，故此項目有著較大的創(chuàng)新，為后續(xù)相關系統(tǒng)的開發(fā)探索道路。

1 青銅器科技修復虛擬仿真系統(tǒng)的建設要點

1.1 還原真實場景，打破時空界限

青銅器修復實踐集合了科技檢測分析、傳統(tǒng)保護修復技藝及文物保護材料學等諸多內容，涉及諸多檢測儀器設備，同時對傳統(tǒng)手工藝、工具設備及場地有一定需求。通過三維建模技術還原真實的實驗室場景環(huán)境，構建檢測所需的儀器設備及待修復文物模型，能為虛擬仿真實驗的開展提供沉浸感。虛擬仿真具有的可視化優(yōu)點，可以為學員提供最為直觀的設備操作方式，能夠及時查看實驗結果。

1.2 集成碎片經驗，整合分散知識

青銅器修復作為一門更加注重實際操作的課程，授課教師多為具有豐富實踐經驗的行業(yè)內從業(yè)者或是相關技藝傳承人，授課內容也以實踐為主。教師通過言傳身教傳授經驗。但通常所傳授的經驗不成體系、過于碎片化，無法將實踐操作與理論知識較好地結合。而虛擬仿真實驗過程中會有大量的零散經驗知識點，包括儀器設備的使用方法、檢測參數的調整、檢測結果的分析、青銅器保護修復流程的復現及青銅器保護修復方案的編寫等，系統(tǒng)地整合分散的知識，學生可以更加系統(tǒng)地學習。

1.3 改革考核評價方式，加強教學過程監(jiān)控

傳統(tǒng)實踐教學考核多采用課堂表現和結果評價相結合的考核機制，教師無法及時記錄每個學員的實踐過程，對過程中的問題處理能力、知識掌握水平缺少客觀綜合的評估。虛擬仿真教學培訓系統(tǒng)在實踐教學中具有過程監(jiān)控的優(yōu)勢，通過建立實驗入口、實驗過程、實驗效果全周期標準評價體系，可以避免單一評價機制的主觀性和模糊性。

2 青銅器科技修復虛擬仿真系統(tǒng)的設計

2.1 青銅器科技修復虛擬仿真系統(tǒng)知識框架

青銅器科技修復方案設計虛擬仿真實驗的知識框架如圖1所示。整個知識框架主要包括文物現狀調查、修復方案設計與制定兩大部分，其中文物現狀調查包括文物價值評估（文物基本信息、器型、紋飾、銘文、銹色）、科技檢測分析（手持X射線熒光、超景深顯微鏡、X射線探傷）、文物病害調查（文物拍照、病害識別、病害圖繪制、病害程度分析）；修復方案設計與制定包括青銅器修復中涉及的清洗、整形、黏接、焊接、補配、打磨、做舊等內容。

此系統(tǒng)以青銅器保護修復技藝的理論與實踐為基礎，展示了青銅器從文物價值的評估—科技檢測分析—病害調查—修復方案設計與制定的全部流程，以科技檢測分析儀器的使用、檢測結果的分析及正確修復方案的制定作為核心知識點，從廣度和深度兩個維度完整展示了青銅器保護修復技藝。

2.2 三維場景復原

青銅器保護修復技藝實踐課通常在專用的青銅器保護修復實驗室內進行，該實驗室內除青銅器修復所需的各類手動、電動工具及材料外，還設有多種科技檢測儀器設備，包括手持式X射線熒光能譜儀、超景深顯微鏡等，但由于現實中X射線探傷儀使用環(huán)境的限制，無法將設備放入普通的實驗室中。三維場景不但復原了現實中實驗室的樣貌，還將X射線探傷儀也置于其中，使學員進入實驗室場景即可直觀感受到青銅器保護修復中科技檢測分析與傳統(tǒng)修復技藝相結合的重要性。

2.3 病害識別、科技檢測與方案編制演示

進入系統(tǒng)后可在三種不同的文物“教具”中選擇其一，依次點擊“基本信息”及“病害圖繪制”按鈕，可以獲得文物基本信息的相關描述并對文物進行拍照，再通過已知信息及文物圖片，判斷并選擇相應病害標注于病害圖中以完成繪制，繪制完成后再對病害進行文字描述。在青銅器保護修復的學習中，對于文物病害的識別極為重要，若文物修復師無法認清文物病害，后續(xù)的保護修復工作也無從談起。此步驟中將實物建模、文物二維圖片與病害圖標相結合，鍛煉學員識別文物病害的能力。

完成上述內容后則可開始進行科技檢測部分，所涉及檢測內容為“手持熒光檢測”“超景深顯微鏡”“X射線探傷”。

手持熒光檢測又稱為X射線熒光光譜（XRF），是一種無損的分析方法，其原理是通過發(fā)射高能量X射線轟擊檢測對象，從而激發(fā)出不同元素各自的特征X射線。這些X射線具有不同的能量或波長特性，檢測器在接收到這些次級X射線后，可以將其轉為對應的信號，從而檢測出試樣中的各類元素含量。該方法既可以對金屬文物的成分進行檢測，又可以對修復過程中使用的各類顏料中包含的金屬成分進行分析，是文物保護修復中常用的檢測方法。

超景深顯微鏡可以通過無損、非接觸的方式采集高精度光學信息。由于普通光學顯微鏡的景深較淺，無法清晰地顯示青銅器表面凹凸不平的銹蝕，而超景深顯微鏡具有較深的景深，因此適合用于觀察不平整表面。

X射線探傷技術在金屬文物領域的應用主要有三個方面：一是了解文物內部的腐蝕、破損情況。X射線探傷技術可以揭示金屬文物內部不同部位、不同形式、不同程度的腐蝕和破損情況，進而可以為后期金屬文物保護修復方案的制訂和修復方法的選擇提供依據。二是研究文物內部的結構。通過應用X射線探傷技術，我們可以了解文物本體上被銹蝕層遮蓋、肉眼無法辨認的紋飾、銘文、鑄造工藝等信息。三是認知文物的修復情況。已修復的金屬文物，通過X射線探傷技術，可以得知文物的補配、黏接、焊接等修復情況，為以后再次修復提供便利的影像資料或進行修復資料留存。

選擇“手持熒光檢測”后依次點擊“樣品類型”“金屬”“常見金屬”按鈕，對文物特定部位進行檢測，即可得到特定數據及結論。

手持式X射線熒光能譜儀單臺價格較高，且操作較為復雜，在操作時會產生輻射，在教學中無法讓每位學員都使用實物進行操作學習，因此使用虛擬仿真系統(tǒng)進行教學將有效彌補其在教學中存在的不足。

選擇“超景深顯微鏡”后，即可對文物特定部位進行拍攝，得到局部顯微照片，可通過選擇“20倍”“50倍”“100倍”選項得到不同放大倍數的照片。

選擇“X射線探傷”后，將文物放入X射線探傷儀中，在“參數調整”中輸入電壓及時間，如輸入值與預設區(qū)間相差過大，則系統(tǒng)會進行相應提示；待輸入正確參數后，會獲得不同參數下的X射線探傷成像圖，并被告知何種參數所獲得的結果更佳。

與便攜式X射線熒光能譜儀一樣，X射線探傷儀單體價格較高、操作較為復雜、工作時會產生輻射，此設備多為固定式且需要特定的防護隔離，因此無法滿足讓所有學員親身體驗的需求。故此以虛擬仿真的形式替代實物，將在一定程度上滿足教學需求。

上述科技檢測部分的設計盡量真實地還原了各項儀器設備的操作界面與使用方法。這樣，學員在不接觸設備實物的情況下，也能學習使用這些設備。這將避免他們在后續(xù)接觸真正的設備時不會一無所知，從而最大限度地降低了各方面的學習成本。

待完成三項科技檢測后會得到相關修復建議關鍵詞的提示，需要學員根據提示完成修復方案的制定。通過選擇、填寫正確的修復流程與工具材料，完成修復方案的制定，通過系統(tǒng)生成文物修復的實施計劃。

3 青銅器科技修復虛擬仿真系統(tǒng)的實踐

3.1 訓練模式與考試模式

從青銅器科技修復方案設計虛擬仿真實驗網站首頁進行用戶登錄后，系統(tǒng)提供了“訓練模式”與“考試模式”兩種進入方式。在“訓練模式”中，系統(tǒng)針對三種不同的青銅器案例，提供了全流程、設備、工具材料的詳細解析與操作引導。學員可以根據這些引導提示，逐步完成學習任務。而“考試模式”則去除了操作引導提示，僅保留了三種案例的交互操作，并加入了打分系統(tǒng)。學員在這一模式下，需要根據自己的理解和技能進行操作，系統(tǒng)會根據操作過程給出相應的分值判定。

在完成“訓練模式”的學習后，學員可以選擇進入“考試模式”，在完全自主的情況下進行實驗操作。系統(tǒng)會根據學員的操作過程記錄分數，并形成詳細的分析表。這樣，教師不僅可以了解學員的學習成果，還能準確找出學員在學習中的薄弱環(huán)節(jié)，為評分和教學提供參考。

3.2 整體結構學習

在青銅器保護修復的學習中，往往難以像陶瓷和書畫類文物那樣使用現代材料作為教具。即使有部分實踐內容可以用現代材料替代，但青銅器保護修復的整體操作過程無法在真實文物上進行，因此造成了學員難以掌握青銅器保護修復整體結構的難題。此系統(tǒng)的開發(fā)解決了這一問題，通過虛擬仿真技術，學員在掌握具體修復實踐技能的同時，也兼顧了對青銅器保護修復整體框架結構的理解。同時，由于部分科技檢測儀器價格昂貴、使用中易受損，或使用不當會對人體產生傷害，以虛擬仿真的方式進行模擬操作，既可以減少學習使用這些儀器設備所需的時間及成本，又可將風險降至最低。

3.3 青銅器科技修復虛擬仿真系統(tǒng)的應用

該系統(tǒng)開發(fā)完成后即投入使用，自2023年起被應用于青銅器保護修復課程，不僅輔助教學，還對學生必修的文物修復實習起到了補充作用，加強了對文物保護修復人才隊伍的培養(yǎng)。目前，該系統(tǒng)的瀏覽量已超過2600次，使用量超過1300人。此系統(tǒng)計劃持續(xù)向高校和社會開放服務，作為北京市開放實驗教學平臺，該系統(tǒng)將向北京高校開放共享。通過非遺進校園、文化遺產日活動、研學游等活動，推動社會對該實驗項目的了解和參與。預計每年服務十余個群體，覆蓋近200人。

4 結語

青銅器科技修復涉及青銅的科技檢測與青銅傳統(tǒng)修復兩部分內容。青銅器科技檢測是探知青銅文物病害、工藝的有效手段，通過科技檢測可獲得青銅文物的病害情況與工藝情況，然而所需科技檢測設備昂貴且稀缺，無法保證學生人手一臺開展操作練習。青銅修復技藝是中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的組成部分，對于青銅器的長期保存和價值延續(xù)具有重要的意義，但由于修復步驟繁多、材料復雜、修復過程不可逆，以及青銅器十分珍貴和不可再生，從而導致學生作為初學者不宜直接上手拿真實的文物練習。

基于此，構建了虛擬仿真交互實驗平臺，將青銅器科技檢測與虛擬仿真全真演練相結合，構建操作要領、知識要領系統(tǒng)化的虛擬仿真體系，提高學生對青銅科技檢測的操作能力；將青銅修復與實時交互效果虛擬演示法相結合，構建技能要領、知識要領、文化要領系統(tǒng)化的虛擬仿真體系，提高學生對青銅修復技藝能力。這不僅為日后的實際保護打下基礎，減少操作失誤，保障文物安全，用戶還可在虛擬環(huán)境中體驗復雜文物的修復工序，提升青銅文物的科技檢測能力及病害識別與診斷能力，體會嚴謹細致的匠人精神，欣賞青銅文化原有的藝術魅力。

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