張劍葳　吳煜楠

摘 要：本文以北京大學考古虛擬仿真實驗教學中心在文物建筑專業(yè)教學上所進行的幾項探索性實踐項目為例，論述了虛擬仿真技術(shù)在文物建筑專業(yè)教學中的重要價值，評估了其相對于傳統(tǒng)教學手段的優(yōu)勢，同時分析了當前教學中應用虛擬仿真技術(shù)時存在的一些問題。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗教學;文物建筑

一、背景概述

2013—2015年教育部共批準了300個國家級虛擬仿真實驗教學中心。由于虛擬仿真技術(shù)本身的特點，大部分虛擬仿真教學中心都集中在工學類、理學類、醫(yī)學類專業(yè)。與文科相關的虛擬仿真實驗教學中心僅有13個[1]，考古類則占據(jù)了3個席位，包括西北大學文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護虛擬仿真實驗教學中心、北京聯(lián)合大學文化遺產(chǎn)傳承應用虛擬仿真實驗教學中心以及北京大學考古虛擬仿真實驗教學中心。其中，北京聯(lián)合大學文化遺產(chǎn)傳承應用虛擬仿真實驗教學中心的虛擬仿真教學建設包括：搭建文物綜合保護與展示、國家級“非遺”技藝傳承實驗教學、文化遺產(chǎn)場景再現(xiàn)與應用、文化遺產(chǎn)旅游產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新應用等虛擬仿真實驗教學平臺[2]。西北大學文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護虛擬仿真實驗教學中心注重開展大場景數(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)，文物復原與修復等創(chuàng)新性研究工作，成果應用于秦兵馬俑復原、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)?？梢?，在眾多文科類學科中，考古學是比較適合引入虛擬仿真技術(shù)的學科，這與考古學通過研究遺跡和遺物來研究已逝去的人類古代社會這一特點是息息相關的?？脊艑W的教學必須依賴大量的實物遺存和遺跡場景，而校內(nèi)教學又無法大量提供這些實物材料，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)作為考古學的一個專業(yè)方向，教學同樣面臨這一問題，學生在學習過程中需要頻繁接觸大量的地面建筑遺存、建筑遺址等實物材料。在此背景下，北京大學考古虛擬仿真實驗教學中心應運而生，在考古實踐教學的傳統(tǒng)優(yōu)勢基礎上開展了更進一步的探索。本文針對虛擬仿真技術(shù)在文物建筑專業(yè)教學中的應用作一些探討，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)是指用一個虛擬的系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，其中虛擬現(xiàn)實技術(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（增強現(xiàn)實技術(shù)）為核心的各類虛擬仿真設備開始在市場上大量涌現(xiàn)，VR和AR有潛力成為下一個重要計算平臺，如同個人電腦和智能手機。2016年1月高盛發(fā)布的報告指出，2025年該市場營收將達到800億美元（其中450億美元為硬件營收，350億美元為軟件營收）[3]，并且有9大領域?qū)蔀樵摷夹g(shù)的主要應用市場，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VR和AR技術(shù)的普及。

此外，攝影測量、三維掃描等技術(shù)在文化遺產(chǎn)領域中的應用也日益廣泛，采用這些新興的虛擬仿真技術(shù)，對于提高教學質(zhì)量、引導學生興趣具有積極的作用。更重要的是，隨著硬件設備成本的下降和應用的普及，未來基于這些設備的教學內(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)在考古學包括文物建筑領域中的應用也日漸廣泛。例如利用無人機對考古遺址、建筑遺存等不可移動文物進行傾斜攝影測量，方便研究者獲取研究對象的相關信息;對可移動文物進行三維掃描，形成數(shù)字點云模型，作為對出土遺物以及現(xiàn)存文物的數(shù)字化記錄;對文物建筑進行全景攝影記錄，形成全景照片，發(fā)布在網(wǎng)絡上，方便研究者在網(wǎng)絡上查看相關的建筑形制信息等。

北京大學考古虛擬仿真實驗教學中心不僅關注這些虛擬仿真技術(shù)在行業(yè)中的應用，而且努力將這些現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學項目深度融合，堅持以學生為中心的教學理念，使學生不僅能夠接觸到虛擬仿真技術(shù)的應用成果，同時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。學生不僅要成為知識和技術(shù)的靈活運用者，而且要努力成為新模式的設計者。

三、虛擬仿真技術(shù)在文物建筑教學中的優(yōu)勢

在文物建筑專業(yè)（包括古代建筑、建筑歷史、歷史建筑保護等專業(yè)）教學中，接觸建筑實物是十分重要的，脫離建筑本體幾乎是不可能的。由于時間空間的限制，傳統(tǒng)教學只能采用文字或圖片來滿足這種對實物的接觸需求。同時，校外實習受到時間和成本制約。虛擬仿真技術(shù)因為其自身模擬現(xiàn)實的特點，有效解決了這個問題，在文物建筑課程教學中具有明顯的優(yōu)勢。

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

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

再次，虛擬仿真教學資源信息量遠大于傳統(tǒng)教學資料，而不僅僅是教師為了講解某個知識點而專門準備的教學資料。學生通過互聯(lián)網(wǎng)教學平臺可以獲得相關資料。可以說，虛擬仿真技術(shù)為學生提供了自主學習和研究的資料和平臺。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象。要對這些建筑進行自主的研究，就需要實地考察，這對學生的自主學習、研究帶來了很高的門檻。利用虛擬仿真教學資源，學生在學校就可以獲得實地考察的信息，為學生自主學習、研究帶來了極大的便利。

最后，虛擬仿真技術(shù)下的文物建筑教學體現(xiàn)了以學生為中心的理念。在教學過程中，從數(shù)據(jù)的采集到最后數(shù)據(jù)的展示與應用，學生都參與其中。虛擬仿真技術(shù)獲取的教學資源儲存在服務器上，學生可以隨時獲取真實可靠的第一手考古學資料作為學習資源，為學生提供了自主式、探究式學習的平臺。這正是對教育部關于示范性虛擬仿真實驗教學項目建設要求——以學生為中心的實驗教學理念、準確適宜的實驗教學內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學方式方法的深入實踐。

四、虛擬仿真技術(shù)應用中存在的問題

虛擬仿真技術(shù)的應用，有利于提升文物建筑專業(yè)教學質(zhì)量。但從實際情況看，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的本質(zhì)，趨向于游戲化，誤以為通過游戲可以實現(xiàn)教學目的或提高學生興趣。造成這一問題的原因，一方面來自于沒有認清教學軟件設計的目的，另一方面是因為設計教學內(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)品沒有充分對應。這種傾向，尤其常見于教學軟件的跨專業(yè)移植中。例如，開發(fā)企業(yè)為了降低成本，將原本為機械設計開發(fā)的課件簡單粗暴地移植、改版為文物保護仿真軟件，等等。

二是硬件堆砌，輕視軟件建設。2016年以來虛擬現(xiàn)實的硬件開發(fā)加快，各大廠商紛紛推出最新的虛擬現(xiàn)實頭盔、一體機，計算機廠商也推出了配合計算的高性能顯卡。與此相對應，一些高校采購了大量的虛擬現(xiàn)實硬件設備。必要的采購是絕對需要的，畢竟脫離了硬件就無法實現(xiàn)虛擬仿真。但是，要想真正把虛擬仿真技術(shù)在教學實踐中應用好，軟件及內(nèi)容平臺本身的建設才是最為關鍵的。脫離了有價值的內(nèi)容，硬件性能再高也無用武之地。

三是迷信數(shù)據(jù)，忽視場景應用。有關機構(gòu)采購了諸如三維掃描儀、手持掃描儀、無人機等采集記錄設備后，會利用這些先進設備開展大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄。但是，這些數(shù)據(jù)從現(xiàn)場采集回來后，常常不做進一步的處理，僅僅是作為存檔。存檔當然有其重要作用，但如果不在教學中加以設計使用，數(shù)據(jù)就沒有發(fā)揮出最大效用，也就沒有在教學中發(fā)揮實際作用。

五、在教學實踐中不斷打磨虛擬仿真的適應性技術(shù)

近年來，北京大學考古虛擬仿真實驗教學中心進行了一系列虛擬仿真技術(shù)的教學實踐。下面以我們設計開發(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)庫平臺”為例作一些介紹。

（1）從教學需求出發(fā)，找到教學痛點，設計軟件適應性地解決問題。斗栱是中國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糯ㄖ?shù)制設計、施工的基礎，因此對斗栱的識別和認讀非常重要，對于理解掌握中國古建筑的基本特征、設計原理、時代特征都有不可替代的作用。在傳統(tǒng)教學中，教師一般會采用PPT分解的方式予以講解，但學生可能費勁記住了名詞，卻并不真正理解各個部件搭接的原理。這正是教學的痛點所在。采用木構(gòu)實體模型能夠解決這一問題，但是實體模型的數(shù)量畢竟很有限，無法滿足所有學生經(jīng)常性的練習。而且，木構(gòu)模型質(zhì)量相當大，教師上課時不易搬動。因此，我們開發(fā)了相關軟件，虛擬與實體結(jié)合，上課時可用實體模型向?qū)W生演示，課后安排學生在電腦上模擬安裝，同時鞏固學生對斗栱專有名詞的認知和記憶。

在建筑史教學課堂上，我們面對的教學痛點是二維圖片難以演示三維建筑信息。在原來的課堂教學中，教師需要準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、場景、形制、細節(jié)和技術(shù)要點，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)關聯(lián)也難以關聯(lián)表述。在外地實習時，古建筑野外踏查、搭腳手架上房頂進行高空測繪作業(yè)，即使做好防護措施，也還是存在一定的安全風險。為了解決上述問題，北京大學考古文博學院、考古虛擬仿真實驗教學中心建設了國內(nèi)首個文化遺產(chǎn)VR數(shù)據(jù)庫平臺，實現(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)庫等功能。通過本數(shù)據(jù)庫的展示系統(tǒng)，教師和研究生助教能夠便捷地在建筑上打標簽、張貼講解和討論，本科生能夠在課堂上通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)與古建筑現(xiàn)場建立聯(lián)系，從而對古建筑的形制進行認知，并輕松地與其他相關古建筑進行鏈接學習。學生還可以戴上虛擬現(xiàn)實頭盔或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)，將教學中的安全風險降到最低。

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

（3）面向未來，虛實結(jié)合，接受與貢獻結(jié)合。未來的虛擬仿真教學，一定是虛實結(jié)合，將“虛擬”和“現(xiàn)實”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)文獻知識、構(gòu)造知識的提示和考核為實，軟件模擬搭建為虛;虛實結(jié)合，確保了文獻與實物的教學重點互不偏廢。而且，數(shù)字模型本身利用范圍也遠不止于此：學生用數(shù)字建模軟件搭建數(shù)字模型為“虛”，配置3D打印機之后，連接打印成實體為“實”。如此，學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)庫平臺而言，學生不僅是數(shù)據(jù)的接受者，也是數(shù)據(jù)的貢獻者，他們在學習和實踐過程中掌握最前沿的理論與方法。例如，“文化遺產(chǎn)保護實踐”“文化遺產(chǎn)參觀與測繪實習”是北京大學考古文博學院文物建筑專業(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)、設備，講授、演練文物建筑和遺址的踏查、記錄與測繪技術(shù)。高年級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)庫內(nèi)容的不斷充實貢獻力量。低年級學生則又可以在更豐富的數(shù)據(jù)中獲益，從而使教學不斷滾動進行。

在考古學這門以物質(zhì)文化資料和過去的社會為研究對象的學科中，未來的教學與研究必定越來越多地與虛擬仿真技術(shù)發(fā)生關聯(lián)。我們一定要堅持從教學實際出發(fā)，不斷總結(jié)教學痛點，吸取各方的先進經(jīng)驗，繼續(xù)探索虛擬仿真技術(shù)在教學中的應用方向與應用形式，使教學更加生動、高效、準確，同時使文化遺產(chǎn)在虛擬仿真技術(shù)的依托下活起來。

參考文獻：

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[3] Goldman Sachs. Virtual & Augmented Reality： the next big computing platform， January 13， 2016[EB/OL].http：//www.goldmansachs.com/our-thinking/pages/technology-driving-innovation-folder/virtual-and-augmented-reality/report.pdf.

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