虚拟仿真技术在文物建筑教学中的应用探索

张剑葳　吴煜楠

摘 要：本文以北京大学考古虚拟仿真实验教学中心在文物建筑专业教学上所进行的几项探索性实践项目为例，论述了虚拟仿真技术在文物建筑专业教学中的重要价值，评估了其相对于传统教学手段的优势，同时分析了当前教学中应用虚拟仿真技术时存在的一些问题。

关键词：虚拟仿真;实验教学;文物建筑

一、背景概述

2013—2015年教育部共批准了300个国家级虚拟仿真实验教学中心。由于虚拟仿真技术本身的特点，大部分虚拟仿真教学中心都集中在工学类、理学类、医学类专业。与文科相关的虚拟仿真实验教学中心仅有13个[1]，考古类则占据了3个席位，包括西北大学文化遗产数字化保护虚拟仿真实验教学中心、北京联合大学文化遗产传承应用虚拟仿真实验教学中心以及北京大学考古虚拟仿真实验教学中心。其中，北京联合大学文化遗产传承应用虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真教学建设包括：搭建文物综合保护与展示、国家级“非遗”技艺传承实验教学、文化遗产场景再现与应用、文化遺产旅游产业创新应用等虚拟仿真实验教学平台[2]。西北大学文化遗产数字化保护虚拟仿真实验教学中心注重开展大场景数字化，基于考古勘探数据的分析和三维绘制、重构，曲面曲线表示、拼接、匹配技术，文物复原与修复等创新性研究工作，成果应用于秦兵马俑复原、兵马俑挖掘过程数字化、小雁塔几何造型绘制及三维虚拟再现。可见，在众多文科类学科中，考古学是比较适合引入虚拟仿真技术的学科，这与考古学通过研究遗迹和遗物来研究已逝去的人类古代社会这一特点是息息相关的。考古学的教学必须依赖大量的实物遗存和遗迹场景，而校内教学又无法大量提供这些实物材料，虚拟仿真技术正是解决这一矛盾的利器。

文物建筑专业作为考古学的一个专业方向，教学同样面临这一问题，学生在学习过程中需要频繁接触大量的地面建筑遗存、建筑遗址等实物材料。在此背景下，北京大学考古虚拟仿真实验教学中心应运而生，在考古实践教学的传统优势基础上开展了更进一步的探索。本文针对虚拟仿真技术在文物建筑专业教学中的应用作一些探讨，希望起到抛砖引玉的作用。

二、虚拟仿真技术发展近况

虚拟仿真技术是指用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术，其中虚拟现实技术（VR技术）是其中最为重要的组成部分。2016年被称为“VR元年”，以VR和AR（增强现实技术）为核心的各类虚拟仿真设备开始在市场上大量涌现，VR和AR有潜力成为下一个重要计算平台，如同个人电脑和智能手机。2016年1月高盛发布的报告指出，2025年该市场营收将达到800亿美元（其中450亿美元为硬件营收，350亿美元为软件营收）[3]，并且有9大领域将会成为该技术的主要应用市场，包括视频游戏、事件直播、视频娱乐、医疗保健、房地产、零售、教育、工程和军事，它们将极大地推动VR和AR技术的普及。

此外，摄影测量、三维扫描等技术在文化遗产领域中的应用也日益广泛，采用这些新兴的虚拟仿真技术，对于提高教学质量、引导学生兴趣具有积极的作用。更重要的是，随着硬件设备成本的下降和应用的普及，未来基于这些设备的教学内容很有可能成为刚性需求。

在这一大背景下，虚拟仿真技术在考古学包括文物建筑领域中的应用也日渐广泛。例如利用无人机对考古遗址、建筑遗存等不可移动文物进行倾斜摄影测量，方便研究者获取研究对象的相关信息;对可移动文物进行三维扫描，形成数字点云模型，作为对出土遗物以及现存文物的数字化记录;对文物建筑进行全景摄影记录，形成全景照片，发布在网络上，方便研究者在网络上查看相关的建筑形制信息等。

北京大学考古虚拟仿真实验教学中心不仅关注这些虚拟仿真技术在行业中的应用，而且努力将这些现代信息技术与实验教学项目深度融合，坚持以学生为中心的教学理念，使学生不仅能够接触到虚拟仿真技术的应用成果，同时能够亲身参与到虚拟仿真技术成果的制作中，不仅知其然，而且知其所以然。学生不仅要成为知识和技术的灵活运用者，而且要努力成为新模式的设计者。

三、虚拟仿真技术在文物建筑教学中的优势

在文物建筑专业（包括古代建筑、建筑历史、历史建筑保护等专业）教学中，接触建筑实物是十分重要的，脱离建筑本体几乎是不可能的。由于时间空间的限制，传统教学只能采用文字或图片来满足这种对实物的接触需求。同时，校外实习受到时间和成本制约。虚拟仿真技术因为其自身模拟现实的特点，有效解决了这个问题，在文物建筑课程教学中具有明显的优势。

首先，虚拟仿真技术解决了学生的在场问题，校内教学也可以模拟“穿越”到经过虚拟仿真技术重构的古代建筑中。教师的教学内容也有了更加直观的依托，可以在教学过程中直接利用虚拟仿真中心的平台，在课堂中结合“实物”教学。即便是野外实地考察，学生在同一时间也只能处于一座建筑之中，而虚拟仿真的教学资源不受时空的限制，可以随时在多个建筑乃至多个地区间切换，这在以比较为基础的古建筑形制分析学习中具有很高的应用价值。

其次，虚拟仿真教学资源具有可复制性，成本远低于实地考察。教学资源通过互联网，可以向任何经过认证的用户提供服务。因此，虚拟仿真教学资源一旦制作出来，就可以为众多学生乃至社会上有学习需求的大众服务，社会效益显著。更重要的是，许多文物建筑本身是文物保护单位，其开放往往有各种限制，或由于地处偏远，人们难以到达。这对于专业学生学习是很大的障碍。通过虚拟仿真技术，可以有效解决上述矛盾。

再次，虚拟仿真教学资源信息量远大于传统教学资料，而不仅仅是教师为了讲解某个知识点而专门准备的教学资料。学生通过互联网教学平台可以获得相关资料。可以说，虚拟仿真技术为学生提供了自主学习和研究的资料和平台。很多重要文物建筑地处荒野之中，一般难以获得这些建筑的文字与图像资料，而这些建筑本身又是重要的研究对象。要对这些建筑进行自主的研究，就需要实地考察，这对学生的自主学习、研究带来了很高的门槛。利用虚拟仿真教学资源，学生在学校就可以获得实地考察的信息，为学生自主学习、研究带来了极大的便利。

最后，虚拟仿真技术下的文物建筑教学体现了以学生为中心的理念。在教学过程中，从数据的采集到最后数据的展示与应用，学生都参与其中。虚拟仿真技术获取的教学资源储存在服务器上，学生可以随时获取真实可靠的第一手考古学资料作为学习资源，为学生提供了自主式、探究式学习的平台。这正是对教育部关于示范性虚拟仿真实验教学项目建设要求——以学生为中心的实验教学理念、准确适宜的实验教学内容、创新多样的教学方式方法的深入实践。

四、虚拟仿真技术应用中存在的问题

虚拟仿真技术的应用，有利于提升文物建筑专业教学质量。但从实际情况看，还存在一些需要注意的问题。

一是课件的低幼化、游戏化倾向。部分虚拟仿真软件忽视了教学的本质，趋向于游戏化，误以为通过游戏可以实现教学目的或提高学生兴趣。造成这一问题的原因，一方面来自于没有认清教学软件设计的目的，另一方面是因为设计教学内容的人与具体软件开发者之间缺乏充分沟通、存在断层，需求和产品没有充分对应。这种倾向，尤其常见于教学软件的跨专业移植中。例如，开发企业为了降低成本，将原本为机械设计开发的课件简单粗暴地移植、改版为文物保护仿真软件，等等。

二是硬件堆砌，轻视软件建设。2016年以来虚拟现实的硬件开发加快，各大厂商纷纷推出最新的虚拟现实头盔、一体机，计算机厂商也推出了配合计算的高性能显卡。与此相对应，一些高校采购了大量的虚拟现实硬件设备。必要的采购是绝对需要的，毕竟脱离了硬件就无法实现虚拟仿真。但是，要想真正把虚拟仿真技术在教学实践中应用好，软件及内容平台本身的建设才是最为关键的。脱离了有价值的内容，硬件性能再高也无用武之地。

三是迷信数据，忽视场景应用。有关机构采购了诸如三维扫描仪、手持扫描仪、无人机等采集记录设备后，会利用这些先进设备开展大量的现场数据记录。但是，这些数据从现场采集回来后，常常不做进一步的处理，仅仅是作为存档。存档当然有其重要作用，但如果不在教学中加以设计使用，数据就没有发挥出最大效用，也就没有在教学中发挥实际作用。

五、在教学实践中不断打磨虚拟仿真的适应性技术

近年来，北京大学考古虚拟仿真实验教学中心进行了一系列虚拟仿真技术的教学实践。下面以我们设计开发的“宋式古建筑斗栱虚拟拼装课件”和“文化遗产VR数据库平台”为例作一些介绍。

（1）从教学需求出发，找到教学痛点，设计软件适应性地解决问题。斗栱是中国古建筑中特别显著的基本构件。“以材为祖”的材份制度是中国古代建筑模数制设计、施工的基础，因此对斗栱的识别和认读非常重要，对于理解掌握中国古建筑的基本特征、设计原理、时代特征都有不可替代的作用。在传统教学中，教师一般会采用PPT分解的方式予以讲解，但学生可能费劲记住了名词，却并不真正理解各个部件搭接的原理。这正是教学的痛点所在。采用木构实体模型能够解决这一问题，但是实体模型的数量毕竟很有限，无法满足所有学生经常性的练习。而且，木构模型质量相当大，教师上课时不易搬动。因此，我们开发了相关软件，虚拟与实体结合，上课时可用实体模型向学生演示，课后安排学生在电脑上模拟安装，同时巩固学生对斗栱专有名词的认知和记忆。

在建筑史教学课堂上，我们面对的教学痛点是二维图片难以演示三维建筑信息。在原来的课堂教学中，教师需要准备大量幻灯片才能够讲解古建筑（或古遗址）的各种专有名称、场景、形制、細节和技术要点，但其空间位置很难通过二维图片或照片予以清晰展现，不同建筑之间的形制和技术关联也难以关联表述。在外地实习时，古建筑野外踏查、搭脚手架上房顶进行高空测绘作业，即使做好防护措施，也还是存在一定的安全风险。为了解决上述问题，北京大学考古文博学院、考古虚拟仿真实验教学中心建设了国内首个文化遗产VR数据库平台，实现全景影像在线浏览、研究信息录入与索引、形制信息录入与索引、文物建筑定位、文物建筑浸入式VR观察、链接三维模型数据库等功能。通过本数据库的展示系统，教师和研究生助教能够便捷地在建筑上打标签、张贴讲解和讨论，本科生能够在课堂上通过虚拟现实技术与古建筑现场建立联系，从而对古建筑的形制进行认知，并轻松地与其他相关古建筑进行链接学习。学生还可以戴上虚拟现实头盔或3D眼镜，模拟在古建筑中行走、观察，这就尽可能地减少了高空作业的次数，将教学中的安全风险降到最低。

（2）以学生为本，教师亲自设计、反复打磨软件。在软件设计过程中，我们充分考虑学生的接受心理，推敲、打磨微观操作，同时避免游戏化。宋式古建筑斗栱虚拟拼装课件的设计是从古代建筑重要历史文献《营造法式》的条文出发，尽可能与教学实际相结合。在软件代码实现前，我们就写好了非常详细的文档脚本，规定了每一步的事件触发、弹出的教学内容的安排以及各种辅助功能。软件初版实现后，其界面并不友好。我们从架构、操作、反馈、鼓励、用户帮助等方面予以测试修改，以提升用户体验，并通过增加提示功能，减少学生在构件搜寻上的时间，把更多精力放在《营造法式》条文与构件的构造上来。

（3）面向未来，虚实结合，接受与贡献结合。未来的虚拟仿真教学，一定是虚实结合，将“虚拟”和“现实”的效能发挥到最大。就宋式古建筑斗栱虚拟搭建来说，我们以传统文献知识、构造知识的提示和考核为实，软件模拟搭建为虚;虚实结合，确保了文献与实物的教学重点互不偏废。而且，数字模型本身利用范围也远不止于此：学生用数字建模软件搭建数字模型为“虚”，配置3D打印机之后，连接打印成实体为“实”。如此，学生将完全熟练掌握了斗栱的原理。

就文化遗产VR数据库平台而言，学生不仅是数据的接受者，也是数据的贡献者，他们在学习和实践过程中掌握最前沿的理论与方法。例如，“文化遗产保护实践”“文化遗产参观与测绘实习”是北京大学考古文博学院文物建筑专业方向学分最高的两门必修课，教师在这两门课中用最新的记录技术、设备，讲授、演练文物建筑和遗址的踏查、记录与测绘技术。高年级本科生在这两门课上需要掌握全景摄影记录、全景摄影编辑、三维激光扫描、航拍摄影建模等技术，并编辑、提炼数据，上传录入到文物建筑数据库中。这样，他们不仅能掌握最新的技术和理念，也为数据库内容的不断充实贡献力量。低年级学生则又可以在更丰富的数据中获益，从而使教学不断滚动进行。

在考古学这门以物质文化资料和过去的社会为研究对象的学科中，未来的教学与研究必定越来越多地与虚拟仿真技术发生关联。我们一定要坚持从教学实际出发，不断总结教学痛点，吸取各方的先进经验，继续探索虚拟仿真技术在教学中的应用方向与应用形式，使教学更加生动、高效、准确，同时使文化遗产在虚拟仿真技术的依托下活起来。

参考文献：

[1] 纪芳. 关于文科虚拟仿真实验教学中心建设的探索[J]. 实验技术与管理，2017（4）.

[2] 朱科蓉.文化遗产传承应用虚拟仿真实验教学中心的建设[J].博物馆的数字化之路，2015（6）.

[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.

[责任编辑：夏鲁惠]