新文科背景下的虚拟实验设计与运用——以三维虚拟党史馆交互设计为例

丁建浩， 过 山， 田培娟， 翁振雷

（杭州电子科技大学人文艺术与数字媒体学院，杭州 310018）

0 引 言

2020年，“新文科建设宣言”在教育部新文科建设工作组主办的新文科建设工作会议上发布，对新文科建设作出了全面部署。为推动创新型、复合型、应用型文科人才培养，提升该学科服务社会发展的能力，国内多位学者针对新文科实验教学体系的构建提出了新思路，探索了高水平本科教育背景下新文科实验室建设的路径［1-3］。

2021年4月19日，习近平总书记在清华大学考察讲话中指出：美术、艺术、科学、技术相辅相成、相互促进、相得益彰。把更多美术元素、艺术元素应用到城乡规划建设中，增强城乡审美韵味、文化品位，把美术成果更好服务于人民群众的高品质生活需求。今年是建党百年，各地党史学习活动如火如荼，文献［4］中以“学习强国”平台的《党史》栏目为例，通过党史图像叙事方式对高校党史教育的启示，借助“互联网＋”的社交属性加强了信息交互。三维虚拟党史馆是适应党史学习的一种创新学习形式，对加强党史学习的新颖性具有重要意义。

1 新文科实验教学现状分析

1.1 对实验教学重视不足

新文科以培养创新型、多元化卓越人才为目标，旨在借助大数据、云计算、人工智能等新技术、新手段，开辟文科发展的新视域。传统的文科专业偏重课堂理论传授，通常面临实践性教育重视不够充分，实验类课程设置偏少等问题。与农、医、理科实验教学相比，人文学科在实验教学的设计及展示效果方面明显欠缺，在虚拟仿真实验项目的开发与建设上也不够丰富［5］。

1.2 虚拟交互性不强

文科类的实验类课程主要集中在基础办公软件或者单一应用软件的上机操作环节，虚拟实验教学技术难以在文科类实验教学上落地。文献［6］中指出，通过三大虚拟仿真实验平台，五个体系建设服务于六个专业，构建了“艺工融合、虚实一体”的虚拟仿真实践教学平台体系。还有一些实验的设计主要是将抽象的理论、陈述性的描述转化为视觉上的展示与体验［7-8］，但实验过程中，学生的参与度不高，实验的交互性不强。

1.3 学科融合程度不高

文献［9］中以中国传媒大学为例探索了“文理工艺”交叉学科建设中的具体实践经验。新文科建设发展注重继承与创新，强调学科交叉融合。然而，文科类的实验内容比较枯燥，难以设计趣味性、新颖性的实验，实验教学过程中与其他学科也难以交叉融合。在创新型、复合型人才培养中的作用不显著，难以达到“新文科”建设的人才培养的目标。目前，较多是在新闻传播类虚拟仿真实验教学项目上的应用［10-11］。文献［12］中虽设计了针对法学教育的虚拟实验教学平台，弥补了法学实验教学摸式的缺陷。但这些实验局限于某一专业领域，不同专业或学科的学生无法共享课程，难以推进新文科建设下的学科交叉融合。

2 “艺工文融合”虚拟实验设计

2.1 实验目的和原理

二维设计文稿无论从色彩还是造型上都比较单一粗糙，三维空间中效果更加直观，表现形式更丰富，更易于传播，也更能增强学习者兴趣，提高宣传展示和学习效果。本实验的目的主要体现在三方面：①加深党史教育学习。通过党史相关素材库的收集、交互式地构建展馆及搭配陈列品，不受场地时空限制，使得学习更有趣味性。②党史展馆策划的快速构建。将抽象的文案通过虚拟实验平台，快速地转化为可视的三维虚拟展馆，提升沟通效率，使得布展策划内容更加具有针对性。③提升学生三维虚拟场景的表达能力。学生能够逐步掌握三维场景设计的基本知识和技能，增强场景的数字制作能力及展馆策划的立体表现力。

设计的实验原理借助三维虚拟交互技术，拓展党史交流学习的对话场域，融合文、艺、工知识详细“解锁”百年党史，让党史学习过程更具活力。实验过程侧重虚拟交互，学生根据党史馆的展示策划案，通过基础的三维室内空间、三维模型库，结合艺术学基本知识，快速地在给定空间范围内高效设计出三维虚拟场景。

2.2 实验技术路线

虚拟党史馆实验的开发可以分为项目前期策划、三维模型制作、展馆展品交互设计、灯光与视角设计以及作品输出与发布，如图1所示。

图1 虚拟党史馆实验技术路线图

项目前期策划。收集党史馆资料，确定展示主题，以新文科的理念设计各展厅中的内容，设计平面脚本、三维脚本和程序脚本。根据主题，分别确定展馆中的文字、图片位置及内容、展馆中视频位置及内容，各展厅独立配色方案；展品的尺寸、样式及位置，明确是否有交互动画以及相应脚本。

使用三维软件制作三维模型，包括党史馆建筑模型、展板、展台、展品等三维模型。考虑到整个展馆的数据量较大，需要预先对部分模型进行精简处理。同时，通过纹理烘焙技术保留模型的光影特效及凹凸表现。将模型统一转化成标准的三维格式（OBJ）导入实验平台中，实现实验数据资源共享。

区别于文献［13］中使用的非工科类学生难以掌握的商业软件Unity3D，本文的虚拟交互部分通过三维场景实时交互渲染引擎（OpenSceneGraph）开发实现［14］。其主要涉及的交互技术有碰撞检测，多个物体之间的法向对齐原理，实现虚拟物品的拖拽、摆放。该引擎还支持多种漫游模式进行视角设计，支持光照属性（光的位置，方向，颜色、衰减）的设置。

2.3 实验教学实施

实验提供了百年党史各种主题相关的三维基础模型和材质贴图。学生也可以上传自己搭建与设计的模型和素材，统一存储在数据库中。实验教学的实施是在浙江省“十三五”省级重点实验教学示范中心“工业产品设计实验教学中心”开设。该示范中心覆盖了学院传播学、数字媒体艺术、数字媒体技术、产品设计等专业的实践教学［15］。学生以小组为单位进行操作，相互讨论，将党史馆文案设计方案通过实验平台展现出来。通过本实验的练习，使学生对空间布局有更加具体感性的空间认识，虚拟仿真实验也有助于小组学员之间的沟通交流。

3 虚拟党史馆交互设计实验案例

3.1 实验步骤描述

结合党史知识及艺术表现形式，以三维交互、多视角浏览各展区、展品，让红色教育生动化、直观化，其关键交互步骤描述如下：

步骤1三维虚拟党史馆的设计与生成。根据策划方案在实验平台上绘制馆体的二维俯视图，并且设置墙体的厚度、高度等属性，系统会自动生成对应的三维馆体空间。

步骤2党史馆展区展品的交互布局。根据各展馆的策划主题，从三维模型库选择对应展品“拖拽”到三维空间中。其交互过程包括：利用鼠标左键拾取虚拟馆中的模型对象，基于法向对齐的原则进行拖放，移动位置，设置展品的朝向及相对比例等操作（见图2），对选中（红色线框包围表示）的展台进行交互摆放。

图2 虚拟展馆中摆放展台

步骤3材质贴图的交互设计。根据展馆主题风格，替换步骤1中自动生成的墙体颜色或贴图。选中系统左侧栏贴图库中的图片，将其拖拽到三维模型或地板上，如图3所示。其中地板贴图的重复度会根据地面面积和图片尺寸自动计算得到，同时还可以设置贴图的反射度。

图3 贴图替换及反射度设置

步骤4灯光的设置。灯光特效比如一些射灯、灯带效果、光斑。从模型库中选择三维的“吊灯”物体拖动到三维场景中，区别于其他三维模型，该类模型具有灯光的属性，包含灯光的类型、方向、颜色参数，如图4所示。

图4 灯光属性设置的参数面板

步骤5视角交互操作。虚拟实验平台提供了多种视角下的交互操作。系统存储了顶视图下的模型线框图，在二维顶视图下拖动可以更加精确展品的位置及交互响应的速度。在二维顶视图下创建“相机”，在视图中点击就可确定其位置，“相机”的朝向则是通过鼠标滑动确定。

3.2 实验评价指标

本实验根据学科交叉的知识点，以虚拟党史馆的交互设计为例，设计了一套实验评价内容与知识点的分值项，其分值与实验操作步骤相互对应，整个实验报告中的虚拟交互操作描述不少于10步，涉及虚拟党史馆的构建、展品的布局、纹理替换、光照、摄像机、交互技术等（见表1）。

表1 虚拟党史馆交互设计实验评价

4 结 语

本文融合了文、工、艺相关的学科知识，设计了一个三维虚拟党史馆交互设计虚拟实验。学生通过党史馆展示内容的策划撰写，系统地学习党史相关的理论知识。通过三维虚拟党史馆的交互设计实验，学生可以随时随地身临其境锤炼党性，同时节约传统红色教育场地成本，与传统实体党史馆相比，其互动性和可操作性更强。该类实验可以面向马克思主义学、传播学、艺术设计学等相关专业的学生使用，为新文科类虚拟实验的设计与开展提供新的应用场景。