基于實踐應用的工業文物數字化保護虛擬照明設計課程教學探討

張國峰，王舒陽，管 歆

(1.遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051； 2.上海華為技術有限公司，上海 201206)

引言

2013年，四川美術學院在院長羅中立的支持下，周波教授領銜申請了“藝術與科技”特設專業(專業代碼為130509T)，開設了全國第一個照明設計本科專業。目前為止，在本、專科開設照明設計專業的還有山東工藝美術學院、大連工業大學、遼寧科技大學、廣東職業技術學院等多所院校。近年來，照明設計課程也陸續在其他數十所高校開設[1]。而在碩士和博士階段很早就設有照明和光學研究方向的有清華大學、同濟大學、重慶大學、天津大學、復旦大學、中央美術學院等多所院校。

1 照明設計教學現狀

1.1 專業和學科建設還沒有形成獨立完整的體系

目前為止，各類院校或單獨申請設立“藝術與科技”特設專業來培養照明人才，如四川美術學院的藝術與科技專業；或在原有專業系統開設照明設計課程，轉型培養照明人才，如遼寧科技大學的環境設計專業；還是在原有培養體系中加入部分照明課程，補充和強化基礎照明專業知識，如沈陽航空航天大學的環境設計專業，在照明人才的培養上都是依托學校自身的學科背景或基于原來的專業框架來進行，照明人才培養體系都只側重一個方向。無論是藝術與科技教育，還是文科與工科的深度交叉融合，都處于涇渭分明的狀態，交叉型人才很少[2]，沒有形成獨立完整的體系。

1.2 專業教材系統不完整和專業師資隊伍缺乏

目前各高校從事照明教育和照明方向研究的教師，結合自身的教學工作和科研工作實際出版了為數不多的教材，但因其背景不一，教材各有側重，或偏向于藝術設計類，或偏于理工技術類，或注重理論研究，沒有覆蓋照明全行業及專業、學科的各個層級，既不系統也不完整。由于國內照明教育時間較短和專業設計文科與工科教育涇渭分明的狀態，所以各高校的照明教師基本都是通過外聘企業教師和自有教師培養轉型的途徑來解決照明專業教師缺乏的問題，現有企業教師和自由轉型培養的教師也因來自于不同專業、不同行業，參差不齊。

1.3 授課內容設置不合理，教學模式固化，學生自主學習的靈活性較差

目前開設照明課程的，因為沒有教育部專業目錄的指導，各高校在課程內容設置上基本都是根據行業專家的建議和所聘任的企業教師的背景來設置課程，照明設計課程教學應兼具文科教學與工科教學兩方面內容，課程內容設置不合理。目前很多高校照明教學還是以外聘的照明企業教師為主，因企業教師專業背景的不同以及在照明行業中從事的工作也有所不同，所以在照明教學授課環節中，都是以自己的案例、經驗為主要教學內容，課程內容單一，模式固化，前后課程內容知識不連貫。學生在課堂上被動接受知識，學生自主學習的靈活性較差，教學方式還存在諸多不足之處。

2 基于實踐應用的工業文物數字化保護虛擬照明設計教學模式構建

2.1 實踐性教學平臺的搭建

遼寧科技大學建筑與藝術設計學院精準靶向照明人才供給側“雙缺口”，在國家和地方加速推動現代產業學院的背景下，學院在2020年申請并獲得遼寧省教育廳批準，成立了“中國(遼寧科技大學)照明產業學院。在產業學院照明課程教學過程中，學院結合虛擬現實技術和工業文物的保護研究實踐，以實踐應用型人才為教學結果導向，開設了工業文物數字化保護虛擬照明設計課程。

2.2 實踐性教學過程的實施

工業文物數字化保護虛擬照明設計教學全過程，既包括理論知識的認知實驗，針對工業文物數字化保護與虛擬照明設計過程中內業和外業特點不同，采用了不同的教學方法，具體包括：

(1)形象生動的工業文物數字化保護虛擬仿真內、外業場景教學。分別構建了虛擬仿真實驗室和虛擬仿真交互系統，通過調節“虛擬照明”的按鈕和數值可以自行調節照明效果，可以設定的包括：背景燈和燈的數量、位置、顏色、距離、高低、角度、亮度、類型，還可以設定場景以及轉換效果圖，最后還可以將您調節滿意的光照效果記錄下來，并保存照片。形象生動地還原了工業文物數字化保護與虛擬照明設計過程的演示，能較好激發學生學習的興趣，也便于相關知識點的組織和教學(圖1)。

圖1 虛擬照明交互驗證模式一Fig.1 Interactive verification mode one for virtual lighting

(2)基于歷史、文獻及影像資料和學習視頻結合，認知實驗驗證設計。采用視頻循環播放的方式，對工業文物進行展示和介紹，通過視頻和虛擬交互系統的聯動，實現學生對工業文物數字化保護與虛擬照明設計過程中相關知識的認知。通過不同的虛擬布光，驗證認知燈光安全中最容易被忽略的光輻射、照度水平、曝光量對文物安全造成影響，也為后面的操作實驗奠定基礎(圖2)。

圖2 虛擬照明交互驗證模式二Fig.2 Interactive verification mode two for virtual lighting

(3)理論測試和操作測評相結合的學習考評反饋體系。系統針對每個實驗步驟提供了測試習題集，測試學生對相關知識點的掌握情況，系統針對每個實驗步驟，設計了專門的測試題集。同時系統還針對學生操作過程的準確性、熟練程度也做了設計評價體系(圖3)。通過評價體系，體現在博物館照明設計中，應秉承“安全”“還原”“舒適”的照明設計理論。

圖3 課堂教學反轉Fig.3 The reversal ofclassroom teaching

(4)課前預習、練習模式和考試模式。為了使學生能夠更好地學習知識，在課堂上能夠更加高效地理解所學知識，實驗學生端主要功能包括“課前預習”、“練習模式”、“考試模式”三個環節，其中交互性操作步驟共計 10 步。在課前預習環節，學生可基于互聯網在線運行仿真軟件，了解軟件內容，記錄制作難點，后臺的教師賬號可以看到學生的學習情況。為了讓學生能夠更加深入地理解和運用所學知識，課后可結合教師課堂所講內容再次進行軟件操作，將知識要點掌握牢固(圖4、圖5)。

圖4 課前預習、練習模式和考試模式Fig.4 Pre-class practice，practice mode，exam mode

圖5 考試模式Fig.5 Exam mode

2.3 實踐性教學特色

(1)教學方法創新。教學方法是實現教學任務的保證。根據工業文物數字化保護與虛擬照明設計學習的基本任務，該虛擬仿真實驗系統提供了豐富的知識體系，注重多模式虛擬場景建設，具有較強的操作性。

(2)評價體系創新。該平臺提供多維度的評價體系。學生操作過程中，系統能夠進行相應的控制與記錄，為學生提供即時、針對性的反饋與評價；學生在學習過程中用及時發現問題、當場解決問題的方式來鞏固或加強對所學知識點的熟練程度，最終達到培養學生綜合創新能力和綜合素養的目的。

(3)對傳統教學的延伸與拓展，提升了教學質量，達到了良好的教學效果。

工業文物數字化保護與虛擬照明設計是對傳統工業文物與工業遺產保護手段的有力補充，目前傳統專業教學注重理論教學，虛擬仿真實驗教學是一種讓人身臨其境的教學方式，生動直觀。系統中的課件、操作視頻、三維動畫等資料可以讓學生輕松掌握相關理論知識和實驗步驟。教師配合手機移動端和學生完成及時互動，對教學進程能達到完全掌控，多數學生對實驗內容能夠自如表述，教師對實驗環節出現的問題也能夠及時糾正學生，反轉課堂教學相對于傳統教學而言提升了教學質量，達到了良好的教學效果，學生總評成績優良率達到95%以上。

3 結論

工業文物數字化保護與虛擬照明設計實驗課程的開設改變了傳統實驗教學模式，不僅能減輕教師的教學壓力，通過運用虛擬仿真的方式教學還提高了教師的實驗教學水平。通過該系統，教師也可以將自己的企業實踐和科研成果得以展示和推廣，增強了教學的時效性和前沿性，極大地節省了教學經費、教學資源和教學時間，起到了良好的實踐教學效果。在基于實踐的教學中，根據學科特點和教學效果對教學內容不斷調整，逐漸形成完整的教學體系，建立實踐性照明教學的創新模式[3]。