虛擬與現實重構考古場景教學的實踐與思考

朱于心 李志榮 王晨 刁常宇

摘要：本文以埃及吉薩金字塔、中國云岡石窟和忻州九原崗北朝壁畫墓場景重構為例，從文物數字化、教學設計與效果、反思與愿景等方面，闡述了如何利用新穎的科技手段和教學方法，給予學生沉浸式的教學體驗，使得考古教學方式不再局限于現實課堂，并且超越在線課堂。

關鍵詞：虛擬與現實重構;考古教學;在線課程;體驗式教學

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2022）02-0104-05

● 引言

建構主義者認為，灌輸給學生的知識無法被學生理解和接受，要深入理解和內化知識需要由學生在具體的學習情境中去發現和理解。[1]即使是預先規定的、標準化的、指定的和外部決定的內容也必須被放置在特定情境中由學生去掌握。[2]

考古學是以古代遺存為研究對象，根據古代人類各種活動遺留下來的實物來研究人類古代社會歷史的一門科學。目前，考古實踐教學面臨的新問題包括：學生個性化選擇與課程內容設置的錯位、課堂與實踐教學內容相脫節、實踐地點的連續性得不到保障和學生興趣與實踐能動性不協調。[3]

傳統的考古學科的基于大量數據、文字資料、平面圖像，以教師為中心的灌輸式教學，現如今已不能滿足廣大師生乃至社會公眾的學習和研究需求。[4][5]虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）有著各類學科交叉與相互作用的特性，是近年來被社會各界廣泛關注的熱點技術之一。[6]如何利用現今的全球化合作和信息技術手段，將豐碩的考古成果反哺教學，讓學生從感官上更好地吸收知識？這是一個值得深思和探索的命題。

● 考古教學場景的虛擬與現實重構

1.考古教學場景的虛擬重構

隨著VR技術的發展，特別是自2010年Oculus VR公司成立以來，VR設備的便捷性不斷增強，成本不斷下降，沉浸式體驗效果越來越好，其在教育領域的巨大潛力開始得到了關注。2018年，浙江大學與哈佛大學（Harvard University）開始嘗試進行基于網絡的VR教育合作嘗試，面向兩校同時異地開設哈佛大學的VR課程：The Pyramids of Giza： Technology， Archaeology， History（《吉薩金字塔：科技、考古、歷史》）。

《吉薩金字塔：科技、考古、歷史》是近年來哈佛大學炙手可熱的全校公共選修課。課程內容源自哈佛大學——波士頓美術館（Museum of Fine Arts，Boston）聯合考古隊1902—1947年在埃及的大量考古工作。2000年，波士頓美術館啟動了第一期數字化吉薩項目。第一期數字化吉薩項目耗時十年，完成了吉薩考古資料的數字化與網絡共享平臺。

隨著數字化吉薩項目的不斷進展，2006年吉薩考古國際聯盟組建，并開始匯總整理分布在全球范圍內的吉薩考古資料及最新的吉薩考古發掘成果。2010年，數字化吉薩項目在哈佛大學的支持下進入第二階段，并開始引入多種先進技術。目前，數字化吉薩項目正在試圖發揮Web3D、AI、AR、VR等技術的優勢，打造全新的網絡學術平臺。數字化吉薩項目負責人，也是本課程的主講人，哈佛大學近東語言與文明學院教授Peter Der Manuelian認為：數字化吉薩項目的最大活力來自全球化合作以及新技術運用的熱情。

課程內容主要聚焦于距今約4500年前建成的吉薩金字塔、獅身人面像、墓葬等文物，從古埃及歷史、藝術和考古的角度進行理解，并介紹哈佛大學數字化吉薩項目的工作內容、成果、技術與未來計劃。課程講座主要集中在古王國時期喪葬藝術與建筑的考古學信息處理，以及物主身份判定與文物返還等問題。學生除了有機會在課堂上選擇感興趣的命題進行演講和討論外，還有機會通過3D建模將自己的成果永久留在數字化吉薩項目數據庫中。

2.考古教學場景的現實重構

（1）利用3D打印技術1∶1重構云岡石窟

位于山西省大同市的世界文化遺產云岡石窟，距今已有1500余年的歷史。云岡石窟第12窟雕刻了豐富的天人形象和中外樂器，在中國音樂舞蹈史上具有極其重要的地位。2016年8月，浙江大學文化遺產研究院與云岡石窟研究院合作，對云岡石窟第12窟進行了三維數字化信息采集，采集工作包括52站三維激光掃描和55680張用于攝影測量的照片拍攝。經過攝影測量計算和人工交互三維處理，合作團隊成功建立了第12窟的高保真彩色三維模型，整體重構復現了云岡石窟的形貌（如圖1）。

（2）縮微重構忻州九原崗北朝壁畫墓

忻州九原崗北朝壁畫墓位于山西省忻州市區南部高地。2013年6月，山西考古研究所、忻州市文物考古研究所、山西博物院對已被盜掘的山西忻州九原崗北朝壁畫墓聯合實施搶救性考古發掘，并邀請浙江大學文化遺產研究院數字化團隊配合考古發掘進程，利用最先進的數字技術進行壁畫數字化科學記錄，實現了在數字世界永久存儲千年前壁畫面貌的夢想。（如圖2）。

● 教學設計及效果

利用虛擬現實技術模擬考古田野教學，更加具有靈活性、實踐性和重現性。通過這種教學方法，學生可以加深對課程內容的理解，并可以在虛擬的環境中進行充分的實踐與練習，對學到的考古知識及時鞏固。

1.虛擬重構場景教學

哈佛大學與浙江大學在《吉薩金字塔：科技、考古、歷史》VR教育合作實踐中采用了共同授課、分別評定成績、分別授予學分的方式。哈佛大學的選課學生包括本科生與研究生，來自多個不同的學科。浙江大學選課學生包括本科生（竺可楨學院）、碩士研究生、博士研究生，來自考古學、文化遺產與博物館、建筑工程、數字化藝術與設計、信息與計算、遙感與地理信息、中國古代文學、地質工程、旅游管理等多個專業和學科，課程具體設計如下表所示。

在2018年秋冬學期課程結束后，參加課程學習的學生提供了對課程的反饋意見。雙方學生認為課程中的VR資源對輔助掌握相關知識提供了非常有用的幫助，基于VR的身臨其境學習有助于更直觀地理解吉薩遺址的狀況和考古發掘過程。特別是，中國、美國的師生在VR技術的支持下共同出現在4500年前的吉薩金字塔前，突破了時間和空間的局限，給大家帶來了超出想象的學習體驗。課程中的三維建模作業也對學生切實了解和掌握吉薩考古資料非常有幫助。大家認為通過視頻連線、VR連線進行的互動促進了中西方文明觀點的碰撞和交融，拓展了課堂的知識范疇，是一次“超越在線課程”的體驗。[7]

2.現實重構場景教學

3D打印技術1∶1重構云岡石窟第12窟、縮微重構忻州九原崗北朝壁畫墓及1∶1打印部分墓內壁畫，均在浙江大學藝術與考古博物館展出。其作為本科生和研究生相關通識和專業課程的現場教學內容，也面向社會大眾開放。據不完全統計，有來自本校15個學院12182人次和海內外26所高校7377人次參加了現場教學活動。

通過虛擬和現實重構考古場景教學，有效地提升了學生對古埃及的歷史、文化和思想的理解與把握能力，拓展了全球視野，使學生在文明互鑒中理解他人，并更加深刻地理解自己的文化與傳統。

● 反思與展望

綜合運用多種信息技術不僅可以模擬顯示和觀察考古數據，而且可以與虛擬考古的對象進行交互，具有多維度觀察和操縱考古數據的特點。但數字化重構場景教學也面臨一些發展的挑戰，需要關注、思考并規避。

1.數字化重構場景教學的困難

（1）實施數字化重構場景教學所需的成本遠超傳統教育和多媒體教育，體現在硬件、軟件和資源制作三個方面。在硬件環境方面，VR教育除了需要為每位學生提供一套VR頭盔設備外，還需要投入更多經費建設VR設備的運維環境、全景視頻采集與直播平臺、音視頻切換控制系統等，若有必要還需建設多人VR互動的傳感定位系統、大屏幕系統、音響系統等環境。在軟件方面，需要開發專門的軟件系統以支持針對課堂教學所需的VR資源同步播放、學生自動追蹤跟隨教師在VR環境中的運動軌跡、按需加載課堂教學VR資源等功能。若要針對不同課程的教學演示需求，可能還需要為不同的課程開發獨特的軟件展示及互動功能模塊。在VR資源方面，既需要滿足課程內容體系的資源積累，也需要隨著教學內容更新的資源持續制作。實際上，面向多個學科VR資源的持續性制作投入是當前限制VR教育廣泛開展的最主要困難，其所需要的成本投入比一次性的軟硬件投入更多。[8-9]

基于3D打印的現實重構，在結果呈現的方式上比VR技術更為自然，不需要借助復雜的顯示設備即可營造大型的沉浸式體驗空間。然而在當前技術條件下，構造大型3D打印復制的教學場景所需的費用和時間都非常多，難以將其作為主要的技術手段支撐數字化重構場景教學。

（2）實施數字化重構場景教學需要教師掌握更多的技能。VR教育需要教師了解VR技術和VR平臺的功能、適用范圍和操作方法，對于尚未大規模普及的VR技術應用來說，學習的門檻仍然相對較高。VR教育也需要教師具備制作課程資源的能力，這會涉及一系列的三維建模、全景視頻甚至是VR編程的工作，對于絕大部分教師而言是難以實現的。[10]

基于3D打印重構小型教學樣本在時間和成本上是可行的，大部分的教師都有機會接觸到小型的3D打印機并進行少量的打印。但這仍需要教師具備3D建模、3D打印制作的基本能力，甚至需要教師了解高分子材料的相關知識以保障重構質量，或需要教師具備較好的美術功底以實現豐富色彩的手工繪制重構。對于大部分的教師而言，同時具備上述能力也是非常困難的。

（3）數字化重構場景教學采用的技術當前仍然存在一定的不足。筆者在VR教學實踐過程中發現，VR體驗的連續時間超過10分鐘后，大部分學生會感覺到不適。若VR環境中播放的視頻或實時渲染場景出現快速的鏡頭切換，部分學生會立刻感覺到眩暈。當多人VR連線時，會遇到網絡延遲導致的溝通不暢、連接不穩定、資源加載失敗等問題。對于遠程連接的VR課堂，最大的干擾來自多個終端帶來的回音，當軟件進行回音抑制失敗的時候會導致嚴重的破音或聲音中斷，影響正常交流。

（4）實施數字化重構場景教學還存在其他問題，包括由于設備水平差異影響學習的效果，從而帶來因學生經濟條件差異帶來的公平性失衡風險;已經有技術提供在VR頭盔中集成實時監測學生注意力水平的能力，由此可能帶來關于新技術運用過程中學生隱私權利的討論甚至是沖突;通過VR設備智能化推送與課程相關的知識將有助于拓展教育的廣度與深度，但同時可能會帶來智能算法影響學習興趣和知識范疇的風險。

（5）數字化重構場景教學與考古田野教學相互補充，是不可替代的。哈佛大學與浙江大學VR教育實踐的成功，依賴數字化吉薩項目多年的VR資源積累、雙方在教學環境的大規模投入、雙方高校和企業的高水平技術團隊的支持，以及課堂教學過程中教授與助教的協作努力。諸多方面的困難和挑戰意味著VR教育的大規模推廣仍然需要較長的時間才能實現。試圖復制這樣的教學方式不如結合未來的發展趨勢進行更長期的準備。試圖用數字化重構場景教學替代考古田野教學既不可取，也不可能。田野考古學是考古學的基礎，沒有田野考古，考古學就成了無本之木，無源之水。復原實物的原貌及其所處的共存關系，只能在田野考古階段進行。[11]

2.數字化重構場景教學的展望

（1）隨著技術的進步，當前VR教育的一些局限性必然隨之消失，如芯片成本的下降必然會使VR設備成本不斷降低，芯片運算能力與展示技術的提升必然會帶來更為舒適的VR體驗，網絡技術進步會降低遠程互動的延遲，自動化技術會降低VR資源制作的門檻等。

（2）VR技術將逐漸滲透到每個人的生活和工作中，并逐漸培養用戶更多、更自然地使用VR技術的習慣。另外，教育領域的不斷創新進步將帶來大家對更好教育效果的期待，除了在考古學課程的實踐，VR技術在醫學、建筑學、地質學、生物學、天文學、航空學等學科領域都可應用，也因此會催生出更多對VR技術在教育領域運用的需求。

（3）若把VR技術在教育領域的廣泛、深度運用看作必然，就應該提前做好準備。在軟硬件方面，應注重研發支持數十人乃至數百人同時在線的網絡并行VR體驗系統，開發在VR頭盔環境下更為便利的語音筆記、資源收藏、課程回放等功能，并結合基于人工智能的實時字幕生成、關聯信息推薦等技術提供更多學習輔助功能。

（4）博物館和遺產展示被公認為大眾教育場所，從國際發展趨勢可見，這種特殊教育場所在為觀眾提供“專家視角”的同時，也要鼓勵培養“觀眾視角”，使觀眾能夠通過對各種展示的了解，積極創造個人的體驗和意義，從而形成個人的世界建構。

● 結語

創設高沉浸式的教學環境，提升教學的參與體驗感，提高教學效率和水平，是信息技術與教育教學深度融合的目的所在。筆者所在學校充分發揮多學科交叉協同優勢，與國際頂尖大學深度合作，持續在文物數字化保護利用、數字化場景教學上不斷創新發展，對于中外文明交流互鑒和構建人類命運共同體意義重大。

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[11]袁靖.中國科技考古縱論[M].上海：復旦大學出版社，2019：11-18.

作者簡介：朱于心，浙江大學藝術與考古博物館館員，碩士，研究方向文物數字化教育、博物館教育。

資助項目：本文受2020年浙江省教育廳科研項目（人文社科類）“基于VR技術的考古教育實踐”（課題編號：Y202043915）資助。