青銅器科技修復(fù)方案設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

摘 要：在青銅器保護(hù)與修復(fù)的學(xué)習(xí)中，存在諸多不足與問題，如：因文物的不可再生性及其極為珍貴，故無法讓學(xué)生成規(guī)模用以練習(xí)；各類科技檢測(cè)儀器昂貴，無法普及到所有開設(shè)相關(guān)專業(yè)的高校作為教學(xué)用具；傳統(tǒng)青銅器修復(fù)技藝較為復(fù)雜且教學(xué)不成體系，初學(xué)者不知從何開始學(xué)習(xí)，無法將學(xué)到的內(nèi)容融會(huì)貫通，最后再加以應(yīng)用。基于以上問題，文章以真實(shí)的文物保護(hù)修復(fù)為藍(lán)本，開發(fā)青銅器科技修復(fù)方案設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將青銅器保護(hù)修復(fù)與虛擬仿真全真演練相結(jié)合。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握青銅保護(hù)修復(fù)的流程及其中涉及的青銅器科技檢測(cè)、青銅器傳統(tǒng)修復(fù)技能、知識(shí)及文化要點(diǎn)。這對(duì)文物與博物館學(xué)專業(yè)教學(xué)中的文物修復(fù)等相關(guān)課程具有輔助作用，對(duì)學(xué)生必修的文物修復(fù)實(shí)習(xí)具有補(bǔ)充作用，同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)文物保護(hù)修復(fù)人才隊(duì)伍的培養(yǎng)，這也是對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的探索。

關(guān)鍵詞：青銅器修復(fù)；虛擬仿真；X射線探傷；X射線熒光能譜；超景深顯微鏡

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.02.008

0 引言

中國傳統(tǒng)文物修復(fù)技術(shù)是中國文物保護(hù)科學(xué)體系中的一個(gè)重要分支，是國家考古和文物與博物館事業(yè)的重要組成部分。中華人民共和國成立以來，隨著考古發(fā)掘工作的開展和大量博物館的建立，我國現(xiàn)存文物數(shù)量正在不斷增加，文物修復(fù)技術(shù)人才成為考古發(fā)掘及博物館的必然需求。

由于館藏青銅文物十分珍貴、不可再生，且修復(fù)過程不可逆，這對(duì)修復(fù)師的修復(fù)能力有較高的要求，因此青銅文物修復(fù)實(shí)踐能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)非常重要。對(duì)學(xué)習(xí)青銅器修復(fù)的初學(xué)者來說，在實(shí)物素材不足的情況下僅能以現(xiàn)代材料展開相關(guān)技能的訓(xùn)練。通常而言，實(shí)踐技能的學(xué)習(xí)需要專業(yè)的場(chǎng)地、材料及專業(yè)的指導(dǎo)教師，以及較長的學(xué)習(xí)周期，尤其對(duì)于青銅器修復(fù)實(shí)踐的學(xué)習(xí)，修復(fù)步驟耗時(shí)較長，所需材料昂貴，只能以較長周期開展小范圍教學(xué)才能達(dá)到效果。

針對(duì)青銅器修復(fù)實(shí)踐教學(xué)中存在的部分問題，虛擬仿真技術(shù)的引入是不可或缺的，也是對(duì)于當(dāng)下實(shí)踐教學(xué)的補(bǔ)充。虛擬仿真技術(shù)是通過操作鍵盤、鼠標(biāo)等外接設(shè)備，配合計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)場(chǎng)景和過程的技術(shù)，使用方式便捷，對(duì)硬件要求低，可以突破時(shí)空的限制，彌補(bǔ)實(shí)踐學(xué)習(xí)所需的場(chǎng)地及材料等的限制，同時(shí)又可以讓初學(xué)者獲得盡量貼近真實(shí)的體驗(yàn)。在青銅器修復(fù)實(shí)踐的學(xué)習(xí)中使用虛擬仿真技術(shù)不僅可以降低開展教學(xué)工作所需的成本，提高實(shí)踐教學(xué)的效果，更有助于提高學(xué)習(xí)者的實(shí)踐技術(shù)水平與能力。

目前，對(duì)于虛擬仿真的研究以及在文物保護(hù)與修復(fù)教學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用較少，故此項(xiàng)目有著較大的創(chuàng)新，為后續(xù)相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)探索道路。

1 青銅器科技修復(fù)虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)要點(diǎn)

1.1 還原真實(shí)場(chǎng)景，打破時(shí)空界限

青銅器修復(fù)實(shí)踐集合了科技檢測(cè)分析、傳統(tǒng)保護(hù)修復(fù)技藝及文物保護(hù)材料學(xué)等諸多內(nèi)容，涉及諸多檢測(cè)儀器設(shè)備，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)手工藝、工具設(shè)備及場(chǎng)地有一定需求。通過三維建模技術(shù)還原真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景環(huán)境，構(gòu)建檢測(cè)所需的儀器設(shè)備及待修復(fù)文物模型，能為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展提供沉浸感。虛擬仿真具有的可視化優(yōu)點(diǎn)，可以為學(xué)員提供最為直觀的設(shè)備操作方式，能夠及時(shí)查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2 集成碎片經(jīng)驗(yàn)，整合分散知識(shí)

青銅器修復(fù)作為一門更加注重實(shí)際操作的課程，授課教師多為具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的行業(yè)內(nèi)從業(yè)者或是相關(guān)技藝傳承人，授課內(nèi)容也以實(shí)踐為主。教師通過言傳身教傳授經(jīng)驗(yàn)。但通常所傳授的經(jīng)驗(yàn)不成體系、過于碎片化，無法將實(shí)踐操作與理論知識(shí)較好地結(jié)合。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)有大量的零散經(jīng)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)，包括儀器設(shè)備的使用方法、檢測(cè)參數(shù)的調(diào)整、檢測(cè)結(jié)果的分析、青銅器保護(hù)修復(fù)流程的復(fù)現(xiàn)及青銅器保護(hù)修復(fù)方案的編寫等，系統(tǒng)地整合分散的知識(shí)，學(xué)生可以更加系統(tǒng)地學(xué)習(xí)。

1.3 改革考核評(píng)價(jià)方式，加強(qiáng)教學(xué)過程監(jiān)控

傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)考核多采用課堂表現(xiàn)和結(jié)果評(píng)價(jià)相結(jié)合的考核機(jī)制，教師無法及時(shí)記錄每個(gè)學(xué)員的實(shí)踐過程，對(duì)過程中的問題處理能力、知識(shí)掌握水平缺少客觀綜合的評(píng)估。虛擬仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中具有過程監(jiān)控的優(yōu)勢(shì)，通過建立實(shí)驗(yàn)入口、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)效果全周期標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系，可以避免單一評(píng)價(jià)機(jī)制的主觀性和模糊性。

2 青銅器科技修復(fù)虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 青銅器科技修復(fù)虛擬仿真系統(tǒng)知識(shí)框架

青銅器科技修復(fù)方案設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的知識(shí)框架如圖1所示。整個(gè)知識(shí)框架主要包括文物現(xiàn)狀調(diào)查、修復(fù)方案設(shè)計(jì)與制定兩大部分，其中文物現(xiàn)狀調(diào)查包括文物價(jià)值評(píng)估（文物基本信息、器型、紋飾、銘文、銹色）、科技檢測(cè)分析（手持X射線熒光、超景深顯微鏡、X射線探傷）、文物病害調(diào)查（文物拍照、病害識(shí)別、病害圖繪制、病害程度分析）；修復(fù)方案設(shè)計(jì)與制定包括青銅器修復(fù)中涉及的清洗、整形、黏接、焊接、補(bǔ)配、打磨、做舊等內(nèi)容。

此系統(tǒng)以青銅器保護(hù)修復(fù)技藝的理論與實(shí)踐為基礎(chǔ)，展示了青銅器從文物價(jià)值的評(píng)估—科技檢測(cè)分析—病害調(diào)查—修復(fù)方案設(shè)計(jì)與制定的全部流程，以科技檢測(cè)分析儀器的使用、檢測(cè)結(jié)果的分析及正確修復(fù)方案的制定作為核心知識(shí)點(diǎn)，從廣度和深度兩個(gè)維度完整展示了青銅器保護(hù)修復(fù)技藝。

2.2 三維場(chǎng)景復(fù)原

青銅器保護(hù)修復(fù)技藝實(shí)踐課通常在專用的青銅器保護(hù)修復(fù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)除青銅器修復(fù)所需的各類手動(dòng)、電動(dòng)工具及材料外，還設(shè)有多種科技檢測(cè)儀器設(shè)備，包括手持式X射線熒光能譜儀、超景深顯微鏡等，但由于現(xiàn)實(shí)中X射線探傷儀使用環(huán)境的限制，無法將設(shè)備放入普通的實(shí)驗(yàn)室中。三維場(chǎng)景不但復(fù)原了現(xiàn)實(shí)中實(shí)驗(yàn)室的樣貌，還將X射線探傷儀也置于其中，使學(xué)員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景即可直觀感受到青銅器保護(hù)修復(fù)中科技檢測(cè)分析與傳統(tǒng)修復(fù)技藝相結(jié)合的重要性。

2.3 病害識(shí)別、科技檢測(cè)與方案編制演示

進(jìn)入系統(tǒng)后可在三種不同的文物“教具”中選擇其一，依次點(diǎn)擊“基本信息”及“病害圖繪制”按鈕，可以獲得文物基本信息的相關(guān)描述并對(duì)文物進(jìn)行拍照，再通過已知信息及文物圖片，判斷并選擇相應(yīng)病害標(biāo)注于病害圖中以完成繪制，繪制完成后再對(duì)病害進(jìn)行文字描述。在青銅器保護(hù)修復(fù)的學(xué)習(xí)中，對(duì)于文物病害的識(shí)別極為重要，若文物修復(fù)師無法認(rèn)清文物病害，后續(xù)的保護(hù)修復(fù)工作也無從談起。此步驟中將實(shí)物建模、文物二維圖片與病害圖標(biāo)相結(jié)合，鍛煉學(xué)員識(shí)別文物病害的能力。

完成上述內(nèi)容后則可開始進(jìn)行科技檢測(cè)部分，所涉及檢測(cè)內(nèi)容為“手持熒光檢測(cè)”“超景深顯微鏡”“X射線探傷”。

手持熒光檢測(cè)又稱為X射線熒光光譜（XRF），是一種無損的分析方法，其原理是通過發(fā)射高能量X射線轟擊檢測(cè)對(duì)象，從而激發(fā)出不同元素各自的特征X射線。這些X射線具有不同的能量或波長特性，檢測(cè)器在接收到這些次級(jí)X射線后，可以將其轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)的信號(hào)，從而檢測(cè)出試樣中的各類元素含量。該方法既可以對(duì)金屬文物的成分進(jìn)行檢測(cè)，又可以對(duì)修復(fù)過程中使用的各類顏料中包含的金屬成分進(jìn)行分析，是文物保護(hù)修復(fù)中常用的檢測(cè)方法。

超景深顯微鏡可以通過無損、非接觸的方式采集高精度光學(xué)信息。由于普通光學(xué)顯微鏡的景深較淺，無法清晰地顯示青銅器表面凹凸不平的銹蝕，而超景深顯微鏡具有較深的景深，因此適合用于觀察不平整表面。

X射線探傷技術(shù)在金屬文物領(lǐng)域的應(yīng)用主要有三個(gè)方面：一是了解文物內(nèi)部的腐蝕、破損情況。X射線探傷技術(shù)可以揭示金屬文物內(nèi)部不同部位、不同形式、不同程度的腐蝕和破損情況，進(jìn)而可以為后期金屬文物保護(hù)修復(fù)方案的制訂和修復(fù)方法的選擇提供依據(jù)。二是研究文物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。通過應(yīng)用X射線探傷技術(shù)，我們可以了解文物本體上被銹蝕層遮蓋、肉眼無法辨認(rèn)的紋飾、銘文、鑄造工藝等信息。三是認(rèn)知文物的修復(fù)情況。已修復(fù)的金屬文物，通過X射線探傷技術(shù)，可以得知文物的補(bǔ)配、黏接、焊接等修復(fù)情況，為以后再次修復(fù)提供便利的影像資料或進(jìn)行修復(fù)資料留存。

選擇“手持熒光檢測(cè)”后依次點(diǎn)擊“樣品類型”“金屬”“常見金屬”按鈕，對(duì)文物特定部位進(jìn)行檢測(cè)，即可得到特定數(shù)據(jù)及結(jié)論。

手持式X射線熒光能譜儀單臺(tái)價(jià)格較高，且操作較為復(fù)雜，在操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生輻射，在教學(xué)中無法讓每位學(xué)員都使用實(shí)物進(jìn)行操作學(xué)習(xí)，因此使用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)將有效彌補(bǔ)其在教學(xué)中存在的不足。

選擇“超景深顯微鏡”后，即可對(duì)文物特定部位進(jìn)行拍攝，得到局部顯微照片，可通過選擇“20倍”“50倍”“100倍”選項(xiàng)得到不同放大倍數(shù)的照片。

選擇“X射線探傷”后，將文物放入X射線探傷儀中，在“參數(shù)調(diào)整”中輸入電壓及時(shí)間，如輸入值與預(yù)設(shè)區(qū)間相差過大，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)提示；待輸入正確參數(shù)后，會(huì)獲得不同參數(shù)下的X射線探傷成像圖，并被告知何種參數(shù)所獲得的結(jié)果更佳。

與便攜式X射線熒光能譜儀一樣，X射線探傷儀單體價(jià)格較高、操作較為復(fù)雜、工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生輻射，此設(shè)備多為固定式且需要特定的防護(hù)隔離，因此無法滿足讓所有學(xué)員親身體驗(yàn)的需求。故此以虛擬仿真的形式替代實(shí)物，將在一定程度上滿足教學(xué)需求。

上述科技檢測(cè)部分的設(shè)計(jì)盡量真實(shí)地還原了各項(xiàng)儀器設(shè)備的操作界面與使用方法。這樣，學(xué)員在不接觸設(shè)備實(shí)物的情況下，也能學(xué)習(xí)使用這些設(shè)備。這將避免他們?cè)诤罄m(xù)接觸真正的設(shè)備時(shí)不會(huì)一無所知，從而最大限度地降低了各方面的學(xué)習(xí)成本。

待完成三項(xiàng)科技檢測(cè)后會(huì)得到相關(guān)修復(fù)建議關(guān)鍵詞的提示，需要學(xué)員根據(jù)提示完成修復(fù)方案的制定。通過選擇、填寫正確的修復(fù)流程與工具材料，完成修復(fù)方案的制定，通過系統(tǒng)生成文物修復(fù)的實(shí)施計(jì)劃。

3 青銅器科技修復(fù)虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)踐

3.1 訓(xùn)練模式與考試模式

從青銅器科技修復(fù)方案設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站首頁進(jìn)行用戶登錄后，系統(tǒng)提供了“訓(xùn)練模式”與“考試模式”兩種進(jìn)入方式。在“訓(xùn)練模式”中，系統(tǒng)針對(duì)三種不同的青銅器案例，提供了全流程、設(shè)備、工具材料的詳細(xì)解析與操作引導(dǎo)。學(xué)員可以根據(jù)這些引導(dǎo)提示，逐步完成學(xué)習(xí)任務(wù)。而“考試模式”則去除了操作引導(dǎo)提示，僅保留了三種案例的交互操作，并加入了打分系統(tǒng)。學(xué)員在這一模式下，需要根據(jù)自己的理解和技能進(jìn)行操作，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)操作過程給出相應(yīng)的分值判定。

在完成“訓(xùn)練模式”的學(xué)習(xí)后，學(xué)員可以選擇進(jìn)入“考試模式”，在完全自主的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)員的操作過程記錄分?jǐn)?shù)，并形成詳細(xì)的分析表。這樣，教師不僅可以了解學(xué)員的學(xué)習(xí)成果，還能準(zhǔn)確找出學(xué)員在學(xué)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié)，為評(píng)分和教學(xué)提供參考。

3.2 整體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)

在青銅器保護(hù)修復(fù)的學(xué)習(xí)中，往往難以像陶瓷和書畫類文物那樣使用現(xiàn)代材料作為教具。即使有部分實(shí)踐內(nèi)容可以用現(xiàn)代材料替代，但青銅器保護(hù)修復(fù)的整體操作過程無法在真實(shí)文物上進(jìn)行，因此造成了學(xué)員難以掌握青銅器保護(hù)修復(fù)整體結(jié)構(gòu)的難題。此系統(tǒng)的開發(fā)解決了這一問題，通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)員在掌握具體修復(fù)實(shí)踐技能的同時(shí)，也兼顧了對(duì)青銅器保護(hù)修復(fù)整體框架結(jié)構(gòu)的理解。同時(shí)，由于部分科技檢測(cè)儀器價(jià)格昂貴、使用中易受損，或使用不當(dāng)會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，以虛擬仿真的方式進(jìn)行模擬操作，既可以減少學(xué)習(xí)使用這些儀器設(shè)備所需的時(shí)間及成本，又可將風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

3.3 青銅器科技修復(fù)虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

該系統(tǒng)開發(fā)完成后即投入使用，自2023年起被應(yīng)用于青銅器保護(hù)修復(fù)課程，不僅輔助教學(xué)，還對(duì)學(xué)生必修的文物修復(fù)實(shí)習(xí)起到了補(bǔ)充作用，加強(qiáng)了對(duì)文物保護(hù)修復(fù)人才隊(duì)伍的培養(yǎng)。目前，該系統(tǒng)的瀏覽量已超過2600次，使用量超過1300人。此系統(tǒng)計(jì)劃持續(xù)向高校和社會(huì)開放服務(wù)，作為北京市開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該系統(tǒng)將向北京高校開放共享。通過非遺進(jìn)校園、文化遺產(chǎn)日活動(dòng)、研學(xué)游等活動(dòng)，推動(dòng)社會(huì)對(duì)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的了解和參與。預(yù)計(jì)每年服務(wù)十余個(gè)群體，覆蓋近200人。

4 結(jié)語

青銅器科技修復(fù)涉及青銅的科技檢測(cè)與青銅傳統(tǒng)修復(fù)兩部分內(nèi)容。青銅器科技檢測(cè)是探知青銅文物病害、工藝的有效手段，通過科技檢測(cè)可獲得青銅文物的病害情況與工藝情況，然而所需科技檢測(cè)設(shè)備昂貴且稀缺，無法保證學(xué)生人手一臺(tái)開展操作練習(xí)。青銅修復(fù)技藝是中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的組成部分，對(duì)于青銅器的長期保存和價(jià)值延續(xù)具有重要的意義，但由于修復(fù)步驟繁多、材料復(fù)雜、修復(fù)過程不可逆，以及青銅器十分珍貴和不可再生，從而導(dǎo)致學(xué)生作為初學(xué)者不宜直接上手拿真實(shí)的文物練習(xí)。

基于此，構(gòu)建了虛擬仿真交互實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將青銅器科技檢測(cè)與虛擬仿真全真演練相結(jié)合，構(gòu)建操作要領(lǐng)、知識(shí)要領(lǐng)系統(tǒng)化的虛擬仿真體系，提高學(xué)生對(duì)青銅科技檢測(cè)的操作能力；將青銅修復(fù)與實(shí)時(shí)交互效果虛擬演示法相結(jié)合，構(gòu)建技能要領(lǐng)、知識(shí)要領(lǐng)、文化要領(lǐng)系統(tǒng)化的虛擬仿真體系，提高學(xué)生對(duì)青銅修復(fù)技藝能力。這不僅為日后的實(shí)際保護(hù)打下基礎(chǔ)，減少操作失誤，保障文物安全，用戶還可在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)復(fù)雜文物的修復(fù)工序，提升青銅文物的科技檢測(cè)能力及病害識(shí)別與診斷能力，體會(huì)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的匠人精神，欣賞青銅文化原有的藝術(shù)魅力。

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