虚拟与现实重构考古场景教学的实践与思考

朱于心 李志荣 王晨 刁常宇

摘要：本文以埃及吉萨金字塔、中国云冈石窟和忻州九原岗北朝壁画墓场景重构为例，从文物数字化、教学设计与效果、反思与愿景等方面，阐述了如何利用新颖的科技手段和教学方法，给予学生沉浸式的教学体验，使得考古教学方式不再局限于现实课堂，并且超越在线课堂。

关键词：虚拟与现实重构;考古教学;在线课程;体验式教学

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）02-0104-05

● 引言

建构主义者认为，灌输给学生的知识无法被学生理解和接受，要深入理解和内化知识需要由学生在具体的学习情境中去发现和理解。[1]即使是预先规定的、标准化的、指定的和外部决定的内容也必须被放置在特定情境中由学生去掌握。[2]

考古学是以古代遗存为研究对象，根据古代人类各种活动遗留下来的实物来研究人类古代社会历史的一门科学。目前，考古实践教学面临的新问题包括：学生个性化选择与课程内容设置的错位、课堂与实践教学内容相脱节、实践地点的连续性得不到保障和学生兴趣与实践能动性不协调。[3]

传统的考古学科的基于大量数据、文字资料、平面图像，以教师为中心的灌输式教学，现如今已不能满足广大师生乃至社会公众的学习和研究需求。[4][5]虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）有着各类学科交叉与相互作用的特性，是近年来被社会各界广泛关注的热点技术之一。[6]如何利用现今的全球化合作和信息技术手段，将丰硕的考古成果反哺教学，让学生从感官上更好地吸收知识？这是一个值得深思和探索的命题。

● 考古教学场景的虚拟与现实重构

1.考古教学场景的虛拟重构

随着VR技术的发展，特别是自2010年Oculus VR公司成立以来，VR设备的便捷性不断增强，成本不断下降，沉浸式体验效果越来越好，其在教育领域的巨大潜力开始得到了关注。2018年，浙江大学与哈佛大学（Harvard University）开始尝试进行基于网络的VR教育合作尝试，面向两校同时异地开设哈佛大学的VR课程：The Pyramids of Giza： Technology， Archaeology， History（《吉萨金字塔：科技、考古、历史》）。

《吉萨金字塔：科技、考古、历史》是近年来哈佛大学炙手可热的全校公共选修课。课程内容源自哈佛大学——波士顿美术馆（Museum of Fine Arts，Boston）联合考古队1902—1947年在埃及的大量考古工作。2000年，波士顿美术馆启动了第一期数字化吉萨项目。第一期数字化吉萨项目耗时十年，完成了吉萨考古资料的数字化与网络共享平台。

随着数字化吉萨项目的不断进展，2006年吉萨考古国际联盟组建，并开始汇总整理分布在全球范围内的吉萨考古资料及最新的吉萨考古发掘成果。2010年，数字化吉萨项目在哈佛大学的支持下进入第二阶段，并开始引入多种先进技术。目前，数字化吉萨项目正在试图发挥Web3D、AI、AR、VR等技术的优势，打造全新的网络学术平台。数字化吉萨项目负责人，也是本课程的主讲人，哈佛大学近东语言与文明学院教授Peter Der Manuelian认为：数字化吉萨项目的最大活力来自全球化合作以及新技术运用的热情。

课程内容主要聚焦于距今约4500年前建成的吉萨金字塔、狮身人面像、墓葬等文物，从古埃及历史、艺术和考古的角度进行理解，并介绍哈佛大学数字化吉萨项目的工作内容、成果、技术与未来计划。课程讲座主要集中在古王国时期丧葬艺术与建筑的考古学信息处理，以及物主身份判定与文物返还等问题。学生除了有机会在课堂上选择感兴趣的命题进行演讲和讨论外，还有机会通过3D建模将自己的成果永久留在数字化吉萨项目数据库中。

2.考古教学场景的现实重构

（1）利用3D打印技术1∶1重构云冈石窟

位于山西省大同市的世界文化遗产云冈石窟，距今已有1500余年的历史。云冈石窟第12窟雕刻了丰富的天人形象和中外乐器，在中国音乐舞蹈史上具有极其重要的地位。2016年8月，浙江大学文化遗产研究院与云冈石窟研究院合作，对云冈石窟第12窟进行了三维数字化信息采集，采集工作包括52站三维激光扫描和55680张用于摄影测量的照片拍摄。经过摄影测量计算和人工交互三维处理，合作团队成功建立了第12窟的高保真彩色三维模型，整体重构复现了云冈石窟的形貌（如图1）。

（2）缩微重构忻州九原岗北朝壁画墓

忻州九原岗北朝壁画墓位于山西省忻州市区南部高地。2013年6月，山西考古研究所、忻州市文物考古研究所、山西博物院对已被盗掘的山西忻州九原岗北朝壁画墓联合实施抢救性考古发掘，并邀请浙江大学文化遗产研究院数字化团队配合考古发掘进程，利用最先进的数字技术进行壁画数字化科学记录，实现了在数字世界永久存储千年前壁画面貌的梦想。（如图2）。

● 教学设计及效果

利用虚拟现实技术模拟考古田野教学，更加具有灵活性、实践性和重现性。通过这种教学方法，学生可以加深对课程内容的理解，并可以在虚拟的环境中进行充分的实践与练习，对学到的考古知识及时巩固。

1.虚拟重构场景教学

哈佛大学与浙江大学在《吉萨金字塔：科技、考古、历史》VR教育合作实践中采用了共同授课、分别评定成绩、分别授予学分的方式。哈佛大学的选课学生包括本科生与研究生，来自多个不同的学科。浙江大学选课学生包括本科生（竺可桢学院）、硕士研究生、博士研究生，来自考古学、文化遗产与博物馆、建筑工程、数字化艺术与设计、信息与计算、遥感与地理信息、中国古代文学、地质工程、旅游管理等多个专业和学科，课程具体设计如下表所示。

在2018年秋冬学期课程结束后，参加课程学习的学生提供了对课程的反馈意见。双方学生认为课程中的VR资源对辅助掌握相关知识提供了非常有用的帮助，基于VR的身临其境学习有助于更直观地理解吉萨遗址的状况和考古发掘过程。特别是，中国、美国的师生在VR技术的支持下共同出现在4500年前的吉萨金字塔前，突破了时间和空间的局限，给大家带来了超出想象的学习体验。课程中的三维建模作业也对学生切实了解和掌握吉萨考古资料非常有帮助。大家认为通过视频连线、VR连线进行的互动促进了中西方文明观点的碰撞和交融，拓展了课堂的知识范畴，是一次“超越在线课程”的体验。[7]

2.现实重构场景教学

3D打印技术1∶1重构云冈石窟第12窟、缩微重构忻州九原岗北朝壁画墓及1∶1打印部分墓内壁画，均在浙江大学艺术与考古博物馆展出。其作为本科生和研究生相关通识和专业课程的现场教学内容，也面向社会大众开放。据不完全统计，有来自本校15个学院12182人次和海内外26所高校7377人次参加了现场教学活动。

通过虚拟和现实重构考古场景教学，有效地提升了学生对古埃及的历史、文化和思想的理解与把握能力，拓展了全球视野，使学生在文明互鉴中理解他人，并更加深刻地理解自己的文化与传统。

● 反思与展望

综合运用多种信息技术不仅可以模拟显示和观察考古数据，而且可以与虚拟考古的对象进行交互，具有多维度观察和操纵考古数据的特点。但数字化重构场景教学也面临一些发展的挑战，需要关注、思考并规避。

1.数字化重构场景教学的困难

（1）实施数字化重构场景教学所需的成本远超传统教育和多媒体教育，体现在硬件、软件和资源制作三个方面。在硬件环境方面，VR教育除了需要为每位学生提供一套VR头盔设备外，还需要投入更多经费建设VR设备的运维环境、全景视频采集与直播平台、音视频切换控制系统等，若有必要还需建设多人VR互动的传感定位系统、大屏幕系统、音响系统等环境。在软件方面，需要开发专门的软件系统以支持针对课堂教学所需的VR资源同步播放、学生自动追踪跟随教师在VR环境中的运动轨迹、按需加载课堂教学VR资源等功能。若要针对不同课程的教学演示需求，可能还需要为不同的课程开发独特的软件展示及互动功能模块。在VR资源方面，既需要满足课程内容体系的资源积累，也需要随着教学内容更新的资源持续制作。实际上，面向多个学科VR资源的持续性制作投入是当前限制VR教育广泛开展的最主要困难，其所需要的成本投入比一次性的软硬件投入更多。[8-9]

基于3D打印的现实重构，在结果呈现的方式上比VR技术更为自然，不需要借助复杂的显示设备即可营造大型的沉浸式体验空间。然而在当前技术条件下，构造大型3D打印复制的教学场景所需的费用和时间都非常多，难以将其作为主要的技术手段支撑数字化重构场景教学。

（2）实施数字化重构场景教学需要教师掌握更多的技能。VR教育需要教师了解VR技术和VR平台的功能、适用范围和操作方法，对于尚未大规模普及的VR技术应用来说，学习的门槛仍然相对较高。VR教育也需要教师具备制作课程资源的能力，这会涉及一系列的三维建模、全景视频甚至是VR编程的工作，对于绝大部分教师而言是难以实现的。[10]

基于3D打印重构小型教学样本在时间和成本上是可行的，大部分的教师都有机会接触到小型的3D打印机并进行少量的打印。但这仍需要教师具备3D建模、3D打印制作的基本能力，甚至需要教师了解高分子材料的相关知识以保障重构质量，或需要教师具备较好的美术功底以实现丰富色彩的手工绘制重构。对于大部分的教师而言，同时具备上述能力也是非常困难的。

（3）数字化重构场景教学采用的技术当前仍然存在一定的不足。笔者在VR教学实践过程中发现，VR体验的连续时间超过10分钟后，大部分学生会感觉到不适。若VR环境中播放的视频或实时渲染场景出现快速的镜头切换，部分学生会立刻感觉到眩晕。当多人VR连线时，会遇到网络延迟导致的沟通不畅、连接不稳定、资源加载失败等问题。对于远程连接的VR课堂，最大的干扰来自多个终端带来的回音，当软件进行回音抑制失败的时候会导致严重的破音或声音中断，影响正常交流。

（4）实施数字化重构场景教学还存在其他问题，包括由于设备水平差异影响学习的效果，从而带来因学生经济条件差异带来的公平性失衡风险;已经有技术提供在VR头盔中集成实时监测学生注意力水平的能力，由此可能带来关于新技术运用过程中学生隐私权利的讨論甚至是冲突;通过VR设备智能化推送与课程相关的知识将有助于拓展教育的广度与深度，但同时可能会带来智能算法影响学习兴趣和知识范畴的风险。

（5）数字化重构场景教学与考古田野教学相互补充，是不可替代的。哈佛大学与浙江大学VR教育实践的成功，依赖数字化吉萨项目多年的VR资源积累、双方在教学环境的大规模投入、双方高校和企业的高水平技术团队的支持，以及课堂教学过程中教授与助教的协作努力。诸多方面的困难和挑战意味着VR教育的大规模推广仍然需要较长的时间才能实现。试图复制这样的教学方式不如结合未来的发展趋势进行更长期的准备。试图用数字化重构场景教学替代考古田野教学既不可取，也不可能。田野考古学是考古学的基础，没有田野考古，考古学就成了无本之木，无源之水。复原实物的原貌及其所处的共存关系，只能在田野考古阶段进行。[11]

2.数字化重构场景教学的展望

（1）随着技术的进步，当前VR教育的一些局限性必然随之消失，如芯片成本的下降必然会使VR设备成本不断降低，芯片运算能力与展示技术的提升必然会带来更为舒适的VR体验，网络技术进步会降低远程互动的延迟，自动化技术会降低VR资源制作的门槛等。

（2）VR技术将逐渐渗透到每个人的生活和工作中，并逐渐培养用户更多、更自然地使用VR技术的习惯。另外，教育领域的不断创新进步将带来大家对更好教育效果的期待，除了在考古学课程的实践，VR技术在医学、建筑学、地质学、生物学、天文学、航空学等学科领域都可应用，也因此会催生出更多对VR技术在教育领域运用的需求。

（3）若把VR技术在教育领域的广泛、深度运用看作必然，就应该提前做好准备。在软硬件方面，应注重研发支持数十人乃至数百人同时在线的网络并行VR体验系统，开发在VR头盔环境下更为便利的语音笔记、资源收藏、课程回放等功能，并结合基于人工智能的实时字幕生成、关联信息推荐等技术提供更多学习辅助功能。

（4）博物馆和遗产展示被公认为大众教育场所，从国际发展趋势可见，这种特殊教育场所在为观众提供“专家视角”的同时，也要鼓励培养“观众视角”，使观众能够通过对各种展示的了解，积极创造个人的体验和意义，从而形成个人的世界建构。

● 结语

创设高沉浸式的教学环境，提升教学的参与体验感，提高教学效率和水平，是信息技术与教育教学深度融合的目的所在。笔者所在学校充分发挥多学科交叉协同优势，与国际顶尖大学深度合作，持续在文物数字化保护利用、数字化场景教学上不断创新发展，对于中外文明交流互鉴和构建人类命运共同体意义重大。

参考文献：

[1]魏兵，郭玉玮，于俊美.化学教学策略与案例分析[M].青岛：中国海洋大学出版社，2019：47-51.

[2]（美）Leigh Chiarelott.designing curriculum and instruction for teaching and learning in context[M].杨明全，译.北京：中国轻工业出版社，2007：3-6.

[3]豆海锋.高校考古专业实践教学改革的新路径[J].黑龙江教育：理论与实践，2019，（12）：48-49.

[4]韦玲.从建构主义理论看博物馆陈列展览的规划和设计——以山东博物馆“考古山东”展为例[C].广西博物馆文集，2015（00）：21-24.

[5]郭丽君，陈中.信息化背景下的大学课堂生态：变革、问题与对策[J].现代大学教育，2017（06）：101-107.

[6]杜颖.VR+教育可视化学习的未来[M].北京：清华大学出版社，2017：64-81

[7]杨玉辉，董榕，张宇燕，等.基于虚拟现实的远程教学空间的创建与应用——以哈佛大学与浙江大学的跨国VR远程教学为例[J].现代教育技术，2019，29（11）：87-93.

[8]汤显峰，沈丽燕，董榕，等.基于云渲染的VR/AR智慧教室的设计与应用[J].现代教育技术，2021，31（05）：82-89.

[9]张枝实.虚拟现实和增强现实的教育应用及融合现实展望[J].现代教育技术，2017，27（01）：21-27.

[10]Michael Zollh?fer，Patrick Stotko，Andreas G?rlitz，etal.State of the Art on 3D Reconstruction with RGB‐D Cameras[J].COMPUTER GRAPHICS forum，2018，37（02）：625-652.

[11]袁靖.中国科技考古纵论[M].上海：复旦大学出版社，2019：11-18.

作者简介：朱于心，浙江大学艺术与考古博物馆馆员，硕士，研究方向文物数字化教育、博物馆教育。

资助项目：本文受2020年浙江省教育厅科研项目（人文社科类）“基于VR技术的考古教育实践”（课题编号：Y202043915）資助。