青铜器科技修复方案设计虚拟仿真实验

摘 要：在青铜器保护与修复的学习中，存在诸多不足与问题，如：因文物的不可再生性及其极为珍贵，故无法让学生成规模用以练习；各类科技检测仪器昂贵，无法普及到所有开设相关专业的高校作为教学用具；传统青铜器修复技艺较为复杂且教学不成体系，初学者不知从何开始学习，无法将学到的内容融会贯通，最后再加以应用。基于以上问题，文章以真实的文物保护修复为蓝本，开发青铜器科技修复方案设计虚拟仿真实验系统，将青铜器保护修复与虚拟仿真全真演练相结合。通过虚拟仿真实验，学生掌握青铜保护修复的流程及其中涉及的青铜器科技检测、青铜器传统修复技能、知识及文化要点。这对文物与博物馆学专业教学中的文物修复等相关课程具有辅助作用，对学生必修的文物修复实习具有补充作用，同时也加强了对文物保护修复人才队伍的培养，这也是对虚拟仿真实验项目建设的探索。

关键词：青铜器修复；虚拟仿真；X射线探伤；X射线荧光能谱；超景深显微镜

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

0 引言

中国传统文物修复技术是中国文物保护科学体系中的一个重要分支，是国家考古和文物与博物馆事业的重要组成部分。中华人民共和国成立以来，随着考古发掘工作的开展和大量博物馆的建立，我国现存文物数量正在不断增加，文物修复技术人才成为考古发掘及博物馆的必然需求。

由于馆藏青铜文物十分珍贵、不可再生，且修复过程不可逆，这对修复师的修复能力有较高的要求，因此青铜文物修复实践能力的训练和培养非常重要。对学习青铜器修复的初学者来说，在实物素材不足的情况下仅能以现代材料展开相关技能的训练。通常而言，实践技能的学习需要专业的场地、材料及专业的指导教师，以及较长的学习周期，尤其对于青铜器修复实践的学习，修复步骤耗时较长，所需材料昂贵，只能以较长周期开展小范围教学才能达到效果。

针对青铜器修复实践教学中存在的部分问题，虚拟仿真技术的引入是不可或缺的，也是对于当下实践教学的补充。虚拟仿真技术是通过操作键盘、鼠标等外接设备，配合计算机模拟真实场景和过程的技术，使用方式便捷，对硬件要求低，可以突破时空的限制，弥补实践学习所需的场地及材料等的限制，同时又可以让初学者获得尽量贴近真实的体验。在青铜器修复实践的学习中使用虚拟仿真技术不仅可以降低开展教学工作所需的成本，提高实践教学的效果，更有助于提高学习者的实践技术水平与能力。

目前，对于虚拟仿真的研究以及在文物保护与修复教学相关领域的应用较少，故此项目有着较大的创新，为后续相关系统的开发探索道路。

1 青铜器科技修复虚拟仿真系统的建设要点

1.1 还原真实场景，打破时空界限

青铜器修复实践集合了科技检测分析、传统保护修复技艺及文物保护材料学等诸多内容，涉及诸多检测仪器设备，同时对传统手工艺、工具设备及场地有一定需求。通过三维建模技术还原真实的实验室场景环境，构建检测所需的仪器设备及待修复文物模型，能为虚拟仿真实验的开展提供沉浸感。虚拟仿真具有的可视化优点，可以为学员提供最为直观的设备操作方式，能够及时查看实验结果。

1.2 集成碎片经验，整合分散知识

青铜器修复作为一门更加注重实际操作的课程，授课教师多为具有丰富实践经验的行业内从业者或是相关技艺传承人，授课内容也以实践为主。教师通过言传身教传授经验。但通常所传授的经验不成体系、过于碎片化，无法将实践操作与理论知识较好地结合。而虚拟仿真实验过程中会有大量的零散经验知识点，包括仪器设备的使用方法、检测参数的调整、检测结果的分析、青铜器保护修复流程的复现及青铜器保护修复方案的编写等，系统地整合分散的知识，学生可以更加系统地学习。

1.3 改革考核评价方式，加强教学过程监控

传统实践教学考核多采用课堂表现和结果评价相结合的考核机制，教师无法及时记录每个学员的实践过程，对过程中的问题处理能力、知识掌握水平缺少客观综合的评估。虚拟仿真教学培训系统在实践教学中具有过程监控的优势，通过建立实验入口、实验过程、实验效果全周期标准评价体系，可以避免单一评价机制的主观性和模糊性。

2 青铜器科技修复虚拟仿真系统的设计

2.1 青铜器科技修复虚拟仿真系统知识框架

青铜器科技修复方案设计虚拟仿真实验的知识框架如图1所示。整个知识框架主要包括文物现状调查、修复方案设计与制定两大部分，其中文物现状调查包括文物价值评估（文物基本信息、器型、纹饰、铭文、锈色）、科技检测分析（手持X射线荧光、超景深显微镜、X射线探伤）、文物病害调查（文物拍照、病害识别、病害图绘制、病害程度分析）；修复方案设计与制定包括青铜器修复中涉及的清洗、整形、黏接、焊接、补配、打磨、做旧等内容。

此系统以青铜器保护修复技艺的理论与实践为基础，展示了青铜器从文物价值的评估—科技检测分析—病害调查—修复方案设计与制定的全部流程，以科技检测分析仪器的使用、检测结果的分析及正确修复方案的制定作为核心知识点，从广度和深度两个维度完整展示了青铜器保护修复技艺。

2.2 三维场景复原

青铜器保护修复技艺实践课通常在专用的青铜器保护修复实验室内进行，该实验室内除青铜器修复所需的各类手动、电动工具及材料外，还设有多种科技检测仪器设备，包括手持式X射线荧光能谱仪、超景深显微镜等，但由于现实中X射线探伤仪使用环境的限制，无法将设备放入普通的实验室中。三维场景不但复原了现实中实验室的样貌，还将X射线探伤仪也置于其中，使学员进入实验室场景即可直观感受到青铜器保护修复中科技检测分析与传统修复技艺相结合的重要性。

2.3 病害识别、科技检测与方案编制演示

进入系统后可在三种不同的文物“教具”中选择其一，依次点击“基本信息”及“病害图绘制”按钮，可以获得文物基本信息的相关描述并对文物进行拍照，再通过已知信息及文物图片，判断并选择相应病害标注于病害图中以完成绘制，绘制完成后再对病害进行文字描述。在青铜器保护修复的学习中，对于文物病害的识别极为重要，若文物修复师无法认清文物病害，后续的保护修复工作也无从谈起。此步骤中将实物建模、文物二维图片与病害图标相结合，锻炼学员识别文物病害的能力。

完成上述内容后则可开始进行科技检测部分，所涉及检测内容为“手持荧光检测”“超景深显微镜”“X射线探伤”。

手持荧光检测又称为X射线荧光光谱（XRF），是一种无损的分析方法，其原理是通过发射高能量X射线轰击检测对象，从而激发出不同元素各自的特征X射线。这些X射线具有不同的能量或波长特性，检测器在接收到这些次级X射线后，可以将其转为对应的信号，从而检测出试样中的各类元素含量。该方法既可以对金属文物的成分进行检测，又可以对修复过程中使用的各类颜料中包含的金属成分进行分析，是文物保护修复中常用的检测方法。

超景深显微镜可以通过无损、非接触的方式采集高精度光学信息。由于普通光学显微镜的景深较浅，无法清晰地显示青铜器表面凹凸不平的锈蚀，而超景深显微镜具有较深的景深，因此适合用于观察不平整表面。

X射线探伤技术在金属文物领域的应用主要有三个方面：一是了解文物内部的腐蚀、破损情况。X射线探伤技术可以揭示金属文物内部不同部位、不同形式、不同程度的腐蚀和破损情况，进而可以为后期金属文物保护修复方案的制订和修复方法的选择提供依据。二是研究文物内部的结构。通过应用X射线探伤技术，我们可以了解文物本体上被锈蚀层遮盖、肉眼无法辨认的纹饰、铭文、铸造工艺等信息。三是认知文物的修复情况。已修复的金属文物，通过X射线探伤技术，可以得知文物的补配、黏接、焊接等修复情况，为以后再次修复提供便利的影像资料或进行修复资料留存。

选择“手持荧光检测”后依次点击“样品类型”“金属”“常见金属”按钮，对文物特定部位进行检测，即可得到特定数据及结论。

手持式X射线荧光能谱仪单台价格较高，且操作较为复杂，在操作时会产生辐射，在教学中无法让每位学员都使用实物进行操作学习，因此使用虚拟仿真系统进行教学将有效弥补其在教学中存在的不足。

选择“超景深显微镜”后，即可对文物特定部位进行拍摄，得到局部显微照片，可通过选择“20倍”“50倍”“100倍”选项得到不同放大倍数的照片。

选择“X射线探伤”后，将文物放入X射线探伤仪中，在“参数调整”中输入电压及时间，如输入值与预设区间相差过大，则系统会进行相应提示；待输入正确参数后，会获得不同参数下的X射线探伤成像图，并被告知何种参数所获得的结果更佳。

与便携式X射线荧光能谱仪一样，X射线探伤仪单体价格较高、操作较为复杂、工作时会产生辐射，此设备多为固定式且需要特定的防护隔离，因此无法满足让所有学员亲身体验的需求。故此以虚拟仿真的形式替代实物，将在一定程度上满足教学需求。

上述科技检测部分的设计尽量真实地还原了各项仪器设备的操作界面与使用方法。这样，学员在不接触设备实物的情况下，也能学习使用这些设备。这将避免他们在后续接触真正的设备时不会一无所知，从而最大限度地降低了各方面的学习成本。

待完成三项科技检测后会得到相关修复建议关键词的提示，需要学员根据提示完成修复方案的制定。通过选择、填写正确的修复流程与工具材料，完成修复方案的制定，通过系统生成文物修复的实施计划。

3 青铜器科技修复虚拟仿真系统的实践

3.1 训练模式与考试模式

从青铜器科技修复方案设计虚拟仿真实验网站首页进行用户登录后，系统提供了“训练模式”与“考试模式”两种进入方式。在“训练模式”中，系统针对三种不同的青铜器案例，提供了全流程、设备、工具材料的详细解析与操作引导。学员可以根据这些引导提示，逐步完成学习任务。而“考试模式”则去除了操作引导提示，仅保留了三种案例的交互操作，并加入了打分系统。学员在这一模式下，需要根据自己的理解和技能进行操作，系统会根据操作过程给出相应的分值判定。

在完成“训练模式”的学习后，学员可以选择进入“考试模式”，在完全自主的情况下进行实验操作。系统会根据学员的操作过程记录分数，并形成详细的分析表。这样，教师不仅可以了解学员的学习成果，还能准确找出学员在学习中的薄弱环节，为评分和教学提供参考。

3.2 整体结构学习

在青铜器保护修复的学习中，往往难以像陶瓷和书画类文物那样使用现代材料作为教具。即使有部分实践内容可以用现代材料替代，但青铜器保护修复的整体操作过程无法在真实文物上进行，因此造成了学员难以掌握青铜器保护修复整体结构的难题。此系统的开发解决了这一问题，通过虚拟仿真技术，学员在掌握具体修复实践技能的同时，也兼顾了对青铜器保护修复整体框架结构的理解。同时，由于部分科技检测仪器价格昂贵、使用中易受损，或使用不当会对人体产生伤害，以虚拟仿真的方式进行模拟操作，既可以减少学习使用这些仪器设备所需的时间及成本，又可将风险降至最低。

3.3 青铜器科技修复虚拟仿真系统的应用

该系统开发完成后即投入使用，自2023年起被应用于青铜器保护修复课程，不仅辅助教学，还对学生必修的文物修复实习起到了补充作用，加强了对文物保护修复人才队伍的培养。目前，该系统的浏览量已超过2600次，使用量超过1300人。此系统计划持续向高校和社会开放服务，作为北京市开放实验教学平台，该系统将向北京高校开放共享。通过非遗进校园、文化遗产日活动、研学游等活动，推动社会对该实验项目的了解和参与。预计每年服务十余个群体，覆盖近200人。

4 结语

青铜器科技修复涉及青铜的科技检测与青铜传统修复两部分内容。青铜器科技检测是探知青铜文物病害、工艺的有效手段，通过科技检测可获得青铜文物的病害情况与工艺情况，然而所需科技检测设备昂贵且稀缺，无法保证学生人手一台开展操作练习。青铜修复技艺是中华优秀传统文化的组成部分，对于青铜器的长期保存和价值延续具有重要的意义，但由于修复步骤繁多、材料复杂、修复过程不可逆，以及青铜器十分珍贵和不可再生，从而导致学生作为初学者不宜直接上手拿真实的文物练习。

基于此，构建了虚拟仿真交互实验平台，将青铜器科技检测与虚拟仿真全真演练相结合，构建操作要领、知识要领系统化的虚拟仿真体系，提高学生对青铜科技检测的操作能力；将青铜修复与实时交互效果虚拟演示法相结合，构建技能要领、知识要领、文化要领系统化的虚拟仿真体系，提高学生对青铜修复技艺能力。这不仅为日后的实际保护打下基础，减少操作失误，保障文物安全，用户还可在虚拟环境中体验复杂文物的修复工序，提升青铜文物的科技检测能力及病害识别与诊断能力，体会严谨细致的匠人精神，欣赏青铜文化原有的艺术魅力。

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