歷史教學中虛擬仿真技術的應用

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摘要：虛擬仿真技術具有沉浸性、交互性、構想性的特征，即通過技術手段與相關設備，充分激發(fā)人的視、聽、觸等感官功能沉浸在虛擬世界中，進行觀察與交互。將虛擬現(xiàn)實技術引入高校歷史實驗課堂對于歷史教學和研究以及歷史學的“新文科建設”有現(xiàn)實意義。

關鍵詞：虛擬仿真；歷史教學；影像史學實驗

1虛擬仿真技術及其發(fā)展

虛擬現(xiàn)實技術(VirtualReality，VR)是利用計算機模擬產生1個三維空間的虛擬世界，提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，讓使用者如同身臨其境，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物。虛擬現(xiàn)實技術已經成為信息領域中繼多媒體技術、網絡技術之后廣泛開發(fā)與應用的熱點。美國是世界上最早應用虛擬現(xiàn)實技術的國家，于20世紀40年代開展虛擬現(xiàn)實技術研究。北卡羅來納大學(NorthCarolinaUniversity)計算機系是進行VR研究最早最著名的大學，目前，他們的研究主要是在4個方面：分子建模、航空駕駛問題、外科手術仿真、建筑仿真。日本東京大學的原島研究室也開展了人類面部表情特征的提取，三維結構的判定和三維形狀的表示，以及動態(tài)圖像的提取。美國、英國、意大利和德國的專家利用數(shù)字技術虛擬重建羅馬古城(被稱為世界上規(guī)模最大最完整的虛擬古建筑)。這項名為“羅馬重生”的工程重現(xiàn)了公元320年康斯坦丁皇帝統(tǒng)治時期的羅馬古城，其中包括斗獸場等大約7000座建筑。在虛擬的古羅馬城中，借助虛擬仿真技術，觀看者可以身處虛擬斗獸場內部并在其中漫步，不僅如此，虛擬仿真技術還再現(xiàn)了城內30多座建筑的內部情況，細致還原壁畫與古代裝飾，甚至恢復了一些后來遭到破壞、污損的雕像和紀念碑原貌及一些幾乎已完全毀壞的建筑。通過虛擬動畫場景，不僅可以讓使用者“親臨”古羅馬城，還可以鳥瞰羅馬城中的著名建筑，來一場視覺盛宴。虛擬仿真技術得益于其優(yōu)異的模擬能力，迅速對社會現(xiàn)實完成了正向反饋。2019年巴黎圣母院不幸遭到大火事故，在之后的重建工作中，有公司利用虛擬仿真技術提供了詳細的模型與相關數(shù)據幫助巴黎市政府完成重建工作，歷史類虛擬仿真技術的開發(fā)對社會產生了正向回饋。

2虛擬仿真技術在國內的研究和應用

近年來，隨著我國計算機學科的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術也得到了極大的補充，但大部分資金和研究方向都導向影視與游戲等娛樂行業(yè)，在文化教育領域的發(fā)展極為有限。2016年被視為我國的“虛擬仿真元年”。在這一年國務院印發(fā)的《“十三五”國家信息化規(guī)劃》[1]明確指出要強化戰(zhàn)略性前沿技術超前布局。2017年，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)的《關于促進移動互聯(lián)網健康有序發(fā)展的意見》提出要求：實現(xiàn)核心技術系統(tǒng)性突破。其中，加緊人工智能、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、微機電系統(tǒng)等新興移動互聯(lián)網關鍵技術布局，盡快實現(xiàn)部分前沿技術、顛覆性技術在全球率先取得突破[2]。2018年國家發(fā)展和改革委員會、財政部、銀保監(jiān)會等多部門聯(lián)合《關于發(fā)展數(shù)字經濟穩(wěn)定并擴大就業(yè)的指導意見》要求：創(chuàng)新人才培養(yǎng)培訓方式，新工科背景下環(huán)境工程專業(yè)學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)與改革探索。這是虛擬現(xiàn)實技術進一步融入教育、文化的重要標志。2019年《產業(yè)結構調整指導目錄(2019年本，征求意見稿)》文件中提到，將虛擬仿真納入2019年“鼓勵類”產業(yè)。這意味著在國家的產業(yè)結構調整中，虛擬現(xiàn)實技術與產業(yè)的發(fā)展將成為重點，國家將該項技術作為新一輪世界科學技術與產業(yè)變革之中的重點發(fā)展技術。

3虛擬仿真技術在高校歷史教學中的應用

“圖像的重要性向來被知識采集遠征的組織者所認同”[3]。受到歷史情境復原技術新技術的影響，近年來，歷史學尤其是考古學在研究方式、研究路徑、研究工具上均有顯著改變。虛擬仿真技術是歷史學研究者、考古工作者與博物館工作者經常會接觸到的現(xiàn)代技術手段。虛擬仿真技術具有沉浸性、交互性、構想性的特點，能夠使歷史問題的研究變得更加便捷與可視化。這一技術在歷史學領域的應用與融合不僅轉變了研究者的視角、拓寬了科研手段，更為研究者提供了多樣化、全面化、細節(jié)化的材料，以幫助研究工作的展開。在高等教育領域，多所知名高校紛紛建造自己的虛擬仿真實驗室，其中以北京師范大學、清華大學、上海交通大學、北京航空航天大學等為代表，用于教育與學術研究。北京師范大學于2010年成立了影像史學(虛擬仿真)研究中心，從硬件到軟件不斷完善、建立“中華古文明起源—古代中國與世界”歷史學虛擬仿真實驗系統(tǒng)，對歷史學與虛擬仿真技術結合進行了有益嘗試。并于2019學年秋季學期與春季學期分別開課。以下是北京師范大學歷史學院開設的本科課程—歷史學虛擬仿真實驗課程步驟。

3.1實驗與技術方案準備

虛擬現(xiàn)實技術工作內容繁多、操作復雜，在集中展開技術工作之前，根據歷史內容，查閱文獻資料，整理出一個盡可能可操作的詳盡策劃案，如圖1所示。

3.2根據已完成策劃案

開展技術準備3dsmax系列三維建模軟件功能強大，通用性較強，配合vary等一系列渲染插件，呈現(xiàn)效果極佳。相比于Maya，CINEMA4D等三維軟件，在國內具有更好的產業(yè)基礎，有利于本項目及時取得有效幫助與長期發(fā)展。根據商代城墻遺址還原工作的特點、實際需要與項目組成員目前所掌握的資料狀況，在綜合比較之下，本項目選取3dsmax2020作為建模軟件，Unity3D5.5作為場景搭建軟件，V-ray4.1為渲染插件。虛擬現(xiàn)實技術借助三維軟件技術制作而成，“3I”是虛擬現(xiàn)實技術的主要特點，用戶可借助鼠標、鍵盤、游戲手柄等外部設備操縱場景中的虛擬對象，用戶圖像“實時”渲染，這一性質使得用戶和虛擬場景中的物體具有一定的可交互性。如在虛擬現(xiàn)實產品中的鄭州商代城墻布局設計及其內部構造，都可以給用戶以自由的體驗和探索，并且生成一定的環(huán)境效果。即用戶可以在鄭州商代城墻遺址的虛擬現(xiàn)實“空間”之中進行自由的行動，根據自己的意愿探索環(huán)境，選擇傾向于體驗的環(huán)境。在使用本項目時，其時間不受限制；觀看體驗角度也無限制，但其有明確的既定路線，避免使用者漫無目的地觀看。

3.3建模

虛擬現(xiàn)實技術與三維動畫技術相互關聯(lián)、有機統(tǒng)一。如：建立商代城墻遺址的虛擬場景需要在三維軟件系統(tǒng)中設計相關模型。遺址中的實體對象有如下幾種：空間中的古城墻建筑(主體)、綠草地、古街道、樹木、公共場所等，可通過三維軟件制作完成。在本項目的商代城墻遺址復原中，場景中包含了各種各樣的模型，如最主體的城墻建筑、建筑各個構件的制作、城墻的具體形制、周圍的樹木以及人物模型的制作。由于這些模型的造型較復雜，所以將采用目前成熟的三維設計軟件3dsmax2020。

3.4渲染

三維動畫軟件中的場景或模型區(qū)別于虛擬仿真技術中的模型建立。由于虛擬仿真系統(tǒng)是實時渲染的(見圖2)，其對模型面數(shù)具有一定的要求(如過多會造成卡頓)。因此，在模型制作中應盡可能減少不必要的面，避免超過規(guī)定面數(shù)。商代城墻遺址整體形制相對簡單，用土建造而成，表面粗糙、大致呈土黃色，這些特征為建模與渲染工作提供了巨大便利。考慮到目前大多數(shù)高校的信息設備狀況，為確保項目產品有更強的適用性、更流暢的運行效果，設計原則上只要在視覺上有一定的真實效果即可，制作過程中通常用簡單的模型框架替代復雜的模型，避免影響虛擬模型與虛擬場景的運行速度。在這一條件下，為了使簡單模型也具有一定真實效果，貼圖制作就顯得尤為重要。Vray是目前搭配3dsmax2020系列軟件最為常見、最為實用的插件，其內置多種材質貼圖與燈光效果，使用者可根據需要對貼圖、燈光進行調整。前期工作的重點是：設想以何種形式展現(xiàn)最直觀、最能達到效果，從而追求具有沉浸感的體驗。工作前的嘗試、設想(如畫草圖、初步建模等)極為重要，要對最后所要呈現(xiàn)的效果有清楚明確的認識。

3.5虛擬場景搭建

虛擬場景的搭建是虛擬現(xiàn)實工作的核心內容。模型無法脫離場景而獨立存在，優(yōu)秀的場景很大程度上可以直接決定模型的最終效果與使用體驗感。除虛擬場景自身需盡量細致、真實外，還應與虛擬模型相協(xié)調，如商代城墻遺址還原模型中，城內、城墻周邊注定不是草木叢生的，因為這是當時的都城，有一定的人口規(guī)模；而遠處的植被(根據歷史研究)也應該是偏濕潤氣候下的南方品種。在場景搭建的過程中要從整體出發(fā)，而非孤立的完成這一模塊工作，如圖3所示。Unity3D5.5是一款極易上手的3D制作軟件，其自身也有一定的建模功能，但無法生成復雜模型(3dsmax2020無法制作場景)，需要與3dsmax系列相配合。初學者僅一周左右即可相對熟練地掌握其各項操作，缺點是目前市面上沒有中文版，項目組成員需具備較好的英語基礎。Unity3D5.5內置多種地圖資源包、植被資源包，使用者可以根據需要進行修改或調整，針對還原工作中的特殊地形(如深溝等)則需自主制作。為保證商代城墻遺址還原工作的最終效果，同時提高工作效率，本項目將使用功能強大的最新版本Unity3D5.5。3.6軟件操作與漫游視角經過3dsmax2020完成建模工作后，將模型導入Unity3D5.5所搭建的場景中，設置軟件操作方式。操作設置中將以簡單、便利為原則進行調整輸入，增強其適用性，服務于商代城墻遺址的虛擬漫游，如圖4所示。為增強虛擬現(xiàn)實場景漫游的真實感、沉浸感，本項目采用第一人稱的漫游視角，使用者可在項目產品中自由選擇觀察角度。在各項工作完成后，進行軟件。為保證軟件具有更為普遍的適用性，項目產品選取平臺為PC(計算機)，校內免費使用(項目開展后期會根據實際開發(fā)狀況決定是否更新為頭戴設備)。

3.7評估與完善

“機器視覺的功能與人眼相似，即判斷和測量?！盵4]針對本項目的研究成果引入“考評—反饋—完善—應用”的評估完善機制。在完成項目產品的后，由項目組成員進行內部評估，完成初步排查。隨后，項目成果接受(以商代與考古方向為主的)歷史學與計算機科學的教授(專家)評估，糾正存在的歷史(技術)問題、獲取知識技術經驗指導，探索下一步改進方向，推進項目完善更新。下一步，通過“自主分析+被試考評”的考評方式：歷史學方向為主的被試(包括學生、教師、專家等)體驗項目漫游效果并填寫調查問卷、接受訪談，本項目組成員根據調查結果(見圖5)，整理收集項目反饋如BUG、歷史錯誤、體驗感差等，并書寫反饋報告，最終依據反饋結果對項目成果進行修改完善(或根據實際需要再次進行商代城墻遺址的實地考察、史料查閱整理)。在歷史學研究領域引入實踐調查與評估分析改進的方式，較之以往史學研究多以文本史料分析等理論化方式進行，本項目研究方法緊切實際，統(tǒng)計信息及研究結果具有較強科學性與說服力。

4課堂效果評價

歷史教學中的虛擬仿真運用應當趨于靈活多樣。而不只局限于還原或復原某個歷史情節(jié)、人、物。如果只是糾結將歷史情節(jié)與人物呈現(xiàn)于教學之中，其實質只是對原有教育模式的繼承，對于虛擬仿真技術的運用并非真正的使用，而只是單單用到了虛擬仿真技術的產品。歷史教學既需要堅持歷史學的主體地位，也需要不斷改進教學方法。無論方法與內容如何變化，歷史學科的教學永遠都需要從歷史學的主體出發(fā)，強調其歷史性。虛擬仿真只是一個工具，作為一種視角、一種可能性而存在，還原出的并非歷史本身，不能只關注其中的技術而忽略其歷史性。堅持不懈了解與時俱進改革歷史學的教學方式，是歷史教學方式變革的必然要求。

參考文獻

[1]國務院關于印發(fā)《“十三五”國家信息化規(guī)劃》的通知[EB/OL].

[2]中共中央辦公廳國務院辦公廳印發(fā)《關于促進移動互聯(lián)網健康有序發(fā)展的意見》[EB/OL].

[3][英]彼得•伯克.知識社會史(下卷)[M].陳志宏,王婉旎,譯.杭州:浙江大學出版社,2016:50.

[4]陳兵旗.機器視覺技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2018.

作者：吳瓊 張文浩 單位：北京師范大學歷史學院