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历史教学中虚拟仿真技术的应用

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  • 更新时间2021-04-12
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  摘要:虚拟仿真技术具有沉浸性、交互性、构想性的特征,即通过技术手段与相关设备,充分激发人的视、听、触等感官功能沉浸在虚拟世界中,进行观察与交互。将虚拟现实技术引入高校历史实验课堂对于历史教学和研究以及历史学的“新文科建设”有现实意义。

  

  关键词:虚拟仿真;历史教学;影像史学实验

  

  1虚拟仿真技术及其发展

  

  虚拟现实技术(VirtualReality,VR)是利用计算机模拟产生1个三维空间的虚拟世界,提供关于视觉、听觉、触觉等感官模拟,让使用者如同身临其境,可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。虚拟现实技术已经成为信息领域中继多媒体技术、网络技术之后广泛开发与应用的热点。美国是世界上最早应用虚拟现实技术的国家,于20世纪40年代开展虚拟现实技术研究。北卡罗来纳大学(NorthCarolinaUniversity)计算机系是进行VR研究最早最著名的大学,目前,他们的研究主要是在4个方面:分子建模、航空驾驶问题、外科手术仿真、建筑仿真。日本东京大学的原岛研究室也开展了人类面部表情特征的提取,三维结构的判定和三维形状的表示,以及动态图像的提取。美国、英国、意大利和德国的专家利用数字技术虚拟重建罗马古城(被称为世界上规模最大最完整的虚拟古建筑)。这项名为“罗马重生”的工程重现了公元320年康斯坦丁皇帝统治时期的罗马古城,其中包括斗兽场等大约7000座建筑。在虚拟的古罗马城中,借助虚拟仿真技术,观看者可以身处虚拟斗兽场内部并在其中漫步,不仅如此,虚拟仿真技术还再现了城内30多座建筑的内部情况,细致还原壁画与古代装饰,甚至恢复了一些后来遭到破坏、污损的雕像和纪念碑原貌及一些几乎已完全毁坏的建筑。通过虚拟动画场景,不仅可以让使用者“亲临”古罗马城,还可以鸟瞰罗马城中的著名建筑,来一场视觉盛宴。虚拟仿真技术得益于其优异的模拟能力,迅速对社会现实完成了正向反馈。2019年巴黎圣母院不幸遭到大火事故,在之后的重建工作中,有公司利用虚拟仿真技术提供了详细的模型与相关数据帮助巴黎市政府完成重建工作,历史类虚拟仿真技术的开发对社会产生了正向回馈。

  

  2虚拟仿真技术在国内的研究和应用

  

  近年来,随着我国计算机学科的飞速发展,虚拟现实技术也得到了极大的补充,但大部分资金和研究方向都导向影视与游戏等娱乐行业,在文化教育领域的发展极为有限。2016年被视为我国的“虚拟仿真元年”。在这一年国务院印发的《“十三五”国家信息化规划》[1]明确指出要强化战略性前沿技术超前布局。2017年,中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于促进移动互联网健康有序发展的意见》提出要求:实现核心技术系统性突破。其中,加紧人工智能、虚拟现实、增强现实、微机电系统等新兴移动互联网关键技术布局,尽快实现部分前沿技术、颠覆性技术在全球率先取得突破[2]。2018年国家发展和改革委员会、财政部、银保监会等多部门联合发布《关于发展数字经济稳定并扩大就业的指导意见》要求:创新人才培养培训方式,新工科背景下环境工程专业学生实践创新能力培养与改革探索。这是虚拟现实技术进一步融入教育、文化的重要标志。2019年《产业结构调整指导目录(2019年本,征求意见稿)》文件中提到,将虚拟仿真纳入2019年“鼓励类”产业。这意味着在国家的产业结构调整中,虚拟现实技术与产业的发展将成为重点,国家将该项技术作为新一轮世界科学技术与产业变革之中的重点发展技术。

  

  3虚拟仿真技术在高校历史教学中的应用

  

  “图像的重要性向来被知识采集远征的组织者所认同”[3]。受到历史情境复原技术新技术的影响,近年来,历史学尤其是考古学在研究方式、研究路径、研究工具上均有显著改变。虚拟仿真技术是历史学研究者、考古工作者与博物馆工作者经常会接触到的现代技术手段。虚拟仿真技术具有沉浸性、交互性、构想性的特点,能够使历史问题的研究变得更加便捷与可视化。这一技术在历史学领域的应用与融合不仅转变了研究者的视角、拓宽了科研手段,更为研究者提供了多样化、全面化、细节化的材料,以帮助研究工作的展开。在高等教育领域,多所知名高校纷纷建造自己的虚拟仿真实验室,其中以北京师范大学、清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等为代表,用于教育与学术研究。北京师范大学于2010年成立了影像史学(虚拟仿真)研究中心,从硬件到软件不断完善、建立“中华古文明起源—古代中国与世界”历史学虚拟仿真实验系统,对历史学与虚拟仿真技术结合进行了有益尝试。并于2019学年秋季学期与春季学期分别开课。以下是北京师范大学历史学院开设的本科课程—历史学虚拟仿真实验课程步骤。

  

  3.1实验与技术方案准备

  

  虚拟现实技术工作内容繁多、操作复杂,在集中展开技术工作之前,根据历史内容,查阅文献资料,整理出一个尽可能可操作的详尽策划案,如图1所示。

  

  3.2根据已完成策划案

  

  开展技术准备3dsmax系列三维建模软件功能强大,通用性较强,配合vary等一系列渲染插件,呈现效果极佳。相比于Maya,CINEMA4D等三维软件,在国内具有更好的产业基础,有利于本项目及时取得有效帮助与长期发展。根据商代城墙遗址还原工作的特点、实际需要与项目组成员目前所掌握的资料状况,在综合比较之下,本项目选取3dsmax2020作为建模软件,Unity3D5.5作为场景搭建软件,V-ray4.1为渲染插件。虚拟现实技术借助三维软件技术制作而成,“3I”是虚拟现实技术的主要特点,用户可借助鼠标、键盘、游戏手柄等外部设备操纵场景中的虚拟对象,用户图像“实时”渲染,这一性质使得用户和虚拟场景中的物体具有一定的可交互性。如在虚拟现实产品中的郑州商代城墙布局设计及其内部构造,都可以给用户以自由的体验和探索,并且生成一定的环境效果。即用户可以在郑州商代城墙遗址的虚拟现实“空间”之中进行自由的行动,根据自己的意愿探索环境,选择倾向于体验的环境。在使用本项目时,其时间不受限制;观看体验角度也无限制,但其有明确的既定路线,避免使用者漫无目的地观看。

  

  3.3建模

  

  虚拟现实技术与三维动画技术相互关联、有机统一。如:建立商代城墙遗址的虚拟场景需要在三维软件系统中设计相关模型。遗址中的实体对象有如下几种:空间中的古城墙建筑(主体)、绿草地、古街道、树木、公共场所等,可通过三维软件制作完成。在本项目的商代城墙遗址复原中,场景中包含了各种各样的模型,如最主体的城墙建筑、建筑各个构件的制作、城墙的具体形制、周围的树木以及人物模型的制作。由于这些模型的造型较复杂,所以将采用目前成熟的三维设计软件3dsmax2020。

  

  3.4渲染

  

  三维动画软件中的场景或模型区别于虚拟仿真技术中的模型建立。由于虚拟仿真系统是实时渲染的(见图2),其对模型面数具有一定的要求(如过多会造成卡顿)。因此,在模型制作中应尽可能减少不必要的面,避免超过规定面数。商代城墙遗址整体形制相对简单,用土建造而成,表面粗糙、大致呈土黄色,这些特征为建模与渲染工作提供了巨大便利。考虑到目前大多数高校的信息设备状况,为确保项目产品有更强的适用性、更流畅的运行效果,设计原则上只要在视觉上有一定的真实效果即可,制作过程中通常用简单的模型框架替代复杂的模型,避免影响虚拟模型与虚拟场景的运行速度。在这一条件下,为了使简单模型也具有一定真实效果,贴图制作就显得尤为重要。Vray是目前搭配3dsmax2020系列软件最为常见、最为实用的插件,其内置多种材质贴图与灯光效果,使用者可根据需要对贴图、灯光进行调整。前期工作的重点是:设想以何种形式展现最直观、最能达到效果,从而追求具有沉浸感的体验。工作前的尝试、设想(如画草图、初步建模等)极为重要,要对最后所要呈现的效果有清楚明确的认识。

  

  3.5虚拟场景搭建

  

  虚拟场景的搭建是虚拟现实工作的核心内容。模型无法脱离场景而独立存在,优秀的场景很大程度上可以直接决定模型的最终效果与使用体验感。除虚拟场景自身需尽量细致、真实外,还应与虚拟模型相协调,如商代城墙遗址还原模型中,城内、城墙周边注定不是草木丛生的,因为这是当时的都城,有一定的人口规模;而远处的植被(根据历史研究)也应该是偏湿润气候下的南方品种。在场景搭建的过程中要从整体出发,而非孤立的完成这一模块工作,如图3所示。Unity3D5.5是一款极易上手的3D制作软件,其自身也有一定的建模功能,但无法生成复杂模型(3dsmax2020无法制作场景),需要与3dsmax系列相配合。初学者仅一周左右即可相对熟练地掌握其各项操作,缺点是目前市面上没有中文版,项目组成员需具备较好的英语基础。Unity3D5.5内置多种地图资源包、植被资源包,使用者可以根据需要进行修改或调整,针对还原工作中的特殊地形(如深沟等)则需自主制作。为保证商代城墙遗址还原工作的最终效果,同时提高工作效率,本项目将使用功能强大的最新版本Unity3D5.5。3.6软件操作与漫游视角经过3dsmax2020完成建模工作后,将模型导入Unity3D5.5所搭建的场景中,设置软件操作方式。操作设置中将以简单、便利为原则进行调整输入,增强其适用性,服务于商代城墙遗址的虚拟漫游,如图4所示。为增强虚拟现实场景漫游的真实感、沉浸感,本项目采用第一人称的漫游视角,使用者可在项目产品中自由选择观察角度。在各项工作完成后,进行软件发布。为保证软件具有更为普遍的适用性,项目产品选取发布平台为PC(计算机),校内免费使用(项目开展后期会根据实际开发状况决定是否更新为头戴设备)。

  

  3.7评估与完善

  

  “机器视觉的功能与人眼相似,即判断和测量。”[4]针对本项目的研究成果引入“考评—反馈—完善—应用”的评估完善机制。在完成项目产品的发布后,由项目组成员进行内部评估,完成初步排查。随后,项目成果接受(以商代与考古方向为主的)历史学与计算机科学的教授(专家)评估,纠正存在的历史(技术)问题、获取知识技术经验指导,探索下一步改进方向,推进项目完善更新。下一步,通过“自主分析+被试考评”的考评方式:历史学方向为主的被试(包括学生、教师、专家等)体验项目漫游效果并填写调查问卷、接受访谈,本项目组成员根据调查结果(见图5),整理收集项目反馈如BUG、历史错误、体验感差等,并书写反馈报告,最终依据反馈结果对项目成果进行修改完善(或根据实际需要再次进行商代城墙遗址的实地考察、史料查阅整理)。在历史学研究领域引入实践调查与评估分析改进的方式,较之以往史学研究多以文本史料分析等理论化方式进行,本项目研究方法紧切实际,统计信息及研究结果具有较强科学性与说服力。

  

  4课堂效果评价

  

  历史教学中的虚拟仿真运用应当趋于灵活多样。而不只局限于还原或复原某个历史情节、人、物。如果只是纠结将历史情节与人物呈现于教学之中,其实质只是对原有教育模式的继承,对于虚拟仿真技术的运用并非真正的使用,而只是单单用到了虚拟仿真技术的产品。历史教学既需要坚持历史学的主体地位,也需要不断改进教学方法。无论方法与内容如何变化,历史学科的教学永远都需要从历史学的主体出发,强调其历史性。虚拟仿真只是一个工具,作为一种视角、一种可能性而存在,还原出的并非历史本身,不能只关注其中的技术而忽略其历史性。坚持不懈了解与时俱进改革历史学的教学方式,是历史教学方式变革的必然要求。

  

  参考文献

  

  [1]国务院关于印发《“十三五”国家信息化规划》的通知[EB/OL].

  

  [2]中共中央办公厅国务院办公厅印发《关于促进移动互联网健康有序发展的意见》[EB/OL].

  

  [3][英]彼得•伯克.知识社会史(下卷)[M].陈志宏,王婉旎,译.杭州:浙江大学出版社,2016:50.

  

  [4]陈兵旗.机器视觉技术[M].北京:化学工业出版社,2018.

  

  作者:吴琼 张文浩 单位:北京师范大学历史学院


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