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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展

虛擬現實技術(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與應用的熱點。美國是世界上最早應用虛擬現實技術的國家，于20世紀40年代開展虛擬現實技術研究。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，以及動態圖像的提取。美國、英國、意大利和德國的專家利用數字技術虛擬重建羅馬古城(被稱為世界上規模最大最完整的虛擬古建筑)。這項名為“羅馬重生”的工程重現了公元320年康斯坦丁皇帝統治時期的羅馬古城，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異的模擬能力，迅速對社會現實完成了正向反饋。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展，虛擬現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，在文化教育領域的發展極為有限。2016年被視為我國的“虛擬仿真元年”。在這一年國務院印發的《“十三五”國家信息化規劃》[1]明確指出要強化戰略性前沿技術超前布局。2017年，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《關于促進移動互聯網健康有序發展的意見》提出要求：實現核心技術系統性突破。其中，加緊人工智能、虛擬現實、增強現實、微機電系統等新興移動互聯網關鍵技術布局，盡快實現部分前沿技術、顛覆性技術在全球率先取得突破[2]。2018年國家發展和改革委員會、財政部、銀保監會等多部門聯合《關于發展數字經濟穩定并擴大就業的指導意見》要求：創新人才培養培訓方式，新工科背景下環境工程專業學生實踐創新能力培養與改革探索。這是虛擬現實技術進一步融入教育、文化的重要標志。2019年《產業結構調整指導目錄(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。這意味著在國家的產業結構調整中，虛擬現實技術與產業的發展將成為重點，國家將該項技術作為新一輪世界科學技術與產業變革之中的重點發展技術。

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，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，呈現效果極佳。相比于Maya，CINEMA4D等三維軟件，在國內具有更好的產業基礎，有利于本項目及時取得有效幫助與長期發展。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。虛擬現實技術借助三維軟件技術制作而成，“3I”是虛擬現實技術的主要特點，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，并且生成一定的環境效果。即用戶可以在鄭州商代城墻遺址的虛擬現實“空間”之中進行自由的行動，根據自己的意愿探索環境，選擇傾向于體驗的環境。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

虛擬現實技術與三維動畫技術相互關聯、有機統一。如：建立商代城墻遺址的虛擬場景需要在三維軟件系統中設計相關模型。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別于虛擬仿真技術中的模型建立。由于虛擬仿真系統是實時渲染的(見圖2)，其對模型面數具有一定的要求(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，避免超過規定面數。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實工作的核心內容。模型無法脫離場景而獨立存在，優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，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。”[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、人、物。如果只是糾結將歷史情節與人物呈現于教學之中，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，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《“十三五”國家信息化規劃》的通知[EB/OL].

[2]中共中央辦公廳國務院辦公廳印發《關于促進移動互聯網健康有序發展的意見》[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:化學工業出版社,2018.

作者：吳瓊 張文浩 單位：北京師范大學歷史學院