程世卓，裴立東，張文昭，郭琳媛，王碧強

(蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇蘇州，215000)

一、研究背景

信息技術(shù)飛速發(fā)展，計算機三維處理能力顯著增強，低成本傳感顯示元件更新迭代，使得混合現(xiàn)實技術(shù)集群的應(yīng)用在理論技術(shù)與應(yīng)用開展等方面都取得了長足進步，并在仿真訓(xùn)練、工業(yè)設(shè)計、交互體驗等多個領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，解決了諸多重大問題和普遍性需求。由于混合現(xiàn)實技術(shù)具備的現(xiàn)實空間與虛擬空間交互特征，它在歷史建筑時間和空間層面具有獨特的表現(xiàn)形式，與建筑遺產(chǎn)保護的專業(yè)需求高度契合，為建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域提供了新的研究思維和方法體系。

混合現(xiàn)實技術(shù)通過在現(xiàn)實場景呈現(xiàn)虛擬場景信息，在現(xiàn)實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，增強用戶體驗的真實感。[1]混合現(xiàn)實技術(shù)利用相機跟蹤注冊、位置與角度傳感器、視頻圖像增強等虛擬環(huán)境技術(shù)把真實的事物疊加到虛擬現(xiàn)實里，利用Nreal、三維立體顯示設(shè)備實現(xiàn)建筑的三維建模，輔以依據(jù)文獻材料的考據(jù)而補充的人工數(shù)字建模，進行虛實場景實時融合繪制，一定程度上還原歷史建筑原貌，最終憑借Holo-Lens、可穿戴顯示設(shè)備等三維角色的增強虛擬環(huán)境技術(shù)，讓人們切實地感受到歷史建筑遺產(chǎn)的本體、細部及其環(huán)境氛圍。

因此，這一新興技術(shù)與現(xiàn)實素材的優(yōu)化結(jié)合，已被建筑遺產(chǎn)保護工作者積極應(yīng)用，實現(xiàn)了學(xué)科的前沿化推進。[2]與此同時，傳統(tǒng)建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)仍然面臨著諸多問題。近年來，諸多國內(nèi)外知名建筑院校已嘗試應(yīng)用混合現(xiàn)實技術(shù)到建筑遺產(chǎn)的實踐教學(xué)中，并取得了突破性的教學(xué)進展。如何總結(jié)、吸收這些經(jīng)驗，促進該技術(shù)不斷適應(yīng)教學(xué)需要，實現(xiàn)優(yōu)化、普及，是目前高等院校建筑學(xué)教育的熱點問題，也是提高實踐教學(xué)效果的機遇。

二、建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)中的問題

(一)信息認知碎片

在建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)中，對建筑遺產(chǎn)相關(guān)信息進行全面的調(diào)研和把握是基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。然而，目前大多數(shù)的建筑遺產(chǎn)存在原真性缺失問題。一方面是因為在歲月長河中，一定數(shù)量的建筑遺產(chǎn)因疏于保護而出現(xiàn)了建筑面層材料破損、結(jié)構(gòu)構(gòu)件脫落等現(xiàn)象；另一方面是因為在城市建設(shè)更新中部分建筑遺產(chǎn)被再次利用或改建，在此過程中由于建筑保護意識和保護能力不足，出現(xiàn)某些藝術(shù)裝飾被人為替換、重要部件未得到科學(xué)修繕等現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)存建筑遺產(chǎn)信息不準(zhǔn)確。因此，在傳統(tǒng)教學(xué)方式中，學(xué)生難以全面、準(zhǔn)確地掌握建筑遺產(chǎn)的真實歷史信息。

對建筑遺產(chǎn)本體信息損毀和改變的問題，傳統(tǒng)教學(xué)模式的應(yīng)對方法是從歷史文獻中查詢相關(guān)內(nèi)容進行互足。但文字資料、歷史圖片通常年代久遠，質(zhì)量和精度欠佳，學(xué)生在有限的實踐學(xué)習(xí)時間內(nèi)很難透徹解讀和全面理解。同時，以二維的方式(手繪圖紙、文字梳理等)記錄、展示建筑遺產(chǎn)的相關(guān)歷史信息存在很大的局限性，前期調(diào)研成果的呈現(xiàn)效果欠佳。

對建筑遺產(chǎn)信息的周全認知是對建筑遺產(chǎn)進行改造、修復(fù)、利用等環(huán)節(jié)的必備前期基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)教學(xué)模式的調(diào)研方法難以全面覆蓋建筑遺產(chǎn)的信息需求，致使學(xué)生對其認知碎片化，給建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)的接續(xù)程序帶來不便。

(二)環(huán)境感知受限

基于對建筑遺產(chǎn)本體的了解，直觀體會其所處的自然環(huán)境、城市環(huán)境和人文環(huán)境，同樣是建筑遺產(chǎn)研究和實踐課程的必備環(huán)節(jié)。但是，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)程序的環(huán)境感知環(huán)節(jié)往往存在兩個問題。

其一，現(xiàn)存建筑遺產(chǎn)環(huán)境歷經(jīng)多年的變遷，大多數(shù)處于被遮擋或被使用得不可接近或不可進入狀態(tài)，為師生的環(huán)境調(diào)研帶來了一定的困難。例如，楊廷寶規(guī)劃設(shè)計的東北大學(xué)校園及其附屬建筑，現(xiàn)已被劃定為省級文物建筑群體，由遼寧省政府機關(guān)單位使用，師生對該建筑群體進行全面的環(huán)境調(diào)研和建筑測繪必然會對辦公人員造成干擾，且辦公的私密性要求也令建筑調(diào)研工作難以全面展開。

其二，受城市發(fā)展等現(xiàn)實條件的影響，建筑遺產(chǎn)所處的環(huán)境存在材質(zhì)、環(huán)境條件的更迭，原有的整體氛圍難以體現(xiàn)。例如，哈爾濱圣·克列謝耶夫教堂的主體的整體結(jié)構(gòu)基本完好，內(nèi)部藝術(shù)裝飾信息尚存，但因人為的破壞，該建筑已湮沒在破敗的民房群落中，當(dāng)年寧靜、肅穆的教堂廣場已蕩然無存，真實且寶貴的建筑人文環(huán)境和藝術(shù)氛圍已經(jīng)消失。

(三)實習(xí)過程艱苦

建筑遺產(chǎn)的研究和實踐學(xué)習(xí)涉及對歷史遺存的甄別、結(jié)構(gòu)的復(fù)原、構(gòu)造細部的修繕等多個環(huán)節(jié)，學(xué)生不僅需要扎實的專業(yè)技能基礎(chǔ)，而且需要對專業(yè)細節(jié)保持專注和耐心，這樣才能保證教學(xué)成果的準(zhǔn)確、科學(xué)。因此，建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)相較其他繪畫寫生實習(xí)、城市調(diào)研實習(xí)等更為嚴謹且枯燥。

同時，建筑遺產(chǎn)實習(xí)的實地調(diào)研、細部推敲、階段成果比對等環(huán)節(jié)都需要近距離觀察建筑實體，大量的學(xué)習(xí)實踐需要在建筑遺產(chǎn)現(xiàn)場完成。由于本科階段的建筑遺產(chǎn)實踐環(huán)節(jié)通常安排在暑期，而建筑遺產(chǎn)現(xiàn)址常處于荒廢或條件欠佳狀態(tài)，因此，高溫酷暑、蚊蟲叮咬、現(xiàn)代衛(wèi)生設(shè)施不足等物理條件使學(xué)生實習(xí)過程較為艱苦。

(四)修繕成果單一

傳統(tǒng)技術(shù)主導(dǎo)下的建筑遺產(chǎn)實習(xí)的教學(xué)成果形式通常是繪制圖紙、制作計算機模型，最終截取模型的關(guān)鍵部分統(tǒng)一編輯成二維圖片。這一成果形式雖然具有保證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、形式統(tǒng)一、查閱簡便等優(yōu)勢，但也存在成果展示片面、欠直觀、形式單一的缺點。

近年來，在數(shù)控模型機輔助下，部分高校開始嘗試將建筑遺產(chǎn)的實習(xí)成果制作成3D模型。該方法有效規(guī)避了二維平面成果形式的弊端，但在數(shù)年的摸索與總結(jié)中，其局限性也逐漸顯現(xiàn)。首先，能反映建筑精細化模型的制作時間成本、人力的耗費較大，學(xué)生往往難以在規(guī)定的學(xué)時內(nèi)完成。其次，3D實體模型主要用于成果的最終展示，并適合用于階段性推敲建筑模型，且模型的局部調(diào)整工作量大，對幫助認知建筑遺產(chǎn)結(jié)構(gòu)的意義有限。最后，展示學(xué)生制作的3D建筑模型需要較大的空間，教學(xué)成果的保存占地嚴重，這也成為近年來這一教學(xué)改革實施的主要現(xiàn)實障礙。

三、混合現(xiàn)實技術(shù)在建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

隨著混合現(xiàn)實技術(shù)在建筑遺產(chǎn)研究領(lǐng)域的應(yīng)用條件的成熟，近年來多所中外知名建筑院校和科研院所逐漸將該技術(shù)體系納入實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。該技術(shù)有效突破了傳統(tǒng)建筑遺產(chǎn)實踐教育中的局限，在教學(xué)領(lǐng)域體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。

(一)前期調(diào)研充分直觀

混合現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到建筑遺產(chǎn)的實踐教學(xué)中，在前期調(diào)研環(huán)節(jié)發(fā)揮了顯著的優(yōu)勢。

一方面，使學(xué)生對建筑遺產(chǎn)信息的認知更全面、直觀?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)可以將來自史料、檔案的各種信息以專業(yè)、直觀的形式登記在信息平臺上，準(zhǔn)確、詳盡地記錄建筑遺產(chǎn)的物理現(xiàn)狀，使師生能夠獲得建筑遺產(chǎn)不同歷史層面的信息。例如，在對拜占庭圣·馬可大教堂的教學(xué)與研究中，米蘭理工大學(xué)開發(fā)了“BIM3Dsurvey”軟件，專門用于存儲教堂墻面上大量且珍貴的馬賽克壁畫的高清圖像、位置、年份、歷史背景等信息。雖然壁畫的馬賽克片不斷脫落，但根據(jù)考古學(xué)的信息補充，研究人員和師生就能夠通過該軟件獲得壁畫的歷史原貌及其不同代表時期的信息，為圍繞教堂進行的建筑遺產(chǎn)課程提供基礎(chǔ)的信息保障。

另一方面，能夠還原建筑遺產(chǎn)的真實歷史環(huán)境及其氛圍的原真感受?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)可以在教學(xué)中以虛實融合的方式展現(xiàn)建筑空間形態(tài)和組合形式，構(gòu)建一個三維空間，使學(xué)生身臨其境地感受體量、尺度、形狀和比例，同時還原歷史或關(guān)鍵時期歷史建筑所處的環(huán)境狀態(tài)，使學(xué)生更好地理解建筑的空間塑造和人的精神反映。目前，一些建筑院校和科研院所根據(jù)歷史資料復(fù)原出建筑乃至完整的虛擬場景，讓戴上混合現(xiàn)實眼鏡的學(xué)生可以切身體驗建筑空間、近距離觀察建筑細節(jié)，大幅優(yōu)化了前期調(diào)研的效果，為實踐教學(xué)的開展夯實了基礎(chǔ)。

(二)學(xué)習(xí)方法標(biāo)準(zhǔn)易學(xué)

混合現(xiàn)實技術(shù)雖然包括多種技術(shù)方法類型，但經(jīng)由多年的探索積累，業(yè)界已經(jīng)形成了幾條成熟的技術(shù)路徑，學(xué)生只要掌握基本的操作規(guī)程和模塊應(yīng)用，就可以進入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

例如，在麻省理工學(xué)院的Atoms Atelier數(shù)字遺產(chǎn)工作坊中，教師首先詳細講解攝影建模(Photogrammetric Modeling)、全景視頻(Panoramic Video)、游戲引擎(Game Engine)、無人機(Drone)及虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)等技術(shù)的原理和應(yīng)用，然后手把手教學(xué)生從零開始學(xué)習(xí)Agisoft Photoscan、Autodesk Recap Photo、Unity Game Engine、Rhino等數(shù)字化軟件。學(xué)生通過AR技術(shù)和全景視頻，以數(shù)字化的方式沉浸式地學(xué)習(xí)建筑遺產(chǎn)的歷史，并運用Unity Game Engine、Rhino等數(shù)字化軟件建構(gòu)建筑遺產(chǎn)模型，高效、準(zhǔn)確地再現(xiàn)歷史場景。

與此不同，我國的中視典公司采用混合現(xiàn)實設(shè)備，借助微軟的Holo-Lens工具，開發(fā)了適用于建筑遺產(chǎn)教學(xué)及研究的教學(xué)平臺，以解決中國傳統(tǒng)建筑的實踐教學(xué)難題。以寧波保國寺大殿為例，該教學(xué)平臺能夠生動地再現(xiàn)宋代木構(gòu)建筑建造過程的三維影像，為學(xué)生快速掌握傳統(tǒng)木構(gòu)式建筑的特點提供技術(shù)支持。同時，該教學(xué)平臺還設(shè)有古建筑監(jiān)測觀察模塊，通過接入保國寺的每個構(gòu)件狀態(tài)數(shù)據(jù)，學(xué)生能夠觀察到該構(gòu)件的具體信息。這一技術(shù)舉措為學(xué)習(xí)建筑遺產(chǎn)及其重要構(gòu)件提供了便利，讓學(xué)生可以自主動手選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和時長。[3]目前，該教學(xué)平臺已被同濟大學(xué)、江南大學(xué)等國內(nèi)多所知名高校用于傳統(tǒng)建筑木構(gòu)架的認知、學(xué)習(xí)和實踐環(huán)節(jié)，已經(jīng)取得良好的效果。[4]

(三)學(xué)習(xí)過程沉浸有趣

在建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)中應(yīng)用混合現(xiàn)實技術(shù)的一個最突出的特色便是可以使學(xué)生充分沉浸在建筑遺產(chǎn)的歷史環(huán)境中，近距離學(xué)習(xí)歷史建筑。

混合現(xiàn)實技術(shù)可以準(zhǔn)確地獲取人在三維空間中的位置信息，使多名學(xué)生同時處于虛擬的歷史空間中，并扮演歷史中的角色，一起對建筑進行細致的觀察和交流。學(xué)生不局限于站在某一個固定點上，也不必作為孤立的個體存在于虛擬空間中，而是可以作為環(huán)境的一部分直接與同一場景中的同學(xué)交流，感受模擬歷史情境中的氛圍。

除此之外，學(xué)生還可以與空間互動。麻省理工學(xué)院的Atoms Atelier XR工作坊的成員在教師的指導(dǎo)下，設(shè)計了一個和解謎游戲相結(jié)合的增強現(xiàn)實程序，通過情感敘事構(gòu)筑空間序列，以此強化參與者的感知，并激發(fā)他們對學(xué)習(xí)文物古跡的興趣。

近年來，建筑設(shè)計行業(yè)開始采用Holo-Lens的混合現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計人員佩戴Holo-Lens全息眼鏡，在同一位置空間中，通過可視化的三維模型多角度觀察、交流和修改建筑設(shè)計，為設(shè)計工作帶來了極大的便利。[5]建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)近期也借鑒了這一方法，研究了斗拱構(gòu)件化模型的虛擬現(xiàn)實教學(xué)應(yīng)用：戴上虛擬現(xiàn)實眼鏡后，學(xué)生可以在虛擬空間中將斗拱構(gòu)件拼裝成斗拱，拼裝正確就會收到拼接成功的彈窗提示。這些與混合現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合的教學(xué)手段使學(xué)生擁有沉浸式課堂體驗，提升了課堂的趣味性、學(xué)生的積極性，也加深了學(xué)生對內(nèi)容的印象和理解，提升了教學(xué)效果。

(四)教學(xué)成果準(zhǔn)確豐富

混合現(xiàn)實技術(shù)對建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)成果的最終呈現(xiàn)主要有三個積極作用。

第一，通過混合現(xiàn)實技術(shù)可以預(yù)先觀察和構(gòu)建建筑遺產(chǎn)經(jīng)修復(fù)后的形態(tài)，提高修復(fù)方案的科學(xué)性和合理性。建筑遺產(chǎn)因其結(jié)構(gòu)、材料、工藝的復(fù)雜性，在傳統(tǒng)的圖紙上反復(fù)修改十分耗時耗力，而建筑遺產(chǎn)的修繕容錯程度又極低，一旦出現(xiàn)修復(fù)問題，對原建筑造成的損壞是不可逆的。而通過混合現(xiàn)實技術(shù)建立數(shù)字化建筑模型來推敲建筑遺產(chǎn)的修復(fù)方案具有兩個優(yōu)勢。[6]一是能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通過文字和二維圖像表達的方法，提升師生、研究人員之間的溝通效果；二是所營造的虛擬空間，不僅可以展示建筑和景觀，而且可以融入人類的知識積累和感官感知，多維度地展示建筑遺產(chǎn)的細節(jié)，避免“想象式吸收”產(chǎn)生的知識謬誤。

第二，可以調(diào)動多個領(lǐng)域的知識進入教學(xué)環(huán)節(jié)，滿足學(xué)生的多元知識需求，令教學(xué)成果更完善、準(zhǔn)確。例如，日本高校在建筑遺產(chǎn)的實踐教學(xué)中廣泛應(yīng)用小組方式，由教師帶領(lǐng)學(xué)生參觀建筑遺產(chǎn)并輔助講解。日本Hakuhodo-VRAR 與京都博物館共同設(shè)計的“京都混合現(xiàn)實博物館”，采用混合現(xiàn)實設(shè)備設(shè)計了一個虛擬人物作為觀賞引導(dǎo)者。[7]該方法解決了因教師個人研究領(lǐng)域的局限性而客觀存在的知識缺漏問題，將多領(lǐng)域知識與數(shù)據(jù)嚴密結(jié)合起來，滿足學(xué)生多元的知識獲取需求。

第三，在混合現(xiàn)實技術(shù)的輔助下，實踐教學(xué)的考核結(jié)果和教學(xué)成果更全面。在建筑遺產(chǎn)的知識考核方面，同濟大學(xué)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的傳統(tǒng)木構(gòu)認知與建造系統(tǒng)，讓學(xué)生在虛擬空間中實施最終建造并進行考核，避免二維繪圖對多維細節(jié)的忽略與含糊處理，確保學(xué)生扎實掌握歷史建筑的主要特點。同樣，在混合現(xiàn)實技術(shù)的介入下，教學(xué)成果能夠突破文本、圖紙等二維形式，由學(xué)生自主搭建生成的建筑遺產(chǎn)數(shù)字模型，不僅可以全方位地展示學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，而且基于嚴謹調(diào)研的建筑遺產(chǎn)三維數(shù)字復(fù)原，能夠形成可記錄和研究的關(guān)于建筑遺產(chǎn)的實用、直觀、可調(diào)整的數(shù)字模型資料，為后續(xù)相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

建筑遺產(chǎn)教學(xué)是一門古老的學(xué)科。在我國，梁思成、林徽因等學(xué)術(shù)前輩開啟了對全國范圍內(nèi)建筑遺產(chǎn)的專業(yè)研究及實踐教學(xué)。近百年來它始終跟隨著時代技術(shù)進步的腳步，在教學(xué)方式方法和教學(xué)成果上不斷優(yōu)化改進。

數(shù)字時代為建筑遺產(chǎn)的實踐教學(xué)帶來了新的發(fā)展契機，基于混合現(xiàn)實技術(shù)搭建的海量信息平臺、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實的交錯時空、人機互動感應(yīng)等強大的數(shù)字化系統(tǒng)和傳感設(shè)備，建筑遺產(chǎn)的實踐教學(xué)突破了原有“實地調(diào)研—紙面繪圖”的模式，克服了傳統(tǒng)建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)中對建筑信息認知碎片化、環(huán)境感知受限、實習(xí)過程艱苦、教學(xué)成果單一等問題，走入了多重空間、多向維度、沉浸體驗、互動學(xué)習(xí)的復(fù)合多元模式，收獲了多方位的教學(xué)效果。今天，混合現(xiàn)實技術(shù)越來越成熟，伴隨著該技術(shù)的應(yīng)用范圍拓寬、運作精度精細化、技術(shù)操作簡易化等發(fā)展，其在建筑遺產(chǎn)實踐教學(xué)中的應(yīng)用會越來越深入，在為該課程的傳統(tǒng)教學(xué)體系帶來沖擊和挑戰(zhàn)的同時，也提供了新發(fā)展契機和教育革新方向。