袁洪升 王棋 劉玲玲

【摘? ?要】? ?以三維掃描、傾斜攝影和三維繪圖為主體的數(shù)字化技術(shù)可以有效融入專業(yè)課程的教學(xué)實施和評價，是解決現(xiàn)實條件下學(xué)生與古建筑實體分離問題的有效途徑。在教學(xué)中通過數(shù)字化技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集和建模并與課程講授和教學(xué)評價相結(jié)合，可以幫助學(xué)生深入理解知識，提升教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】? ?古建筑；數(shù)字化技術(shù)；教學(xué)改革

Teaching Research of Chinese Ancient Architecture

Courses Based on Digital Technology

Yuan Hongsheng1， Wang Qi2， Liu Lingling3

（1. Langfang Normal University， Langfang 065000， China; 2. Geological Geomatics Institute of Hebei， Langfang 065000， China; 3. Hebei Xinhang Surveying and Mapping Academy Co.， Ltd.， Langfang 065000， China）

【Abstract】? ? Digital technology based on 3D scanning， oblique photography and 3D drawing can be effectively integrated into the teaching implementation and evaluation of professional courses， in order to solve the problem that students cannot access ancient buildings timely. Data acquisition or modeling through digital technology， and combine with course teaching and evaluation， can help students understand knowledge deeply and enhance teaching effect.

【Key words】? ? ?ancient architectural buildings; digital technology; teaching reform

〔中圖分類號〕? G642.3? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）01- 0103 - 04

0? ? ? 引言

中國古建筑承載的傳統(tǒng)建筑文化五千多年來綿延不斷，已經(jīng)成為中華文明的重要標(biāo)識，是發(fā)展我國文化事業(yè)和文化產(chǎn)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。由此，古建筑專業(yè)人才培養(yǎng)工作也顯出越來越重要的地位。相對于建筑設(shè)計、建筑藝術(shù)及建筑文化等諸多領(lǐng)域而言，工程技術(shù)人才的培養(yǎng)尤其重要而又相對困難，一個主要原因是受到地域空間的影響，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中與古建筑實體接觸不足，認(rèn)識實習(xí)、見習(xí)等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時占比很少，造成理論和實踐嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生的實操能力較差。近年來受疫情影響，這種現(xiàn)象愈發(fā)明顯。針對這一問題，對傳統(tǒng)模式下的古建筑專業(yè)教學(xué)工作進行了分析，并提出基于數(shù)字化技術(shù)的教學(xué)改革方法。

1? ? ? 應(yīng)用轉(zhuǎn)型背景下傳統(tǒng)教學(xué)模式局限性分析

1.1? ?教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)須支撐應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，突出學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)。高等教育的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)包括知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、情感目標(biāo)等眾多內(nèi)容。以古建筑相關(guān)專業(yè)為例，北方地區(qū)多以官式建筑作為主要教學(xué)內(nèi)容，包含大木作、瓦石作、油漆彩畫作等基礎(chǔ)課程，并在此基礎(chǔ)上開設(shè)古建筑設(shè)計、修繕等綜合應(yīng)用課程，以及古建筑制圖、測繪等技能課程。這些核心課程的教學(xué)目標(biāo)均要求掌握古建筑的基本構(gòu)造、工藝及原理，且很大程度上決定了學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)水準(zhǔn)，對以工程師人才培養(yǎng)為主的專業(yè)建設(shè)來說可謂重中之重。

1.2? ?教學(xué)模式

傳統(tǒng)教學(xué)以理論授課為主，教師主要通過講授、圖片展示等方式進行教學(xué)，一般會在授課完成后設(shè)置實訓(xùn)環(huán)節(jié)，常見的方式是到古建筑實物或修建工程現(xiàn)場進行參觀。這種課程形式由來已久，其固有的幾個缺點制約了教學(xué)效果的提升。

1.2.1? ?紙質(zhì)教材的信息傳遞不直觀

紙質(zhì)教材中通常以文字和插圖的形式進行信息表達(dá)，對于古建筑教學(xué)中的構(gòu)造、工藝進行描述時，往往存在詞不達(dá)意、令人費解的情形，尤其是面對一些生僻的名詞、概念時，即使有一些插圖來輔助理解，這種情況也非常突出。

1.2.2? ?實踐與理論教學(xué)環(huán)節(jié)不緊密

構(gòu)造、工藝類知識的學(xué)習(xí)由于其自身特點，往往需要隨時、反復(fù)印證才能達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。比如學(xué)生在初期了解到一個局部構(gòu)造，若只是課堂聽講而沒有實踐認(rèn)知，往往并不能真正理解和掌握?！盾髯印と逍А匪浴安宦劜蝗袈勚?，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之。學(xué)至于行而止矣”?！墩撜Z·學(xué)而》中也有“學(xué)而時習(xí)之”的觀點，明確指出了學(xué)習(xí)知識必須要“行、習(xí)”才能達(dá)到真正掌握的目的。實際上，傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置，即使有實踐，往往也只是參觀、了解，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能做到隨學(xué)隨看的程度，更不用說“行之、習(xí)之”了。

1.2.3? ?教學(xué)評價與學(xué)習(xí)實效不統(tǒng)一

傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)效果評價以作業(yè)、試卷等考查方式居多，側(cè)重點是知識的記憶，考核的題目針對的是一個或多個知識點且容量有限，很不系統(tǒng)，難以全面反映學(xué)生對構(gòu)造、工藝的實際理解效果。使得教學(xué)評價結(jié)果與學(xué)習(xí)的實際效果出現(xiàn)了錯位現(xiàn)象，即使是分?jǐn)?shù)較高的學(xué)生，是否能夠真正在大腦中建立起對于古建筑構(gòu)造、工藝的真實感受，不同課程之間能否消化融合、構(gòu)建整體認(rèn)識，都很難真實評價。

2? ? ?基于數(shù)字化技術(shù)的實踐教學(xué)改革方案

2.1? ?數(shù)字化技術(shù)簡介

所謂數(shù)字化技術(shù)廣義上是指通過計算機、光纜、通信衛(wèi)星等設(shè)備來表達(dá)、傳輸和處理信息的技術(shù)，本文中特指可以用于輔助教學(xué)的各種信息采集、信息表達(dá)、信息傳輸?shù)募夹g(shù)手段。這些技術(shù)手段的應(yīng)用，可以有效地解決或完善傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺點和不足。

2.1.1? ?三維掃描和傾斜攝影

三維掃描技術(shù)主要用于對物體空間外形、結(jié)構(gòu)及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)，方便快捷地將古建筑的立體信息轉(zhuǎn)換為點云，將實物數(shù)字化，主要用于單體古建筑。傾斜攝影測量技術(shù)是通過無人機以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，可以有效提升模型的生產(chǎn)效率，一個古建筑群的三維模型數(shù)據(jù)采集一般在1-2天內(nèi)即可完成，因此多用于建筑群及周邊歷史風(fēng)貌的數(shù)據(jù)采集。這兩種方式都屬于非接觸測量，在工作過程中不會對文物古建筑造成任何破壞。

2.1.2? ?三維繪圖建模

Sketch up是一款常見的矢量繪圖軟件，其特點是容易理解、上手簡單，對于沒有經(jīng)驗的學(xué)生來說入門門檻低，無論教師和學(xué)生都可以快速直接地在教學(xué)過程中自主表達(dá)古建筑構(gòu)造和工藝，有效提升交流效率。此外，其他類三維繪圖軟件也非常多，比如3Dmax、maya、犀牛、ZBrush、ug、Solidworks、CAD、C4D等，這些軟件各有所長，但一般更加適合精細(xì)模型的制作，學(xué)習(xí)和操作也會耗費相對較多的時間和精力。

2.2? ?數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的目的是獲得三維模型制作所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及與模型對象相關(guān)的資料，以用于教學(xué)。采集數(shù)據(jù)常用的方法有測記法、三維掃描、無人機傾斜攝影等技術(shù)手段。

2.3? ?數(shù)字模型案例

以古建筑作為對象，通過測記法或數(shù)字化技術(shù)，全面記錄古建筑的形制結(jié)構(gòu)、材料工藝、技術(shù)和藝術(shù)細(xì)節(jié)，通過三維模型并輔以攝影攝像、文字、錄音等手段綜合建構(gòu)成獨立完整的教學(xué)案例，在古建筑教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。古建筑數(shù)字模型可以在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上人工建模，也可通過數(shù)字化設(shè)備輔助獲取，根據(jù)教學(xué)目的和要求而定。

2.4? ?教學(xué)應(yīng)用

2.4.1? ?輔助理論教學(xué)

傳統(tǒng)形式的教材以文字、插圖為主，引入三維模型后在構(gòu)造表達(dá)上更直觀，尤其是以真實場景為素材的模型，可以給學(xué)生最準(zhǔn)確的認(rèn)知和身臨其境的感受，對于知識目標(biāo)和情感目標(biāo)的達(dá)成裨益良多，也有利于教師在課程講授中注入歷史、藝術(shù)等方面的文化元素，開展思政教育。

2.4.2? ?強化實踐教學(xué)

因受到交通、安全、資金等方面的限制，尤其是近年來受疫情的影響，校外教學(xué)實踐活動開展難度很大。在專業(yè)建設(shè)中不斷豐富數(shù)字模型案例可以有效緩解這一限制。一方面可以以數(shù)字三維模型為基礎(chǔ)素材，開展各類實習(xí)、見習(xí)活動，另一方面也可用于各類實訓(xùn)項目，如制圖、修繕、測繪、預(yù)算等應(yīng)用技能型訓(xùn)練項目。

2.4.3? ?豐富教學(xué)評價

應(yīng)用型教學(xué)要求下，對于一些構(gòu)造、工藝類課程而言，傳統(tǒng)的試卷考核方式很難反映學(xué)生的技能目標(biāo)達(dá)成度。通過人工建模方式可以有效反映學(xué)生對課程內(nèi)容的理解程度，例如在課堂教學(xué)完成后，要求學(xué)生用自己熟悉的建模軟件進行一些簡單工藝構(gòu)造的表達(dá)，可以直觀地檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，學(xué)生的數(shù)字模型不斷完善，最終完成獨立單位建筑或建筑群的制作，從而實現(xiàn)邊學(xué)邊用的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

3? ? ?教學(xué)改革實踐與評價——以《清官式瓦石營法》課程為例

3.1? ?課程特點

該課程為歷史建筑保護工程專業(yè)核心課程之一，主要內(nèi)容涵蓋了古建筑臺基、墻體、地面、屋面等各部位的傳統(tǒng)作法和工藝，課程內(nèi)容以介紹古建筑土作、瓦作和石作的構(gòu)造為主，并銜接古建筑大木作課程知識。

3.2? ?教學(xué)改革措施

為提升教學(xué)效果，基于數(shù)字化技術(shù)手段，以支撐應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求作為課程目標(biāo)，采用講授法、演示法、實習(xí)作業(yè)法進行教學(xué)組織，通過數(shù)字化技術(shù)手段加強實踐環(huán)節(jié)技能訓(xùn)練，提升教學(xué)質(zhì)量。

（1）建立并不斷完善古建筑數(shù)字模型案例庫，用于教學(xué)展示和演示。三維建筑模型對象的選取應(yīng)符合教學(xué)需求，數(shù)據(jù)精度可根據(jù)需求區(qū)分等級。授課過程中在傳統(tǒng)文字、插圖基礎(chǔ)上，適量引入三維模型展示古建筑特點和構(gòu)造，以幫助學(xué)生理解和強化感性認(rèn)識。圖1為清西陵永福寺點云數(shù)據(jù)和傾斜攝影效果示例。

（2）數(shù)字化模型制作過程納入教學(xué)過程，用于教學(xué)效果檢查和評價，如圖2、圖3所示。教學(xué)內(nèi)容講授完成后，以作業(yè)形式要求學(xué)生完成構(gòu)造模型制作，可以真實反映學(xué)習(xí)效果，如圖4所示。在期末考核或?qū)嵱?xùn)環(huán)節(jié)要求學(xué)生完成建筑單體模型的制作，建模制作質(zhì)量納入相應(yīng)考核成績，優(yōu)秀模型進入案例庫，如圖5所示。

（3）數(shù)字化模型作為階段性成果，承前啟后，打通課程壁壘。模型制作過程涵蓋了前置課程中古建筑大木作課程內(nèi)容（圖6），檐柱與墻體、柱頂石分別為不同課程所學(xué)構(gòu)件，此知識點可通過三維模型整體展示。學(xué)生課后完成的模型作為階段性成果，也可在后續(xù)的油漆彩畫、修繕等課程中繼續(xù)深化和完善。

3.3? ?教改效果

（1）教師教學(xué)素材展示更加直觀、豐富，活躍了課堂氛圍，學(xué)生學(xué)習(xí)專注度提高。

（2）教師和學(xué)生分別利用Sketch up等軟件制作了部分古建筑模型，制作過程中的專業(yè)交流增進了師生互動，提升了輔導(dǎo)效率。

（3）學(xué)習(xí)效果有所提升，期末考試成績平均分、合格率、良好率均有一定程度提升。

4? ? ?結(jié)論

（1）以三維掃描、傾斜攝影設(shè)備為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，能夠?qū)⒔ㄖ嶓w高效轉(zhuǎn)化為直觀的三維數(shù)字模型，可以有效地融入構(gòu)造、工藝類專業(yè)課程教學(xué)，適合應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求。

（2）建設(shè)以三維模型為基礎(chǔ)的教學(xué)案例庫，能夠極大豐富教學(xué)素材資源，為課程講授提供支持，并有利于結(jié)合傳統(tǒng)文化開展課程思政。

（3）將三維模型制作技術(shù)融入教學(xué)過程和教學(xué)評價，要求學(xué)生將所學(xué)知識用可視化的虛擬模型表達(dá)出來，能夠直觀反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，鍛煉學(xué)生的動手能力。

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