程世卓，裴立东，张文昭，郭琳媛，王碧强
(苏州科技大学建筑与城市规划学院，江苏苏州，215000)
信息技术飞速发展，计算机三维处理能力显著增强，低成本传感显示元件更新迭代，使得混合现实技术集群的应用在理论技术与应用开展等方面都取得了长足进步，并在仿真训练、工业设计、交互体验等多个领域得到普遍应用，解决了诸多重大问题和普遍性需求。由于混合现实技术具备的现实空间与虚拟空间交互特征，它在历史建筑时间和空间层面具有独特的表现形式，与建筑遗产保护的专业需求高度契合，为建筑遗产保护领域提供了新的研究思维和方法体系。
混合现实技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，增强用户体验的真实感。[1]混合现实技术利用相机跟踪注册、位置与角度传感器、视频图像增强等虚拟环境技术把真实的事物叠加到虚拟现实里，利用Nreal、三维立体显示设备实现建筑的三维建模，辅以依据文献材料的考据而补充的人工数字建模，进行虚实场景实时融合绘制，一定程度上还原历史建筑原貌，最终凭借Holo-Lens、可穿戴显示设备等三维角色的增强虚拟环境技术，让人们切实地感受到历史建筑遗产的本体、细部及其环境氛围。
因此，这一新兴技术与现实素材的优化结合，已被建筑遗产保护工作者积极应用，实现了学科的前沿化推进。[2]与此同时，传统建筑遗产实践教学仍然面临着诸多问题。近年来，诸多国内外知名建筑院校已尝试应用混合现实技术到建筑遗产的实践教学中，并取得了突破性的教学进展。如何总结、吸收这些经验，促进该技术不断适应教学需要，实现优化、普及，是目前高等院校建筑学教育的热点问题，也是提高实践教学效果的机遇。
(一)信息认知碎片
在建筑遗产实践教学中，对建筑遗产相关信息进行全面的调研和把握是基础环节。然而，目前大多数的建筑遗产存在原真性缺失问题。一方面是因为在岁月长河中，一定数量的建筑遗产因疏于保护而出现了建筑面层材料破损、结构构件脱落等现象；
另一方面是因为在城市建设更新中部分建筑遗产被再次利用或改建，在此过程中由于建筑保护意识和保护能力不足，出现某些艺术装饰被人为替换、重要部件未得到科学修缮等现象，导致现存建筑遗产信息不准确。因此，在传统教学方式中，学生难以全面、准确地掌握建筑遗产的真实历史信息。
对建筑遗产本体信息损毁和改变的问题，传统教学模式的应对方法是从历史文献中查询相关内容进行互足。但文字资料、历史图片通常年代久远，质量和精度欠佳，学生在有限的实践学习时间内很难透彻解读和全面理解。同时，以二维的方式(手绘图纸、文字梳理等)记录、展示建筑遗产的相关历史信息存在很大的局限性，前期调研成果的呈现效果欠佳。
对建筑遗产信息的周全认知是对建筑遗产进行改造、修复、利用等环节的必备前期基础，而传统教学模式的调研方法难以全面覆盖建筑遗产的信息需求，致使学生对其认知碎片化，给建筑遗产实践教学的接续程序带来不便。
(二)环境感知受限
基于对建筑遗产本体的了解，直观体会其所处的自然环境、城市环境和人文环境，同样是建筑遗产研究和实践课程的必备环节。但是，传统的实践教学程序的环境感知环节往往存在两个问题。
其一，现存建筑遗产环境历经多年的变迁，大多数处于被遮挡或被使用得不可接近或不可进入状态，为师生的环境调研带来了一定的困难。例如，杨廷宝规划设计的东北大学校园及其附属建筑，现已被划定为省级文物建筑群体，由辽宁省政府机关单位使用，师生对该建筑群体进行全面的环境调研和建筑测绘必然会对办公人员造成干扰，且办公的私密性要求也令建筑调研工作难以全面展开。
其二，受城市发展等现实条件的影响，建筑遗产所处的环境存在材质、环境条件的更迭，原有的整体氛围难以体现。例如，哈尔滨圣·克列谢耶夫教堂的主体的整体结构基本完好，内部艺术装饰信息尚存，但因人为的破坏，该建筑已湮没在破败的民房群落中，当年宁静、肃穆的教堂广场已荡然无存，真实且宝贵的建筑人文环境和艺术氛围已经消失。
(三)实习过程艰苦
建筑遗产的研究和实践学习涉及对历史遗存的甄别、结构的复原、构造细部的修缮等多个环节，学生不仅需要扎实的专业技能基础，而且需要对专业细节保持专注和耐心，这样才能保证教学成果的准确、科学。因此，建筑遗产实践教学相较其他绘画写生实习、城市调研实习等更为严谨且枯燥。
同时，建筑遗产实习的实地调研、细部推敲、阶段成果比对等环节都需要近距离观察建筑实体，大量的学习实践需要在建筑遗产现场完成。由于本科阶段的建筑遗产实践环节通常安排在暑期，而建筑遗产现址常处于荒废或条件欠佳状态，因此，高温酷暑、蚊虫叮咬、现代卫生设施不足等物理条件使学生实习过程较为艰苦。
(四)修缮成果单一
传统技术主导下的建筑遗产实习的教学成果形式通常是绘制图纸、制作计算机模型，最终截取模型的关键部分统一编辑成二维图片。这一成果形式虽然具有保证标准规范、形式统一、查阅简便等优势，但也存在成果展示片面、欠直观、形式单一的缺点。
近年来，在数控模型机辅助下，部分高校开始尝试将建筑遗产的实习成果制作成3D模型。该方法有效规避了二维平面成果形式的弊端，但在数年的摸索与总结中，其局限性也逐渐显现。首先，能反映建筑精细化模型的制作时间成本、人力的耗费较大，学生往往难以在规定的学时内完成。其次，3D实体模型主要用于成果的最终展示，并适合用于阶段性推敲建筑模型，且模型的局部调整工作量大，对帮助认知建筑遗产结构的意义有限。最后，展示学生制作的3D建筑模型需要较大的空间，教学成果的保存占地严重，这也成为近年来这一教学改革实施的主要现实障碍。
随着混合现实技术在建筑遗产研究领域的应用条件的成熟，近年来多所中外知名建筑院校和科研院所逐渐将该技术体系纳入实践教学环节。该技术有效突破了传统建筑遗产实践教育中的局限，在教学领域体现出显著的优势。
(一)前期调研充分直观
混合现实技术应用到建筑遗产的实践教学中，在前期调研环节发挥了显著的优势。
一方面，使学生对建筑遗产信息的认知更全面、直观。混合现实技术可以将来自史料、档案的各种信息以专业、直观的形式登记在信息平台上，准确、详尽地记录建筑遗产的物理现状，使师生能够获得建筑遗产不同历史层面的信息。例如，在对拜占庭圣·马可大教堂的教学与研究中，米兰理工大学开发了“BIM3Dsurvey”软件，专门用于存储教堂墙面上大量且珍贵的马赛克壁画的高清图像、位置、年份、历史背景等信息。虽然壁画的马赛克片不断脱落，但根据考古学的信息补充，研究人员和师生就能够通过该软件获得壁画的历史原貌及其不同代表时期的信息，为围绕教堂进行的建筑遗产课程提供基础的信息保障。
另一方面，能够还原建筑遗产的真实历史环境及其氛围的原真感受。混合现实技术可以在教学中以虚实融合的方式展现建筑空间形态和组合形式，构建一个三维空间，使学生身临其境地感受体量、尺度、形状和比例，同时还原历史或关键时期历史建筑所处的环境状态，使学生更好地理解建筑的空间塑造和人的精神反映。目前，一些建筑院校和科研院所根据历史资料复原出建筑乃至完整的虚拟场景，让戴上混合现实眼镜的学生可以切身体验建筑空间、近距离观察建筑细节，大幅优化了前期调研的效果，为实践教学的开展夯实了基础。
(二)学习方法标准易学
混合现实技术虽然包括多种技术方法类型，但经由多年的探索积累，业界已经形成了几条成熟的技术路径，学生只要掌握基本的操作规程和模块应用，就可以进入学习状态。
例如，在麻省理工学院的Atoms Atelier数字遗产工作坊中，教师首先详细讲解摄影建模(Photogrammetric Modeling)、全景视频(Panoramic Video)、游戏引擎(Game Engine)、无人机(Drone)及虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等技术的原理和应用，然后手把手教学生从零开始学习Agisoft Photoscan、Autodesk Recap Photo、Unity Game Engine、Rhino等数字化软件。学生通过AR技术和全景视频，以数字化的方式沉浸式地学习建筑遗产的历史，并运用Unity Game Engine、Rhino等数字化软件建构建筑遗产模型，高效、准确地再现历史场景。
与此不同，我国的中视典公司采用混合现实设备，借助微软的Holo-Lens工具，开发了适用于建筑遗产教学及研究的教学平台，以解决中国传统建筑的实践教学难题。以宁波保国寺大殿为例，该教学平台能够生动地再现宋代木构建筑建造过程的三维影像，为学生快速掌握传统木构式建筑的特点提供技术支持。同时，该教学平台还设有古建筑监测观察模块，通过接入保国寺的每个构件状态数据，学生能够观察到该构件的具体信息。这一技术举措为学习建筑遗产及其重要构件提供了便利，让学生可以自主动手选择学习内容和时长。[3]目前，该教学平台已被同济大学、江南大学等国内多所知名高校用于传统建筑木构架的认知、学习和实践环节，已经取得良好的效果。[4]
(三)学习过程沉浸有趣
在建筑遗产实践教学中应用混合现实技术的一个最突出的特色便是可以使学生充分沉浸在建筑遗产的历史环境中，近距离学习历史建筑。
混合现实技术可以准确地获取人在三维空间中的位置信息，使多名学生同时处于虚拟的历史空间中，并扮演历史中的角色，一起对建筑进行细致的观察和交流。学生不局限于站在某一个固定点上，也不必作为孤立的个体存在于虚拟空间中，而是可以作为环境的一部分直接与同一场景中的同学交流，感受模拟历史情境中的氛围。
除此之外，学生还可以与空间互动。麻省理工学院的Atoms Atelier XR工作坊的成员在教师的指导下，设计了一个和解谜游戏相结合的增强现实程序，通过情感叙事构筑空间序列，以此强化参与者的感知，并激发他们对学习文物古迹的兴趣。
近年来，建筑设计行业开始采用Holo-Lens的混合现实技术，设计人员佩戴Holo-Lens全息眼镜，在同一位置空间中，通过可视化的三维模型多角度观察、交流和修改建筑设计，为设计工作带来了极大的便利。[5]建筑遗产实践教学近期也借鉴了这一方法，研究了斗拱构件化模型的虚拟现实教学应用：戴上虚拟现实眼镜后，学生可以在虚拟空间中将斗拱构件拼装成斗拱，拼装正确就会收到拼接成功的弹窗提示。这些与混合现实技术结合的教学手段使学生拥有沉浸式课堂体验，提升了课堂的趣味性、学生的积极性，也加深了学生对内容的印象和理解，提升了教学效果。
(四)教学成果准确丰富
混合现实技术对建筑遗产实践教学成果的最终呈现主要有三个积极作用。
第一，通过混合现实技术可以预先观察和构建建筑遗产经修复后的形态，提高修复方案的科学性和合理性。建筑遗产因其结构、材料、工艺的复杂性，在传统的图纸上反复修改十分耗时耗力，而建筑遗产的修缮容错程度又极低，一旦出现修复问题，对原建筑造成的损坏是不可逆的。而通过混合现实技术建立数字化建筑模型来推敲建筑遗产的修复方案具有两个优势。[6]一是能够代替传统的通过文字和二维图像表达的方法，提升师生、研究人员之间的沟通效果；
二是所营造的虚拟空间，不仅可以展示建筑和景观，而且可以融入人类的知识积累和感官感知，多维度地展示建筑遗产的细节，避免“想象式吸收”产生的知识谬误。
第二，可以调动多个领域的知识进入教学环节，满足学生的多元知识需求，令教学成果更完善、准确。例如，日本高校在建筑遗产的实践教学中广泛应用小组方式，由教师带领学生参观建筑遗产并辅助讲解。日本Hakuhodo-VRAR 与京都博物馆共同设计的“京都混合现实博物馆”，采用混合现实设备设计了一个虚拟人物作为观赏引导者。[7]该方法解决了因教师个人研究领域的局限性而客观存在的知识缺漏问题，将多领域知识与数据严密结合起来，满足学生多元的知识获取需求。
第三，在混合现实技术的辅助下，实践教学的考核结果和教学成果更全面。在建筑遗产的知识考核方面，同济大学基于虚拟现实技术构建的传统木构认知与建造系统，让学生在虚拟空间中实施最终建造并进行考核，避免二维绘图对多维细节的忽略与含糊处理，确保学生扎实掌握历史建筑的主要特点。同样，在混合现实技术的介入下，教学成果能够突破文本、图纸等二维形式，由学生自主搭建生成的建筑遗产数字模型，不仅可以全方位地展示学生的学习成果，而且基于严谨调研的建筑遗产三维数字复原，能够形成可记录和研究的关于建筑遗产的实用、直观、可调整的数字模型资料，为后续相关研究奠定基础。
建筑遗产教学是一门古老的学科。在我国，梁思成、林徽因等学术前辈开启了对全国范围内建筑遗产的专业研究及实践教学。近百年来它始终跟随着时代技术进步的脚步，在教学方式方法和教学成果上不断优化改进。
数字时代为建筑遗产的实践教学带来了新的发展契机，基于混合现实技术搭建的海量信息平台、虚拟现实与增强现实的交错时空、人机互动感应等强大的数字化系统和传感设备，建筑遗产的实践教学突破了原有“实地调研—纸面绘图”的模式，克服了传统建筑遗产实践教学中对建筑信息认知碎片化、环境感知受限、实习过程艰苦、教学成果单一等问题，走入了多重空间、多向维度、沉浸体验、互动学习的复合多元模式，收获了多方位的教学效果。今天，混合现实技术越来越成熟，伴随着该技术的应用范围拓宽、运作精度精细化、技术操作简易化等发展，其在建筑遗产实践教学中的应用会越来越深入，在为该课程的传统教学体系带来冲击和挑战的同时，也提供了新发展契机和教育革新方向。
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