基于數字化技術的中國古建筑構造類課程教學改革研究

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字化技術可以有效融入專業課程的教學實施和評價，是解決現實條件下學生與古建筑實體分離問題的有效途徑。在教學中通過數字化技術進行數據采集和建模并與課程講授和教學評價相結合，可以幫助學生深入理解知識，提升教學效果。

【關鍵詞】? ?古建筑；數字化技術；教學改革

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? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）01- 0103 - 04

0? ? ? 引言

中國古建筑承載的傳統建筑文化五千多年來綿延不斷，已經成為中華文明的重要標識，是發展我國文化事業和文化產業的重要物質基礎。由此，古建筑專業人才培養工作也顯出越來越重要的地位。相對于建筑設計、建筑藝術及建筑文化等諸多領域而言，工程技術人才的培養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，學生在學習過程中與古建筑實體接觸不足，認識實習、見習等實踐教學環節學時占比很少，造成理論和實踐嚴重脫節，學生的實操能力較差。近年來受疫情影響，這種現象愈發明顯。針對這一問題，對傳統模式下的古建筑專業教學工作進行了分析，并提出基于數字化技術的教學改革方法。

1? ? ? 應用轉型背景下傳統教學模式局限性分析

1.1? ?教學目標

教學目標須支撐應用型人才培養目標要求，突出學生的實踐能力培養。高等教育的專業培養目標包括知識目標、能力目標、情感目標等眾多內容。以古建筑相關專業為例，北方地區多以官式建筑作為主要教學內容，包含大木作、瓦石作、油漆彩畫作等基礎課程，并在此基礎上開設古建筑設計、修繕等綜合應用課程，以及古建筑制圖、測繪等技能課程。這些核心課程的教學目標均要求掌握古建筑的基本構造、工藝及原理，且很大程度上決定了學生的專業學習水準，對以工程師人才培養為主的專業建設來說可謂重中之重。

1.2? ?教學模式

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

1.2.1? ?紙質教材的信息傳遞不直觀

紙質教材中通常以文字和插圖的形式進行信息表達，對于古建筑教學中的構造、工藝進行描述時，往往存在詞不達意、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? ?實踐與理論教學環節不緊密

構造、工藝類知識的學習由于其自身特點，往往需要隨時、反復印證才能達到較好的學習效果。比如學生在初期了解到一個局部構造，若只是課堂聽講而沒有實踐認知，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。學至于行而止矣”?！墩撜Z·學而》中也有“學而時習之”的觀點，明確指出了學習知識必須要“行、習”才能達到真正掌握的目的。實際上，傳統教學環節的設置，即使有實踐，往往也只是參觀、了解，遠遠不能做到隨學隨看的程度，更不用說“行之、習之”了。

1.2.3? ?教學評價與學習實效不統一

傳統的學習效果評價以作業、試卷等考查方式居多，側重點是知識的記憶，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，難以全面反映學生對構造、工藝的實際理解效果。使得教學評價結果與學習的實際效果出現了錯位現象，即使是分數較高的學生，是否能夠真正在大腦中建立起對于古建筑構造、工藝的真實感受，不同課程之間能否消化融合、構建整體認識，都很難真實評價。

2? ? ?基于數字化技術的實踐教學改革方案

2.1? ?數字化技術簡介

所謂數字化技術廣義上是指通過計算機、光纜、通信衛星等設備來表達、傳輸和處理信息的技術，本文中特指可以用于輔助教學的各種信息采集、信息表達、信息傳輸的技術手段。這些技術手段的應用，可以有效地解決或完善傳統教學模式的缺點和不足。

2.1.1? ?三維掃描和傾斜攝影

三維掃描技術主要用于對物體空間外形、結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標，方便快捷地將古建筑的立體信息轉換為點云，將實物數字化，主要用于單體古建筑。傾斜攝影測量技術是通過無人機以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，可以有效提升模型的生產效率，一個古建筑群的三維模型數據采集一般在1-2天內即可完成，因此多用于建筑群及周邊歷史風貌的數據采集。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，對于沒有經驗的學生來說入門門檻低，無論教師和學生都可以快速直接地在教學過程中自主表達古建筑構造和工藝，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模型的制作，學習和操作也會耗費相對較多的時間和精力。

2.2? ?數據采集

數據采集的目的是獲得三維模型制作所需的基礎數據以及與模型對象相關的資料，以用于教學。采集數據常用的方法有測記法、三維掃描、無人機傾斜攝影等技術手段。

2.3? ?數字模型案例

以古建筑作為對象，通過測記法或數字化技術，全面記錄古建筑的形制結構、材料工藝、技術和藝術細節，通過三維模型并輔以攝影攝像、文字、錄音等手段綜合建構成獨立完整的教學案例，在古建筑教學中具有廣闊的應用前景。古建筑數字模型可以在基礎數據基礎上人工建模，也可通過數字化設備輔助獲取，根據教學目的和要求而定。

2.4? ?教學應用

2.4.1? ?輔助理論教學

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

2.4.2? ?強化實踐教學

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，校外教學實踐活動開展難度很大。在專業建設中不斷豐富數字模型案例可以有效緩解這一限制。一方面可以以數字三維模型為基礎素材，開展各類實習、見習活動，另一方面也可用于各類實訓項目，如制圖、修繕、測繪、預算等應用技能型訓練項目。

2.4.3? ?豐富教學評價

應用型教學要求下，對于一些構造、工藝類課程而言，傳統的試卷考核方式很難反映學生的技能目標達成度。通過人工建模方式可以有效反映學生對課程內容的理解程度，例如在課堂教學完成后，要求學生用自己熟悉的建模軟件進行一些簡單工藝構造的表達，可以直觀地檢驗學生的學習效果。隨著學習的不斷深入，學生的數字模型不斷完善，最終完成獨立單位建筑或建筑群的制作，從而實現邊學邊用的學習目標。

3? ? ?教學改革實踐與評價——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核心課程之一，主要內容涵蓋了古建筑臺基、墻體、地面、屋面等各部位的傳統作法和工藝，課程內容以介紹古建筑土作、瓦作和石作的構造為主，并銜接古建筑大木作課程知識。

3.2? ?教學改革措施

為提升教學效果，基于數字化技術手段，以支撐應用型人才培養需求作為課程目標，采用講授法、演示法、實習作業法進行教學組織，通過數字化技術手段加強實踐環節技能訓練，提升教學質量。

（1）建立并不斷完善古建筑數字模型案例庫，用于教學展示和演示。三維建筑模型對象的選取應符合教學需求，數據精度可根據需求區分等級。授課過程中在傳統文字、插圖基礎上，適量引入三維模型展示古建筑特點和構造，以幫助學生理解和強化感性認識。圖1為清西陵永福寺點云數據和傾斜攝影效果示例。

（2）數字化模型制作過程納入教學過程，用于教學效果檢查和評價，如圖2、圖3所示。教學內容講授完成后，以作業形式要求學生完成構造模型制作，可以真實反映學習效果，如圖4所示。在期末考核或實訓環節要求學生完成建筑單體模型的制作，建模制作質量納入相應考核成績，優秀模型進入案例庫，如圖5所示。

（3）數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容（圖6），檐柱與墻體、柱頂石分別為不同課程所學構件，此知識點可通過三維模型整體展示。學生課后完成的模型作為階段性成果，也可在后續的油漆彩畫、修繕等課程中繼續深化和完善。

3.3? ?教改效果

（1）教師教學素材展示更加直觀、豐富，活躍了課堂氛圍，學生學習專注度提高。

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

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

4? ? ?結論

（1）以三維掃描、傾斜攝影設備為基礎的數據采集技術，能夠將建筑實體高效轉化為直觀的三維數字模型，可以有效地融入構造、工藝類專業課程教學，適合應用型人才培養需求。

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

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

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