基于实践应用的工业文物数字化保护虚拟照明设计课程教学探讨

张国峰，王舒阳，管 歆

(1.辽宁科技大学，辽宁 鞍山 114051； 2.上海华为技术有限公司，上海 201206)

引言

2013年，四川美术学院在院长罗中立的支持下，周波教授领衔申请了“艺术与科技”特设专业(专业代码为130509T)，开设了全国第一个照明设计本科专业。目前为止，在本、专科开设照明设计专业的还有山东工艺美术学院、大连工业大学、辽宁科技大学、广东职业技术学院等多所院校。近年来，照明设计课程也陆续在其他数十所高校开设[1]。而在硕士和博士阶段很早就设有照明和光学研究方向的有清华大学、同济大学、重庆大学、天津大学、复旦大学、中央美术学院等多所院校。

1 照明设计教学现状

1.1 专业和学科建设还没有形成独立完整的体系

目前为止，各类院校或单独申请设立“艺术与科技”特设专业来培养照明人才，如四川美术学院的艺术与科技专业；或在原有专业系统开设照明设计课程，转型培养照明人才，如辽宁科技大学的环境设计专业；还是在原有培养体系中加入部分照明课程，补充和强化基础照明专业知识，如沈阳航空航天大学的环境设计专业，在照明人才的培养上都是依托学校自身的学科背景或基于原来的专业框架来进行，照明人才培养体系都只侧重一个方向。无论是艺术与科技教育，还是文科与工科的深度交叉融合，都处于泾渭分明的状态，交叉型人才很少[2]，没有形成独立完整的体系。

1.2 专业教材系统不完整和专业师资队伍缺乏

目前各高校从事照明教育和照明方向研究的教师，结合自身的教学工作和科研工作实际出版了为数不多的教材，但因其背景不一，教材各有侧重，或偏向于艺术设计类，或偏于理工技术类，或注重理论研究，没有覆盖照明全行业及专业、学科的各个层级，既不系统也不完整。由于国内照明教育时间较短和专业设计文科与工科教育泾渭分明的状态，所以各高校的照明教师基本都是通过外聘企业教师和自有教师培养转型的途径来解决照明专业教师缺乏的问题，现有企业教师和自由转型培养的教师也因来自于不同专业、不同行业，参差不齐。

1.3 授课内容设置不合理，教学模式固化，学生自主学习的灵活性较差

目前开设照明课程的，因为没有教育部专业目录的指导，各高校在课程内容设置上基本都是根据行业专家的建议和所聘任的企业教师的背景来设置课程，照明设计课程教学应兼具文科教学与工科教学两方面内容，课程内容设置不合理。目前很多高校照明教学还是以外聘的照明企业教师为主，因企业教师专业背景的不同以及在照明行业中从事的工作也有所不同，所以在照明教学授课环节中，都是以自己的案例、经验为主要教学内容，课程内容单一，模式固化，前后课程内容知识不连贯。学生在课堂上被动接受知识，学生自主学习的灵活性较差，教学方式还存在诸多不足之处。

2 基于实践应用的工业文物数字化保护虚拟照明设计教学模式构建

2.1 实践性教学平台的搭建

辽宁科技大学建筑与艺术设计学院精准靶向照明人才供给侧“双缺口”，在国家和地方加速推动现代产业学院的背景下，学院在2020年申请并获得辽宁省教育厅批准，成立了“中国(辽宁科技大学)照明产业学院。在产业学院照明课程教学过程中，学院结合虚拟现实技术和工业文物的保护研究实践，以实践应用型人才为教学结果导向，开设了工业文物数字化保护虚拟照明设计课程。

2.2 实践性教学过程的实施

工业文物数字化保护虚拟照明设计教学全过程，既包括理论知识的认知实验，针对工业文物数字化保护与虚拟照明设计过程中内业和外业特点不同，采用了不同的教学方法，具体包括：

(1)形象生动的工业文物数字化保护虚拟仿真内、外业场景教学。分别构建了虚拟仿真实验室和虚拟仿真交互系统，通过调节“虚拟照明”的按钮和数值可以自行调节照明效果，可以设定的包括：背景灯和灯的数量、位置、颜色、距离、高低、角度、亮度、类型，还可以设定场景以及转换效果图，最后还可以将您调节满意的光照效果记录下来，并保存照片。形象生动地还原了工业文物数字化保护与虚拟照明设计过程的演示，能较好激发学生学习的兴趣，也便于相关知识点的组织和教学(图1)。

图1 虚拟照明交互验证模式一Fig.1 Interactive verification mode one for virtual lighting

(2)基于历史、文献及影像资料和学习视频结合，认知实验验证设计。采用视频循环播放的方式，对工业文物进行展示和介绍，通过视频和虚拟交互系统的联动，实现学生对工业文物数字化保护与虚拟照明设计过程中相关知识的认知。通过不同的虚拟布光，验证认知灯光安全中最容易被忽略的光辐射、照度水平、曝光量对文物安全造成影响，也为后面的操作实验奠定基础(图2)。

图2 虚拟照明交互验证模式二Fig.2 Interactive verification mode two for virtual lighting

(3)理论测试和操作测评相结合的学习考评反馈体系。系统针对每个实验步骤提供了测试习题集，测试学生对相关知识点的掌握情况，系统针对每个实验步骤，设计了专门的测试题集。同时系统还针对学生操作过程的准确性、熟练程度也做了设计评价体系(图3)。通过评价体系，体现在博物馆照明设计中，应秉承“安全”“还原”“舒适”的照明设计理论。

图3 课堂教学反转Fig.3 The reversal ofclassroom teaching

(4)课前预习、练习模式和考试模式。为了使学生能够更好地学习知识，在课堂上能够更加高效地理解所学知识，实验学生端主要功能包括“课前预习”、“练习模式”、“考试模式”三个环节，其中交互性操作步骤共计 10 步。在课前预习环节，学生可基于互联网在线运行仿真软件，了解软件内容，记录制作难点，后台的教师账号可以看到学生的学习情况。为了让学生能够更加深入地理解和运用所学知识，课后可结合教师课堂所讲内容再次进行软件操作，将知识要点掌握牢固(图4、图5)。

图4 课前预习、练习模式和考试模式Fig.4 Pre-class practice，practice mode，exam mode

图5 考试模式Fig.5 Exam mode

2.3 实践性教学特色

(1)教学方法创新。教学方法是实现教学任务的保证。根据工业文物数字化保护与虚拟照明设计学习的基本任务，该虚拟仿真实验系统提供了丰富的知识体系，注重多模式虚拟场景建设，具有较强的操作性。

(2)评价体系创新。该平台提供多维度的评价体系。学生操作过程中，系统能够进行相应的控制与记录，为学生提供即时、针对性的反馈与评价；学生在学习过程中用及时发现问题、当场解决问题的方式来巩固或加强对所学知识点的熟练程度，最终达到培养学生综合创新能力和综合素养的目的。

(3)对传统教学的延伸与拓展，提升了教学质量，达到了良好的教学效果。

工业文物数字化保护与虚拟照明设计是对传统工业文物与工业遗产保护手段的有力补充，目前传统专业教学注重理论教学，虚拟仿真实验教学是一种让人身临其境的教学方式，生动直观。系统中的课件、操作视频、三维动画等资料可以让学生轻松掌握相关理论知识和实验步骤。教师配合手机移动端和学生完成及时互动，对教学进程能达到完全掌控，多数学生对实验内容能够自如表述，教师对实验环节出现的问题也能够及时纠正学生，反转课堂教学相对于传统教学而言提升了教学质量，达到了良好的教学效果，学生总评成绩优良率达到95%以上。

3 结论

工业文物数字化保护与虚拟照明设计实验课程的开设改变了传统实验教学模式，不仅能减轻教师的教学压力，通过运用虚拟仿真的方式教学还提高了教师的实验教学水平。通过该系统，教师也可以将自己的企业实践和科研成果得以展示和推广，增强了教学的时效性和前沿性，极大地节省了教学经费、教学资源和教学时间，起到了良好的实践教学效果。在基于实践的教学中，根据学科特点和教学效果对教学内容不断调整，逐渐形成完整的教学体系，建立实践性照明教学的创新模式[3]。