虛擬仿真技術(shù)在銀琺瑯工藝教學(xué)中的應(yīng)用

王賀光

鄭州工程技術(shù)學(xué)院

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和教育模式的轉(zhuǎn)變，虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)通過(guò)模擬真實(shí)的環(huán)境和情境，為學(xué)生提供了更加直觀、生動(dòng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。在傳統(tǒng)工藝教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)也展現(xiàn)出了巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。

本文旨在探討虛擬仿真技術(shù)在銀琺瑯工藝教學(xué)中的應(yīng)用，并建立相應(yīng)的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)虛擬仿真技術(shù)在銀琺瑯工藝教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，以及對(duì)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施進(jìn)行研究，旨在提高銀琺瑯工藝教學(xué)的效果，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，進(jìn)而培養(yǎng)出高水平的工藝人才。本研究對(duì)于推動(dòng)傳統(tǒng)工藝教育的創(chuàng)新和發(fā)展具有重要意義。通過(guò)將虛擬仿真技術(shù)與銀琺瑯工藝教學(xué)相結(jié)合，不僅可以促進(jìn)傳統(tǒng)工藝的傳承和創(chuàng)新，還可以拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。同時(shí)，本研究也為其他傳統(tǒng)工藝教學(xué)提供了借鑒和參考，有助于推動(dòng)傳統(tǒng)工藝教育的現(xiàn)代化和國(guó)際化進(jìn)程。

一、相關(guān)概念

（一）銀琺瑯工藝

銀琺瑯工藝是一種在金屬器物表面繪制彩色圖案的技藝，其特點(diǎn)是使用金屬絲或細(xì)線在器物表面勾勒出圖案的輪廓，并將不同顏色的琺瑯填充在輪廓內(nèi)部，然后通過(guò)高溫?zé)剖蛊涔袒凸饬痢ｃy琺瑯工藝在我國(guó)有著悠久的歷史，可以追溯到公元14 世紀(jì)的元朝時(shí)期。它在明朝和清朝達(dá)到了巔峰，銀琺瑯工藝品成為皇室貴族珍視的工藝品。銀琺瑯工藝常用于制作各種器皿、裝飾品，如花瓶、酒杯、香爐、匣子等。銀琺瑯工藝的重要性在于，它不僅是一種傳統(tǒng)的手工藝，也是中華文化的瑰寶之一。

（二）虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)生成虛擬環(huán)境，模擬真實(shí)世界的行為和交互的技術(shù)。它利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、物理引擎和交互技術(shù)，使用戶能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行互動(dòng)和實(shí)驗(yàn)，以獲取與真實(shí)世界相似的體驗(yàn)。虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作，能為學(xué)生提供安全、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和觀察，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和過(guò)程的理解。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合虛擬仿真技術(shù)可以創(chuàng)建沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔和手柄進(jìn)行交互，與虛擬環(huán)境中的對(duì)象和場(chǎng)景進(jìn)行互動(dòng)，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)的參與度，有身臨其境的感覺(jué)。

二、研究現(xiàn)狀

（一）虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的效果。它通過(guò)模擬真實(shí)場(chǎng)景，為學(xué)生提供了一種身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加直觀、生動(dòng)。虛擬仿真技術(shù)不僅可應(yīng)用于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)中，還可應(yīng)用于實(shí)踐性學(xué)習(xí)中。

在醫(yī)學(xué)教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)可以使學(xué)生在虛擬環(huán)境中模擬手術(shù)操作，進(jìn)而提高其操作技能和決策能力。此外，虛擬仿真技術(shù)還可以模擬各種臨床環(huán)境、疾病癥狀，讓學(xué)生能夠在虛擬空間中更直觀地進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

工程類學(xué)科的學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真技術(shù)模擬各種工程項(xiàng)目，包括建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析等。這樣可以提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和解決問(wèn)題的能力，進(jìn)而減少實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間［4］。

在化學(xué)、物理、生物等理論學(xué)科的教學(xué)中，學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作，感受真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。虛擬仿真技術(shù)還可以模擬復(fù)雜的物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)，幫助學(xué)生更好地理解和掌握理論知識(shí)。

虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)，如技術(shù)成本、教師培訓(xùn)等。但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和普及，這些問(wèn)題將逐漸得到解決。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用將為教育領(lǐng)域帶來(lái)更多的機(jī)會(huì)和可能性，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和興趣，而且能促進(jìn)教育的創(chuàng)新和發(fā)展。

（二）銀琺瑯工藝教學(xué)的現(xiàn)狀

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，銀琺瑯工藝教學(xué)中也逐漸引入了這一技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)的工藝場(chǎng)景，為學(xué)生提供更加真實(shí)和自由的學(xué)習(xí)環(huán)境，這樣學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作，不受時(shí)間和空間的限制，并能夠根據(jù)個(gè)人的學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行學(xué)習(xí)。

北京工業(yè)大學(xué)的董薇團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款基于移動(dòng)終端平臺(tái)的體驗(yàn)式交互游戲，將景泰藍(lán)復(fù)雜的傳統(tǒng)工藝流程用身臨其境的體驗(yàn)形式移植到虛擬的移動(dòng)終端App 應(yīng)用上，展示了景泰藍(lán)工藝制作過(guò)程。在此過(guò)程中，引發(fā)了筆者對(duì)目前傳統(tǒng)藝術(shù)的發(fā)展困境和策略的思考，以及新媒體環(huán)境下數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)藝術(shù)相結(jié)合的可能性，并設(shè)想了其結(jié)合前景及其雙贏路徑。［1］

呂林雪等人的《論北京傳統(tǒng)手工藝的數(shù)字化保護(hù)——以景泰藍(lán)為例》一文，試圖以北京景泰藍(lán)為例，探討傳統(tǒng)手工藝的數(shù)字化保護(hù)問(wèn)題。文章首先闡述了北京景泰藍(lán)的歷史淵源，探討了景泰藍(lán)的生存現(xiàn)狀，然后分析了數(shù)字化保護(hù)的優(yōu)越性，并探討了景泰藍(lán)的數(shù)字化保護(hù)方案，提出利用數(shù)字化技術(shù)采集、存儲(chǔ)傳統(tǒng)手工藝資料和信息，建立傳統(tǒng)手工藝數(shù)字化資源數(shù)據(jù)庫(kù)。［2］

熊露等人的《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在陶瓷釉料工藝中的應(yīng)用》一文，利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)，研制了基于Windows 平臺(tái)的陶瓷釉料工藝仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)工藝實(shí)驗(yàn)相對(duì)煩瑣、耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?shí)現(xiàn)了陶瓷工藝實(shí)驗(yàn)方法的多元化。結(jié)果表明，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相互配合，可提高實(shí)驗(yàn)效率，為打造全新的“低碳”陶瓷工藝實(shí)驗(yàn)技術(shù)提供了條件，具有一定的推廣價(jià)值。［3］

鄧卉在《基于VR 技術(shù)的陶瓷燒窯工藝虛擬體驗(yàn)應(yīng)用研究》一文中，以實(shí)地觀察法了解長(zhǎng)沙銅官窯譚家坡龍窯遺跡的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其陶瓷燒窯工藝的展示方式存在一系列需要改良的問(wèn)題，并以實(shí)驗(yàn)研究法在動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)和VR 技術(shù)展示兩個(gè)方面將陶瓷燒窯工藝制作升華到所見(jiàn)即所得的層次，使參觀者進(jìn)入虛擬的燒窯空間，體驗(yàn)在不同溫度下泥與火的碰撞。［4］

銀琺瑯工藝教學(xué)正逐漸借助虛擬仿真技術(shù)的力量進(jìn)行改革和創(chuàng)新。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用為學(xué)生提供了更加真實(shí)和自由的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高了學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)興趣。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信銀琺瑯工藝教學(xué)將迎來(lái)更加美好的未來(lái)。

三、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于銀琺瑯工藝教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

（一）傳統(tǒng)銀琺瑯工藝教學(xué)的局限性

傳統(tǒng)的銀琺瑯工藝教學(xué)存在一定的局限性。傳統(tǒng)的銀琺瑯工藝教學(xué)通常需要實(shí)際的琺瑯制作工具、材料和設(shè)備，以及實(shí)物示范和指導(dǎo)。這就導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中必須親自接觸實(shí)物，并進(jìn)行實(shí)地操作，這種依賴性可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)時(shí)間的限制，以及教學(xué)成本的增加。傳統(tǒng)的銀琺瑯工藝教學(xué)往往無(wú)法滿足每個(gè)學(xué)生的需求。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的教學(xué)方法通常需要專業(yè)的工作室和設(shè)備，以及經(jīng)驗(yàn)豐富的教師，這可能限制了學(xué)生接觸和學(xué)習(xí)銀琺瑯工藝的機(jī)會(huì)。

（二）虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)可以將銀琺瑯工藝制作的過(guò)程和技巧以圖像和動(dòng)畫的形式展示給學(xué)生，使學(xué)生能夠更直觀地理解每個(gè)步驟和技術(shù)細(xì)節(jié)。虛擬仿真技術(shù)可以追蹤學(xué)生的操作并提供實(shí)時(shí)反饋。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中嘗試不同的方法和技巧，而不必?fù)?dān)心犯錯(cuò)或造成損失。系統(tǒng)可以及時(shí)檢測(cè)和糾正學(xué)生的錯(cuò)誤，并向?qū)W生提供指導(dǎo)和建議，幫助他們改進(jìn)和提高。虛擬仿真技術(shù)還可以為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和創(chuàng)造力探索銀琺瑯工藝制作的不同可能性。學(xué)生只需通過(guò)計(jì)算機(jī)或虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備就能夠體驗(yàn)銀琺瑯工藝制作，無(wú)須依賴于工作室和設(shè)備，這為學(xué)生提供了更多學(xué)習(xí)和實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

四、銀琺瑯工藝虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的建立

（一）原理構(gòu)想與仿真邏輯

首先，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合”的制作模式，從傳統(tǒng)銀琺瑯工藝課程的教學(xué)內(nèi)容出發(fā)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，得出線下實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容和結(jié)合方式。其次，解決虛擬仿真技術(shù)手段介入銀琺瑯燒制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要問(wèn)題，如傳統(tǒng)銀琺瑯工藝線下實(shí)操練習(xí)成本過(guò)高等問(wèn)題。最后，與同類型非遺傳承的形式相比，基于信息技術(shù)的虛擬銀琺瑯體驗(yàn)系統(tǒng)中，學(xué)生可以從不同時(shí)間、地域、空間對(duì)該工藝進(jìn)行虛擬體驗(yàn)。

具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)仿真銀琺瑯工藝制作工作室環(huán)境，包括模擬銀琺瑯工藝制作工作室的布局、工作臺(tái)、工具架等各種元素，以營(yíng)造出逼真的工作場(chǎng)景。虛擬環(huán)境的創(chuàng)建可以讓學(xué)生在虛擬空間中進(jìn)行銀琺瑯工藝制作的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。在虛擬仿真工作室中，需要準(zhǔn)確地模擬銀琺瑯工藝制作過(guò)程。通過(guò)計(jì)算機(jī)建模和物理引擎技術(shù)，可以模擬各種銀琺瑯工藝材料的外觀、質(zhì)地和特性，以及銀琺瑯工藝制作所需的各種工具，如刷子、顏料、烤爐等。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中與這些虛擬材料和工具進(jìn)行交互，模擬銀琺瑯工藝制作過(guò)程。虛擬仿真工作室可以提供銀琺瑯工藝制作技術(shù)和操作的模擬。通過(guò)精確的物理引擎和運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，可以模擬各種銀琺瑯工藝制作的動(dòng)作和手勢(shì)，如刷涂、烘烤、拋光等。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中模擬實(shí)際操作，通過(guò)虛擬工具和虛擬材料進(jìn)行技術(shù)實(shí)踐和訓(xùn)練，以提高操作水平和熟練度。

（二）系統(tǒng)展示

該項(xiàng)目在銀琺瑯工藝虛擬體驗(yàn)、基于數(shù)據(jù)智能的預(yù)制功能、仿真釉色庫(kù)的建立方面取得了突破性、創(chuàng)新性的成果。第一，基于數(shù)據(jù)智能研發(fā)的預(yù)制功能。在虛擬體驗(yàn)銀燒藍(lán)工藝中，學(xué)生可以在不同時(shí)間、地域、空間對(duì)該工藝進(jìn)行虛擬體驗(yàn)，感性認(rèn)知后進(jìn)入實(shí)操，這樣可以創(chuàng)新銀琺瑯工藝傳承的模式。為了提升銀琺瑯工藝虛擬仿真體驗(yàn)的逼真性和真實(shí)性，基于銀琺瑯工藝的實(shí)踐流程，研發(fā)了基于數(shù)據(jù)智能研發(fā)的預(yù)制功能。這項(xiàng)功能將結(jié)果狀態(tài)拆分成若干元素，將系統(tǒng)各階段的狀態(tài)預(yù)先存入數(shù)據(jù)庫(kù)，規(guī)避程序運(yùn)行結(jié)果的不可預(yù)期性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能模擬功能，進(jìn)而呈現(xiàn)可預(yù)期的結(jié)果形式。第二，銀琺瑯燒制虛擬仿真關(guān)鍵數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建?；赨ML 建立銀琺瑯工藝流程模塊、材料物理屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)過(guò)程尋找變量點(diǎn)，建立變量的函數(shù)模型，為預(yù)渲染建立數(shù)學(xué)程式庫(kù)。將感性的燒藍(lán)工藝流程以虛擬交互體驗(yàn)的形式呈現(xiàn)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?；赪ebGL 建立色輪，抽取釉色，建立釉色庫(kù)，為實(shí)時(shí)渲染做好準(zhǔn)備。第三，基于數(shù)據(jù)智能的燒藍(lán)過(guò)程交互。根據(jù)數(shù)據(jù)智能的預(yù)制，基于釉色庫(kù)，對(duì)點(diǎn)藍(lán)過(guò)程中的著色參數(shù)進(jìn)行預(yù)渲染，讓受眾提前感知最終的成品效果，有效提升虛擬仿真燒藍(lán)過(guò)程中交互的體驗(yàn)感。第四，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中既包含了銀琺瑯工藝文化知識(shí)體系的全部?jī)?nèi)容，也包含頗具價(jià)值的紋樣圖案資料，還有真實(shí)工藝操作視頻作為教學(xué)輔助，同時(shí)對(duì)核心部分內(nèi)容進(jìn)行了大量3D 建模預(yù)處理和動(dòng)畫制作，并設(shè)計(jì)了多種方式的交互環(huán)節(jié)，拓展了實(shí)驗(yàn)的深度和廣度；立足“設(shè)計(jì)性”實(shí)驗(yàn)水平的提升，將“紋樣設(shè)計(jì)”納入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)：大師紋樣庫(kù)解決了學(xué)生學(xué)習(xí)與分析紋樣在器型中分布的問(wèn)題；分類紋樣提取依據(jù)銀琺瑯創(chuàng)作的紋樣分布模塊進(jìn)行細(xì)分設(shè)計(jì)。第五，實(shí)驗(yàn)過(guò)程創(chuàng)新。銀琺瑯傳統(tǒng)制作工藝的實(shí)驗(yàn)過(guò)程尊崇科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性、綜合性，采用“理論知識(shí)學(xué)習(xí)+虛擬仿真項(xiàng)目學(xué)習(xí)+現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)踐教學(xué)”的線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式，融合案例教學(xué)、情境教學(xué)、線上線下互動(dòng)學(xué)習(xí)等多種教學(xué)方法和手段。通過(guò)運(yùn)用線下理論復(fù)習(xí)、線上訓(xùn)練與反饋、線下鞏固練習(xí)的進(jìn)階設(shè)計(jì)，借助三維建模手段模擬銀琺瑯制作工藝場(chǎng)景和工藝流程，構(gòu)建了“線下—線上—線下”的混合教學(xué)模式，契合了“虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)”的教學(xué)設(shè)計(jì)理念。

五、結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)在銀琺瑯工藝教學(xué)中的應(yīng)用具有許多優(yōu)勢(shì)，展示了其巨大的潛力和未來(lái)發(fā)展方向。虛擬仿真技術(shù)可以為學(xué)生提供真實(shí)的體驗(yàn)，可以使學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐和探索。學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真技術(shù)模擬不同的工藝過(guò)程，如調(diào)配琺瑯顏料、上釉、燒制等，從而提高實(shí)踐能力和解決問(wèn)題的能力。此外，虛擬仿真技術(shù)在銀琺瑯工藝教學(xué)中的應(yīng)用還可以促進(jìn)學(xué)生之間的協(xié)作和交流。學(xué)生可以通過(guò)虛擬環(huán)境中的社交功能與其他同學(xué)或教師進(jìn)行互動(dòng)和合作，分享經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，從而形成學(xué)習(xí)社群。