坭兴陶窑变烧制工艺虚拟仿真实验教学平台开发建设研究

周兴海 李荣

摘要：广西钦州坭兴陶是中国“四大名陶”之一，广西坭兴陶也通过了国家地理标志产品保护技术审查。研究从虚拟仿真技术的坭兴陶非遗文化活态记录和传承角度切入，以交互式的虚拟烧制技艺为平台，达到“安全保护、广泛传播、体验教育、全面展示”的预期效果。以此，希望能够对坭兴陶烧制非物质文化遗产的活态记录和传播的形式进行新的探索和补充，并且可以总结出数字化虚拟仿真交互技术在非遗文化中运用的一般规律为其它的非遗文化提供参考。

关键词：窑变烧制;虚拟仿真;教学平台

一、虚拟仿真实验教学平台实验原理

利用虚拟仿真实验教学平台，真实还原窑变烧制实验室场景，通过坭兴陶窑变烧制虚拟仿真实验的高仿真度，学生学习正确的窑炉操作方法，掌握四种坭兴陶窑变烧制的原理、工艺特点和实验操作方法（如图1所示）。

坭兴陶传统电窑窑变烧制虚拟仿真实验原理：通过电窑加温加热方式对坭兴陶坯品进行烘烤。经过排水阶段、低温阶段、中温阶段、高温阶段将窑内温度升至1150℃，在保温阶段将煤块、松香投入窑内，不充分消耗窑内氧气，使窑内既有氧化气氛又有还原气氛，即中性气氛。处在氧化气氛下的坭兴陶会生成砖红色、古铜色或黄褐色，并留下火焰燎过的痕迹;而处在还原气氛下的坭兴陶坯体中的高价铁会还原变成氧化亚铁，同时浓烟中的碳元素会吸附到坭兴陶表面，形成黑灰色、深青色或深蓝色等暗色调，所以坭兴陶会呈现出一边红一边黑的窑变现象，窑内冷却后开窑，烧制工艺和窑变效果仿真度达98%以上。整个工艺流程为：打开窑门→装窑（装泥坯）→关闭窑门→打开电源→设定升温曲线→烧制→熏窑（投放可燃物）→保温→降温→出窑（如图2所示）。

坭兴陶定点窑变烧制虚拟仿真实验原理：用匣钵遮盖住不需还原的坭兴陶坯品，通过电窑加温加热方式对坭兴陶坯品进行烘烤。经过排水阶段、低温阶段、中温阶段、高温阶段将窑内温度升至1150℃，在保温阶段将煤块和松香燃烧消耗窑内氧气，产生少量火焰和大量浓烟，使窑内缺氧形成还原气氛，处在还原气氛下的坭兴陶坯体中的高价铁会还原变成氧化亚铁，同时浓烟中的碳元素会吸附到坭兴陶表面，形成黑灰色、深青色或深蓝色等暗色调，而有匣钵覆盖的地方，因有匣钵的遮挡而无法被碳元素附着，形成古铜色或深红色，烧制工艺和窑变效果仿真度达96%以上。

坭兴陶盐烧窑变烧制虚拟仿真实验原理：通过电窑加温加热方式对坭兴陶坯品进行烘烤。经过排水阶段、低温阶段、中温阶段、高温阶段将窑内温度升至1150℃，在保温阶段关闭电源，带上防毒面具，打开投料口，将海盐投入窑内，海盐在高温中分解出的钠化合物与二氧化硅结合形成薄薄釉面，同时也会与胚体中的氧化铝产生排斥现象，造成"桔皮"的玻璃质感的窑变效果，烧制工艺和窑变效果仿真度达95%以上。

二、虚拟仿真实验教学平台实验基本功能

虚拟仿真交互技术是一门综合性的学科技术，它包含了数字图形、多媒体、网络、人机交互、艺术等多个学科的综合技术。虚拟现实技术对人类的学习和生活都产生了巨大的影响，打破了我们学习时间和空间的局限性，通过网络技术平台构建的虚拟仿真展示场景，利用传感设备对人的视、听、触、味、嗅等进行感知，体验者可以根据自己的知识结构和兴趣，利用空余时间在虚拟场景中对非遗文化进行了解，从而更好的唤醒人们对非遗文化保护和传承的认知、观念和创造力（如图3所示）。

虚拟现实技术的仿真功能系统，可以创建出虚拟的三维空间和一个真实的动态环境，使用户的可以在这样的虚拟空间和环境中更好的认识和了解坭兴陶窑变技艺，在体验上和接受程度上得到愉悦，改变了以前通过计算机单向获取的知识的枯燥乏味的局面。虚拟交互环境技术使人们可以直接观察到事物的运动方式;过程数据的可视化提供了新的方式;为人类探索宏观和微观世界提供了新的途径;为人机交流开辟了一个新的研究领域。

根据体验者、虚拟场景与现实世界三者之间的关系，虚拟现实可以分为三种形式：分别为增强现实（AR），虚拟现实（VR）和混合现实（MR）（如图4所示）。这三种虚拟现实的方式主要目的就是将虚拟场景与现实世界两个不同的场景进行互动，让用户可以在这样的环境中获取到坭兴陶窑变烧制的更多真实可靠的信息。

数字化虚拟仿真采集与处理为坭兴陶烧制工艺的虚拟交互体验提供了有力保障;数字化虚拟仿真将素材转换与设计为坭兴陶烧制工艺的虚拟交互体验提供了有效资源;数字化虚拟图形软件与三维制作软件都为烧制工艺的虚拟体验提供了可靠媒介。数字化虚拟仿真技术有别于传统的数字化保护的优点就是数字化素材再次转换与设计，并且通过三维空间的建立将素材进行二次转换，可以起到调配保障数字虚拟设计体验的作用。数字化虚拟交互技术为坭兴陶烧制非遗的文化体验提供了技术支持，将坭兴陶烧制数字化素材使用三维交互Unity3D软件进行拼接组合，通过适当的交互技术和数字化設计方式实现加工全过程的虚拟体验。

坭兴陶烧制技艺可视化交互平台可以针对固定的目标用户，是在PC终端上针对有一定坭兴陶专业和坭兴陶爱好者人群，这些受众目标的需求性很强，他们可以在虚拟交互平台上对烧制环境、工具、窑内情况等完整坭兴陶烧制流程加工中获得虚拟交互技术演练，使坭兴陶设计者可以将设计思路在虚拟交互平台先实验，经过对设计数据的多次修改和尝试，得到一套较为满意的方案最终指导现实的烧制过程。

三、设计软件整合与创新平台的建构

根据以上的虚拟教学平台实验原理操作流程的研究，体验者可以得到自己所调参数的虚拟坭兴陶窑变作品，通过交互功能把非遗文化的主体部分的技能和表现形式很好的体现出来。坭兴陶窑变烧制流程的展示和加工过程的交互记录在Unity3D 中完成，利用虚拟引擎 Unity 3D将PhotoShop中的数字图像设计、三维软件（3Ds Max、Maya）中的三维模型切割和ZBrush中的精雕细模，所有元素整合构建出新的可视化虚拟仿真交互平台，保留原始软件中创造的各个细节和功能也通过整合到达全流程的沉浸体验。

坭兴陶窑变产品加工平台中最重要的步骤就是坭兴陶的烧制，虚拟玉器加工平台中最重要的步骤当属坭兴陶雕刻，常用陶器加工工具由于有尺寸大小和种类不同的区别，所以使用工具数量繁多，其主要类别可分为切割片和各类磨头。不同工具的反复切换、使用，大大降低了加工的效率。虚拟玉器加工可以利用 ZBrush 软件强大笔刷功能，用来模拟真实雕刻工具所能达到的雕刻效果。每款笔刷都有 Draw Size 用來调节画笔大小，Z Intensity 用来调节画笔强度，雕刻绘制时按住ALT键时强度变为负值，实现反相雕刻，按住 SHIFT 键则切换到 Smooth 平滑笔刷，可替代抛光效果，通过笔刷大小的调节以取代真实工具大小磨头的切换。

“教”、“学”、“用”的虚拟仿真交互模式可以有效的记录和传承非遗窑变烧制的过程，激发人们去了解和体验非遗文化的魅力，将所学的理论知识在虚拟平台上应用得到虚拟技艺的产品，创新了传统坭兴陶窑变工艺的教学方法和教学手段。使传统的坭兴陶窑变技艺在虚拟交互平台的支持下，形成创新性的坭兴陶窑变烧制流程数字化资源，有效的降低了烧制过程中的浪费，缩短了教学的周期，大大提高了坭兴陶非遗文化传承与传播的效率。

结语：

坭兴陶窑变烧制工艺虚拟仿真实验是信息技术与坭兴陶窑变烧制工艺的深度融合产物，坭兴陶窑变烧制工艺虚拟仿真实验教学方法，开创了线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合，从而激发了学生的实验兴趣，极大提高了学生的实验操作的技能。通过坭兴陶窑变烧制虚拟仿真实验学习，让每一位学生都能在独立的实验环境下完成各自的研究和实验任务，而且这种虚拟仿真教学改变了教师传统的注入式教学方式，强调“以学生为中心”的实验教学理念，将学习资源开放，学习空间开放，以学生自主学习为主，教师指导为辅，教师尊重学生的想法，鼓励、引导学生创新，教师与学生融合成一体，共同完成实验项目而使学生获取知识和技能，为学生今后从事坭兴陶行业和科学研究奠定基础，也为其他陶瓷工艺教学提供重要参考。

参考文献：

[1]王耀希.民族文化遗产数字化[M].北京：人民出版社，2009.

[2]祁庆富.存续“活态传承”是衡量非物质文化遗产保护方式合理性的基本准则[J].中南民族大学学报，2009，29（3）.

第一作者简介：周兴海，男，汉，北部湾大学陶瓷与设计学院副教授;研究方向：数字化陶瓷

项目基金：2020年度广西职业教育教学改革研究项目（GXGZJG2020B007）《基于虚拟仿真实验教学的坭兴陶烧制技艺技能传承创新平台开发与应用》