虛擬仿真在工程制圖課程中的教學(xué)改革研究

鄧?yán)誓? 馬晉超 趙軍

摘要：本文基于對工程制圖課程的現(xiàn)狀進(jìn)行的分析，提出將虛擬仿真中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到工程制圖課程中，并介紹增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與工程制圖課程結(jié)合的具體實(shí)施方式，為土木工程專業(yè)高水準(zhǔn)人才的培養(yǎng)做好鋪墊。

Abstract： This paper proposed the use of virtual simulation technology into the civil engineering cartography teaching reform， based on the analysis of the present situation of civil engineering graphics course. The process of combining augmented reality technology with the civil-engineering cartography was introduced and a high standard was established for civil engineering talent training.

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；制圖課程；教學(xué)改革

Key words： virtual simulation；augmented reality；civil engineering graphics；teaching reform

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）03-0170-02

0 引言

土木工程學(xué)科的一個重要特點(diǎn)是有很強(qiáng)的實(shí)踐性，圖紙是貫穿土木工程從設(shè)計到施工的重要媒介，識圖水平的高低將極大的影響學(xué)生對于工程制圖科目的學(xué)習(xí)和理解。傳統(tǒng)的授課方式是老師說，學(xué)生聽，此種教學(xué)方式過于抽象，學(xué)生很難想象圖紙所反映的三維信息，而且學(xué)習(xí)的方式枯燥，學(xué)生容易產(chǎn)生厭學(xué)的情緒，從而使得相關(guān)的施工現(xiàn)場見習(xí)學(xué)習(xí)也不能達(dá)到預(yù)期的效果。

2014年初，國務(wù)院出臺關(guān)于引導(dǎo)一批普通本科院校向應(yīng)用技術(shù)型高校轉(zhuǎn)型的政策[1]。從宏觀發(fā)展角度來看，國家政策積極引導(dǎo)高校走工程化應(yīng)用教育的道路[2]，在國家大力推行技術(shù)型大學(xué)的背景下，在土木工程專業(yè)體系中引進(jìn)虛擬仿真，可以幫助學(xué)生形象、直觀的理解所學(xué)課程，對于建筑業(yè)的發(fā)展極其重要?；谔摂M仿真技術(shù)的課程教學(xué)的實(shí)現(xiàn)，將給傳統(tǒng)的教學(xué)模式帶來深刻的變化。

1 工程制圖課程的現(xiàn)狀

當(dāng)今，通過二維的投影圖來對三維信息進(jìn)行表達(dá)，增強(qiáng)和培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力是國內(nèi)各高校的工程制圖課程形式主要形式。但這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在很多不足的地方，主要有以下幾點(diǎn)：

①制圖教學(xué)中無法與實(shí)踐緊密的結(jié)合，在教學(xué)的過程中可能被迫教授一些無用的知識，比如在基礎(chǔ)的課程中會教授換面法，旋轉(zhuǎn)法在土木工程專業(yè)領(lǐng)域基本用不到[3]，而且二維信息的投影和表達(dá)過于抽象，學(xué)生很難完全理解所授知識，并且教學(xué)過程枯燥，不利于學(xué)生對于知識的掌握和理解。

②對于學(xué)生來說，學(xué)生對于圖紙信息的閱讀和理解能力有限，從而無法將圖紙標(biāo)注的二維信息翻譯成形象的三維信息，更無法將平面圖紙與實(shí)體建筑相關(guān)聯(lián)和對應(yīng)。并且在這個思考的過程中會耗損大量的時間，嚴(yán)重的影響了學(xué)習(xí)效率。所以，學(xué)生所希望看到的圖紙是形象的、直觀的，而傳統(tǒng)的二維圖紙反映的信息有限，在學(xué)習(xí)的過程中學(xué)生很難準(zhǔn)確和輕松的掌握圖紙所表達(dá)的信息和內(nèi)容。

③目前工程制圖課程課時的大幅縮減，使得課堂教學(xué)效果的提高很難完成。工程制圖課程改革的趨勢揭示了理論課時減少與應(yīng)用能力要求不斷提高的矛盾的實(shí)時，給教學(xué)帶來了極大的挑戰(zhàn)[4]。

2 虛擬仿真的特點(diǎn)

現(xiàn)階段的教育已經(jīng)全面進(jìn)入教育信息化階段，多媒體技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，從而實(shí)現(xiàn)了教育的個性化及學(xué)習(xí)的自主化，促進(jìn)了教育的全面改革。在教育部發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》中，明確提出了以統(tǒng)籌規(guī)劃和具體部署為原則的發(fā)展任務(wù)，明確了各級各類教育信息化發(fā)展的主要任務(wù)，從而提高實(shí)踐教學(xué)水平；在高等教育中，將信息技術(shù)與高等教育緊密結(jié)合，培養(yǎng)人才的創(chuàng)新思維，從而全面提高教育質(zhì)量。

虛擬仿真融入教學(xué)的實(shí)現(xiàn)是以虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， 簡稱VR）技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合多媒體、人機(jī)交互等多種計算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建高仿真的虛擬對象的新興技術(shù)[5]。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的本質(zhì)是要充發(fā)揮信息化建設(shè)特征、建設(shè)高度仿真的試驗(yàn)對象和環(huán)境以及滿足教學(xué)要求[6]。將虛擬仿真融入到教學(xué)中充分體現(xiàn)了交互性、工程化和虛實(shí)結(jié)合的原則。虛擬仿真教學(xué)可以克服真實(shí)環(huán)境的相關(guān)局限，從而實(shí)現(xiàn)既定的教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，簡稱AR）是基于虛擬現(xiàn)實(shí)所發(fā)展起的一種新興的人機(jī)交互技術(shù)，AR技術(shù)可以將計算機(jī)所形成的虛擬信息或場景融入到用戶所看到的真實(shí)場景中，借助顯示設(shè)備對真實(shí)世界進(jìn)行景象增強(qiáng)的技術(shù)，提高用戶對真實(shí)世界的感知能力[7]。

青年學(xué)生正處于思維為最活躍的時期，對新事物會產(chǎn)生很濃厚的興趣。相較于傳統(tǒng)的板書或多媒體等教學(xué)方式而言，虛擬仿真教學(xué)形式新穎，可以充分的調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8]。工程制圖是土木工程的一門基礎(chǔ)專業(yè)課程。學(xué)生初次接觸此門課程時，往往會十分的不適應(yīng)，因?yàn)榇碎T課程需要很強(qiáng)的空間想象能力，在沒有大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和練習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生很難掌握圖紙中所反映的二維信息，為了解決這一問題，將虛擬仿真應(yīng)用到教學(xué)中的方式應(yīng)運(yùn)而生。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可以進(jìn)行真實(shí)教學(xué)環(huán)境進(jìn)行搭建，采用情境化教學(xué)的新思路，得到與真實(shí)教學(xué)環(huán)境相同的物理反饋。并且可以明顯的提高學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，對傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)的不足進(jìn)行了改善。

3 虛擬仿真在工程制圖課程中的典型應(yīng)用

3.1 效果展示

基于虛擬仿真中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，完成了鋼筋結(jié)構(gòu)施工圖模型和建筑模型三維場景的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。本文以鋼筋的結(jié)構(gòu)施工圖和某圖書館的建筑圖為例展示，學(xué)生用攝像頭掃描鋼筋平法圖紙時會出現(xiàn)三維的鋼筋模型如圖1所示，學(xué)生用攝像頭掃描建筑圖紙時會出現(xiàn)三維的建筑模型如圖2所示。

3.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)途徑

利用unity3D軟件和亮風(fēng)臺公司的“Hi-AR”插件進(jìn)行上述效果的實(shí)現(xiàn)，首先在Revit中進(jìn)行三維模型的搭建，然后在亮風(fēng)臺公司的官網(wǎng)上注冊賬號并上傳所需識別圖，下載所生成的內(nèi)部環(huán)境；將三維模型與下載好的內(nèi)部環(huán)境導(dǎo)入到unity3D中進(jìn)行場景的搭建，最后掃描識別圖對內(nèi)置攝像機(jī)進(jìn)行調(diào)試，具體的實(shí)現(xiàn)路線如圖3所示。

3.3 使用評價

老師對于在授課體系對于虛擬仿真中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用響是很好的，因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)可以變抽象為直觀，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，通過虛擬仿真中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的三維模型，可以讓學(xué)生通過人機(jī)交互的方式對三維模型進(jìn)行由內(nèi)到外的瀏覽，使學(xué)生可以直觀的學(xué)習(xí)和了解模型外部及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。通過這種方法可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也可以將復(fù)雜的內(nèi)容具體化、形象化、抽象化，并且通過對虛擬仿真技術(shù)和多媒體課件的聯(lián)合使用，可以減少老師上課的板書時間，從而使老師有更多的精力和時間去講課并且和學(xué)生進(jìn)行互動，這樣可以在較短的時間內(nèi)提高學(xué)生對于課堂知識的消化程度，提高了教學(xué)質(zhì)量。

學(xué)生借助此項(xiàng)技術(shù)可以很大程度的提高空間想象能力，而此種能力正是工程制圖這門課程想培養(yǎng)的，利用虛擬仿真的方法可以形象、生動的表達(dá)和描述出傳統(tǒng)課堂上無法準(zhǔn)確表達(dá)的復(fù)雜圖形，使得學(xué)生可以形象、直觀的了解圖紙所反映的三維模型信息，清晰的理解平法圖紙所表達(dá)的三維信息以及圖紙理解中的難點(diǎn)，而且學(xué)習(xí)的過程輕松愉快，學(xué)習(xí)不再枯燥。

4 結(jié)論

通過以上研究，理清了基于虛擬仿真技術(shù)的工程制圖課程的發(fā)展思路，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程制圖課程中的應(yīng)用?；谔摂M仿真的工程制圖課程增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率，也使得老師的授課方式更加活潑、有趣，是的教學(xué)結(jié)果顯現(xiàn)化，更更強(qiáng)了學(xué)生適應(yīng)未來社會的能力。

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