基于AR技術(shù)的施工圖識讀課程教學模式研究與實踐

劉粵 陳麗紅 鄧熾平

識圖課程是一門重要的專業(yè)技能課程，熟練識讀施工圖紙是職業(yè)崗位必備的核心技能之一，關(guān)系到職教類學生的就業(yè)和長遠發(fā)展。本文以建筑工程施工專業(yè)核心課程建筑結(jié)構(gòu)施工圖識讀為例，研究基于增強現(xiàn)實AR技術(shù)的全新課堂教學模式，解決建筑結(jié)構(gòu)施工圖識讀課程長期存在的教學難點。

建筑結(jié)構(gòu)施工圖識讀旨在培養(yǎng)學生熟練識讀民用建筑結(jié)構(gòu)施工圖和標準圖集。熟練識讀建筑結(jié)構(gòu)施工圖是現(xiàn)代建筑企業(yè)施工員、監(jiān)理員等崗位必備的核心技能之一。在教學研究中，筆者研究開發(fā)了基于三維鋼筋構(gòu)造增強現(xiàn)實AR視圖教學資源，實施了基于交互式三維鋼筋構(gòu)造AR視圖的新課堂教學模式，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)教學方式，可以不必在施工現(xiàn)場或?qū)嵅賵龅剡M行教學，而是在虛擬場景下實現(xiàn)了充分的師生交互式學習與討論，能夠幫助學生理解鋼筋的空間位置、具體尺寸、制圖規(guī)則和構(gòu)造要求等。學生還可利用移動終端自主實時學習，實現(xiàn)人機互動，不受時空和學習次數(shù)限制，有效打通課內(nèi)課外。教學實踐表明，三維鋼筋構(gòu)造AR視圖能有效幫助學生建立鋼筋構(gòu)造三維空間概念，解決如何將二維平法施工圖轉(zhuǎn)換為三維鋼筋構(gòu)造圖形的教學難點，教學質(zhì)量和教學效率顯著提升。以AR為代表的可視化技術(shù)教學效果較傳統(tǒng)教學及多媒體教學顯著提高，已成為教學改革的新教學模式。本文結(jié)論對職教類其他識圖課程具有參考意義。

一、建筑結(jié)構(gòu)施工圖識讀課程核心技能概述

建筑結(jié)構(gòu)施工圖識讀核心課程是建筑工程施工專業(yè)后續(xù)課程學習所必備的專業(yè)知識儲備和主要專業(yè)技能。本課程旨在培養(yǎng)學生正確運用常用結(jié)構(gòu)構(gòu)造知識，依據(jù)相關(guān)的規(guī)范與制圖標準，熟練識讀民用建筑結(jié)構(gòu)施工圖和標準圖集。其中最核心的是培養(yǎng)學生建立二維平法施工圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間對應(yīng)關(guān)系和空間思維能力，對后續(xù)專業(yè)課程學習及學生基本職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)技能的培養(yǎng)有著重要影響。

二、建筑結(jié)構(gòu)施工圖識讀教學中待解決的主要問題

本課程教學的重點是了解結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識、相關(guān)的規(guī)范條文，掌握平法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖，建立鋼筋構(gòu)造三維空間概念。課程教學目標核心之一是使學生能夠?qū)⒍S結(jié)構(gòu)平法施工圖轉(zhuǎn)換成三維空間的鋼筋構(gòu)造實體。筆者在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，學生的空間思維能力比較薄弱，難以理解二維平法施工圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間的對應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)致課堂教學乏味、學生學習積極性不高、學習主動性不強等現(xiàn)象，并直接影響課堂教學的效果。

近年來，教學過程中學生只能通過觀看一些簡單的鋼筋構(gòu)造模型、施工現(xiàn)場圖片和教學視頻等進行學習，始終無法觀看到梁、柱等三維鋼筋構(gòu)造的全貌，學生很難建立起二維結(jié)構(gòu)平法施工圖和三維鋼筋構(gòu)造之間的空間對應(yīng)關(guān)系，因而無法熟練地識讀結(jié)構(gòu)施工圖。這種情況可稱之為施工圖識讀技能缺失，對后續(xù)專業(yè)課程的學習會產(chǎn)生不利影響，也會影響學生今后的就業(yè)實習，甚至無法勝任施工員等建筑施工崗位的工作。

因此，如何有效地培養(yǎng)學生的空間思維能力，幫助學生建立二維平法施工圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間的空間體系對應(yīng)關(guān)系，成為目前本課程教學中急待解決的主要問題。為解決這一問題，筆者開發(fā)了AR視圖教學資源——交互式三維鋼筋構(gòu)造AR視圖，能夠360°全方位展示三維立體鋼筋構(gòu)造AR視圖，顯著提升課堂教學質(zhì)量。

三、交互式三維鋼筋構(gòu)造AR視圖教學環(huán)境的設(shè)計思路

增強現(xiàn)實AR（Augmented Reality）是虛擬現(xiàn)實的擴展，將虛擬的信息疊加到真實世界，可實時交互虛擬信息，看到真實世界以及融合于真實世界之中的虛擬對象，增強視覺效果。大量實驗表明，AR通過師生雙向的交互，提高學生沉浸感和想象力，使學習的深度、廣度有所增加，學生由被動學習變?yōu)樽灾鲗W習、體驗學習、探究式學習，顯著提高了學習效果。

本著以學生為主體、以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo)的設(shè)計思路，充分運用信息化教學手段，筆者采用AR技術(shù)對建筑結(jié)構(gòu)施工圖識讀教學內(nèi)容中的主要知識點、相關(guān)的規(guī)范條文、制圖規(guī)則與構(gòu)造標準等進行數(shù)字化重構(gòu)，建立一個交互式可視化技術(shù)教學平臺——360°全方位三維鋼筋構(gòu)造AR視圖，能夠有效地培養(yǎng)學生的空間思維能力，幫助學生建立二維平法施工圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間對應(yīng)關(guān)系。

四、三維鋼筋構(gòu)造AR視圖在教學中的應(yīng)用

（一）三維鋼筋構(gòu)造AR視圖分類

混凝土結(jié)構(gòu)施工圖識讀的教學任務(wù)可分解為基礎(chǔ)、柱、梁、墻、板、樓梯平法施工圖，相對應(yīng)的三維鋼筋構(gòu)造AR視圖可分為獨立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、框架梁柱、剪力墻、樓板、樓梯等鋼筋構(gòu)造AR視圖。這些AR視圖各自獨立，可任意選取學習。

（二）突顯二維結(jié)構(gòu)平面圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間的空間對應(yīng)關(guān)系

本課程教學的難點是在學習二維結(jié)構(gòu)平面圖時，如何讓學生建立起鋼筋構(gòu)造的三維空間體系。在這個鋼筋構(gòu)造三維空間體系中，學生應(yīng)該準確無誤地知道不同的鋼筋分布在哪個位置，鋼筋的起點和終點在哪里，制圖規(guī)則與構(gòu)造要求有哪些。如果弄懂了這些具體的問題，學生就能夠熟練識讀結(jié)構(gòu)施工圖。因此，筆者在開發(fā)三維鋼筋構(gòu)造AR視圖時有針對性的采用了以下表述模式：

1.圖形色彩的運用

在三維鋼筋構(gòu)造圖中，不同位置的鋼筋采用不同的顏色表示。如圖1所示，在描述梁縱向鋼筋時，采用不同的顏色分別表示梁的上部角筋、上部一排中部筋、上部二排筋、梁側(cè)鋼筋和下部縱筋，從而建立由二維平面圖到三維立體構(gòu)造圖之間的一一對應(yīng)關(guān)系。色彩的合理使用增強了三維效果圖形的立體感。

2.動態(tài)展示鋼筋構(gòu)造AR視圖

以框架梁柱鋼筋構(gòu)造為例，如圖2所示，為了從各個角度全方位展示三維立體鋼筋構(gòu)造，AR視圖制作成能夠360°全方位動態(tài)旋轉(zhuǎn)，供學生仔細觀察三維鋼筋構(gòu)造的全貌，讀懂圖形中標注的知識點、規(guī)范條文、制圖規(guī)則等內(nèi)容，用心體會不同鋼筋的空間位置和構(gòu)造要求，幫助學生建立鋼筋構(gòu)造的空間概念，理解二維平法施工圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間的一一對應(yīng)關(guān)系。

3.三維圖形采用圖文原位標注表述模式

如圖1和圖2所示，為了提高三維圖形的可讀性，使三維圖形的閱讀能夠更加符合職教類學生的理解能力和空間想象力，筆者采用圖文原位標注表述模式，在框架梁柱中需要解釋與標注的位置，將有關(guān)的規(guī)范條文、制圖標準等內(nèi)容直接集中標注在三維鋼筋構(gòu)造圖形中。如圖1所示，框架梁端部鋼筋構(gòu)造的原位置標注有：（1）通長筋（角筋）;（2）梁上部第一排筋的構(gòu)造要求;（3）梁上部第二排筋的構(gòu)造要求;（4）梁側(cè)向鋼筋的構(gòu)造要求;（5）梁下部縱向鋼筋的構(gòu)造要求。在圖2中標注框架梁柱箍筋原位置標注有構(gòu)造要求。

鋼筋構(gòu)造采用圖文原位標注表述模式，使得三維圖形與文字詮釋一一對應(yīng)，完美融合，圖中的鋼筋配以各種顏色，立體感強烈，給學生留下了深刻的印象，極大地提高了三維圖形的可讀性，取得了良好的教學效果。

（三）借助三維鋼筋構(gòu)造AR視圖進行交互式教學

借助三維鋼筋構(gòu)造AR視圖的教學模式，已經(jīng)可以不必在施工現(xiàn)場或?qū)嵅賵龅剡M行教學，而是在虛擬場景下進行師生的交互式學習、討論。師生能夠一起邊看邊討論邊研究，找出由二維平法施工圖轉(zhuǎn)換成三維鋼筋構(gòu)造圖形的最佳解釋方案。這樣，課堂授課不再枯燥無味，而是像一個導(dǎo)演一樣，在教師的引導(dǎo)下，三維鋼筋構(gòu)造圖以360°全方位的形式動起來，從多方位、多角度呈現(xiàn)在學生面前，可以在這些立體圖形上非常直觀并且準確地解釋鋼筋的空間位置、尺寸和構(gòu)造要求等內(nèi)容，圖形充滿了生氣，講解工作其樂無窮。另外，學生也可以直觀地、“身臨其境”地觀察不同鋼筋的空間位置、了解鋼筋的構(gòu)造要求，相互分析討論二維平法施工圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間的一一對應(yīng)關(guān)系。

五、三維鋼筋構(gòu)造AR視圖分析

（一）三維鋼筋構(gòu)造AR視圖的展示功能

目前，大多數(shù)學生的空間思維能力比較薄弱，難以理解二維平法施工圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間的對應(yīng)關(guān)系。360°全方位三維鋼筋構(gòu)造AR視圖正是為了解決這個教學難題而開發(fā)的，具備了可動態(tài)、靜態(tài)展示三維鋼筋構(gòu)造的基本功能。

為了能夠讓學生從各個角度觀察和理解三維立體鋼筋構(gòu)造，AR視圖能夠360°全方位動態(tài)旋轉(zhuǎn)，展示三維立體鋼筋構(gòu)造的整體AR視界，給予學生強烈的三維立體視覺沖擊，有助學生建立三維鋼筋構(gòu)造的整體空間概念，理解二維平法施工圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間的對應(yīng)關(guān)系。

（二）三維鋼筋構(gòu)造AR視圖的可讀性

現(xiàn)行教材的編寫表述方式往往是將文字與圖形分別表述，且兩者常被拆分表述在不同的頁面、不同的段落，內(nèi)容分散。這種表述方式使得圖形的可讀性超出了職教類學生的閱讀理解能力和綜合歸納能力，成為學生識讀施工圖困難的主要原因之一。

因此，筆者在三維鋼筋構(gòu)造AR視圖中需要解釋與標注的地方，采用圖文原位標注表述模式，將有關(guān)的規(guī)范條文、制圖標準等內(nèi)容直接標注在三維圖形中的對應(yīng)位置，使三維立體鋼筋構(gòu)造的圖形與文字詮釋一一對應(yīng)，高度融合，圖形的閱讀更加直觀高效，使得學生可以讀懂三維圖形中標注出來的每一個知識點、規(guī)范條文、制圖規(guī)則等細節(jié)內(nèi)容，用心體會不同鋼筋的空間位置和構(gòu)造要求。

教學實踐表明，采用圖文原位標注表述模式的AR視圖，其可讀性符合職教類學生的閱讀能力，能夠顯著地提高三維鋼筋構(gòu)造AR視圖的可讀性和閱讀效率。

（三）實現(xiàn)交互式教學

教師可以借助三維鋼筋構(gòu)造AR視圖，針對二維平法施工圖中的每一個尺寸、每一根鋼筋、規(guī)范條文和構(gòu)造要求等具體內(nèi)容與學生進行互動式的提問和討論，找出二維平法施工圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間的一一對應(yīng)關(guān)系，幫助學生加深理解平法施工圖的每一處細節(jié)。

學生也可以利用移動終端進行人機互動，自主實時學習，不受時間、空間、學習次數(shù)的限制，既提高了學習興趣，又有效打通了課內(nèi)課外，移動終端成為高效的教學信息化工具，極大地提升了教學質(zhì)量和教學效率。同時也可以有效解決建筑工程施工專業(yè)實訓(xùn)條件不足的問題。

教學實踐結(jié)果表明，運用三維鋼筋構(gòu)造AR視圖進行教學，能夠充分實現(xiàn)師生互動和人機互動，提高學生沉浸感和空間想象力，實現(xiàn)跨越時空的教與學。

六、結(jié)論

一是構(gòu)建360°全方位三維鋼筋構(gòu)造AR視圖，學生可以多方位、多角度、直觀地、“身臨其境”地觀察不同鋼筋的空間位置、尺寸和構(gòu)造要求，可以有效幫助學生建立三維鋼筋構(gòu)造的整體空間概念，理解二維平法施工圖與三維鋼筋構(gòu)造圖之間的一一對應(yīng)關(guān)系;二是采用圖文原位標注表述模式，非常直觀，表述準確，顯著提高了三維鋼筋構(gòu)造AR視圖的可讀性和閱讀效率，讓學生讀懂三維圖形中標注出來的每一個知識點、規(guī)范條文、制圖規(guī)則和構(gòu)造要求等細節(jié)內(nèi)容;三是借助三維鋼筋構(gòu)造AR視圖的全新課堂教學模式，可以不必在施工現(xiàn)場或?qū)嵅賵龅剡M行教學，而是在虛擬場景下師生能夠進行交互式學習、討論，充分實現(xiàn)師生互動。學生也可以利用移動終端自主實時學習，實現(xiàn)人機互動，不受時間、空間、學習次數(shù)的限制，提高了學生的沉浸感、空間想象力和學習興趣，使移動終端成為高效的教學信息化工具，極大地拓展了教學空間，實現(xiàn)跨越時空的教與學;四是教學實踐結(jié)果表明，以AR為代表的可視化技術(shù)教學效果較傳統(tǒng)教學及多媒體教學顯著提高，已成為教學改革的新教學模式。

[項目：本文系2015年廣州市教育科學規(guī)劃課題“建筑施工專業(yè)核心課程建筑結(jié)構(gòu)施工圖識讀與建筑行業(yè)管理崗位能力培養(yǎng)的實踐教學體系創(chuàng)新研究”（項目編號：1201432593）。]

責任編輯 朱守鋰