基于BIM等三維技術(shù)的制圖課程教學(xué)改革

董成 孫剛 王俠 劉禹 劉笑辰

[摘 要] “工程制圖”是土木工程、工程造價(jià)、建筑學(xué)等專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，學(xué)生識(shí)圖繪圖能力的高低，直接影響到他們的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力及發(fā)展前景。目前，大多數(shù)學(xué)生在“工程制圖”課程中呈現(xiàn)三維空間想象力差、識(shí)讀二維圖紙的能力較差等問題。把在建筑業(yè)大力推廣應(yīng)用的BIM和VR/AR技術(shù)及3D打印技術(shù)融入“工程制圖”課程中，并進(jìn)行教學(xué)探索實(shí)踐。實(shí)踐結(jié)果表明：利用BIM+VR/AR+3D打印技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)形體二維到三維的相互轉(zhuǎn)化，有效解決了“工程制圖”課程中的教學(xué)難點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生的課堂積極性，提升了課程的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 工程制圖;BIM+VR/AR+3D打印技術(shù);教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2019年度河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“BIM+VR/AR+3D打印技術(shù)在工程制圖課程中的改革與實(shí)踐”（2019GJJG400）;2020年度河北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“BIM+AR+3D打印技術(shù)在工程制圖課程中的應(yīng)用研究”（S202010085024）;2020年度河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“工程制圖課程線上線下混合式教學(xué)模式研究”（2020GJJG616）

[作者簡(jiǎn)介] 董 成（1988—），女，河北滄州人，碩士，河北水利電力學(xué)院基礎(chǔ)部講師，主要從事結(jié)構(gòu)工程和巖土工程研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）27-0085-04? ?[收稿日期] 2021-01-31

一、引言

圖紙是技術(shù)工程師在工程界的語(yǔ)言，在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、經(jīng)濟(jì)核算等過程中均離不開建筑施工圖和結(jié)構(gòu)施工圖，因此能否看懂圖紙對(duì)于學(xué)生而言至關(guān)重要，然而在“工程制圖”課程教學(xué)中，學(xué)生空間想象力差、二維與三維相互轉(zhuǎn)化能力差、閱讀圖紙困難、學(xué)生積極性不高等現(xiàn)象突出[1]。近年來(lái)，BIM技術(shù)、VR/AR技術(shù)和3D打印技術(shù)在我國(guó)大力普及和推廣，將信息化技術(shù)與傳統(tǒng)土建類課程相融合已經(jīng)成為高校教學(xué)的趨勢(shì)，本文將BIM技術(shù)、VR/AR技術(shù)和3D打印技術(shù)融合在“工程制圖”課程教學(xué)中，教學(xué)改革取得了良好的效果。

二、BIM+VR/AR+3D打印技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

BIM是建筑信息模型，建立完整的BIM模型，從項(xiàng)目規(guī)劃到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維不斷更新數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各個(gè)階段的全過程管理。BIM應(yīng)用在“工程制圖”課程中，主要利用其三維可視化的特點(diǎn)，有效將二維圖紙建立為三維模型，通過任意剖切和旋轉(zhuǎn)，直觀展示圖紙與三維構(gòu)件的關(guān)系[2]。

VR是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，又稱賽博空間和真實(shí)物理空間對(duì)應(yīng)[3]，概念產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，在合理操作下，利用計(jì)算機(jī)生成一種虛擬的三維環(huán)境，通過視覺、聽覺、觸覺等多種信息為人所感知，產(chǎn)生一種交互感受，并通過各種傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，因此產(chǎn)生了良好的沉浸感、交互性和構(gòu)思性。AR是一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境，主要作用是將物體的信息疊加到真實(shí)物體上，將現(xiàn)實(shí)世界之外的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景疊加融合，使人們達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[3]。VR/AR技術(shù)使BIM三維形體模型更具可視性和具象性，為學(xué)生提供沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

3D打印技術(shù)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體，它具有簡(jiǎn)便、靈活、安全、快速的優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑設(shè)計(jì)等行業(yè)廣泛應(yīng)用了3D打印技術(shù)，目前高校也引入了3D打印技術(shù)進(jìn)行教育教學(xué)，這為教學(xué)設(shè)計(jì)提供了新思路，豐富了教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)了教學(xué)方法，使學(xué)生獲得了較好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[4]。

將BIM技術(shù)、VR/AR技術(shù)和3D打印技術(shù)應(yīng)用在“工程制圖”課程中，進(jìn)行信息化教學(xué)改革，有助于提高教學(xué)效果，滿足高校培養(yǎng)高質(zhì)量、高素質(zhì)信息化人才的教育要求。

三、BIM+VR/AR+3D打印技術(shù)在“工程制圖”課程中的教學(xué)應(yīng)用

（一）BIM技術(shù)在“工程制圖”課程中的應(yīng)用

《工程制圖》這本書主要講解了畫法幾何和專業(yè)圖兩個(gè)部分。在畫法幾何部分，利用Revit2016創(chuàng)建族構(gòu)件，將畫法幾何部分的難點(diǎn)，如截切、相貫和組合體用三維空間的形式表征，然后用放大、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)功能查看截切線、相貫線及組合體部分相貫線的處理（見圖1、圖2）。在專業(yè)圖部分，利用Revit2016創(chuàng)建別墅模型講解建筑形體的外部造型，利用剖面框進(jìn)行水平剖切講解平面圖的形成原理（見圖3），利用剖面框進(jìn)行豎直剖切然后旋轉(zhuǎn)形體講解剖面圖的形成原理（見圖4），將BIM制作的所有模型放入BIM教學(xué)資源庫(kù)。

（二）VR/AR技術(shù)在“工程制圖”課程中的應(yīng)用

將BIM建立的三維模型導(dǎo)入Lumion9.0生成全景圖，并通過720yun制作成VR資源轉(zhuǎn)成二維碼形式，學(xué)生通過手機(jī)等移動(dòng)終端掃描二維碼調(diào)出形體模型的全景圖，然后佩戴VR眼鏡（見圖5），通過放大、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等方式全方位、多角度、細(xì)致的查看形體[5]，將建立的VR資源放入VR教學(xué)資源庫(kù)。對(duì)于AR資源，采用的是一些新出版的制圖類教材中現(xiàn)成的資源，這些資源都是免費(fèi)公開的[3]，將有AR資源的頁(yè)面掃描為電子版放入AR教學(xué)資源庫(kù)。在課前、課中、課后都可以發(fā)給學(xué)生，學(xué)生通過手機(jī)終端進(jìn)行預(yù)習(xí)和回顧。學(xué)生用手機(jī)掃描二維圖形，這時(shí)手機(jī)屏幕上就會(huì)出現(xiàn)二維圖形對(duì)應(yīng)的三維立體模型，同時(shí)將三維圖形放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)可以查看學(xué)生自身想象不出的關(guān)鍵點(diǎn)，加深理解截切、相貫、組合體部分的難點(diǎn)。

1.3D打印技術(shù)在“工程制圖”課程中的應(yīng)用。挑選BIM教學(xué)資源庫(kù)有代表性的模型進(jìn)行縮尺，然后用3D打印機(jī)進(jìn)行打印，在截切、相貫及組合體模型部分打印的是10mm高的模型（見圖6、圖7）。在建筑別墅模型部分打印的是20mm高的模型，其中樓梯欄桿扶手縮尺之后太小、太細(xì)，無(wú)法用樹脂打印，解決辦法是將欄桿扶手刪掉然后重新建立族構(gòu)件進(jìn)行打印，成品展示效果良好（見圖8）。3D打印技術(shù)將BIM建立的經(jīng)典三維模型轉(zhuǎn)換為實(shí)體，學(xué)生實(shí)實(shí)在在看得到、摸得著，增強(qiáng)了學(xué)生的三維想象力，將打印好的模型放入模型實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生既可以在課上看，也可以去模型實(shí)驗(yàn)室參觀。