3D技術與三維建模在建筑類ECE教學實踐中的應用

摘要：目前，最新信息技術的3D技術與三維建模已應用在課堂與實踐輔助教學中。文章探討了最新的信息技術與現有教學資源的選擇、整合途徑與原則，并以建筑英語課程教學與實踐（English for Civil Engineer， ECE）為例，探索基于3D技術與三維建模的新教學模式。研究發現，新教學模式在有效教學、知識體系建構、技能與語言遷移、創新思維培養等方面有顯著成效。

關鍵詞：3D技術；三維建模；建筑類ECE教學；有效教學；創新思維培養

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）04-0140-05

一、問題的提出

建筑行業的快速發展和國際化趨勢迫切需要大量以英語為工作語言的建筑人才，這對建筑專業人才培養提出了更高的要求。一些高校的建筑工程類專業開設了土建英語（English for Civil Engineer ECE），它是高職建筑與藝術類專業的核心課程，其主要功能是：（1）提升學生在建筑風格、建筑美學方面的素養和建筑設計能力；（2） 提升學生吸收西方和國際建筑優秀設計案例和設計風格的能力；（3）提升學生國際交流能力；（4）豐富學生的多元文化內涵；（5）提升學生閱讀英語建筑文件、建筑設計等的綜合能力。由于ECE課程專業性與系統性較強，又要求具有很好的英語基礎，因此，該課程授課難度大，教學效果也不盡理想。

3D即英文three-dimensional的縮寫，是三維圖形在計算機中的仿真再現。 3D技術是在二維技術基礎上發展起來的計算機信息技術，起源于20世紀90年代，發展至今已經分為Web3D技術與3D打印技術。Web3D的實現技術包括三維建模技術、3D顯示技術和三維虛擬平臺下的互動技術。3D技術面世以來，一直受到廣泛的關注和研究。方敏[1]系統地闡述了3D技術的發展與應用，并指出Web 3D技術在電子商務、教育、游戲業等領域的廣闊前景；朱健[2]推介了3D堆疊技術在微電子領域的應用與發展，并探討了V技術；劉偉等[3]研究了2D/3D轉換的關鍵技術，并分析了轉換的原理和技術手段。“3D”PRINER在國內目前譯為3D打印機，它是一種在使用CAD進行三維模型設計的基礎上，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

現代信息技術的發展，特別是3D技術的發展與應用，3D打印技術的實現與推廣，3D數字平臺的構建，為專門用途英語教學（English for pecific Purpose， EP）提供了新的教學方法，信息技術已進入輔助教學發展的新階段[4]。3D技術已經同教育的各學科相結合。鄧文新[5]闡述了Web3D技術在教學中的應用，并認為3D技術在建筑工程學領域具有廣闊的前景；翟暢等[6]研究了Web3D技術在工程圖學教學中的應用模式；兀旦輝、趙晨飛[7]則在教學中引進了3D打印技術；羅雨[4]通過打造3D視影仿真數字平臺，將旅游景點搬入課堂，培養學生的綜合語言技能，將3D技術輔助教學推向了新的高度。

本研究在前期提出的“構建3D仿真數字平臺于英語學科教學”研究成果基礎上[8]，基于CAD設計，在引入“3D”PRINER設備的背景下，探索該模式對土建專業學生知識建構的系統性與立體性、技能與語言的遷移、創新思維能力等方面的作用。

二、信息技術與教學

（一） 信息技術與有效教學

有效教學就是高質量的教學，是教育界一直關注和研究的重點。美國教育心理學家來斯文提出了著名的有效教學QAI模式的四個特征：教學質量（quality）、適當性（appropriatement）、誘因（inducement）和時間（time）等，其分別從教師的教學呈現活動、學生的已知水平、激勵程度和學習教材的時間上進行評價。中國在實行新課改后，提出了有效教學的概念重構。劉桂秋[9]提出了動態生成的有效教學。將信息技術與有效教學相結合，一直是教育技術發展與教育現代化的雙重要求，恰當的應用現代信息技術能很好地促進有效教學：（1）現代教育技術的發展促使教育方式發生變革，使遠距離教育成為現實，教育的范圍擴大到全社會，從而實現了教育的全球性，為自由、自主、高效的學習的實現創造了條件。（2）信息技術與學科的整合，改變了教學內容的顯現方式，學生的學習模式與途徑更加多樣化，學習氛圍更加濃厚。（3）信息技術與學科的整合，能帶來高效率、高效益、高質量的教育。

（二） 信息技術與學生的知識建構

建構主義強調學習的主動性、社會性和情景性，認為學習是以原有經驗、心理結構和信念為基礎，學習者主動建構內部心理結構的過程。建構包含兩個方面的內容：一是對信息意義的理解，二是對原有知識經驗的改組和重建，且強調知識經驗的動態性。現代信息技術的特點恰好滿足上述要求。信息技術對學生知識建構的系統性與立體性的研究已經進入到學科的方方面面，如鄭旭東、張振亭[10]就系統地闡述了信息技術對培養學生主體性的積極意義。

（三）信息技術與學生的技能與語言的遷移

學習遷移是指一種學習對另一種學習的影響，是學生已獲得的知識經驗、認知結構、動作技能、學習態度、學習策略方法等與新知識、新技能之間所發生的影響，進行順向或者逆向遷移，形成正遷移或負遷移。在學習遷移理論方面，桑代可提出了相同要素說，奧蘇伯爾提出了認知結構說，奧斯古德提出了三維遷移模式。在這些遷移理論中，都強調學習材料的性質和采取有效的教學策略方法，這就是信息技術融入教學的優勢所在。現代教育技術的發展促成了新型教學模式的構建。現代信息技術教育的特點表現在打破時空間的“開放性”；打破傳統線性教學結構的“非線性”；突出人—機交流、人—人交流的“交互性”。

（四）信息技術與學生的創新思維能力

創新能力是指應用已知信息產生某種新穎、獨特、有社會或個人價值的能力。培養學生的創新思維能力，一直是國家大力推進的教學改革目標。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》明確指出，“培養各級各類適應現代化要求的人才，特別是創新人才的培養。”培養大學生的創新思維能力是培養高素質人才的需要。信息技術促進創新教育的意義重大，第十五屆全球華人計算機應用大會就以“信息技術促進創新教育”為主題，探討了移動與泛在學習、IC的應用與人工智能教育等。南國農[11]則具體探討了信息技術對創新人才培養的關系，認為信息技術在提供素材、營造環境、提供創新教育機會和進行科學評價方面起著重要的作用。

三、研究設計

國內就3D技術對有效教學、知識建構、技能與語言的遷移、創新思維能力的培養的專門研究涉及較少。本文就建造三維模型，打造3D數字平臺，引進3D打印機在建筑類ECE教學與實踐中的作用進行探討。通過一個學期的教學實驗，以專業教師和行業人員為主，分析確定土建行業典型的工作過程和基本的工作任務，以英語教師為主設計語言學習任務（如圖1）。采取測驗法對比實驗班學生與對照班學生的英語知識能力，考察學生在3D技術與三維建模下的知識建構和語言技能的遷移效果，采取南加利福利亞大學創造力檢測、考察學生的創新思維能力。通過問卷調查和訪談，考察有效教學效果。

研究主要采取實驗法、訪談與問卷調查法。

實驗選取湖州職業技術學院建筑工程管理分院建技專業的兩個大二班級，分別作為實驗班與對照班，實驗班按照圖1的教學模式，以3D數字平臺進行輔助教學，對照班按照講練結合的傳統方式進行。選取高等教育出版社的《English for Civil Engineering》為教材，實驗周期為一學期，即2012—2013學年的第二學期。實驗班與對照班均為36名學生，共72人。兩個班級都由1名英語教師、1名外教和1名企業專家組成的教學團隊授課。實驗前對2012—2013學年的第一學期的期末成績分知識體系與語言技能進行分析，兩個班的學生在知識體系方面值為-1.797，P值為0.，81，大于0.05；在語言技能方面值為-0.102，P值為0.919。t檢驗表明實驗班與對照班在知識體系、語言技能方面無顯著差異（如表1）。

實驗于2013年2月開始，至2013年7月結束。實驗前，企業專家和教師結合土建施工項目與教材，將課程分為建筑項目設計、建筑項目投標、地基開挖、砌墻、地板鋪設、搭建屋頂、道路設計、橋梁設計等8個項目。企業專家根據這8個項目，分別提供項目下的3D模型，確定每個項目的工作任務與工作過程，將工作過程拍成3D視頻，上傳到3D數字平臺。教師在實驗前和實驗中，根據企業專家設計的8個項目與3D模型設計語言項目，建構3D數字平臺，整合教學資源，設計項目下的訓練模式。實驗開始，研究者對實驗班學生分成6個小組，每個小組6名學生。每個項目12課時，其中6課時是到企業實踐或者在3D數字平臺完成項目設計。其余6課時的內容安排為：學生基于項目的學習，完成對項目的認知，基于項目在企業專家、教師的指導下完成三維建模，基于建模完成計算機3D設計，通過3D打印機將設計打印出來，在課堂展示。同時學生將3D設計上傳到3D數字平臺，分配3D平臺中的角色，按角色扮演項目中的角色，對項目進行實際操作演練。在學生基于項目學習階段，教師將語言技能知識進行嵌入，企業專家就建筑專業技能能力進行培訓，外教就專業交際交流知識進行演示；在學生進行三維建模與計算機3D設計階段，企業專家和英語教師通過充分調動學生的職業興趣與潛在技能，從例子到規則進行職業知識與能力的三維建構，在建構的基礎上，對知識、技能目標按項目分層級，按照從規則到例子進行三維解構。在課堂展示與角色扮演階段，學生分角色扮演項目中的建筑專家、規劃專家、工人、項目經理、市場部經理、售樓小姐等角色。教學團隊在此階段就學生的綜合職業素質能力進行立體重構。

此外，在實驗前、實驗中和實驗后，選取實驗班與對照班學生各18名進行訪談。訪談主要圍繞以下四個內容進行：教師的教學呈現活動、學生的已知水平、激勵程度和學習教材的時間。

實驗后對未參加訪談的36名學生進行了問卷調查，主要考察有效教學QAI模式：教學質量、適當性、誘因和時間等四個方面的情況，即：教師的教學呈現活動、學生的已知水平、激勵程度和學習教材的時間。研究將學生對以上四方面的情況，根據學生的滿意態度記為5、4、3、2、1分，即非常滿意教師的教學呈現活動記5分，認為一般記3分，認為非常不滿意的記1分。在5分和3分中間的滿意態度記4分，在3分和1分中間的不滿意態度記2分。其余3種情況的計分與此類似。

問卷調查采取與訪談計分相同的方式，調查學生對有效教學QAI模式四個方面的情況。發放問卷調查36份，回收問卷調查36份。

實驗結束，在實驗班和對照班各選取8名學生，進行了南加利福利亞大學創造力測驗（吉爾福特創造力測驗）。

四、實驗結果與分析

（一） 3D數字平臺促進了有效教學

訪談情況與問卷調查的結果表明，3D數字平臺促進了有效教學。

實驗班與對照班訪談與問卷調查數據方差分析結果P值為0.000，小于0.05，t檢驗表明實驗班與對照班在有效教學方面存在顯著差異（如表2）。實驗班的學生在3D數字平臺下，非常滿意教師的呈現活動，特別是學生在虛擬平臺中的角色扮演與實戰訓練。實驗班的已知水平、激勵程度及學習教材的時間上，都遠遠好過對照班學生。實驗表明，在建筑類ECE教學與實踐中利用3D技術與三維建模，能很好地促進有效教學。傳統的講練結合方式已經不適應土建類ECE教學與實踐，必須進行改革。而3D技術與三維建模在ECE教學與實踐中具有明顯的優勢，應該大力推廣。

（二） 3D平臺促進了學生知識建構的系統性與立體性，有利于學生技能與語言的正遷移

期末成績結果表明，通過三維建模，實驗班學生的3D作品設計、基于3D平臺的學習，在企業的系列學習與實踐，很好地構建了土建英語知識，且知識呈現出系統性與立體性。實驗還表明新的教學模式有利于學生技能與語言的正遷移。

實驗結束后對實驗班與對照班的學生進行了測試，測試采取同樣的題目與項目。根據ECE課程特點，期末測試分為3部分，具體見表3。

從測試結果看，實驗班學生通過項目化學習與實踐，基本建構了系統的土建英語知識，原有的土建技能和知識能力很好地遷移到英語語言技能中，而對照班學生的建筑工程圖紙講解和建筑項目推介能力較差，原有的土建知識未能順利遷移到土建英語語言技能中。實驗結果表明，在建筑類ECE教學與實踐中應用3D技術與三維建模，能很好地解決傳統ECE教學問題，能促進知識技能的正遷移。

（三）3D 平臺培養了學生的創新思維能力。

通過南加利福利亞大學創造力測驗（吉爾福特創造力測驗）結果表明，新教學模式很好地培養了學生的創新思維能力。實驗班學生對問題的回答流暢性大大好于對照班的學生；實驗班學生對圖形組合、圖形變化、火柴拼圖、裝飾設計4個問題的回答，顯示實驗班學生在變通性、獨創性方面具有較高的水平，而對照班學生的回答則顯示其變通性和獨創性方面水平較低。實驗班8名學生在測驗中，其流暢性、變通性和獨創性的平均得分為90、85、88；對照班8名學生的相應得分為70、55、55。

五、結語

現代信息技術同專門用途英語（EP）相結合，是EP教學與實踐改革的關鍵與突破口。3D技術、三維建模與3D打印技術的應用為土建英語（ECE）教學帶來新的教學模式。新模式教學能提高教師的有效教學，并很好地建構學生的專業系統知識，促進知識技能的正遷移。學生在學習專業語言技能知識的同時，其創新思維能力也得到培養。實踐證明，現代信息技術在專業教學中的合理應用能促進教育模式的轉變，提高教學效果，值得推廣。

參考文獻：

[1]方敏.Web3D技術發展與應用[J].湘潭師范學院學報，2005（2）：65-68.

[2]朱健.3D堆疊技術及V技術[J].固體電子學研究與進展，2012（1）：73-78.

[3]劉偉，吳毅紅，胡占義.電影2D/3D轉換技術概要[J].計算機輔助設計與圖形學學報， 2012（1）：14-28.

[4]羅雨.3D視影仿真數字平臺在旅游英語教學中的應用[J].寧波大學學報：教育科學版，2013（1）：99-102.

[5]鄧文新.Web3D技術的教學應用研究[J].現代教育技術，2002（4）：68-71.

[6]翟暢，王君澤，曹紅蓓.Web3D技術及其在工程圖學教學中的應用[J].工程圖學學報，2006（2）：150-154.

[7]兀旦暉， 趙晨飛.3D打印技術在教學中的應用研究[J].課程教育研究， 2013（7）：185-186.

[8]羅雨.3D仿真數字平臺在酒店英語教學中的應用研究[J]，中國教育信息化，2013（6）：78-81.

[9]劉桂秋.有效教學概念新探索[J].課程·教材·教法， 2008（9）：11-15.

[10]鄭旭東，張振亭.信息技術教育與學生主體性的實現[J].電化教育研究，2003（6）：13-16.

[11]南國農.信息技術教育與創新型人才培養.電化教育研究，2001（8）：42-45.

（編輯 王 宣）

（三）3D 平臺培養了學生的創新思維能力。

通過南加利福利亞大學創造力測驗（吉爾福特創造力測驗）結果表明，新教學模式很好地培養了學生的創新思維能力。實驗班學生對問題的回答流暢性大大好于對照班的學生；實驗班學生對圖形組合、圖形變化、火柴拼圖、裝飾設計4個問題的回答，顯示實驗班學生在變通性、獨創性方面具有較高的水平，而對照班學生的回答則顯示其變通性和獨創性方面水平較低。實驗班8名學生在測驗中，其流暢性、變通性和獨創性的平均得分為90、85、88；對照班8名學生的相應得分為70、55、55。

五、結語

現代信息技術同專門用途英語（EP）相結合，是EP教學與實踐改革的關鍵與突破口。3D技術、三維建模與3D打印技術的應用為土建英語（ECE）教學帶來新的教學模式。新模式教學能提高教師的有效教學，并很好地建構學生的專業系統知識，促進知識技能的正遷移。學生在學習專業語言技能知識的同時，其創新思維能力也得到培養。實踐證明，現代信息技術在專業教學中的合理應用能促進教育模式的轉變，提高教學效果，值得推廣。

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[11]南國農.信息技術教育與創新型人才培養.電化教育研究，2001（8）：42-45.

（編輯 王 宣）

（三）3D 平臺培養了學生的創新思維能力。

通過南加利福利亞大學創造力測驗（吉爾福特創造力測驗）結果表明，新教學模式很好地培養了學生的創新思維能力。實驗班學生對問題的回答流暢性大大好于對照班的學生；實驗班學生對圖形組合、圖形變化、火柴拼圖、裝飾設計4個問題的回答，顯示實驗班學生在變通性、獨創性方面具有較高的水平，而對照班學生的回答則顯示其變通性和獨創性方面水平較低。實驗班8名學生在測驗中，其流暢性、變通性和獨創性的平均得分為90、85、88；對照班8名學生的相應得分為70、55、55。

五、結語

現代信息技術同專門用途英語（EP）相結合，是EP教學與實踐改革的關鍵與突破口。3D技術、三維建模與3D打印技術的應用為土建英語（ECE）教學帶來新的教學模式。新模式教學能提高教師的有效教學，并很好地建構學生的專業系統知識，促進知識技能的正遷移。學生在學習專業語言技能知識的同時，其創新思維能力也得到培養。實踐證明，現代信息技術在專業教學中的合理應用能促進教育模式的轉變，提高教學效果，值得推廣。

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[11]南國農.信息技術教育與創新型人才培養.電化教育研究，2001（8）：42-45.

（編輯 王 宣）