虛擬仿真在工程制圖課程中的教學改革研究

鄧朗妮 馬晉超 趙軍

摘要：本文基于對工程制圖課程的現狀進行的分析，提出將虛擬仿真中的增強現實技術融入到工程制圖課程中，并介紹增強現實技術實現與工程制圖課程結合的具體實施方式，為土木工程專業高水準人才的培養做好鋪墊。

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.

關鍵詞：虛擬仿真；增強現實；制圖課程；教學改革

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

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

0 引言

土木工程學科的一個重要特點是有很強的實踐性，圖紙是貫穿土木工程從設計到施工的重要媒介，識圖水平的高低將極大的影響學生對于工程制圖科目的學習和理解。傳統的授課方式是老師說，學生聽，此種教學方式過于抽象，學生很難想象圖紙所反映的三維信息，而且學習的方式枯燥，學生容易產生厭學的情緒，從而使得相關的施工現場見習學習也不能達到預期的效果。

2014年初，國務院出臺關于引導一批普通本科院校向應用技術型高校轉型的政策[1]。從宏觀發展角度來看，國家政策積極引導高校走工程化應用教育的道路[2]，在國家大力推行技術型大學的背景下，在土木工程專業體系中引進虛擬仿真，可以幫助學生形象、直觀的理解所學課程，對于建筑業的發展極其重要。基于虛擬仿真技術的課程教學的實現，將給傳統的教學模式帶來深刻的變化。

1 工程制圖課程的現狀

當今，通過二維的投影圖來對三維信息進行表達，增強和培養學生的空間想象能力是國內各高校的工程制圖課程形式主要形式。但這種傳統的教學模式存在很多不足的地方，主要有以下幾點：

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

②對于學生來說，學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體建筑相關聯和對應。并且在這個思考的過程中會耗損大量的時間，嚴重的影響了學習效率。所以，學生所希望看到的圖紙是形象的、直觀的，而傳統的二維圖紙反映的信息有限，在學習的過程中學生很難準確和輕松的掌握圖紙所表達的信息和內容。

③目前工程制圖課程課時的大幅縮減，使得課堂教學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用能力要求不斷提高的矛盾的實時，給教學帶來了極大的挑戰[4]。

2 虛擬仿真的特點

現階段的教育已經全面進入教育信息化階段，多媒體技術以及網絡通訊技術被廣泛應用于傳統的教學方式，從而實現了教育的個性化及學習的自主化，促進了教育的全面改革。在教育部發布的《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》中，明確提出了以統籌規劃和具體部署為原則的發展任務，明確了各級各類教育信息化發展的主要任務，從而提高實踐教學水平；在高等教育中，將信息技術與高等教育緊密結合，培養人才的創新思維，從而全面提高教育質量。

虛擬仿真融入教學的實現是以虛擬現實（Virtual Reality， 簡稱VR）技術為基礎，結合多媒體、人機交互等多種計算機技術，構建高仿真的虛擬對象的新興技術[5]。開展虛擬仿真實驗教學工作的本質是要充發揮信息化建設特征、建設高度仿真的試驗對象和環境以及滿足教學要求[6]。將虛擬仿真融入到教學中充分體現了交互性、工程化和虛實結合的原則。虛擬仿真教學可以克服真實環境的相關局限，從而實現既定的教學任務和目標。增強現實（augmented reality，簡稱AR）是基于虛擬現實所發展起的一種新興的人機交互技術，AR技術可以將計算機所形成的虛擬信息或場景融入到用戶所看到的真實場景中，借助顯示設備對真實世界進行景象增強的技術，提高用戶對真實世界的感知能力[7]。

青年學生正處于思維為最活躍的時期，對新事物會產生很濃厚的興趣。相較于傳統的板書或多媒體等教學方式而言，虛擬仿真教學形式新穎，可以充分的調動學生的學習興趣[8]。工程制圖是土木工程的一門基礎專業課程。學生初次接觸此門課程時，往往會十分的不適應，因為此門課程需要很強的空間想象能力，在沒有大量實踐經驗和練習的基礎上，學生很難掌握圖紙中所反映的二維信息，為了解決這一問題，將虛擬仿真應用到教學中的方式應運而生。此項技術的應用可以進行真實教學環境進行搭建，采用情境化教學的新思路，得到與真實教學環境相同的物理反饋。并且可以明顯的提高學生的發現問題、分析問題和解決問題的能力，對傳統教學環節的不足進行了改善。

3 虛擬仿真在工程制圖課程中的典型應用

3.1 效果展示

基于虛擬仿真中的增強現實技術，完成了鋼筋結構施工圖模型和建筑模型三維場景的增強現實應用。本文以鋼筋的結構施工圖和某圖書館的建筑圖為例展示，學生用攝像頭掃描鋼筋平法圖紙時會出現三維的鋼筋模型如圖1所示，學生用攝像頭掃描建筑圖紙時會出現三維的建筑模型如圖2所示。

3.2 增強現實實現途徑

利用unity3D軟件和亮風臺公司的“Hi-AR”插件進行上述效果的實現，首先在Revit中進行三維模型的搭建，然后在亮風臺公司的官網上注冊賬號并上傳所需識別圖，下載所生成的內部環境；將三維模型與下載好的內部環境導入到unity3D中進行場景的搭建，最后掃描識別圖對內置攝像機進行調試，具體的實現路線如圖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現實技術的應用響是很好的，因為此項技術可以變抽象為直觀，有利于激發學生的學習興趣，提高教學質量，通過虛擬仿真中的增強現實技術建立的三維模型，可以讓學生通過人機交互的方式對三維模型進行由內到外的瀏覽，使學生可以直觀的學習和了解模型外部及內部的結構。通過這種方法可以提高學生的學習興趣，同時也可以將復雜的內容具體化、形象化、抽象化，并且通過對虛擬仿真技術和多媒體課件的聯合使用，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生進行互動，這樣可以在較短的時間內提高學生對于課堂知識的消化程度，提高了教學質量。

學生借助此項技術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的，利用虛擬仿真的方法可以形象、生動的表達和描述出傳統課堂上無法準確表達的復雜圖形，使得學生可以形象、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的三維信息以及圖紙理解中的難點，而且學習的過程輕松愉快，學習不再枯燥。

4 結論

通過以上研究，理清了基于虛擬仿真技術的工程制圖課程的發展思路，實現了增強現實技術在工程制圖課程中的應用。基于虛擬仿真的工程制圖課程增強了學生的學習興趣、學習效率，也使得老師的授課方式更加活潑、有趣，是的教學結果顯現化，更更強了學生適應未來社會的能力。

參考文獻：

[1]國務院.國務院關于加快發展現代職業教育的決定[Z].2014.

[2]邱會東，王金波，邱奎，等.虛擬仿真實驗室在化工專業實踐教學中的應用[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2015（9）.

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[4]曾建仙，趙東香.應用型本科土木工程CAD教學改革與實踐[J].圖學學報，2015（1）：151-154.

[5]蔡衛國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28（8）：55-57.

[6]胡今鴻，李鴻飛，黃濤.關于虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探索[J].實驗研究與探索，2015，34（2）：140-144.

[7]張玉清，鄭新奇，管健等.虛擬仿真實驗教學工作的改革與探索[J].中國地質教育，2016（3）：61-62.

[8]郭江華，聶矗，謝誕梅.虛擬仿真實技術在核工程與核技術專業教學中的應用探討[J].中國電力教育，2011，196：37-38.