基于BIM等三維技術的制圖課程教學改革

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、建筑學等專業的一門專業技術基礎課，學生識圖繪圖能力的高低，直接影響到他們的就業競爭力及發展前景。目前，大多數學生在“工程制圖”課程中呈現三維空間想象力差、識讀二維圖紙的能力較差等問題。把在建筑業大力推廣應用的BIM和VR/AR技術及3D打印技術融入“工程制圖”課程中，并進行教學探索實踐。實踐結果表明：利用BIM+VR/AR+3D打印技術，能夠實現形體二維到三維的相互轉化，有效解決了“工程制圖”課程中的教學難點，增強了學生的課堂積極性，提升了課程的教學效果。

[關鍵詞] 工程制圖;BIM+VR/AR+3D打印技術;教學改革

[基金項目] 2019年度河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“BIM+VR/AR+3D打印技術在工程制圖課程中的改革與實踐”（2019GJJG400）;2020年度河北省大學生創新創業訓練計劃項目“BIM+AR+3D打印技術在工程制圖課程中的應用研究”（S202010085024）;2020年度河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“工程制圖課程線上線下混合式教學模式研究”（2020GJJG616）

[作者簡介] 董 成（1988—），女，河北滄州人，碩士，河北水利電力學院基礎部講師，主要從事結構工程和巖土工程研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）27-0085-04? ?[收稿日期] 2021-01-31

一、引言

圖紙是技術工程師在工程界的語言，在設計、施工、監理、經濟核算等過程中均離不開建筑施工圖和結構施工圖，因此能否看懂圖紙對于學生而言至關重要，然而在“工程制圖”課程教學中，學生空間想象力差、二維與三維相互轉化能力差、閱讀圖紙困難、學生積極性不高等現象突出[1]。近年來，BIM技術、VR/AR技術和3D打印技術在我國大力普及和推廣，將信息化技術與傳統土建類課程相融合已經成為高校教學的趨勢，本文將BIM技術、VR/AR技術和3D打印技術融合在“工程制圖”課程教學中，教學改革取得了良好的效果。

二、BIM+VR/AR+3D打印技術及其優勢

BIM是建筑信息模型，建立完整的BIM模型，從項目規劃到設計、施工、運維不斷更新數據信息，從而實現項目各個階段的全過程管理。BIM應用在“工程制圖”課程中，主要利用其三維可視化的特點，有效將二維圖紙建立為三維模型，通過任意剖切和旋轉，直觀展示圖紙與三維構件的關系[2]。

VR是虛擬現實技術，又稱賽博空間和真實物理空間對應[3]，概念產生于20世紀80年代，在合理操作下，利用計算機生成一種虛擬的三維環境，通過視覺、聽覺、觸覺等多種信息為人所感知，產生一種交互感受，并通過各種傳感設備，實現人機交互，因此產生了良好的沉浸感、交互性和構思性。AR是一個虛實結合的環境，主要作用是將物體的信息疊加到真實物體上，將現實世界之外的虛擬場景與真實場景疊加融合，使人們達到超越現實的感官體驗[3]。VR/AR技術使BIM三維形體模型更具可視性和具象性，為學生提供沉浸式的學習體驗，加深對知識點的理解。

3D打印技術以數字模型文件為基礎，運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構造物體，它具有簡便、靈活、安全、快速的優點。我國制造業、醫學、建筑設計等行業廣泛應用了3D打印技術，目前高校也引入了3D打印技術進行教育教學，這為教學設計提供了新思路，豐富了教學內容，改進了教學方法，使學生獲得了較好的學習體驗[4]。

將BIM技術、VR/AR技術和3D打印技術應用在“工程制圖”課程中，進行信息化教學改革，有助于提高教學效果，滿足高校培養高質量、高素質信息化人才的教育要求。

三、BIM+VR/AR+3D打印技術在“工程制圖”課程中的教學應用

（一）BIM技術在“工程制圖”課程中的應用

《工程制圖》這本書主要講解了畫法幾何和專業圖兩個部分。在畫法幾何部分，利用Revit2016創建族構件，將畫法幾何部分的難點，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、移動功能查看截切線、相貫線及組合體部分相貫線的處理（見圖1、圖2）。在專業圖部分，利用Revit2016創建別墅模型講解建筑形體的外部造型，利用剖面框進行水平剖切講解平面圖的形成原理（見圖3），利用剖面框進行豎直剖切然后旋轉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教學資源庫。

（二）VR/AR技術在“工程制圖”課程中的應用

將BIM建立的三維模型導入Lumion9.0生成全景圖，并通過720yun制作成VR資源轉成二維碼形式，學生通過手機等移動終端掃描二維碼調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、移動等方式全方位、多角度、細致的查看形體[5]，將建立的VR資源放入VR教學資源庫。對于AR資源，采用的是一些新出版的制圖類教材中現成的資源，這些資源都是免費公開的[3]，將有AR資源的頁面掃描為電子版放入AR教學資源庫。在課前、課中、課后都可以發給學生，學生通過手機終端進行預習和回顧。學生用手機掃描二維圖形，這時手機屏幕上就會出現二維圖形對應的三維立體模型，同時將三維圖形放大、縮小、旋轉、移動可以查看學生自身想象不出的關鍵點，加深理解截切、相貫、組合體部分的難點。

1.3D打印技術在“工程制圖”課程中的應用。挑選BIM教學資源庫有代表性的模型進行縮尺，然后用3D打印機進行打印，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，無法用樹脂打印，解決辦法是將欄桿扶手刪掉然后重新建立族構件進行打印，成品展示效果良好（見圖8）。3D打印技術將BIM建立的經典三維模型轉換為實體，學生實實在在看得到、摸得著，增強了學生的三維想象力，將打印好的模型放入模型實驗室，學生既可以在課上看，也可以去模型實驗室參觀。