信息化三維動態在工程識圖與制圖教學應用研究

鄧桂美

（廣州南洋理工職業學院建筑工程學院，廣東廣州 510900）

一、背景

國家各級部門先后出臺了一系列政策文件推動教育信息化。2017年8月，教育部發布《關于進一步推進職業教育信息化發展的指導意見》，要求進一步加強職業教育信息化建設，以此提高職業教育信息化基礎能力，實現教育教學模式的深化改革[1]。之后，教育部又發布了《教育信息化2.0行動計劃》，表示要將互聯網和職業教育緊密結合在一起，以此促進職業教育的現代化發展。2019年1月，國務院出臺《國家職業教育改革實施方案》，要充分運用現代化信息技術，不斷完善當前的教育教學方式，加強虛擬工廠等網絡空間建設和普及[2]。2020年9月，教育部印發《職業教育提質培優行動計劃（2020-2023 年）》，表明要進一步加強職業教育信息化建設，并將信息技術與職業教育相結合，以此實現職業教育改革，全面提高教師素質，提升職業教育辦學質量[3]。

二、高職院校工程識圖與制圖課程現存的主要問題

工程識圖與制圖課程內容多，涵蓋面廣，學生較難掌握。課程一般包括識圖基礎、剖面圖與斷面、結構工程識圖、建筑工程識圖四個項目。課程知識點較多，如果面面俱到，無法突出課程重點內容。同時高職學生在數學思維和幾何關系知識薄弱，在點線面投影及組合體的投影部分就會花掉大量的課時去理解和掌握，容易造成后續課程的課時緊張，只能掌握專業圖識讀部分的皮毛。如果不花掉大量的課時去詳細講解識圖基礎，很多學生無法想象圖紙平面、立面、剖面、斷面的關系，無法更深層次地去分析圖紙的精髓。

傳統板書與PPT演示教學方法，局限了工程識圖與制圖課程的發展。PPT課件無法對復制組合體的投影，結構工程圖紙和建筑工程圖紙進行充分地剖析，無法對工程圖紙的內部結構進行深入講解。學生現有的思維認知，很難融入到課程的學習中，造成學習困難、學生積極性不高的局面。

工程識圖與制圖課程，識圖時把二維平面圖紙通過空間想象力，形成三維立體空間。制圖時把想象形成的三維立體空間轉換為二維平面圖紙，這要求學習工程識圖與制圖課程，要有很好的空間轉換能力。但高職院校的建筑類學生知識水平較差，中、高考分數較低，部分學生抱著混個大專文憑的心態進入高職院校，造成學生學習興趣不濃。基礎弱、學習興趣低以及空間想象力缺乏等原因，使工程識圖與制圖課程學習效果不好，學生的專業能力差，如果核心基礎課程掌握不牢固，建筑工程的整個核心課程都難以開展。

工程識圖與制圖既是后續專業課程學習的基礎，也是進行課程設計、畢業設計以及畢業后能勝任相關技術工作的基礎。理論與實際項目的結合性較差，根據教學多年的經驗，一直著力于研究工程制圖與識圖的教學方法，以尋求更有效的教學改革措施，來改變教學過程中遇到的困境。

三、信息化三維動態工程識圖與制圖課程改革策略

（一）對比常見的三維軟件，找到合適工程識圖與制圖課程改革的載體

3D軟件可以解決三維和二維空間轉換的問題，借助信息化三維軟件直觀性特點，深入理論講解，開發學生的空間想象能力；借助信息化三維軟件動態變化特點，把復雜的建筑平面圖紙轉化成直觀的三維模型，學生可以反復觀察平面圖、立面圖、剖面、軸測圖和透視圖的變化關系，促進學生在立體的三維模型中理解二維的平面知識，強化學生的空間想象能力。

現有的3D軟件很多，有Maya、ZBrush、Blender、Rhino等，哪個軟件適合工程識圖與制圖？現對比建筑類常用的三維Sketchup、3DMax、Revit軟件。

表1 Sketchup、Revit、3DMax軟件對比

建筑設計基本使用Sketchup和3DMax建模VR渲染，Revit常用于后期深化。

Sketchup：應用最廣，操作方便、能快速出模型。該軟件有專門針對建筑設計設置的等軸測視圖模式、正交視圖模式、透視視圖模式、平行投影視圖模式及兩點透視視圖模式；軟件的剖切工具可以直接地制作建筑物的剖立面。但Sketchup精準度較低，適合一些復雜性比較低的項目，或者是直線比較多的項目。

Revit：實現“三維協同設計”，在三維狀態中，可與建筑、結構、水暖電等幾個專業形成完整的BIM模型。軟件自帶數據統計，數據的管理和處理能力非常強大，出圖的速度很快。Revit一般是方案確定之后用，它是一個工業化大生產的工具。

3DMax：全功能3D軟件，超寫實渲染效果被廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、三維動畫、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。3DMax采取了多邊形建模的模型構架，不存在真正意義上的光滑曲面，編輯界面繁多，操作復雜。

Sketchup、3DMax和Revit都可以協助完成工程識圖與制圖的三維與二維空間轉換，擅長3D軟件的教師擔任工程識圖與制圖更有利于課程的講解和示范說明。其中Sketchup在工程識圖與制圖課程教學中有較大的優勢。Sketchup操作方便，繪制技巧和AutoCAD一致，快捷鍵也基本相同，通過對圖形的推拉、旋轉、跟隨路徑得到立體模型，非容易理解。沒有接觸過也可以短時間內掌握，滿足工程識圖與制圖協同教學的要求。

（二）Sketchup軟件三維動態工程識圖與制圖教學法

結合Sketchup軟件的工程識圖與制圖，通過不斷重復三維到二維的展示，直接模擬燈光投影的效果，讓學生建立良好的空間想象能力。幾何畫法是工程識圖與制圖的基礎知識點，通過幾何畫法的知識建立科學的空間轉換能力。傳統的PPT演示加教師黑板繪制，這單一的教學模式沒有辦法滿足現在課程的需求[4]。Sketchup提供等軸、俯視、前視、后視、左視、右視、平行投影、透視、兩點透視九種視圖模式，X光透視模、后邊線、線框、消隱、陰影、材質貼圖、單色顯示7種風格樣式。講解幾何畫法時只需視圖和風格相結合，就能實現三維、二維自由切換。幾何畫法模型基本可在一分鐘內完成建模，使教師具有較大的靈活性，課堂內容變得豐富生動[5]。

圖1 Sketchup建筑透視、剖面圖

與工程識圖與制圖動態交流。Sketchup軟件的靜態可以滿足畫法幾何、平面圖紙繪制、立面圖紙繪制的教學需求；Sketchup+VR軟件的動態輸出可以解決工程識圖與制圖中剖面圖、詳圖的知識難點，同時提高學生自主學習的積極性。剖面圖、詳圖由于建筑構件多樣，形態復雜，圖紙千差百異常常讓學生感到無從下手，加大了學生學習的難度。為了解決這一難題，在計算機中建立與真實模型相同或相似的虛擬環境，使學生在虛擬環境中能夠眼見為實并觀全貌，而且這些模型可以任意方向進行旋轉、剖切、不同方位不同截面的剖切位置可以取出相應的剖面圖[6]。動態交流有利于因材施教，方便學生更自主地學習和理解工程體的剖面圖、斷面圖、構件圖、詳圖等識讀方法和繪制技巧（圖2）。

圖2 Sketchup+VR虛擬全景圖

怎么與工程識圖與制圖進行動態交流？Sketchup+VR軟件輸出全景圖，虛擬全景實體的展現彌補學生必須跟著老師走的缺陷，學生可以通過自己的智能手機，與虛擬的場景進行交流，學習工程識圖與制圖的知識。學生根據自身的知識弱點，學習不同的空間，通過前進、后退、旋轉使學生能夠在短期內形象、生動、直觀地了解建筑，掌握識圖繪圖的技能（圖3）。

工程識圖與制圖課前課下的網絡互動。課程可以借助學習通平臺，彌補了純粹的傳統課堂面授時，由于學生基礎良莠不齊導致學習進度不一的情況。經過“全民網課”的特殊情況，學生、家長對網絡課程有更全面地理解，教師的網課制作水平全面提高。把工程識圖與制圖的知識重點和難點進行模塊化，上傳前期Sketchup輸出的靜態和動態場景，讓學生能夠根據自身的情況，自動調整觀看時間、觀看次數。既能夠兼顧基礎好的學生，也能夠兼顧基礎薄弱的學生，學習時間比較隨意，學習時長也可自由調整，從而達到課前預習和課后復習鞏固的目的[7]。學生通過智能手機與全景動態互動，了解自身不足，查漏補缺，不斷提高學生知識的掌握度。

（三）工程識圖與制圖融合網絡信息化教學

充分利用網絡資源，在網絡覆蓋的任何地方，都可以作為學生學習的場地。網課課程資質異常豐富；部分地方封閉后，學生無法回校，很多高職院校出現線上、線下課程同時進行教學的情況?；凇盎ヂ摼W+”模式下信息化教學平臺、APP、資源庫、在線開放課程等網絡資源層出不窮，不僅豐富了教師上課的教學內容，也提高了學生的學習積極性和興趣?？梢岳谩爸袊髮W慕課”“智慧職教”“學習通”“學銀在線”等平臺建立網絡課程，為每個知識點構建任務單、微視頻、習題、討論、作業提交等知識結構體系，為學生課前預習、課中討論簽到、課后復習、課后及時反饋等教學過程提供了很好的教學平臺。對學習積極的同學，老師積極回復并進行課外輔導，對學生起到了鼓勵的作用，能更加促進學生學習的動力。

網絡微課，利用碎片化的時間來預習、學習或鞏固知識點。微課一般是十分鐘左右，碎片化的知識教學使學生易于接受，隨時隨地進行學習，逐個擊碎難點，掌握重點，提高了學生的學習興趣，減少了學習的壓力。除此以外，伴有大量的實踐操作，將課程的眾多大知識點分割為小知識，從而制成教學資源，將其靈活地運用在教學活動中，可以有效地提高學生的注意力，有助于學生進行教學任務的完成。例如在講解地面鋪裝時，教師可以將木地板鋪裝、石材鋪裝、陶瓷地磚鋪裝整理為三節微課內容，通過平面圖、剖視圖和節點大樣圖，由易到難的遞進過程，使學生從局部到剖視圖的整體有一個充分認識，積少成多從量到質的提升變化。

將網絡工程施工動畫，融入到教學中。工程識圖與制圖中的節點圖和大樣圖，需要學生理解施工步驟，才能理解和讀懂圖紙，如建設裝飾施工圖中，天花吊頂暗藏窗簾盒構件的內部結構很難看到，只能在施工現場才能看到構件的制作過程，而且一般構件內部吊筋骨架配置較復雜，學生很難通過想象來理解；暗藏窗簾盒完成的效果在日常生活中可以看到，學生可以理解它的平面圖紙，但是剖面圖和大樣圖就必須要懂結構和施工才能識圖和制圖。在講解暗藏窗簾盒這個知識點時，可以利用輔助模型來進行配合暗藏窗簾剖面模型，插入網絡暗藏窗簾盒工程的施工過程動畫，將實體模具和結構施工圖相結合，學生更能從圖紙中聯想到實體，從實體中描繪施工圖，加深學生的理解，從二維圖片到三維模型，從靜態圖紙到動態施工過程，彌補單一的教學方法中無法展示實體的缺陷，使學生能夠在短期內形象、生動、直觀地掌握繪圖識圖技能。

四、結束語

綜上所述，信息化三維技術不僅為現代建筑業帶來了全新的發展機遇，也促進教育的進步，有利于培養學生的空間思維能力、創新創造能力和工程素養，適應人才培養的需要和當前信息化教學的發展需要。