土木工程制圖空間解讀能力虛擬仿真訓練教學改革研究

王青 鄭軼洲 鐘煜平 張勇洲 謝紹添

摘? 要：培養學生空間想象能力和形象思維能力是土木工程制圖課程的主要任務之一，這種空間解讀能力最終成為學生在建筑、道路、橋梁、隧道和水利等工程領域工作的關鍵技能。傳統的土木工程制圖教學，以教師為中心且教學手段及工具落后，很難滿足現代化社會發展的需求。基于虛擬仿真技術，更先進更高效的教學手段和方式被應用到土木工程制圖課程中，在問題導向的教學目標指導下，通過基礎到專業不同層次的空間解讀能力訓練，可有效提升學生在工程專業的設計及表達水平。

關鍵詞：土木工程制圖；空間解讀；能力訓練；虛擬仿真；教學改革

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0145-04

Abstract： Developing students' spatial imagination and conceptual thinking abilities is one of the main objectives of the Civil Engineering Drawing course. This spatial interpretation skill ultimately becomes a critical competence for students working in fields such as construction， roadways， bridges， tunnels， and water conservancy projects. Traditional civil engineering drawing instruction， which is teacher-centered and utilizes outdated teaching methods and tools， struggles to meet the demands of modern societal development. With the application of virtual simulation technology， more advanced and efficient teaching methods have been incorporated into the Civil Engineering Drawing curriculum. Guided by problem-oriented teaching objectives， training in spatial interpretation abilities ranges from basic to professional levels， effectively enhancing students' design and communication skills in their engineering major.

Keywords： Civil Engineering Drawing; spatial interpretation; ability training; virtual simulation; teaching reform

在土木、水利等工程領域，工程圖樣是設計與建造中工程信息的載體、表達、傳遞設計信息的主要媒介。工程制圖是一門研究工程圖樣表達與技術交流的工科基礎課程，其中培養空間想象能力和形象思維能力是主要課程任務之一[1]。土木工程制圖是土木工程領域中的一種專業制圖技能，它包含了建筑、道路、橋梁、隧道和水利工程等各種土木工程設施的平面圖、立體圖、剖面圖的繪制。隨著數字信息時代的到來，計算機技術飛速發展，逐漸有先進的虛擬仿真軟件應用到教學環節中[2]，特別是強調專業識圖水平及空間思維能力的土木工程制圖課程，更需要結合數字化可視化技術提升教學效果[3]。

一? 土木工程制圖教學現狀

土木工程制圖教學內容主要由三面投影法與工程專業圖樣閱讀及繪制組成。三面投影法部分主要通過投影方法將空間幾何問題轉化為平面問題，通過投影特征分析空間幾何元素的形狀大小、位置關系等實際問題，對空間想象和邏輯思維能力的要求較高。工程專業圖樣閱讀及繪制部分，把投影法基本原理融入到土木工程專業，將三維工程結構形體或構件轉化成平面圖形進行研究，這在空間思維的基礎上又對學生的專業知識有一定要求。按大部分高校的人才培養計劃，土木工程制圖課程均安排在第一學期，對剛剛接觸專業的大一新生而言，掌握并熟練運用投影法到專業工程圖都有很大難度[4]。

傳統的土木工程制圖教學是通過“以教師為中心”的模式[5]，單向傳授投影法基本原理，通過例題及課后習題，引導學生進行空間思維訓練，建立空間想象力，達到培養學生閱讀、繪制專業工程圖樣的能力。為了優化課程體系和教學內容，部分院校將土木工程制圖分成兩個學期安排課程[6]，第一學期講授投影法基本原理及簡單工程形體的畫法，第二學期針對專業工程圖樣的基本規定和讀圖繪圖進行傳授指導，同時在第二學期期末設置工程制圖集中實踐教學環節，培養學生規范制圖及專業圖樣理解繪制能力。目前所用的多媒體教學是針對圖形識別、空間想象、制圖標準等課程特點采用的直觀形象教學方式，部分理論和推導采用板書，少數高校制作了實物模型輔助教學，基本是遵循形體分析法的步驟，結合線面分析法解決難點部分。然而，投影法作圖及習題講解仍然需要教師花大量時間進行板書板圖，信息量傳遞少，教學效率低。土木工程制圖教學過程中，教師和學生互動的環節往往是教學效果提升的關鍵點，課前的預習、課堂上的演示及交流、課后的復習答疑均會對教學效果產生一定程度的影響。土木工程制圖是一門實踐性非常強的課程，教學中需要組織學生進行較多的繪圖訓練，從而將工程制圖標準及繪圖能力形成自身的制圖素質及條件反射，然而多媒體演示或動畫分解展示僅解決了直觀性問題，無法達到學生動手熟練繪圖的效果。教師在黑板上利用大型三角板或圓規等教具演示各種工程形體的繪圖則會消耗大量時間，且對于線型應用并不靈活準確。現階段大部分高校僅在課堂互動上進行改革，鮮有課前預習環節，也受制于課時長度，課堂上大部分時間均用于演示講授，課后復習及答疑基本在課間發生，無法做到針對學生的作業或提問隨時進行評閱糾正或重點難點加強分析，更不可能做到學生反饋信息的及時處理。

土木工程制圖課程最難達成的教學目標是培養學生的空間想象能力和形象思維能力。土木工程制圖中的空間思維是人腦對物體或幾何元素的空間屬性（形狀、位置）的反映，這種思維源于形象思維，可以直接或間接地處理眼睛直接觀察到的對象或是人腦思考產生的理性材料，空間思維過程注重三維幾何空間的構建，而不關注對象的其他特征（色彩、表面等）。在土木工程制圖中，正投影法被用來解決空間立體的平面表達問題，學生需要順利實現從立體到平面、從平面到立體的可逆轉換過程，這也要求工程圖準確繪制和正確讀圖，進行可逆轉換需要采用兩種不同的思維方式交替分析和解決問題[7]。這就要求在教學過程中設置空間解讀能力訓練環節，通過對基本幾何體的空間變換操作，進一步理解其不同空間位置特點和變換過程，逐步提高對空間立體的抽象思維能力。然而，目前所采用的訓練方式仍然停留在課堂以PPT展示輔助圖片、繪圖示范及語言講授結構細節等相對靜態方式的單向輸送，因學生空間思維能力存在較大差異，這種訓練效果并不理想。

二? 虛擬仿真技術輔助土木工程制圖教學的優勢與難點

在涉及到空間想象時，教師需花費大量的語言進行描述解釋，但學生卻收獲甚微，對三視圖的理解只停留在二維圖形上，無法將其轉化為空間立體圖形。針對這種情況，虛擬仿真技術在輔助土木工程制圖教學上發揮了巨大的優勢。虛擬仿真技術與傳統教學的深入融合，虛擬仿真即借助“虛”與“實”的交互作用，代替了以往的二維圖樣演示或軸測圖靜態表達等局限較大的教學方式，使培養學生的空間想象能力及工程圖解讀能力更加有效[8]。虛擬仿真技術能將工程形體從平面布局到立體剖切，從材料屬性到構件連接都形象、直觀地展現在學生眼前，打破了理論教學與實踐教學之間的壁壘。基于虛擬仿真技術的土木工程制圖與識圖教學活動，既能擴充教學內容，也能豐富教學方法，使得學生從被動學習知識轉變為主動獲取知識，極大地提高了土木工程制圖的教學質量[9]。

虛擬仿真實踐教學在土木工程制圖這門課上的優勢主要體現在以下三個方面：一是在虛擬仿真環境中，學生可以對不同類型的工程圖樣進行空間解讀訓練。例如，學生可以在虛擬環境中觀察和操作平面圖、立體圖、剖面圖等不同類型的圖樣，并通過改變視角、縮放、旋轉等方式，從不同的角度觀察和理解圖樣的空間結構。二是虛擬仿真技術還可以通過模擬實際的建造過程，幫助用戶理解和解讀工程圖樣的空間結構。例如，用戶可以使用虛擬仿真軟件模擬建筑物的施工過程，將工程圖樣轉化為實際的建筑模型，并觀察和理解建筑物的空間結構和特點。三是強化學習與評估，研究如何利用強化學習等人工智能方法，為工程圖樣空間解讀能力的訓練提供更有效的方法和評估手段，提高訓練效果和學習效率。

然而，虛擬仿真技術在實際應用中也存在一些難點。首先，技術門檻較高，虛擬仿真軟件的學習和使用需要一定的專業知識和技能，對于非專業人士可能存在一定的學習難度。其次，真實感與虛擬現實存在差距，盡管虛擬仿真技術可以模擬真實世界的現象和物理特性，但仍然存在一定程度的虛擬性和失真性，這可能對某些訓練產生影響。第三，依賴設備性能，虛擬仿真技術的運行需要高性能的硬件設備，對于設備性能較低的用戶可能存在一定的限制。為了充分發揮虛擬仿真技術在工程圖樣空間解讀能力訓練中的作用，需要在以下幾個方面進一步融合改進：一是開發更適用于訓練的虛擬仿真軟件。針對工程圖樣空間解讀能力訓練的需求，開發更具針對性和實用性的虛擬仿真軟件，提供更多交互式和沉浸式的訓練體驗。二是提升真實感與逼真度。通過改進虛擬仿真技術的算法和模型，提升對物理特性和現象的模擬真實度和逼真度，增強用戶的沉浸感和代入感。三是跨平臺與移動化。推動虛擬仿真技術的發展，使其能夠適應更多平臺和設備類型，包括移動設備和平板電腦等，以便于用戶隨時隨地進行訓練和學習。四是融合其他技術。結合其他相關技術，如虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、物聯網等，拓寬虛擬仿真技術在工程圖樣空間解讀能力訓練中的應用場景和可能性。

綜上所述，虛擬仿真技術在工程圖樣空間解讀能力訓練中具有顯著的優勢和潛力。通過不斷的技術創新和完善，我們可以為工程領域的人員提供更高效、更具互動性和真實感的訓練體驗，從而提升其在設計和制造過程中的理解和解讀能力。這將有助于提高工程設計的精度和質量，推動工程領域的持續發展和進步。

三? 空間解讀能力虛擬仿真訓練教學改革

（一）? 空間解讀能力訓練教學目標的改革

提升學生空間解讀能力是土木工程制圖教學中的重中之重，現階段有大量的教學改革是利用實體模型結合三維設計軟件來進行訓練。在初期階段，這種輔助教學方式在投影理論和建立三視圖概念上有較大幫助。隨著學習的深入，這種輔助對抽象思維能力的訓練效果甚微，直至成為空間思維能力提升的障礙。這種方式會使不少學生對立體模型產生過度依賴，不給出立體模型就無法完成視圖投影，在組合體讀圖練習時，必須先草繪出所謂的立體圖才能進行三視圖投影，逐漸導致抽象思維能力的缺失。特別是在已知基本幾何立體后仍無法通過假設、分析、判斷等思維活動，正確地重構工程形體結構，更無法進一步轉化展開為三視圖。在這種狀態下，立體模型已經喪失自身的輔助功能，并阻礙了學生空間抽象思維能力進一步提升。為了防止這種情形出現，應該充分利用虛擬仿真技術的優勢，靈活設置空間解讀能力的訓練環節和步驟，以成果導向的思維，確定不同的訓練模式及模塊，更多地引導學生通過觀察和空間想象來解決問題。在中后期階段，訓練目標應從立體輔助逐漸轉變為三維轉二維的實際圖紙識讀，讓學生對于具體的工程形體和結構能產生熟悉度，并能和相應的平面圖形對應起來，進一步培養自己的繪圖能力。空間解讀能力訓練最終需要達到的教學目標，不僅要求學生能有空間想象能力及三維二維互相轉換能力，還要具備運用工程圖解決實際問題的能力。

（二）? 利用虛擬仿真技術建立制圖基本概念的訓練方式

在教育領域，虛擬仿真技術為學習者提供了一種全新的學習體驗，能夠幫助他們更好地理解和掌握知識。對于制圖基本概念的訓練環節，利用虛擬仿真技術可以大大提高訓練的效率和效果。虛擬仿真技術將文字、圖形、聲音和圖像有機地結合起來，能夠在計算機上靈活實現二維到三維空間、三維到二維之間的轉換，三維模型的空間展示，有助于學生形成空間感，還以數據庫的形式建立土木工程制圖教學過程所需的各種典型題庫，使教學過程更具針對性，可以隨時對數據庫的內容進行添加、刪除、修改和編輯等操作，對典型素材進行管理和維護，優化教學內容，調整教學結構。制圖的基本概念及基本原理可以在虛擬仿真技術的輔助下進行多種方式的高效訓練。

1? 比例訓練

比例是表示圖樣中圖形與實際物體尺寸的比例關系，在土木工程制圖中，通常采用數字比例表示，如1∶50、1∶100、1∶1 000等。虛擬仿真技術可以通過直觀的方式，讓學生設置任意比例，用動畫的方式將圖紙上的結構形體放大或縮小到給定比例，并通過具體某個線性局部的變化來理解比例數值的意義。

2? 線條訓練

線條是組成圖樣的基本元素之一，包括粗實線、細實線、虛線、點劃線和雙點劃線等不同類型。不同線條在圖樣中表示不同的結構和構造，通過虛擬仿真可將不同類型線條在空間中的位置及表達結構進行對應展示，可由學生自行指定某個局部線條來理解展示出的結構形體。

3? 標注訓練

標注是表示圖樣中物體的尺寸、位置、材料和構造等信息的方法。在土木工程制圖中，常用的標注包括尺寸標注、文字標注、符號標注等，通過仿真表達方式，將標注以可視化及立體化的方式呈現給學生，并設置相關判斷訓練環節，增強學生的標注規范化意識。

4? 圖例訓練

圖例是表示圖樣中不同材料屬性、結構或構造的符號和代號，如鋼筋代號、鋼筋混凝土等。通過虛擬仿真技術將工程圖樣的圖例進行空白化處理，設置學生查規范選圖例進行填補的訓練環節，熟練應用于工程設計中。

5? 布局訓練

布局是指整個圖樣的排版和布置，包括工程圖的位置、大小、標題和圖例等元素的設置。合理的布局可以使圖樣更加清晰和易于閱讀，虛擬仿真技術建立的工程圖樣模型，可以讓學生自由快速地進行布局訓練，將工程圖的規范布局及信息合理表達水平提升到一定高度。

（三）? 虛擬仿真方式實現工程圖樣空間解讀能力訓練

上升到工程圖層面，除了要求一定的專業基礎知識，對學生的識圖及空間理解能力有更高要求。虛擬仿真技術在工程圖樣空間解讀能力訓練中具有顯著的優勢和潛力，不僅允許學生重復訓練環節從而達到熟練識圖的水平，還可以增強學生對工程圖的理解深度。

1? 圖樣訓練

圖樣是指按照一定的比例和規則繪制的圖形，用于表示物體的形狀、大小、結構、構造和安裝等方面的信息。通過數字化及可視化的虛擬仿真技術，將各種不同難度的圖樣分階段設計訓練環節，學生可以循序漸進且不斷重復地進行各環節訓練，從而逐步提高識圖能力。

2? 視圖訓練

視圖是指將物體放置在某一角度所看到的圖形。根據不同的角度和方向，可以分別得到正視圖、俯視圖、側視圖和仰視圖等不同的視圖。虛擬仿真技術可以實現工程形體三維圖形的不同位置變換及相應視圖的快速形成，在這種自由訓練方式下，學生可以充分激發學習興趣，通過自主設置形體位置來提高三維到二維的思維水平。

3? 沉浸式虛擬仿真訓練

虛擬仿真技術可以為學生提供一個高度交互和沉浸式的訓練環境，學生可以通過VR設備在虛擬環境中直接觀察和操作工程圖樣，獲得直觀的理解和體驗。這種方式的訓練還有諸多優勢，包括：①可重復性，即在虛擬仿真環境中，學生可以對同一工程圖樣進行多次訓練，不斷加深對空間結構的理解和掌握；②真實感，即虛擬仿真技術可以模擬真實世界中的材料特性和現象，如鋼筋、混凝土、重力、摩擦力、滑動和傾覆等，使訓練更具真實感和代入感；③可視化，即虛擬仿真技術可以將抽象的工程圖樣轉化為形象的三維模型，有助于提升學生的空間想象能力和可視化思維；④適應性強，即虛擬仿真軟件可以適用于各種平臺和設備，無論是個人電腦還是移動設備，都可以輕松實現工程圖樣空間解讀能力的訓練。

四? 結束語

與只注重進行傳統的邏輯思維能力培養的其他公共基礎課程不同，土木工程制圖是以形象思維能力和空間想象能力的訓練貫穿始終，研究用正投影法繪制、閱讀工程圖樣和圖解空間幾何問題的課程，是用二維的圖形、符號表達三維空間物體，三維空間形狀通過二維的平面圖形來表達的學科。在當今的工程領域，對于從事土木工程的專業技術人員來說，具備準確理解和解讀工程圖樣的能力至關重要。工程圖樣不僅傳遞了設計師的意圖，也構成了管理者和施工單位理解、生產、檢測產品的基礎。然而，在實際操作中，許多人由于缺乏對工程圖樣空間結構的直觀理解，往往會給設計和制造過程帶來諸多困難。針對這一問題，虛擬仿真技術為工程圖樣空間解讀能力的訓練提供了一個有效的解決方案。隨著計算機技術的迅速發展，以計算機為主體的多媒體教學手段以其逼真、形象、生動、人機交互和信息量大等優勢正在日益廣泛地應用于各類學校的課堂教學，成為優化教學過程、提高教學效率和教學質量的有效途徑。虛擬仿真技術通過在計算機上創建虛擬環境，實現了對真實世界的模擬和仿真。對于工程圖樣空間解讀能力的訓練，虛擬仿真技術可以通過創建虛擬的工程圖樣和三維模型，讓學生在虛擬環境中對其進行交互式的觀察和操作。

綜上所述，本研究通過虛擬仿真技術的應用為土木工程制圖課程開創一種全新的教學方法，使課程教學手段現代化，并把問題導向和虛擬仿真技術有機結合起來，能夠在計算機的平臺上靈活實現二維到三維空間、三維到二維之間的轉換。同時，為了不讓學生產生空間技術依賴性，設計了多種訓練方式，以問題分析和解決為最終教學目標，使這種新方式成為優化教學過程、提高教學效率和教學質量的有效途徑。

參考文獻：

[1] 教育部高等學校工科基礎課程教學指導委員會.高等學校工科基礎課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社，2019.

[2] 王丹，袁媛，吳艷華，等.基于BIM的土木工程制圖課程改革探索與實踐[J].高教學刊，2022，8（36）：146-150，154.

[3] 湯曉燕，云忠.“思政引領、成果導向、課賽合一、虛實結合”的工程圖學系列課程改革與實踐[J].高教學刊，2023，9（15）：110-114.

[4] 王振波，吳麗麗，趙衛平.《土木工程制圖》課程教學方法創新的分析與探討[J].教育教學論壇，2018（39）：111-112.

[5] 段樂珍.新形式下《土木工程制圖》課程教學模式改革探討[J].長沙鐵道學院學報（社會科學版），2009，10（1）：62-63.

[6] 裴紅艷，緱勇.土木工程制圖教學模式改革的研究[C]//Hubei University of Technology， China.Proceedings of 2010 Third International Conference on Education Technology and Training（Volume 6）.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2010：77-79.

[7] 王小章.工程教育認證背景下工程制圖教學中空間思維能力培養[J].科教導刊，2021（12）：89-91.

[8] 李陽春，程小鳳，邵琳.基于虛擬仿真技術的“工程制圖與識圖”教學改革與探討[J].科教導刊，2023（6）：96-98.

[9] 王赫瑩，馬星，孫興偉.基于OBE理念的工程圖學課程建設與改革研究[J].高教學刊，2022，8（22）：67-70，74.

基金項目：2023年大學生創新創業訓練計劃項目廣州航海學院省級立項“設計培養立體圖及三視圖解析能力的訓練系統”（C2301002720）；2022年度廣州市高等教育教學質量與教學改革工程項目“港口水工建筑物課程設計虛擬仿真實驗教學方案研究”（2022JXGG114）；2023年度廣東省本科高校教學質量與教學改革工程建設項目“港口水工建筑物課程設計虛擬仿真實踐教學方案研究”（粵教高函[2024]9號）

第一作者簡介：王青（1981-），男，漢族，湖北大冶人，博士，副教授。研究方向為土木工程制圖教學改革及港口水工建筑物結構設計。