虚拟仿真在工程制图课程中的教学改革研究

邓朗妮 马晋超 赵军

摘要：本文基于对工程制图课程的现状进行的分析，提出将虚拟仿真中的增强现实技术融入到工程制图课程中，并介绍增强现实技术实现与工程制图课程结合的具体实施方式，为土木工程专业高水准人才的培养做好铺垫。

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.

关键词：虚拟仿真；增强现实；制图课程；教学改革

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

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）03-0170-02

0 引言

土木工程学科的一个重要特点是有很强的实践性，图纸是贯穿土木工程从设计到施工的重要媒介，识图水平的高低将极大的影响学生对于工程制图科目的学习和理解。传统的授课方式是老师说，学生听，此种教学方式过于抽象，学生很难想象图纸所反映的三维信息，而且学习的方式枯燥，学生容易产生厌学的情绪，从而使得相关的施工现场见习学习也不能达到预期的效果。

2014年初，国务院出台关于引导一批普通本科院校向应用技术型高校转型的政策[1]。从宏观发展角度来看，国家政策积极引导高校走工程化应用教育的道路[2]，在国家大力推行技术型大学的背景下，在土木工程专业体系中引进虚拟仿真，可以帮助学生形象、直观的理解所学课程，对于建筑业的发展极其重要。基于虚拟仿真技术的课程教学的实现，将给传统的教学模式带来深刻的变化。

1 工程制图课程的现状

当今，通过二维的投影图来对三维信息进行表达，增强和培养学生的空间想象能力是国内各高校的工程制图课程形式主要形式。但这种传统的教学模式存在很多不足的地方，主要有以下几点：

①制图教学中无法与实践紧密的结合，在教学的过程中可能被迫教授一些无用的知识，比如在基础的课程中会教授换面法，旋转法在土木工程专业领域基本用不到[3]，而且二维信息的投影和表达过于抽象，学生很难完全理解所授知识，并且教学过程枯燥，不利于学生对于知识的掌握和理解。

②对于学生来说，学生对于图纸信息的阅读和理解能力有限，从而无法将图纸标注的二维信息翻译成形象的三维信息，更无法将平面图纸与实体建筑相关联和对应。并且在这个思考的过程中会耗损大量的时间，严重的影响了学习效率。所以，学生所希望看到的图纸是形象的、直观的，而传统的二维图纸反映的信息有限，在学习的过程中学生很难准确和轻松的掌握图纸所表达的信息和内容。

③目前工程制图课程课时的大幅缩减，使得课堂教学效果的提高很难完成。工程制图课程改革的趋势揭示了理论课时减少与应用能力要求不断提高的矛盾的实时，给教学带来了极大的挑战[4]。

2 虚拟仿真的特点

现阶段的教育已经全面进入教育信息化阶段，多媒体技术以及网络通讯技术被广泛应用于传统的教学方式，从而实现了教育的个性化及学习的自主化，促进了教育的全面改革。在教育部发布的《教育信息化十年发展规划（2011-2020）》中，明确提出了以统筹规划和具体部署为原则的发展任务，明确了各级各类教育信息化发展的主要任务，从而提高实践教学水平；在高等教育中，将信息技术与高等教育紧密结合，培养人才的创新思维，从而全面提高教育质量。

虚拟仿真融入教学的实现是以虚拟现实（Virtual Reality， 简称VR）技术为基础，结合多媒体、人机交互等多种计算机技术，构建高仿真的虚拟对象的新兴技术[5]。开展虚拟仿真实验教学工作的本质是要充发挥信息化建设特征、建设高度仿真的试验对象和环境以及满足教学要求[6]。将虚拟仿真融入到教学中充分体现了交互性、工程化和虚实结合的原则。虚拟仿真教学可以克服真实环境的相关局限，从而实现既定的教学任务和目标。增强现实（augmented reality，简称AR）是基于虚拟现实所发展起的一种新兴的人机交互技术，AR技术可以将计算机所形成的虚拟信息或场景融入到用户所看到的真实场景中，借助显示设备对真实世界进行景象增强的技术，提高用户对真实世界的感知能力[7]。

青年学生正处于思维为最活跃的时期，对新事物会产生很浓厚的兴趣。相较于传统的板书或多媒体等教学方式而言，虚拟仿真教学形式新颖，可以充分的调动学生的学习兴趣[8]。工程制图是土木工程的一门基础专业课程。学生初次接触此门课程时，往往会十分的不适应，因为此门课程需要很强的空间想象能力，在没有大量实践经验和练习的基础上，学生很难掌握图纸中所反映的二维信息，为了解决这一问题，将虚拟仿真应用到教学中的方式应运而生。此项技术的应用可以进行真实教学环境进行搭建，采用情境化教学的新思路，得到与真实教学环境相同的物理反馈。并且可以明显的提高学生的发现问题、分析问题和解决问题的能力，对传统教学环节的不足进行了改善。

3 虚拟仿真在工程制图课程中的典型应用

3.1 效果展示

基于虚拟仿真中的增强现实技术，完成了钢筋结构施工图模型和建筑模型三维场景的增强现实应用。本文以钢筋的结构施工图和某图书馆的建筑图为例展示，学生用摄像头扫描钢筋平法图纸时会出现三维的钢筋模型如图1所示，学生用摄像头扫描建筑图纸时会出现三维的建筑模型如图2所示。

3.2 增强现实实现途径

利用unity3D软件和亮风台公司的“Hi-AR”插件进行上述效果的实现，首先在Revit中进行三维模型的搭建，然后在亮风台公司的官网上注册账号并上传所需识别图，下载所生成的内部环境；将三维模型与下载好的内部环境导入到unity3D中进行场景的搭建，最后扫描识别图对内置摄像机进行调试，具体的实现路线如图3所示。

3.3 使用评价

老师对于在授课体系对于虚拟仿真中增强现实技术的应用响是很好的，因为此项技术可以变抽象为直观，有利于激发学生的学习兴趣，提高教学质量，通过虚拟仿真中的增强现实技术建立的三维模型，可以让学生通过人机交互的方式对三维模型进行由内到外的浏览，使学生可以直观的学习和了解模型外部及内部的结构。通过这种方法可以提高学生的学习兴趣，同时也可以将复杂的内容具体化、形象化、抽象化，并且通过对虚拟仿真技术和多媒体课件的联合使用，可以减少老师上课的板书时间，从而使老师有更多的精力和时间去讲课并且和学生进行互动，这样可以在较短的时间内提高学生对于课堂知识的消化程度，提高了教学质量。

学生借助此项技术可以很大程度的提高空间想象能力，而此种能力正是工程制图这门课程想培养的，利用虚拟仿真的方法可以形象、生动的表达和描述出传统课堂上无法准确表达的复杂图形，使得学生可以形象、直观的了解图纸所反映的三维模型信息，清晰的理解平法图纸所表达的三维信息以及图纸理解中的难点，而且学习的过程轻松愉快，学习不再枯燥。

4 结论

通过以上研究，理清了基于虚拟仿真技术的工程制图课程的发展思路，实现了增强现实技术在工程制图课程中的应用。基于虚拟仿真的工程制图课程增强了学生的学习兴趣、学习效率，也使得老师的授课方式更加活泼、有趣，是的教学结果显现化，更更强了学生适应未来社会的能力。

参考文献：

[1]国务院.国务院关于加快发展现代职业教育的决定[Z].2014.

[2]邱会东，王金波，邱奎，等.虚拟仿真实验室在化工专业实践教学中的应用[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2015（9）.

[3]张龙，李十泉.BIM在土木工程制图课程中的应用[J].山西建筑，2015，41（29）：254-255.

[4]曾建仙，赵东香.应用型本科土木工程CAD教学改革与实践[J].图学学报，2015（1）：151-154.

[5]蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2011，28（8）：55-57.

[6]胡今鸿，李鸿飞，黄涛.关于虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探索[J].实验研究与探索，2015，34（2）：140-144.

[7]张玉清，郑新奇，管健等.虚拟仿真实验教学工作的改革与探索[J].中国地质教育，2016（3）：61-62.

[8]郭江华，聂矗，谢诞梅.虚拟仿真实技术在核工程与核技术专业教学中的应用探讨[J].中国电力教育，2011，196：37-38.