基于AR技术的施工图识读课程教学模式研究与实践

刘粤 陈丽红 邓炽平

识图课程是一门重要的专业技能课程，熟练识读施工图纸是职业岗位必备的核心技能之一，关系到职教类学生的就业和长远发展。本文以建筑工程施工专业核心课程建筑结构施工图识读为例，研究基于增强现实AR技术的全新课堂教学模式，解决建筑结构施工图识读课程长期存在的教学难点。

建筑结构施工图识读旨在培养学生熟练识读民用建筑结构施工图和标准图集。熟练识读建筑结构施工图是现代建筑企业施工员、监理员等岗位必备的核心技能之一。在教学研究中，笔者研究开发了基于三维钢筋构造增强现实AR视图教学资源，实施了基于交互式三维钢筋构造AR视图的新课堂教学模式，转变了传统教学方式，可以不必在施工现场或实操场地进行教学，而是在虚拟场景下实现了充分的师生交互式学习与讨论，能够帮助学生理解钢筋的空间位置、具体尺寸、制图规则和构造要求等。学生还可利用移动终端自主实时学习，实现人机互动，不受时空和学习次数限制，有效打通课内课外。教学实践表明，三维钢筋构造AR视图能有效帮助学生建立钢筋构造三维空间概念，解决如何将二维平法施工图转换为三维钢筋构造图形的教学难点，教学质量和教学效率显著提升。以AR为代表的可视化技术教学效果较传统教学及多媒体教学显著提高，已成为教学改革的新教学模式。本文结论对职教类其他识图课程具有参考意义。

一、建筑结构施工图识读课程核心技能概述

建筑结构施工图识读核心课程是建筑工程施工专业后续课程学习所必备的专业知识储备和主要专业技能。本课程旨在培养学生正确运用常用结构构造知识，依据相关的规范与制图标准，熟练识读民用建筑结构施工图和标准图集。其中最核心的是培养学生建立二维平法施工图与三维钢筋构造图之间对应关系和空间思维能力，对后续专业课程学习及学生基本职业素养和专业技能的培养有着重要影响。

二、建筑结构施工图识读教学中待解决的主要问题

本课程教学的重点是了解结构的基础知识、相关的规范条文，掌握平法制图规则和构造详图，建立钢筋构造三维空间概念。课程教学目标核心之一是使学生能够将二维结构平法施工图转换成三维空间的钢筋构造实体。笔者在教学实践中发现，学生的空间思维能力比较薄弱，难以理解二维平法施工图与三维钢筋构造图之间的对应关系，导致课堂教学乏味、学生学习积极性不高、学习主动性不强等现象，并直接影响课堂教学的效果。

近年来，教学过程中学生只能通过观看一些简单的钢筋构造模型、施工现场图片和教学视频等进行学习，始终无法观看到梁、柱等三维钢筋构造的全貌，学生很难建立起二维结构平法施工图和三维钢筋构造之间的空间对应关系，因而无法熟练地识读结构施工图。这种情况可称之为施工图识读技能缺失，对后续专业课程的学习会产生不利影响，也会影响学生今后的就业实习，甚至无法胜任施工员等建筑施工岗位的工作。

因此，如何有效地培养学生的空间思维能力，帮助学生建立二维平法施工图与三维钢筋构造图之间的空间体系对应关系，成为目前本课程教学中急待解决的主要问题。为解决这一问题，笔者开发了AR视图教学资源——交互式三维钢筋构造AR视图，能够360°全方位展示三维立体钢筋构造AR视图，显著提升课堂教学质量。

三、交互式三维钢筋构造AR视图教学环境的设计思路

增强现实AR（Augmented Reality）是虚拟现实的扩展，将虚拟的信息叠加到真实世界，可实时交互虚拟信息，看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟对象，增强视觉效果。大量实验表明，AR通过师生双向的交互，提高学生沉浸感和想象力，使学习的深度、广度有所增加，学生由被动学习变为自主学习、体验学习、探究式学习，显著提高了学习效果。

本着以学生为主体、以现代教育理论为指导的设计思路，充分运用信息化教学手段，笔者采用AR技术对建筑结构施工图识读教学内容中的主要知识点、相关的规范条文、制图规则与构造标准等进行数字化重构，建立一个交互式可视化技术教学平台——360°全方位三维钢筋构造AR视图，能够有效地培养学生的空间思维能力，帮助学生建立二维平法施工图与三维钢筋构造图之间对应关系。

四、三维钢筋构造AR视图在教学中的应用

（一）三维钢筋构造AR视图分类

混凝土结构施工图识读的教学任务可分解为基础、柱、梁、墙、板、楼梯平法施工图，相对应的三维钢筋构造AR视图可分为独立基础、桩基础、框架梁柱、剪力墙、楼板、楼梯等钢筋构造AR视图。这些AR视图各自独立，可任意选取学习。

（二）突显二维结构平面图与三维钢筋构造图之间的空间对应关系

本课程教学的难点是在学习二维结构平面图时，如何让学生建立起钢筋构造的三维空间体系。在这个钢筋构造三维空间体系中，学生应该准确无误地知道不同的钢筋分布在哪个位置，钢筋的起点和终点在哪里，制图规则与构造要求有哪些。如果弄懂了这些具体的问题，学生就能够熟练识读结构施工图。因此，笔者在开发三维钢筋构造AR视图时有针对性的采用了以下表述模式：

1.图形色彩的运用

在三维钢筋构造图中，不同位置的钢筋采用不同的顏色表示。如图1所示，在描述梁纵向钢筋时，采用不同的颜色分别表示梁的上部角筋、上部一排中部筋、上部二排筋、梁侧钢筋和下部纵筋，从而建立由二维平面图到三维立体构造图之间的一一对应关系。色彩的合理使用增强了三维效果图形的立体感。

2.动态展示钢筋构造AR视图

以框架梁柱钢筋构造为例，如图2所示，为了从各个角度全方位展示三维立体钢筋构造，AR视图制作成能够360°全方位动态旋转，供学生仔细观察三维钢筋构造的全貌，读懂图形中标注的知识点、规范条文、制图规则等内容，用心体会不同钢筋的空间位置和构造要求，帮助学生建立钢筋构造的空间概念，理解二维平法施工图与三维钢筋构造图之间的一一对应关系。

3.三维图形采用图文原位标注表述模式

如图1和图2所示，为了提高三维图形的可读性，使三维图形的阅读能够更加符合职教类学生的理解能力和空间想象力，笔者采用图文原位标注表述模式，在框架梁柱中需要解释与标注的位置，将有关的规范条文、制图标准等内容直接集中标注在三维钢筋构造图形中。如图1所示，框架梁端部钢筋构造的原位置标注有：（1）通长筋（角筋）;（2）梁上部第一排筋的构造要求;（3）梁上部第二排筋的构造要求;（4）梁侧向钢筋的构造要求;（5）梁下部纵向钢筋的构造要求。在图2中标注框架梁柱箍筋原位置标注有构造要求。

钢筋构造采用图文原位标注表述模式，使得三维图形与文字诠释一一对应，完美融合，图中的钢筋配以各种颜色，立体感强烈，给学生留下了深刻的印象，极大地提高了三维图形的可读性，取得了良好的教学效果。

（三）借助三维钢筋构造AR视图进行交互式教学

借助三维钢筋构造AR视图的教学模式，已经可以不必在施工现场或实操场地进行教学，而是在虚拟场景下进行师生的交互式学习、讨论。师生能够一起边看边讨论边研究，找出由二维平法施工图转换成三维钢筋构造图形的最佳解释方案。这样，课堂授课不再枯燥无味，而是像一个导演一样，在教师的引导下，三维钢筋构造图以360°全方位的形式动起来，从多方位、多角度呈现在学生面前，可以在这些立体图形上非常直观并且准确地解释钢筋的空间位置、尺寸和构造要求等内容，图形充满了生气，讲解工作其乐无穷。另外，学生也可以直观地、“身临其境”地观察不同钢筋的空间位置、了解钢筋的构造要求，相互分析讨论二维平法施工图与三维钢筋构造图之间的一一对应关系。

五、三维钢筋构造AR视图分析

（一）三维钢筋构造AR视图的展示功能

目前，大多数学生的空间思维能力比较薄弱，难以理解二维平法施工图与三维钢筋构造图之间的对应关系。360°全方位三维钢筋构造AR视图正是为了解决这个教学难题而开发的，具备了可动态、静态展示三维钢筋构造的基本功能。

为了能够让学生从各个角度观察和理解三维立体钢筋构造，AR视图能够360°全方位动态旋转，展示三维立体钢筋构造的整体AR视界，给予学生强烈的三维立体视觉冲击，有助学生建立三维钢筋构造的整体空间概念，理解二维平法施工图与三维钢筋构造图之间的对应关系。

（二）三维钢筋构造AR视图的可读性

现行教材的编写表述方式往往是将文字与图形分别表述，且两者常被拆分表述在不同的页面、不同的段落，内容分散。这种表述方式使得图形的可读性超出了职教类学生的阅读理解能力和综合归纳能力，成为学生识读施工图困难的主要原因之一。

因此，笔者在三维钢筋构造AR视图中需要解释与标注的地方，采用图文原位标注表述模式，将有关的规范条文、制图标准等内容直接标注在三维图形中的对应位置，使三维立体钢筋构造的图形与文字诠释一一对应，高度融合，图形的阅读更加直观高效，使得学生可以读懂三维图形中标注出来的每一个知识点、规范条文、制图规则等细节内容，用心体会不同钢筋的空间位置和构造要求。

教学实践表明，采用图文原位标注表述模式的AR视图，其可读性符合职教类学生的阅读能力，能够显著地提高三维钢筋构造AR视图的可读性和阅读效率。

（三）实现交互式教学

教师可以借助三维钢筋构造AR视图，针对二维平法施工图中的每一个尺寸、每一根钢筋、规范条文和构造要求等具体内容与学生进行互动式的提问和讨论，找出二维平法施工图与三维钢筋构造图之间的一一对应关系，帮助学生加深理解平法施工图的每一处细节。

学生也可以利用移动终端进行人机互动，自主实时学习，不受时间、空间、学习次数的限制，既提高了学习兴趣，又有效打通了课内课外，移动终端成为高效的教学信息化工具，极大地提升了教学质量和教学效率。同时也可以有效解决建筑工程施工专业实训条件不足的问题。

教学实践结果表明，运用三维钢筋构造AR视图进行教学，能够充分实现师生互动和人机互动，提高学生沉浸感和空间想象力，实现跨越时空的教与学。

六、结论

一是构建360°全方位三维钢筋构造AR视图，学生可以多方位、多角度、直观地、“身临其境”地观察不同钢筋的空间位置、尺寸和构造要求，可以有效帮助学生建立三维钢筋构造的整体空间概念，理解二维平法施工图与三维钢筋构造图之间的一一对应关系;二是采用图文原位标注表述模式，非常直观，表述准确，显著提高了三维钢筋构造AR视图的可读性和阅读效率，让学生读懂三维图形中标注出来的每一个知识点、规范条文、制图规则和构造要求等细节内容;三是借助三维钢筋构造AR视图的全新课堂教学模式，可以不必在施工现场或实操场地进行教学，而是在虚拟场景下師生能够进行交互式学习、讨论，充分实现师生互动。学生也可以利用移动终端自主实时学习，实现人机互动，不受时间、空间、学习次数的限制，提高了学生的沉浸感、空间想象力和学习兴趣，使移动终端成为高效的教学信息化工具，极大地拓展了教学空间，实现跨越时空的教与学;四是教学实践结果表明，以AR为代表的可视化技术教学效果较传统教学及多媒体教学显著提高，已成为教学改革的新教学模式。

[项目：本文系2015年广州市教育科学规划课题“建筑施工专业核心课程建筑结构施工图识读与建筑行业管理岗位能力培养的实践教学体系创新研究”（项目编号：1201432593）。]

责任编辑 朱守锂