基于BIM等三维技术的制图课程教学改革

董成 孙刚 王侠 刘禹 刘笑辰

[摘 要] “工程制图”是土木工程、工程造价、建筑学等专业的一门专业技术基础课，学生识图绘图能力的高低，直接影响到他们的就业竞争力及发展前景。目前，大多数学生在“工程制图”课程中呈现三维空间想象力差、识读二维图纸的能力较差等问题。把在建筑业大力推广应用的BIM和VR/AR技术及3D打印技术融入“工程制图”课程中，并进行教学探索实践。实践结果表明：利用BIM+VR/AR+3D打印技术，能够实现形体二维到三维的相互转化，有效解决了“工程制图”课程中的教学难点，增强了学生的课堂积极性，提升了课程的教学效果。

[关键词] 工程制图;BIM+VR/AR+3D打印技术;教学改革

[基金项目] 2019年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“BIM+VR/AR+3D打印技术在工程制图课程中的改革与实践”（2019GJJG400）;2020年度河北省大学生创新创业训练计划项目“BIM+AR+3D打印技术在工程制图课程中的应用研究”（S202010085024）;2020年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“工程制图课程线上线下混合式教学模式研究”（2020GJJG616）

[作者简介] 董 成（1988—），女，河北沧州人，硕士，河北水利电力学院基础部讲师，主要从事结构工程和岩土工程研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）27-0085-04   [收稿日期] 2021-01-31

一、引言

图纸是技术工程师在工程界的语言，在设计、施工、监理、经济核算等过程中均离不开建筑施工图和结构施工图，因此能否看懂图纸对于学生而言至关重要，然而在“工程制图”课程教学中，学生空间想象力差、二维与三维相互转化能力差、阅读图纸困难、学生积极性不高等现象突出[1]。近年来，BIM技术、VR/AR技术和3D打印技术在我国大力普及和推广，将信息化技术与传统土建类课程相融合已经成为高校教学的趋势，本文将BIM技术、VR/AR技术和3D打印技术融合在“工程制图”课程教学中，教学改革取得了良好的效果。

二、BIM+VR/AR+3D打印技术及其优势

BIM是建筑信息模型，建立完整的BIM模型，从项目规划到设计、施工、运维不断更新数据信息，从而实现项目各个阶段的全过程管理。BIM应用在“工程制图”课程中，主要利用其三维可视化的特点，有效将二维图纸建立为三维模型，通过任意剖切和旋转，直观展示图纸与三维构件的关系[2]。

VR是虚拟现实技术，又称赛博空间和真实物理空间对应[3]，概念产生于20世纪80年代，在合理操作下，利用计算机生成一种虚拟的三维环境，通过视觉、听觉、触觉等多种信息为人所感知，产生一种交互感受，并通过各种传感设备，实现人机交互，因此产生了良好的沉浸感、交互性和构思性。AR是一个虚实结合的环境，主要作用是将物体的信息叠加到真实物体上，将现实世界之外的虚拟场景与真实场景叠加融合，使人们达到超越现实的感官体验[3]。VR/AR技术使BIM三维形体模型更具可视性和具象性，为学生提供沉浸式的学习体验，加深对知识点的理解。

3D打印技术以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体，它具有简便、灵活、安全、快速的优点。我国制造业、醫学、建筑设计等行业广泛应用了3D打印技术，目前高校也引入了3D打印技术进行教育教学，这为教学设计提供了新思路，丰富了教学内容，改进了教学方法，使学生获得了较好的学习体验[4]。

将BIM技术、VR/AR技术和3D打印技术应用在“工程制图”课程中，进行信息化教学改革，有助于提高教学效果，满足高校培养高质量、高素质信息化人才的教育要求。

三、BIM+VR/AR+3D打印技术在“工程制图”课程中的教学应用

（一）BIM技术在“工程制图”课程中的应用

《工程制图》这本书主要讲解了画法几何和专业图两个部分。在画法几何部分，利用Revit2016创建族构件，将画法几何部分的难点，如截切、相贯和组合体用三维空间的形式表征，然后用放大、旋转、移动功能查看截切线、相贯线及组合体部分相贯线的处理（见图1、图2）。在专业图部分，利用Revit2016创建别墅模型讲解建筑形体的外部造型，利用剖面框进行水平剖切讲解平面图的形成原理（见图3），利用剖面框进行竖直剖切然后旋转形体讲解剖面图的形成原理（见图4），将BIM制作的所有模型放入BIM教学资源库。

（二）VR/AR技术在“工程制图”课程中的应用

将BIM建立的三维模型导入Lumion9.0生成全景图，并通过720yun制作成VR资源转成二维码形式，学生通过手机等移动终端扫描二维码调出形体模型的全景图，然后佩戴VR眼镜（见图5），通过放大、旋转、移动等方式全方位、多角度、细致的查看形体[5]，将建立的VR资源放入VR教学资源库。对于AR资源，采用的是一些新出版的制图类教材中现成的资源，这些资源都是免费公开的[3]，将有AR资源的页面扫描为电子版放入AR教学资源库。在课前、课中、课后都可以发给学生，学生通过手机终端进行预习和回顾。学生用手机扫描二维图形，这时手机屏幕上就会出现二维图形对应的三维立体模型，同时将三维图形放大、缩小、旋转、移动可以查看学生自身想象不出的关键点，加深理解截切、相贯、组合体部分的难点。

1.3D打印技术在“工程制图”课程中的应用。挑选BIM教学资源库有代表性的模型进行缩尺，然后用3D打印机进行打印，在截切、相贯及组合体模型部分打印的是10mm高的模型（见图6、图7）。在建筑别墅模型部分打印的是20mm高的模型，其中楼梯栏杆扶手缩尺之后太小、太细，无法用树脂打印，解决办法是将栏杆扶手删掉然后重新建立族构件进行打印，成品展示效果良好（见图8）。3D打印技术将BIM建立的经典三维模型转换为实体，学生实实在在看得到、摸得着，增强了学生的三维想象力，将打印好的模型放入模型实验室，学生既可以在课上看，也可以去模型实验室参观。