施工图识图虚拟教学系统设计研究*

杨平郑智敏

（1、湖南工程职业技术学院，湖南长沙4101512、杭州万霆科技有限公司，浙江杭州310020）

施工图识图虚拟教学系统设计研究*

杨平1郑智敏2

（1、湖南工程职业技术学院，湖南长沙4101512、杭州万霆科技有限公司，浙江杭州310020）

对施工图识图类课程的现实教学系统调查，分析施工图识图虚拟教学系统需求，结合虚拟现实技术的应用特点和施工图识图类课程教学要求，提出了设计施工图识图虚拟教学系统总体框架、总体工作流程的构想，描述了系统的仿真教学软件和教学管理平台核心模块的详细设计。

施工图识图；虚拟现实；虚拟教学系统

一、概述

施工图被喻为“工程界的语言”，识读工程施工图纸是土木工程专业领域中一项最基本、应用最多的职业能力。在施工图识图类课程教学中，学生接受的内容常是教材上的文字、符号或教师传授的语言，学生对工程结构实体与空间、材料与功能处于一种模糊的认知状态［1］。如何让学生掌握施工图识读能力是困扰土木工程相关专业教学难点。

虚拟仿真教学系统是一种运用虚拟现实技术与网络技术面向教学过程的网络化计算机教学系统。虚拟教学系统在网络环境下给学习者建立一个逼真的三维学习环境和情景，将计算机处理的数字化教学信息变为人所能感受的具有各种表现形式的多维教学信息辅助教学［2］，通过漫游、协作、考核、信息交流，使学习者主动形成意义建构。作为一项新技术应用于教育教学领域，虚拟仿真教学系统能为复杂的技能训练、宏观的效果设计、微观的解剖分析，动态的过程仿真等方面带来变革，这就为施工图识图类课程教学方法提供新的思路。

为此，以辅助施工图识图的教学为目的，将虚拟现实技术应用于教学实践中，深入开展施工图识图虚拟教学系统设计研究，使其具有沉浸感高、实时交互性强、便于网络传输特点，满足课堂教学和学生自主学习的需要。

图1　施工图识图类课程现实教学系统

二、施工图识图虚拟教学系统需求分析

施工图识图类课程的现实教学系统如图1，受课程特点、实践操作和见习条件限制，传统的教学模式过多依赖教材和课堂教学，学生不能根据自己的爱好选择老师和学习内容，无法满足学习者课外学习和答疑的需求。

结合施工图识图类课程现实教学系统特征，并参考网络教学共有特点，设计的施工图识图虚拟教学系统具有以下性能：

1.虚拟教学系统结构明晰，具有逼真的全三维虚拟教学场景，与真实世界中的建筑事物从感观和属性比例上相一致［1］，反映施工图识图类课程知识之间内在的联系和规律。

2.虚拟教学系统界面设计简洁、方便操作、趣味性强。

3.在虚拟教学系统中，对教学的语言进行扩展，把虚拟模型、虚拟构件以及各种建筑虚拟形成过程的现象，全部嵌人到虚拟教学场景中，作为一种“超文本”、“超图形”的具体学习对象而存在，用户以第一人称实现虚拟场景漫游和自主操作，形成同客观世界相对应的沉浸体验，使教学模式更直观生动。

4.在虚拟教学系统中，虚拟建筑事物与学习者之间通过鼠标或键盘进行交互，具有较强的操作性和交互性。

5.利用网络技术在因特网上发布虚拟教学系统，教师或学习者可在任何时间和地点访问系统，反复进行课程学习或在线测试。

三、施工图识图虚拟教学系统总体设计

根据虚拟现实技术的应用特点和施工图识图类课程教学要求，施工图识图虚拟教学系统主要由系统教学管理平台和系统仿真教学软件等两大模块组成，如图2所示。施工图识图虚拟教学系统总体工作流程如图3所示。

1.信息化的统一教学管理平台。系统教学管理平台通过系统的整体设计，完成资源库中心、题库中心、教务管理中心，仿真教学中心等，通过与统一登录认证系统的集成和整合，实现各虚拟仿真软件的统一单点登录入口；通过统一数据管理系统，集中管理用户数据、资源数据、考试数据等。运用现代网络技术将系统教学管理平台嫁接到数字化校园网，支持教师/学生/管理员三种角色登录访问系统，实现现代的教学管理模式：学生能在宿舍快捷登陆系统学习，教师能在办公室、多媒体教室、机房和家里快捷登陆系统教学，管理员能运用现代信息手段提供系统管理与维护服务。

2.以系统教学管理平台为依托，针对建筑、安装、公路等工程项目特点，引入虚拟仿真技术和灵境技术，根据一套典型、完整的房建、公路工程项目施工图纸，建构集教学、管理、考核为一体的建筑、安装、公路等识图虚拟仿真教学软件项目，每个项目分为识图应用中心、识图知识中心、识图考核中心三大内容，包括工地寻宝、构造认识、图纸分析和识图建模四个应用模块，施工图库、构件库和基础知识库三大知识库，智能化考核库。

图2　施工图识图虚拟教学系统的总体设计

图3　施工图识图虚拟教学系统的总体工作流程

四、施工图识图虚拟教学系统详细设计

（一）系统教学管理平台设计

施工图识图虚拟教学系统教学管理平台包括资源中心、题库中心、教务中心、信息中心、教学中心等核心功能模块。用户审核通过之后，可以通过登录页进行登录。资源中心是各类教学资源的集成共享中心，资源中心配备有完善的教学视频、PPT课件、建筑规范标准等内容。题库中心提供智能化的教学测验，具备单人练习、随机答题、自定义答题、多人竞赛等多种考试方式，教师可以依据教学内容，在管理后台设定考试以检验教学成果，为调整教学提供依据［3］，学生也能在考评中心进行自主训练，对自己的专业知识点掌握情况进行巩固。教务中心是系统的教务管理和数据分析中心，可以实现对教务信息和教学情况的统筹管理［3］，从而完全掌控教学情况。信息中心提供相关新闻公告发布以及师生交流互动平台，具有话题讨论等功能。教学中心提供仿真应用板块功能，保障平台与各种标准化建筑虚拟仿真教学软件的兼容，可悬挂相应建筑课程的教学软件，如施工识图仿真软件等。

（二）系统仿真教学软件设计

施工图识图虚拟教学系统仿真教学软件包括应用中心、知识中心、考核中心等核心功能模块。

1.应用中心包括工地寻宝模块、构造认识模块、图纸分析模块及识图建模等进阶式学习模块［4］。工地寻宝模块作为识图学习的入门级模块，通过人物在虚拟工地或建筑物的漫游，帮助学生体验三维模拟的工地场景和熟悉三维软件操作。构造认识：作为识图的初级模块，人物通过地图引导在三维建筑场景中漫游，并对建筑物外形或内部各构造节点进行辨识。图纸分析作为识图学习的中级模块，通过图纸二维查看和构造三维展示，帮助学生掌握图纸形成原理。识图建模作为识图学习的高级模块，通过动手能力将各个构件配置相应的参数，组装三维建筑模型，并在建好的三维模型上，能够继续漫游［4］，完成设定的任务关卡和学习题目。

2.知识中心。作为识图学习的辅助学习模块，包括施工图库、构件库和基础知识库三部分。施工图库提供用户按图纸分类查询施工图，并结合图纸理解图纸分类定义的功能；构件库提供用户按构件分类查询构件信息，并结合构件理解构件分类定义的功能；基础知识库提供查看识图基础相关的文献资料查看，分制图基本知识、投影知识、图集三类［4］。

3.考核中心。以学生为单位，对训练过程中的操作、答题进行考核统计，自动生成考核成绩单、操作分析报告、答题分析报告，提供学生、教师查询。

五、结束语

基于自主、探究式学习方式，应用虚拟现实技术，以工程项目为载体，利用主流三维游戏引擎Unity3d开发平台，设计一款通过服务器或现代网络技术嫁接到校园网上的施工图识图虚拟教学系统，解决学生由于缺乏现场感观、实践操作而学习效率低的教学难点，促使理论教学向更有效率、更加科学化的方向发展。

［1］许晓莉.房屋建筑虚拟教学系统的设计与实现［D］.四川师范大学，2011.

［2］周振军，张庆秀，马彦华.虚拟教学技术教学应用分析［J］.内蒙古师范大学学报（教育科学版），2005（05）.

［3］李楠，贾宏俊.基于仿真模拟平台的土木工程主干专业课程实践教学改革［J］.高等建筑教育，2016（02）.

［4］沈新福，易斌.高职工程识图课程虚拟仿真教学探讨［J］.广西教育，2015（11）.

The construction drawing classes aims to investigate the practical teaching systems and analyze the requirements of virtual teaching in the constructiondrawing.Combining with the characteristics of the application of virtual reality technology and construction knowledge chart class curriculum requirements，the paper puts forward the design of construction drawing and overall framework and work process of virtual teaching system，describes detailed design of the system simulation teaching software and teaching management platform of thecore module.

construction knowledge chart；virtual reality；the virtual teaching system

G642

A

2096-000X（2016）21-0058-02

湖南省教育厅科学研究项目（编号：15C0355）。

杨平（1977，12-），男，侗族，湖南长沙人，副教授/高工，硕士，从事道路工程与高职教育研究。