信息化三维动态在工程识图与制图教学应用研究

2022-08-26邓桂美

科学咨询 2022年13期

邓桂美

（广州南洋理工职业学院建筑工程学院，广东广州 510900）

一、背景

国家各级部门先后出台了一系列政策文件推动教育信息化。2017年8月，教育部发布《关于进一步推进职业教育信息化发展的指导意见》，要求进一步加强职业教育信息化建设，以此提高职业教育信息化基础能力，实现教育教学模式的深化改革[1]。之后，教育部又发布了《教育信息化2.0行动计划》，表示要将互联网和职业教育紧密结合在一起，以此促进职业教育的现代化发展。2019年1月，国务院出台《国家职业教育改革实施方案》，要充分运用现代化信息技术，不断完善当前的教育教学方式，加强虚拟工厂等网络空间建设和普及[2]。2020年9月，教育部印发《职业教育提质培优行动计划（2020-2023 年）》，表明要进一步加强职业教育信息化建设，并将信息技术与职业教育相结合，以此实现职业教育改革，全面提高教师素质，提升职业教育办学质量[3]。

二、高职院校工程识图与制图课程现存的主要问题

工程识图与制图课程内容多，涵盖面广，学生较难掌握。课程一般包括识图基础、剖面图与断面、结构工程识图、建筑工程识图四个项目。课程知识点较多，如果面面俱到，无法突出课程重点内容。同时高职学生在数学思维和几何关系知识薄弱，在点线面投影及组合体的投影部分就会花掉大量的课时去理解和掌握，容易造成后续课程的课时紧张，只能掌握专业图识读部分的皮毛。如果不花掉大量的课时去详细讲解识图基础，很多学生无法想象图纸平面、立面、剖面、断面的关系，无法更深层次地去分析图纸的精髓。

传统板书与PPT演示教学方法，局限了工程识图与制图课程的发展。PPT课件无法对复制组合体的投影，结构工程图纸和建筑工程图纸进行充分地剖析，无法对工程图纸的内部结构进行深入讲解。学生现有的思维认知，很难融入到课程的学习中，造成学习困难、学生积极性不高的局面。

工程识图与制图课程，识图时把二维平面图纸通过空间想象力，形成三维立体空间。制图时把想象形成的三维立体空间转换为二维平面图纸，这要求学习工程识图与制图课程，要有很好的空间转换能力。但高职院校的建筑类学生知识水平较差，中、高考分数较低，部分学生抱着混个大专文凭的心态进入高职院校，造成学生学习兴趣不浓。基础弱、学习兴趣低以及空间想象力缺乏等原因，使工程识图与制图课程学习效果不好，学生的专业能力差，如果核心基础课程掌握不牢固，建筑工程的整个核心课程都难以开展。

工程识图与制图既是后续专业课程学习的基础，也是进行课程设计、毕业设计以及毕业后能胜任相关技术工作的基础。理论与实际项目的结合性较差，根据教学多年的经验，一直着力于研究工程制图与识图的教学方法，以寻求更有效的教学改革措施，来改变教学过程中遇到的困境。

三、信息化三维动态工程识图与制图课程改革策略

（一）对比常见的三维软件，找到合适工程识图与制图课程改革的载体

3D软件可以解决三维和二维空间转换的问题，借助信息化三维软件直观性特点，深入理论讲解，开发学生的空间想象能力；借助信息化三维软件动态变化特点，把复杂的建筑平面图纸转化成直观的三维模型，学生可以反复观察平面图、立面图、剖面、轴测图和透视图的变化关系，促进学生在立体的三维模型中理解二维的平面知识，强化学生的空间想象能力。

现有的3D软件很多，有Maya、ZBrush、Blender、Rhino等，哪个软件适合工程识图与制图？现对比建筑类常用的三维Sketchup、3DMax、Revit软件。

表1 Sketchup、Revit、3DMax软件对比

建筑设计基本使用Sketchup和3DMax建模VR渲染，Revit常用于后期深化。

Sketchup：应用最广，操作方便、能快速出模型。该软件有专门针对建筑设计设置的等轴测视图模式、正交视图模式、透视视图模式、平行投影视图模式及两点透视视图模式；软件的剖切工具可以直接地制作建筑物的剖立面。但Sketchup精准度较低，适合一些复杂性比较低的项目，或者是直线比较多的项目。

Revit：实现“三维协同设计”，在三维状态中，可与建筑、结构、水暖电等几个专业形成完整的BIM模型。软件自带数据统计，数据的管理和处理能力非常强大，出图的速度很快。Revit一般是方案确定之后用，它是一个工业化大生产的工具。

3DMax：全功能3D软件，超写实渲染效果被广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。3DMax采取了多边形建模的模型构架，不存在真正意义上的光滑曲面，编辑界面繁多，操作复杂。

Sketchup、3DMax和Revit都可以协助完成工程识图与制图的三维与二维空间转换，擅长3D软件的教师担任工程识图与制图更有利于课程的讲解和示范说明。其中Sketchup在工程识图与制图课程教学中有较大的优势。Sketchup操作方便，绘制技巧和AutoCAD一致，快捷键也基本相同，通过对图形的推拉、旋转、跟随路径得到立体模型，非容易理解。没有接触过也可以短时间内掌握，满足工程识图与制图协同教学的要求。

（二）Sketchup软件三维动态工程识图与制图教学法

结合Sketchup软件的工程识图与制图，通过不断重复三维到二维的展示，直接模拟灯光投影的效果，让学生建立良好的空间想象能力。几何画法是工程识图与制图的基础知识点，通过几何画法的知识建立科学的空间转换能力。传统的PPT演示加教师黑板绘制，这单一的教学模式没有办法满足现在课程的需求[4]。Sketchup提供等轴、俯视、前视、后视、左视、右视、平行投影、透视、两点透视九种视图模式，X光透视模、后边线、线框、消隐、阴影、材质贴图、单色显示7种风格样式。讲解几何画法时只需视图和风格相结合，就能实现三维、二维自由切换。几何画法模型基本可在一分钟内完成建模，使教师具有较大的灵活性，课堂内容变得丰富生动[5]。

图1 Sketchup建筑透视、剖面图

与工程识图与制图动态交流。Sketchup软件的静态可以满足画法几何、平面图纸绘制、立面图纸绘制的教学需求；Sketchup+VR软件的动态输出可以解决工程识图与制图中剖面图、详图的知识难点，同时提高学生自主学习的积极性。剖面图、详图由于建筑构件多样，形态复杂，图纸千差百异常常让学生感到无从下手，加大了学生学习的难度。为了解决这一难题，在计算机中建立与真实模型相同或相似的虚拟环境，使学生在虚拟环境中能够眼见为实并观全貌，而且这些模型可以任意方向进行旋转、剖切、不同方位不同截面的剖切位置可以取出相应的剖面图[6]。动态交流有利于因材施教，方便学生更自主地学习和理解工程体的剖面图、断面图、构件图、详图等识读方法和绘制技巧（图2）。

图2 Sketchup+VR虚拟全景图

怎么与工程识图与制图进行动态交流？Sketchup+VR软件输出全景图，虚拟全景实体的展现弥补学生必须跟着老师走的缺陷，学生可以通过自己的智能手机，与虚拟的场景进行交流，学习工程识图与制图的知识。学生根据自身的知识弱点，学习不同的空间，通过前进、后退、旋转使学生能够在短期内形象、生动、直观地了解建筑，掌握识图绘图的技能（图3）。

工程识图与制图课前课下的网络互动。课程可以借助学习通平台，弥补了纯粹的传统课堂面授时，由于学生基础良莠不齐导致学习进度不一的情况。经过“全民网课”的特殊情况，学生、家长对网络课程有更全面地理解，教师的网课制作水平全面提高。把工程识图与制图的知识重点和难点进行模块化，上传前期Sketchup输出的静态和动态场景，让学生能够根据自身的情况，自动调整观看时间、观看次数。既能够兼顾基础好的学生，也能够兼顾基础薄弱的学生，学习时间比较随意，学习时长也可自由调整，从而达到课前预习和课后复习巩固的目的[7]。学生通过智能手机与全景动态互动，了解自身不足，查漏补缺，不断提高学生知识的掌握度。

（三）工程识图与制图融合网络信息化教学

充分利用网络资源，在网络覆盖的任何地方，都可以作为学生学习的场地。网课课程资质异常丰富；部分地方封闭后，学生无法回校，很多高职院校出现线上、线下课程同时进行教学的情况。基于“互联网+”模式下信息化教学平台、APP、资源库、在线开放课程等网络资源层出不穷，不仅丰富了教师上课的教学内容，也提高了学生的学习积极性和兴趣。可以利用“中国大学慕课”“智慧职教”“学习通”“学银在线”等平台建立网络课程，为每个知识点构建任务单、微视频、习题、讨论、作业提交等知识结构体系，为学生课前预习、课中讨论签到、课后复习、课后及时反馈等教学过程提供了很好的教学平台。对学习积极的同学，老师积极回复并进行课外辅导，对学生起到了鼓励的作用，能更加促进学生学习的动力。

网络微课，利用碎片化的时间来预习、学习或巩固知识点。微课一般是十分钟左右，碎片化的知识教学使学生易于接受，随时随地进行学习，逐个击碎难点，掌握重点，提高了学生的学习兴趣，减少了学习的压力。除此以外，伴有大量的实践操作，将课程的众多大知识点分割为小知识，从而制成教学资源，将其灵活地运用在教学活动中，可以有效地提高学生的注意力，有助于学生进行教学任务的完成。例如在讲解地面铺装时，教师可以将木地板铺装、石材铺装、陶瓷地砖铺装整理为三节微课内容，通过平面图、剖视图和节点大样图，由易到难的递进过程，使学生从局部到剖视图的整体有一个充分认识，积少成多从量到质的提升变化。

将网络工程施工动画，融入到教学中。工程识图与制图中的节点图和大样图，需要学生理解施工步骤，才能理解和读懂图纸，如建设装饰施工图中，天花吊顶暗藏窗帘盒构件的内部结构很难看到，只能在施工现场才能看到构件的制作过程，而且一般构件内部吊筋骨架配置较复杂，学生很难通过想象来理解；暗藏窗帘盒完成的效果在日常生活中可以看到，学生可以理解它的平面图纸，但是剖面图和大样图就必须要懂结构和施工才能识图和制图。在讲解暗藏窗帘盒这个知识点时，可以利用辅助模型来进行配合暗藏窗帘剖面模型，插入网络暗藏窗帘盒工程的施工过程动画，将实体模具和结构施工图相结合，学生更能从图纸中联想到实体，从实体中描绘施工图，加深学生的理解，从二维图片到三维模型，从静态图纸到动态施工过程，弥补单一的教学方法中无法展示实体的缺陷，使学生能够在短期内形象、生动、直观地掌握绘图识图技能。