三维融合式“工程图学”教学模式探索

郑 凯，郑 伟

（1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.国家电投集团数字科技有限公司，北京 100082）

引言

新工科建设战略，要求以立德树人为引领，培养未来多元化、创新卓越型工程人才[1]。“工程图学”作为理工类专业必修的专业基础课，培养学生绘制和识读工程图样的能力，锻炼和提升其空间思维和工程创新能力等，对培育未来新兴领域工程科技人才具有重要作用。传统的教学模式往往只注重知识传授，在教学思路、教学方式等方面存在很多弊端，授课往往以课堂教师讲授为主，配以板书、木模、PPT等教辅工具，学生只是“填鸭式”被动学习。由于大学新生空间想象力较差，图形的抽象思维能力较弱，这种纸上谈兵式的教学不能实现“以学生为核心，以能力培养为主”，容易束缚学生的思维能力和探索精神，难以达到培养综合性创新型人才的要求，课程教学亟须改革。

当前各类计算机辅助设计（CAD）软件及增强现实技术（Augmented Reality, AR）等已在各行各业得到广泛应用，传统二维图纸与三维模型在工程制造中的主导地位已经开始逐步变化，深刻影响了现代设计和生产制造理念。为了培养适应当代社会发展和具有创新能力的复合型优秀人才，如何将二维和三维技术有机融入“工程图学”课堂教学模式，合理构建二、三维同步教学体系，是每一个图学教育工作者最关心的问题。

本文将三维建模技术和增强现实技术引入课程教学中，开展三维融合式“工程图学”教学模式改革。通过三维造型技术讲解图与体的投影关系，加强学生形体分析和综合思维能力的培养，配合增强现实技术为学生创建沉浸式主动学习环境，建立开放式学习环境和交互式学习氛围，不仅可以激发学生的学习兴趣和创新学习意识，还可以提升学生的学习能力和创新思维，以提升教学效果，为培养工科高素质创新型人才奠定良好基础。

一、工程图学思维能力培养

工程图学是依据正投影原理，通过绘制工程图样描述物体形象的学科。图样又称为“工程界的语言”，是工程设计人员用来表达设计思想和工作原理、加工制造人员进行加工制作的依据，是工业生产中进行技术交流的重要技术文件。绘制工程图样主要是解决如何在平面上通过图形表达空间形体的问题，目前大都采用三视图法。通过正投影法将空间三维形体绘制为多个观察方向的二维视图称为画图，而通过观察多个二维视图想象出空间三维形体称为读图。读图是抽象思维，也是学习“工程图学”课程的难点所在。读图既要求学生熟练掌握视图之间的三等对应关系，也对其空间三维空间想象力提出很高的要求，可以说空间思维能力是课程学习中要重点培养和提高的能力[2]。

画图的思维过程可分为图形抽象和投影变换两个阶段。读图的思维过程复杂得多，包括对图素的分析、归纳和推理，在明确各组成部分的形状和方位后，通过投影关系综合确定整体结构。在画图和看图过程中，思维活动互为反向，又互相促进，都以形象思维为主，逻辑思维为辅。为了增强学生的图形思维能力，一方面要加强对几何图素和基本形体投影特征的学习；另一方面要加强对几何形体构型规律的认识，加深学生对三维实体和图形基本特征的认知和记忆。在传统教学过程中，学生由教师引导着一步步在脑海中构建模型，如采用形体分析法，先分解形体，看视图，抓特征，然后通过投影还原基本体，综合起来想整体。教师在教学过程中配以多媒体或实物模型，帮助学生建立二维投影与三维形体的映射还原能力。在学习相关理论知识后，学生会进行徒手绘图或零部件测绘等练习。但课后缺乏可供参考的模型，没有有效提高空间思维能力的相应方法，学生的抽象思维能力难以建立，导致学习效率低、效果差。这种以知识传递和“灌输”为主的传统教学模式，学生基本处于被动学习状态，实际上主动参与度并不高，创新思维能力和创新设计能力的培养受到限制。

如何打破传统教育教学模式中存在的不足，建立新型的“工程图学”培养模式，对工科高素质创新型人才培养有着积极的意义。笔者结合多年教学经验，不断探索辅助学生提高空间构型能力的方法，进行创新思维模式下“工程图学”课程的教学新方法，将三维造型技术融入课程教学中，开展三维融合教学模式改革。以三维构型能力培养为中心，利用三维特征构型加强对学生综合分析能力的培养，强化实践训练，帮助学生完成“空间—平面—空间”思维过程的转换，激发学生的学习兴趣和创新学习意识，为培养具有创新意识和创新能力的工程应用类综合型人才奠定良好基础。

二、三维融合式教学

三维CAD技术的快速发展对“工程图学”的教学改革提出了新的要求。传统“工程图学”教学往往只注重面向二维视图进行画图与读图两方面的知识、方法、技能的培养和锻炼，而忽视对三维产品造型能力的培养。每个二维视图只是物体某些方向的信息表达，描述的都是物体的局部信息，而物体的完整信息需要通过阅读多个二维视图在头脑中复杂的逻辑推理才能得到，是虚幻的；而三维数字模型是物体的真实体现，表达非常直观。可以说三维模型是本源，二维图样只是其派生物，三维模型信息和二维图样信息是完全一致的[3]。在“工程图学”教学过程中融入三维造型技术，可以做到“利于教、便于学”，可以突破传统教学过程中的一些束缚，有效弥补学生空间思维能力不足的缺陷，大大提高学生的学习效率和学习兴趣，将更加有利于培养学生的空间立体感和创新设计能力[4]。

在课程教学过程中融入三维造型软件（如SolidWorks等），可以加强学生对正投影法等基础理论的理解和学习，使原本空洞抽象的投影体系更为直观。空间坐标体系及投影变换、视角变换与三视图的由来等，这些基础理论是后续知识学习的理论支撑，在传统教学过程中往往不被重视，容易造成前后教学内容的脱节。通过展示三维造型，可以很好地帮助学生建立空间立体感，以及对空间图线投影特性的认知。在建模过程中，可以一边讲解一边拉伸、旋转、扫描等造型，既可以使学生理解三维造型设计的设计思路和基本方法，又能与课程内容等紧密结合，如在形体分析法中，把复杂的组合体分解为简单基本体，基本体之间的方位构成，表面之间过度线的形成等，在熟悉了从三维形体到二维投影视图的正向绘图流程之后，再从二维视图读图还原三维形体就会简单得多，“分线框，对投影，综合起来像整体”，其实就是三维形体建模过程的真实再现。图1（a）为组合体中回转面表面相贯线的展示，可以使学生掌握相贯线的真实形状，并理解如何通过正投影法在各个视图中绘制多个关键点和中间点，深刻领悟二维图样与三维形体的内在联系。装配图一直是教学的最大难点，传统教学以向学生展示实物道具为主，部件的内部结构和装配过程学生较难掌握，而通过三维建模软件则可以随意地对零部件进行移动、旋转、剖切、拆卸，使学生完全掌握装配体内部结构和机器装配关系，了解部件的工作原理和装拆顺序等，如图1（b）所示。通过动画仿真，学生可进一步了解装配体各机构的作用和设计目的，真正学懂装配工作原理的真实应用；通过干涉检查等设置，学生能够了解结构尺寸的重要性、公差与配合等理论知识在实际设备中的需求等。通过最直观的方式让学生有切身感受，理论与实际相结合，从而加深学生对课程理论内容的理解和掌握。可以说将三维建模技术融入课堂教学可以大大提高学生的学习兴趣，使学生真正将“工程图学”课程学“活”了[5]。

图1 三维形体的展示

三、虚实结合沉浸式学习

在学习“工程图学”课程的过程中，学生除了在课堂上听讲外，还需要通过大量课后练习才能深入掌握课程知识。传统“工程图学”课程通过教具、PPT课件等教学方式，学习者只能被动地观看，缺乏交互性。当学生在课后复习或做作业时，由于缺乏可供参考的教具且学生的空间想象力较差，导致课后学习效率低、效果差。

增强现实技术是一种新兴交互技术，可以将虚拟信息和真实世界巧妙融合，创造出一种虚实融合的视觉感受和超越现实的用户体验。相较于传统课堂讲授教学模式的枯燥乏味、信息量单薄，AR技术的图像化、立体式信息传递方式不仅可以传递更丰富的信息量，而且沉浸式、场景式的教学模式可将教学活动由传统的学生被动接受学习过渡到学生自主创新学习，不仅可以激发学生的学习兴趣，还可以锻炼学生的学习能力和创新思维[6]。

利用增强现实技术把“工程图学”课程的抽象内容具体化，可实现新技术与传统教学课堂的深度融合，激发学生的自主创新学习兴趣，提升教学效果。在学习工程图样表达方面，学生明显更易于接受直观性更强的三维形体表达。在进一步拓展空间三维设计能力的同时，有助于学生学习和理解正投影法、形体分析法等基础理论，提高学生的空间思维和逻辑推理能力。通过沉浸式虚实结合场景，可以加深学生对二维图样与真实三维形体的图学表达和转换理解，强化和拓展学生的想象力。同时，开放的AR互动学习场景将教学交互方式由传统的“教师讲、学生听”的单向输入式学习升华至师生之间的交互模式，启发学生的创新思维，进一步提升教学效果。

为了提高学生的课后学习效果与自主学习积极性，培养学生的空间想象力，本文基于Unity平台和Easy AR模块开发了一套适于手机或平板等移动终端系统的虚实结合教学系统应用程序，可以为学生创建虚实结合的沉浸式学习环境。该系统为学生课后学习提供了一种新颖的教学方式，打开该系统App后用手机或平板的摄像头扫描二维图样，即可以在屏幕上把对应的三维立体模型呈现在眼前，还可以对模型进行缩放、旋转、剖切等操作，在带给学生新奇视觉感受的同时，开阔了学生的视野，激发了学生的学习兴趣与创新思维。

开发流程主要包括三维建模、虚实融合、实时交互三个步骤：首先通过三维建模软件对二维图样建立其三维模型，再导入3dsMax等中间软件对三维模型的数据格式及材质、光照、颜色等信息进行转换，以便于Unity平台使用。在Unity平台中安装EasyAR插件后，添加和编辑ImageTracker和ImageTarget特征，指定识别图片的特征参数，快速实现二维图样与三维模型之间的匹配映射。通过输入脚本代码可以实现对模型的缩放、旋转等操作。最后将项目输出为支持移动开发平台的App，安装到手机或平板等即可。使用时只需要打开手机或平板的摄像头，拍摄二维图样即可在屏幕上呈现三维模型，实现AR交互体验（如图2所示）。

图2 AR虚实融合教学系统

相比于传统二维图样到三维形体的抽象思维过程，通过AR技术创建的沉浸式虚实结合场景更加直观，便于学生理解三维形体与二维图样之间的映射关系，可以使学生更清楚地印证投影理论知识与三维构型的逻辑推理关系，加深学生对二维与三维形体的图形表达和转换理解，达到强化和拓展学生空间想象力的效果。开放的AR互动学习场景可将师生之间的教学关系升华为交互合作模式，特别对于一题多解的题目，通过AR课件可以起到抛砖引玉的效果，引导和启发学生开展创新思维，达到推进学习正循环的目的。

针对传统“工程图学”课程教学中存在的弊端，为了改善教学方式，提升教学效果，将三维建模技术和AR技术有效地融入“工程图学”课程的教学实践中，建立二维、三维同步教学的教学体系，可以让学生更深刻地掌握三维模型和二维图样表达之间的联系，在巩固理论知识的基础上，进一步培养和提升学生的图学思维和创新思维能力，提升教学质量，为培养新时期工程类综合型人才奠定坚实基础。