土木工程制图空间解读能力虚拟仿真训练教学改革研究

王青 郑轶洲 钟煜平 张勇洲 谢绍添

摘  要：培养学生空间想象能力和形象思维能力是土木工程制图课程的主要任务之一，这种空间解读能力最终成为学生在建筑、道路、桥梁、隧道和水利等工程领域工作的关键技能。传统的土木工程制图教学，以教师为中心且教学手段及工具落后，很难满足现代化社会发展的需求。基于虚拟仿真技术，更先进更高效的教学手段和方式被应用到土木工程制图课程中，在问题导向的教学目标指导下，通过基础到专业不同层次的空间解读能力训练，可有效提升学生在工程专业的设计及表达水平。

关键词：土木工程制图；空间解读；能力训练；虚拟仿真；教学改革

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）20-0145-04

Abstract： Developing students' spatial imagination and conceptual thinking abilities is one of the main objectives of the Civil Engineering Drawing course. This spatial interpretation skill ultimately becomes a critical competence for students working in fields such as construction， roadways， bridges， tunnels， and water conservancy projects. Traditional civil engineering drawing instruction， which is teacher-centered and utilizes outdated teaching methods and tools， struggles to meet the demands of modern societal development. With the application of virtual simulation technology， more advanced and efficient teaching methods have been incorporated into the Civil Engineering Drawing curriculum. Guided by problem-oriented teaching objectives， training in spatial interpretation abilities ranges from basic to professional levels， effectively enhancing students' design and communication skills in their engineering major.

Keywords： Civil Engineering Drawing; spatial interpretation; ability training; virtual simulation; teaching reform

在土木、水利等工程领域，工程图样是设计与建造中工程信息的载体、表达、传递设计信息的主要媒介。工程制图是一门研究工程图样表达与技术交流的工科基础课程，其中培养空间想象能力和形象思维能力是主要课程任务之一[1]。土木工程制图是土木工程领域中的一种专业制图技能，它包含了建筑、道路、桥梁、隧道和水利工程等各种土木工程设施的平面图、立体图、剖面图的绘制。随着数字信息时代的到来，计算机技术飞速发展，逐渐有先进的虚拟仿真软件应用到教学环节中[2]，特别是强调专业识图水平及空间思维能力的土木工程制图课程，更需要结合数字化可视化技术提升教学效果[3]。

一  土木工程制图教学现状

土木工程制图教学内容主要由三面投影法与工程专业图样阅读及绘制组成。三面投影法部分主要通过投影方法将空间几何问题转化为平面问题，通过投影特征分析空间几何元素的形状大小、位置关系等实际问题，对空间想象和逻辑思维能力的要求较高。工程专业图样阅读及绘制部分，把投影法基本原理融入到土木工程专业，将三维工程结构形体或构件转化成平面图形进行研究，这在空间思维的基础上又对学生的专业知识有一定要求。按大部分高校的人才培养计划，土木工程制图课程均安排在第一学期，对刚刚接触专业的大一新生而言，掌握并熟练运用投影法到专业工程图都有很大难度[4]。

传统的土木工程制图教学是通过“以教师为中心”的模式[5]，单向传授投影法基本原理，通过例题及课后习题，引导学生进行空间思维训练，建立空间想象力，达到培养学生阅读、绘制专业工程图样的能力。为了优化课程体系和教学内容，部分院校将土木工程制图分成两个学期安排课程[6]，第一学期讲授投影法基本原理及简单工程形体的画法，第二学期针对专业工程图样的基本规定和读图绘图进行传授指导，同时在第二学期期末设置工程制图集中实践教学环节，培养学生规范制图及专业图样理解绘制能力。目前所用的多媒体教学是针对图形识别、空间想象、制图标准等课程特点采用的直观形象教学方式，部分理论和推导采用板书，少数高校制作了实物模型辅助教学，基本是遵循形体分析法的步骤，结合线面分析法解决难点部分。然而，投影法作图及习题讲解仍然需要教师花大量时间进行板书板图，信息量传递少，教学效率低。土木工程制图教学过程中，教师和学生互动的环节往往是教学效果提升的关键点，课前的预习、课堂上的演示及交流、课后的复习答疑均会对教学效果产生一定程度的影响。土木工程制图是一门实践性非常强的课程，教学中需要组织学生进行较多的绘图训练，从而将工程制图标准及绘图能力形成自身的制图素质及条件反射，然而多媒体演示或动画分解展示仅解决了直观性问题，无法达到学生动手熟练绘图的效果。教师在黑板上利用大型三角板或圆规等教具演示各种工程形体的绘图则会消耗大量时间，且对于线型应用并不灵活准确。现阶段大部分高校仅在课堂互动上进行改革，鲜有课前预习环节，也受制于课时长度，课堂上大部分时间均用于演示讲授，课后复习及答疑基本在课间发生，无法做到针对学生的作业或提问随时进行评阅纠正或重点难点加强分析，更不可能做到学生反馈信息的及时处理。

土木工程制图课程最难达成的教学目标是培养学生的空间想象能力和形象思维能力。土木工程制图中的空间思维是人脑对物体或几何元素的空间属性（形状、位置）的反映，这种思维源于形象思维，可以直接或间接地处理眼睛直接观察到的对象或是人脑思考产生的理性材料，空间思维过程注重三维几何空间的构建，而不关注对象的其他特征（色彩、表面等）。在土木工程制图中，正投影法被用来解决空间立体的平面表达问题，学生需要顺利实现从立体到平面、从平面到立体的可逆转换过程，这也要求工程图准确绘制和正确读图，进行可逆转换需要采用两种不同的思维方式交替分析和解决问题[7]。这就要求在教学过程中设置空间解读能力训练环节，通过对基本几何体的空间变换操作，进一步理解其不同空间位置特点和变换过程，逐步提高对空间立体的抽象思维能力。然而，目前所采用的训练方式仍然停留在课堂以PPT展示辅助图片、绘图示范及语言讲授结构细节等相对静态方式的单向输送，因学生空间思维能力存在较大差异，这种训练效果并不理想。

二  虚拟仿真技术辅助土木工程制图教学的优势与难点

在涉及到空间想象时，教师需花费大量的语言进行描述解释，但学生却收获甚微，对三视图的理解只停留在二维图形上，无法将其转化为空间立体图形。针对这种情况，虚拟仿真技术在辅助土木工程制图教学上发挥了巨大的优势。虚拟仿真技术与传统教学的深入融合，虚拟仿真即借助“虚”与“实”的交互作用，代替了以往的二维图样演示或轴测图静态表达等局限较大的教学方式，使培养学生的空间想象能力及工程图解读能力更加有效[8]。虚拟仿真技术能将工程形体从平面布局到立体剖切，从材料属性到构件连接都形象、直观地展现在学生眼前，打破了理论教学与实践教学之间的壁垒。基于虚拟仿真技术的土木工程制图与识图教学活动，既能扩充教学内容，也能丰富教学方法，使得学生从被动学习知识转变为主动获取知识，极大地提高了土木工程制图的教学质量[9]。

虚拟仿真实践教学在土木工程制图这门课上的优势主要体现在以下三个方面：一是在虚拟仿真环境中，学生可以对不同类型的工程图样进行空间解读训练。例如，学生可以在虚拟环境中观察和操作平面图、立体图、剖面图等不同类型的图样，并通过改变视角、缩放、旋转等方式，从不同的角度观察和理解图样的空间结构。二是虚拟仿真技术还可以通过模拟实际的建造过程，帮助用户理解和解读工程图样的空间结构。例如，用户可以使用虚拟仿真软件模拟建筑物的施工过程，将工程图样转化为实际的建筑模型，并观察和理解建筑物的空间结构和特点。三是强化学习与评估，研究如何利用强化学习等人工智能方法，为工程图样空间解读能力的训练提供更有效的方法和评估手段，提高训练效果和学习效率。

然而，虚拟仿真技术在实际应用中也存在一些难点。首先，技术门槛较高，虚拟仿真软件的学习和使用需要一定的专业知识和技能，对于非专业人士可能存在一定的学习难度。其次，真实感与虚拟现实存在差距，尽管虚拟仿真技术可以模拟真实世界的现象和物理特性，但仍然存在一定程度的虚拟性和失真性，这可能对某些训练产生影响。第三，依赖设备性能，虚拟仿真技术的运行需要高性能的硬件设备，对于设备性能较低的用户可能存在一定的限制。为了充分发挥虚拟仿真技术在工程图样空间解读能力训练中的作用，需要在以下几个方面进一步融合改进：一是开发更适用于训练的虚拟仿真软件。针对工程图样空间解读能力训练的需求，开发更具针对性和实用性的虚拟仿真软件，提供更多交互式和沉浸式的训练体验。二是提升真实感与逼真度。通过改进虚拟仿真技术的算法和模型，提升对物理特性和现象的模拟真实度和逼真度，增强用户的沉浸感和代入感。三是跨平台与移动化。推动虚拟仿真技术的发展，使其能够适应更多平台和设备类型，包括移动设备和平板电脑等，以便于用户随时随地进行训练和学习。四是融合其他技术。结合其他相关技术，如虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、物联网等，拓宽虚拟仿真技术在工程图样空间解读能力训练中的应用场景和可能性。

综上所述，虚拟仿真技术在工程图样空间解读能力训练中具有显著的优势和潜力。通过不断的技术创新和完善，我们可以为工程领域的人员提供更高效、更具互动性和真实感的训练体验，从而提升其在设计和制造过程中的理解和解读能力。这将有助于提高工程设计的精度和质量，推动工程领域的持续发展和进步。

三  空间解读能力虚拟仿真训练教学改革

（一）  空间解读能力训练教学目标的改革

提升学生空间解读能力是土木工程制图教学中的重中之重，现阶段有大量的教学改革是利用实体模型结合三维设计软件来进行训练。在初期阶段，这种辅助教学方式在投影理论和建立三视图概念上有较大帮助。随着学习的深入，这种辅助对抽象思维能力的训练效果甚微，直至成为空间思维能力提升的障碍。这种方式会使不少学生对立体模型产生过度依赖，不给出立体模型就无法完成视图投影，在组合体读图练习时，必须先草绘出所谓的立体图才能进行三视图投影，逐渐导致抽象思维能力的缺失。特别是在已知基本几何立体后仍无法通过假设、分析、判断等思维活动，正确地重构工程形体结构，更无法进一步转化展开为三视图。在这种状态下，立体模型已经丧失自身的辅助功能，并阻碍了学生空间抽象思维能力进一步提升。为了防止这种情形出现，应该充分利用虚拟仿真技术的优势，灵活设置空间解读能力的训练环节和步骤，以成果导向的思维，确定不同的训练模式及模块，更多地引导学生通过观察和空间想象来解决问题。在中后期阶段，训练目标应从立体辅助逐渐转变为三维转二维的实际图纸识读，让学生对于具体的工程形体和结构能产生熟悉度，并能和相应的平面图形对应起来，进一步培养自己的绘图能力。空间解读能力训练最终需要达到的教学目标，不仅要求学生能有空间想象能力及三维二维互相转换能力，还要具备运用工程图解决实际问题的能力。

（二）  利用虚拟仿真技术建立制图基本概念的训练方式

在教育领域，虚拟仿真技术为学习者提供了一种全新的学习体验，能够帮助他们更好地理解和掌握知识。对于制图基本概念的训练环节，利用虚拟仿真技术可以大大提高训练的效率和效果。虚拟仿真技术将文字、图形、声音和图像有机地结合起来，能够在计算机上灵活实现二维到三维空间、三维到二维之间的转换，三维模型的空间展示，有助于学生形成空间感，还以数据库的形式建立土木工程制图教学过程所需的各种典型题库，使教学过程更具针对性，可以随时对数据库的内容进行添加、删除、修改和编辑等操作，对典型素材进行管理和维护，优化教学内容，调整教学结构。制图的基本概念及基本原理可以在虚拟仿真技术的辅助下进行多种方式的高效训练。

1  比例训练

比例是表示图样中图形与实际物体尺寸的比例关系，在土木工程制图中，通常采用数字比例表示，如1∶50、1∶100、1∶1 000等。虚拟仿真技术可以通过直观的方式，让学生设置任意比例，用动画的方式将图纸上的结构形体放大或缩小到给定比例，并通过具体某个线性局部的变化来理解比例数值的意义。

2  线条训练

线条是组成图样的基本元素之一，包括粗实线、细实线、虚线、点划线和双点划线等不同类型。不同线条在图样中表示不同的结构和构造，通过虚拟仿真可将不同类型线条在空间中的位置及表达结构进行对应展示，可由学生自行指定某个局部线条来理解展示出的结构形体。

3  标注训练

标注是表示图样中物体的尺寸、位置、材料和构造等信息的方法。在土木工程制图中，常用的标注包括尺寸标注、文字标注、符号标注等，通过仿真表达方式，将标注以可视化及立体化的方式呈现给学生，并设置相关判断训练环节，增强学生的标注规范化意识。

4  图例训练

图例是表示图样中不同材料属性、结构或构造的符号和代号，如钢筋代号、钢筋混凝土等。通过虚拟仿真技术将工程图样的图例进行空白化处理，设置学生查规范选图例进行填补的训练环节，熟练应用于工程设计中。

5  布局训练

布局是指整个图样的排版和布置，包括工程图的位置、大小、标题和图例等元素的设置。合理的布局可以使图样更加清晰和易于阅读，虚拟仿真技术建立的工程图样模型，可以让学生自由快速地进行布局训练，将工程图的规范布局及信息合理表达水平提升到一定高度。

（三）  虚拟仿真方式实现工程图样空间解读能力训练

上升到工程图层面，除了要求一定的专业基础知识，对学生的识图及空间理解能力有更高要求。虚拟仿真技术在工程图样空间解读能力训练中具有显著的优势和潜力，不仅允许学生重复训练环节从而达到熟练识图的水平，还可以增强学生对工程图的理解深度。

1  图样训练

图样是指按照一定的比例和规则绘制的图形，用于表示物体的形状、大小、结构、构造和安装等方面的信息。通过数字化及可视化的虚拟仿真技术，将各种不同难度的图样分阶段设计训练环节，学生可以循序渐进且不断重复地进行各环节训练，从而逐步提高识图能力。

2  视图训练

视图是指将物体放置在某一角度所看到的图形。根据不同的角度和方向，可以分别得到正视图、俯视图、侧视图和仰视图等不同的视图。虚拟仿真技术可以实现工程形体三维图形的不同位置变换及相应视图的快速形成，在这种自由训练方式下，学生可以充分激发学习兴趣，通过自主设置形体位置来提高三维到二维的思维水平。

3  沉浸式虚拟仿真训练

虚拟仿真技术可以为学生提供一个高度交互和沉浸式的训练环境，学生可以通过VR设备在虚拟环境中直接观察和操作工程图样，获得直观的理解和体验。这种方式的训练还有诸多优势，包括：①可重复性，即在虚拟仿真环境中，学生可以对同一工程图样进行多次训练，不断加深对空间结构的理解和掌握；②真实感，即虚拟仿真技术可以模拟真实世界中的材料特性和现象，如钢筋、混凝土、重力、摩擦力、滑动和倾覆等，使训练更具真实感和代入感；③可视化，即虚拟仿真技术可以将抽象的工程图样转化为形象的三维模型，有助于提升学生的空间想象能力和可视化思维；④适应性强，即虚拟仿真软件可以适用于各种平台和设备，无论是个人电脑还是移动设备，都可以轻松实现工程图样空间解读能力的训练。

四  结束语

与只注重进行传统的逻辑思维能力培养的其他公共基础课程不同，土木工程制图是以形象思维能力和空间想象能力的训练贯穿始终，研究用正投影法绘制、阅读工程图样和图解空间几何问题的课程，是用二维的图形、符号表达三维空间物体，三维空间形状通过二维的平面图形来表达的学科。在当今的工程领域，对于从事土木工程的专业技术人员来说，具备准确理解和解读工程图样的能力至关重要。工程图样不仅传递了设计师的意图，也构成了管理者和施工单位理解、生产、检测产品的基础。然而，在实际操作中，许多人由于缺乏对工程图样空间结构的直观理解，往往会给设计和制造过程带来诸多困难。针对这一问题，虚拟仿真技术为工程图样空间解读能力的训练提供了一个有效的解决方案。随着计算机技术的迅速发展，以计算机为主体的多媒体教学手段以其逼真、形象、生动、人机交互和信息量大等优势正在日益广泛地应用于各类学校的课堂教学，成为优化教学过程、提高教学效率和教学质量的有效途径。虚拟仿真技术通过在计算机上创建虚拟环境，实现了对真实世界的模拟和仿真。对于工程图样空间解读能力的训练，虚拟仿真技术可以通过创建虚拟的工程图样和三维模型，让学生在虚拟环境中对其进行交互式的观察和操作。

综上所述，本研究通过虚拟仿真技术的应用为土木工程制图课程开创一种全新的教学方法，使课程教学手段现代化，并把问题导向和虚拟仿真技术有机结合起来，能够在计算机的平台上灵活实现二维到三维空间、三维到二维之间的转换。同时，为了不让学生产生空间技术依赖性，设计了多种训练方式，以问题分析和解决为最终教学目标，使这种新方式成为优化教学过程、提高教学效率和教学质量的有效途径。

参考文献：

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[3] 汤晓燕，云忠.“思政引领、成果导向、课赛合一、虚实结合”的工程图学系列课程改革与实践[J].高教学刊，2023，9（15）：110-114.

[4] 王振波，吴丽丽，赵卫平.《土木工程制图》课程教学方法创新的分析与探讨[J].教育教学论坛，2018（39）：111-112.

[5] 段乐珍.新形式下《土木工程制图》课程教学模式改革探讨[J].长沙铁道学院学报（社会科学版），2009，10（1）：62-63.

[6] 裴红艳，缑勇.土木工程制图教学模式改革的研究[C]//Hubei University of Technology， China.Proceedings of 2010 Third International Conference on Education Technology and Training（Volume 6）.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2010：77-79.

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[8] 李阳春，程小凤，邵琳.基于虚拟仿真技术的“工程制图与识图”教学改革与探讨[J].科教导刊，2023（6）：96-98.

[9] 王赫莹，马星，孙兴伟.基于OBE理念的工程图学课程建设与改革研究[J].高教学刊，2022，8（22）：67-70，74.

基金项目：2023年大学生创新创业训练计划项目广州航海学院省级立项“设计培养立体图及三视图解析能力的训练系统”（C2301002720）；2022年度广州市高等教育教学质量与教学改革工程项目“港口水工建筑物课程设计虚拟仿真实验教学方案研究”（2022JXGG114）；2023年度广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目“港口水工建筑物课程设计虚拟仿真实践教学方案研究”（粤教高函[2024]9号）

第一作者简介：王青（1981-），男，汉族，湖北大冶人，博士，副教授。研究方向为土木工程制图教学改革及港口水工建筑物结构设计。