信息化三維動(dòng)態(tài)在工程識(shí)圖與制圖教學(xué)應(yīng)用研究

鄧桂美

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，廣東廣州 510900）

一、背景

國(guó)家各級(jí)部門(mén)先后出臺(tái)了一系列政策文件推動(dòng)教育信息化。2017年8月，教育部發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)職業(yè)教育信息化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，要求進(jìn)一步加強(qiáng)職業(yè)教育信息化建設(shè)，以此提高職業(yè)教育信息化基礎(chǔ)能力，實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)模式的深化改革[1]。之后，教育部又發(fā)布了《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，表示要將互聯(lián)網(wǎng)和職業(yè)教育緊密結(jié)合在一起，以此促進(jìn)職業(yè)教育的現(xiàn)代化發(fā)展。2019年1月，國(guó)務(wù)院出臺(tái)《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》，要充分運(yùn)用現(xiàn)代化信息技術(shù)，不斷完善當(dāng)前的教育教學(xué)方式，加強(qiáng)虛擬工廠等網(wǎng)絡(luò)空間建設(shè)和普及[2]。2020年9月，教育部印發(fā)《職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動(dòng)計(jì)劃（2020-2023 年）》，表明要進(jìn)一步加強(qiáng)職業(yè)教育信息化建設(shè)，并將信息技術(shù)與職業(yè)教育相結(jié)合，以此實(shí)現(xiàn)職業(yè)教育改革，全面提高教師素質(zhì)，提升職業(yè)教育辦學(xué)質(zhì)量[3]。

二、高職院校工程識(shí)圖與制圖課程現(xiàn)存的主要問(wèn)題

工程識(shí)圖與制圖課程內(nèi)容多，涵蓋面廣，學(xué)生較難掌握。課程一般包括識(shí)圖基礎(chǔ)、剖面圖與斷面、結(jié)構(gòu)工程識(shí)圖、建筑工程識(shí)圖四個(gè)項(xiàng)目。課程知識(shí)點(diǎn)較多，如果面面俱到，無(wú)法突出課程重點(diǎn)內(nèi)容。同時(shí)高職學(xué)生在數(shù)學(xué)思維和幾何關(guān)系知識(shí)薄弱，在點(diǎn)線面投影及組合體的投影部分就會(huì)花掉大量的課時(shí)去理解和掌握，容易造成后續(xù)課程的課時(shí)緊張，只能掌握專(zhuān)業(yè)圖識(shí)讀部分的皮毛。如果不花掉大量的課時(shí)去詳細(xì)講解識(shí)圖基礎(chǔ)，很多學(xué)生無(wú)法想象圖紙平面、立面、剖面、斷面的關(guān)系，無(wú)法更深層次地去分析圖紙的精髓。

傳統(tǒng)板書(shū)與PPT演示教學(xué)方法，局限了工程識(shí)圖與制圖課程的發(fā)展。PPT課件無(wú)法對(duì)復(fù)制組合體的投影，結(jié)構(gòu)工程圖紙和建筑工程圖紙進(jìn)行充分地剖析，無(wú)法對(duì)工程圖紙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入講解。學(xué)生現(xiàn)有的思維認(rèn)知，很難融入到課程的學(xué)習(xí)中，造成學(xué)習(xí)困難、學(xué)生積極性不高的局面。

工程識(shí)圖與制圖課程，識(shí)圖時(shí)把二維平面圖紙通過(guò)空間想象力，形成三維立體空間。制圖時(shí)把想象形成的三維立體空間轉(zhuǎn)換為二維平面圖紙，這要求學(xué)習(xí)工程識(shí)圖與制圖課程，要有很好的空間轉(zhuǎn)換能力。但高職院校的建筑類(lèi)學(xué)生知識(shí)水平較差，中、高考分?jǐn)?shù)較低，部分學(xué)生抱著混個(gè)大專(zhuān)文憑的心態(tài)進(jìn)入高職院校，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃?；A(chǔ)弱、學(xué)習(xí)興趣低以及空間想象力缺乏等原因，使工程識(shí)圖與制圖課程學(xué)習(xí)效果不好，學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力差，如果核心基礎(chǔ)課程掌握不牢固，建筑工程的整個(gè)核心課程都難以開(kāi)展。

工程識(shí)圖與制圖既是后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及畢業(yè)后能勝任相關(guān)技術(shù)工作的基礎(chǔ)。理論與實(shí)際項(xiàng)目的結(jié)合性較差，根據(jù)教學(xué)多年的經(jīng)驗(yàn)，一直著力于研究工程制圖與識(shí)圖的教學(xué)方法，以尋求更有效的教學(xué)改革措施，來(lái)改變教學(xué)過(guò)程中遇到的困境。

三、信息化三維動(dòng)態(tài)工程識(shí)圖與制圖課程改革策略

（一）對(duì)比常見(jiàn)的三維軟件，找到合適工程識(shí)圖與制圖課程改革的載體

3D軟件可以解決三維和二維空間轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，借助信息化三維軟件直觀性特點(diǎn)，深入理論講解，開(kāi)發(fā)學(xué)生的空間想象能力；借助信息化三維軟件動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，把復(fù)雜的建筑平面圖紙轉(zhuǎn)化成直觀的三維模型，學(xué)生可以反復(fù)觀察平面圖、立面圖、剖面、軸測(cè)圖和透視圖的變化關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生在立體的三維模型中理解二維的平面知識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生的空間想象能力。

現(xiàn)有的3D軟件很多，有Maya、ZBrush、Blender、Rhino等，哪個(gè)軟件適合工程識(shí)圖與制圖？現(xiàn)對(duì)比建筑類(lèi)常用的三維Sketchup、3DMax、Revit軟件。

表1 Sketchup、Revit、3DMax軟件對(duì)比

建筑設(shè)計(jì)基本使用Sketchup和3DMax建模VR渲染，Revit常用于后期深化。

Sketchup：應(yīng)用最廣，操作方便、能快速出模型。該軟件有專(zhuān)門(mén)針對(duì)建筑設(shè)計(jì)設(shè)置的等軸測(cè)視圖模式、正交視圖模式、透視視圖模式、平行投影視圖模式及兩點(diǎn)透視視圖模式；軟件的剖切工具可以直接地制作建筑物的剖立面。但Sketchup精準(zhǔn)度較低，適合一些復(fù)雜性比較低的項(xiàng)目，或者是直線比較多的項(xiàng)目。

Revit：實(shí)現(xiàn)“三維協(xié)同設(shè)計(jì)”，在三維狀態(tài)中，可與建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電等幾個(gè)專(zhuān)業(yè)形成完整的BIM模型。軟件自帶數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)的管理和處理能力非常強(qiáng)大，出圖的速度很快。Revit一般是方案確定之后用，它是一個(gè)工業(yè)化大生產(chǎn)的工具。

3DMax：全功能3D軟件，超寫(xiě)實(shí)渲染效果被廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫(huà)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域。3DMax采取了多邊形建模的模型構(gòu)架，不存在真正意義上的光滑曲面，編輯界面繁多，操作復(fù)雜。

Sketchup、3DMax和Revit都可以協(xié)助完成工程識(shí)圖與制圖的三維與二維空間轉(zhuǎn)換，擅長(zhǎng)3D軟件的教師擔(dān)任工程識(shí)圖與制圖更有利于課程的講解和示范說(shuō)明。其中Sketchup在工程識(shí)圖與制圖課程教學(xué)中有較大的優(yōu)勢(shì)。Sketchup操作方便，繪制技巧和AutoCAD一致，快捷鍵也基本相同，通過(guò)對(duì)圖形的推拉、旋轉(zhuǎn)、跟隨路徑得到立體模型，非容易理解。沒(méi)有接觸過(guò)也可以短時(shí)間內(nèi)掌握，滿(mǎn)足工程識(shí)圖與制圖協(xié)同教學(xué)的要求。

（二）Sketchup軟件三維動(dòng)態(tài)工程識(shí)圖與制圖教學(xué)法

結(jié)合Sketchup軟件的工程識(shí)圖與制圖，通過(guò)不斷重復(fù)三維到二維的展示，直接模擬燈光投影的效果，讓學(xué)生建立良好的空間想象能力。幾何畫(huà)法是工程識(shí)圖與制圖的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)幾何畫(huà)法的知識(shí)建立科學(xué)的空間轉(zhuǎn)換能力。傳統(tǒng)的PPT演示加教師黑板繪制，這單一的教學(xué)模式?jīng)]有辦法滿(mǎn)足現(xiàn)在課程的需求[4]。Sketchup提供等軸、俯視、前視、后視、左視、右視、平行投影、透視、兩點(diǎn)透視九種視圖模式，X光透視模、后邊線、線框、消隱、陰影、材質(zhì)貼圖、單色顯示7種風(fēng)格樣式。講解幾何畫(huà)法時(shí)只需視圖和風(fēng)格相結(jié)合，就能實(shí)現(xiàn)三維、二維自由切換。幾何畫(huà)法模型基本可在一分鐘內(nèi)完成建模，使教師具有較大的靈活性，課堂內(nèi)容變得豐富生動(dòng)[5]。

圖1 Sketchup建筑透視、剖面圖

與工程識(shí)圖與制圖動(dòng)態(tài)交流。Sketchup軟件的靜態(tài)可以滿(mǎn)足畫(huà)法幾何、平面圖紙繪制、立面圖紙繪制的教學(xué)需求；Sketchup+VR軟件的動(dòng)態(tài)輸出可以解決工程識(shí)圖與制圖中剖面圖、詳圖的知識(shí)難點(diǎn)，同時(shí)提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。剖面圖、詳圖由于建筑構(gòu)件多樣，形態(tài)復(fù)雜，圖紙千差百異常常讓學(xué)生感到無(wú)從下手，加大了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。為了解決這一難題，在計(jì)算機(jī)中建立與真實(shí)模型相同或相似的虛擬環(huán)境，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中能夠眼見(jiàn)為實(shí)并觀全貌，而且這些模型可以任意方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、剖切、不同方位不同截面的剖切位置可以取出相應(yīng)的剖面圖[6]。動(dòng)態(tài)交流有利于因材施教，方便學(xué)生更自主地學(xué)習(xí)和理解工程體的剖面圖、斷面圖、構(gòu)件圖、詳圖等識(shí)讀方法和繪制技巧（圖2）。

圖2 Sketchup+VR虛擬全景圖

怎么與工程識(shí)圖與制圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)交流？Sketchup+VR軟件輸出全景圖，虛擬全景實(shí)體的展現(xiàn)彌補(bǔ)學(xué)生必須跟著老師走的缺陷，學(xué)生可以通過(guò)自己的智能手機(jī)，與虛擬的場(chǎng)景進(jìn)行交流，學(xué)習(xí)工程識(shí)圖與制圖的知識(shí)。學(xué)生根據(jù)自身的知識(shí)弱點(diǎn)，學(xué)習(xí)不同的空間，通過(guò)前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)使學(xué)生能夠在短期內(nèi)形象、生動(dòng)、直觀地了解建筑，掌握識(shí)圖繪圖的技能（圖3）。

工程識(shí)圖與制圖課前課下的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)。課程可以借助學(xué)習(xí)通平臺(tái)，彌補(bǔ)了純粹的傳統(tǒng)課堂面授時(shí)，由于學(xué)生基礎(chǔ)良莠不齊導(dǎo)致學(xué)習(xí)進(jìn)度不一的情況。經(jīng)過(guò)“全民網(wǎng)課”的特殊情況，學(xué)生、家長(zhǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)課程有更全面地理解，教師的網(wǎng)課制作水平全面提高。把工程識(shí)圖與制圖的知識(shí)重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行模塊化，上傳前期Sketchup輸出的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，讓學(xué)生能夠根據(jù)自身的情況，自動(dòng)調(diào)整觀看時(shí)間、觀看次數(shù)。既能夠兼顧基礎(chǔ)好的學(xué)生，也能夠兼顧基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，學(xué)習(xí)時(shí)間比較隨意，學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)也可自由調(diào)整，從而達(dá)到課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)鞏固的目的[7]。學(xué)生通過(guò)智能手機(jī)與全景動(dòng)態(tài)互動(dòng)，了解自身不足，查漏補(bǔ)缺，不斷提高學(xué)生知識(shí)的掌握度。

（三）工程識(shí)圖與制圖融合網(wǎng)絡(luò)信息化教學(xué)

充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任何地方，都可以作為學(xué)生學(xué)習(xí)的場(chǎng)地。網(wǎng)課課程資質(zhì)異常豐富；部分地方封閉后，學(xué)生無(wú)法回校，很多高職院校出現(xiàn)線上、線下課程同時(shí)進(jìn)行教學(xué)的情況?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”模式下信息化教學(xué)平臺(tái)、APP、資源庫(kù)、在線開(kāi)放課程等網(wǎng)絡(luò)資源層出不窮，不僅豐富了教師上課的教學(xué)內(nèi)容，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣?？梢岳谩爸袊?guó)大學(xué)慕課”“智慧職教”“學(xué)習(xí)通”“學(xué)銀在線”等平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)課程，為每個(gè)知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建任務(wù)單、微視頻、習(xí)題、討論、作業(yè)提交等知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，為學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課中討論簽到、課后復(fù)習(xí)、課后及時(shí)反饋等教學(xué)過(guò)程提供了很好的教學(xué)平臺(tái)。對(duì)學(xué)習(xí)積極的同學(xué)，老師積極回復(fù)并進(jìn)行課外輔導(dǎo)，對(duì)學(xué)生起到了鼓勵(lì)的作用，能更加促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

網(wǎng)絡(luò)微課，利用碎片化的時(shí)間來(lái)預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)或鞏固知識(shí)點(diǎn)。微課一般是十分鐘左右，碎片化的知識(shí)教學(xué)使學(xué)生易于接受，隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，逐個(gè)擊碎難點(diǎn)，掌握重點(diǎn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，減少了學(xué)習(xí)的壓力。除此以外，伴有大量的實(shí)踐操作，將課程的眾多大知識(shí)點(diǎn)分割為小知識(shí)，從而制成教學(xué)資源，將其靈活地運(yùn)用在教學(xué)活動(dòng)中，可以有效地提高學(xué)生的注意力，有助于學(xué)生進(jìn)行教學(xué)任務(wù)的完成。例如在講解地面鋪裝時(shí)，教師可以將木地板鋪裝、石材鋪裝、陶瓷地磚鋪裝整理為三節(jié)微課內(nèi)容，通過(guò)平面圖、剖視圖和節(jié)點(diǎn)大樣圖，由易到難的遞進(jìn)過(guò)程，使學(xué)生從局部到剖視圖的整體有一個(gè)充分認(rèn)識(shí)，積少成多從量到質(zhì)的提升變化。

將網(wǎng)絡(luò)工程施工動(dòng)畫(huà)，融入到教學(xué)中。工程識(shí)圖與制圖中的節(jié)點(diǎn)圖和大樣圖，需要學(xué)生理解施工步驟，才能理解和讀懂圖紙，如建設(shè)裝飾施工圖中，天花吊頂暗藏窗簾盒構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很難看到，只能在施工現(xiàn)場(chǎng)才能看到構(gòu)件的制作過(guò)程，而且一般構(gòu)件內(nèi)部吊筋骨架配置較復(fù)雜，學(xué)生很難通過(guò)想象來(lái)理解；暗藏窗簾盒完成的效果在日常生活中可以看到，學(xué)生可以理解它的平面圖紙，但是剖面圖和大樣圖就必須要懂結(jié)構(gòu)和施工才能識(shí)圖和制圖。在講解暗藏窗簾盒這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以利用輔助模型來(lái)進(jìn)行配合暗藏窗簾剖面模型，插入網(wǎng)絡(luò)暗藏窗簾盒工程的施工過(guò)程動(dòng)畫(huà)，將實(shí)體模具和結(jié)構(gòu)施工圖相結(jié)合，學(xué)生更能從圖紙中聯(lián)想到實(shí)體，從實(shí)體中描繪施工圖，加深學(xué)生的理解，從二維圖片到三維模型，從靜態(tài)圖紙到動(dòng)態(tài)施工過(guò)程，彌補(bǔ)單一的教學(xué)方法中無(wú)法展示實(shí)體的缺陷，使學(xué)生能夠在短期內(nèi)形象、生動(dòng)、直觀地掌握繪圖識(shí)圖技能。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，信息化三維技術(shù)不僅為現(xiàn)代建筑業(yè)帶來(lái)了全新的發(fā)展機(jī)遇，也促進(jìn)教育的進(jìn)步，有利于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力和工程素養(yǎng)，適應(yīng)人才培養(yǎng)的需要和當(dāng)前信息化教學(xué)的發(fā)展需要。