基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的《工程制圖》課程改革探索

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的?工程制圖?課程改革探究〔〕:

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)應(yīng)該尋求新的思路。本文通過(guò)對(duì)工程制圖現(xiàn)狀的分析，提出引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新思路，從理論教學(xué)、理論教學(xué)、和考核方式等三個(gè)方面對(duì)該課程進(jìn)展改革，從而進(jìn)步授課效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效率，為培養(yǎng)新時(shí)代優(yōu)秀土木工程師奠定根底。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；課程改革；工程制圖課程；理論教學(xué)；理論教學(xué)

本文引用格式：唐旭海，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的?工程制圖?課程改革探究[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(10):120-122.

21世紀(jì)是一個(gè)信息化的時(shí)代，越來(lái)越多的行業(yè)都開(kāi)始引入計(jì)算機(jī)技術(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)確實(shí)給我們帶來(lái)了許多便利，尤其是近些年，計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速開(kāi)展，衍生出了各種新興產(chǎn)業(yè)，虛擬現(xiàn)實(shí)〔VirtualReality，VR〕技術(shù)便是其中的佼佼者。它是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖學(xué)的穿插融和，可以模擬周邊各種物品甚至是環(huán)境，使用者能體會(huì)到立體感、方位感【1】，仿佛置身于真實(shí)環(huán)境中。而且使用者可以對(duì)模擬環(huán)境中的物品施行各種操作，甚至是重復(fù)操作。它的高效性與平安性使得這項(xiàng)技術(shù)不斷地被引入各種行業(yè)，而教育行業(yè)作為我國(guó)重要開(kāi)展對(duì)象，更應(yīng)該率先引入這項(xiàng)技術(shù)，輔助相關(guān)教學(xué)活動(dòng)。其實(shí)2022年教育部下發(fā)的?教育信息化十年開(kāi)展規(guī)劃〔2022-2022年〕?中就有明確指出："建立仿真實(shí)訓(xùn)基地等信息化教學(xué)設(shè)施，建立實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等關(guān)鍵業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理信息系統(tǒng)，建成支撐學(xué)生、教師和員工自主學(xué)習(xí)和科學(xué)管理的數(shù)字化環(huán)境";【2】。在這種大趨勢(shì)下，我們應(yīng)該充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合土木工程專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)展相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革，將理論教學(xué)與理論相結(jié)合，力保學(xué)生將根底學(xué)科夯實(shí)。本文將以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為根底，結(jié)合?工程制圖?課程特點(diǎn)，從理論教學(xué)和理論教學(xué)等多個(gè)角度對(duì)該課程的改革進(jìn)展考慮。

一虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)〔VirtualReality，VR〕技術(shù)，就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，生成一個(gè)可以調(diào)動(dòng)人的各種感覺(jué)〔視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等〕的虛擬環(huán)境，而人可以在這個(gè)虛擬環(huán)境中體驗(yàn)"交互感";，即仿佛將人置于真實(shí)環(huán)境中，人在其中的一切行為和操作都能得到真實(shí)的反響?！?】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷開(kāi)展，離不開(kāi)"虛擬現(xiàn)實(shí)之父";BurdeaG的功績(jī)。早在20世紀(jì)末，BurdeaG就在世界電子年會(huì)上發(fā)表了一篇題為?VirtualRealitySystemandApplications?的文章中提出了"虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形";模型〔如圖1所示〕,以簡(jiǎn)單的話語(yǔ)向群眾介紹這項(xiàng)技術(shù)，即交互性(Interaction)、想象性(Imagination〕和沉浸性(Immersion)。這三個(gè)"I";反映了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最根本特征，那就是人機(jī)之間的交互性【4】。沉浸性是指使用者在這個(gè)虛擬環(huán)境中可以得到最真實(shí)的動(dòng)作反響，體驗(yàn)到真實(shí)感，會(huì)不自覺(jué)的沉浸在這個(gè)虛擬世界中，難以分辨真假。想象性是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的根底是想象，它提供我們充分的想象空間，然后將我們想象的一切事物或環(huán)境具象化，以三維立體的形式向我們展現(xiàn)。同時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中，它還能進(jìn)步我們對(duì)這些事物的認(rèn)知度，讓我們對(duì)這些事物產(chǎn)生新的聯(lián)想，進(jìn)步我們的創(chuàng)造性思維【5】。交互性是指使用者能對(duì)虛擬環(huán)境中的物體施行一定的操作同時(shí)物體也會(huì)給使用者帶來(lái)相應(yīng)的感官反響。例如使用者將虛擬環(huán)境中碰倒一杯水，就會(huì)感受到被子帶來(lái)的觸覺(jué)、聽(tīng)見(jiàn)杯子掉落到地上的聲音和水濺出的聲音。

二當(dāng)前工程制圖教學(xué)現(xiàn)狀

?工程制圖?課程的教學(xué)一直是本科教學(xué)的重點(diǎn)，但一直以來(lái)，由于課程的特殊性以及技術(shù)的局限性，這門(mén)課程的教學(xué)效果都不太理想。為了進(jìn)步該課程的教學(xué)效果，國(guó)內(nèi)外各大高校都進(jìn)展了一定程度的改革。經(jīng)過(guò)多年的修改完善，目前國(guó)內(nèi)各大高校根本都采用了PPT課件輔助CAI多媒體課件的方式來(lái)進(jìn)展教學(xué)，將三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)融入課件中，讓學(xué)生直觀理解空間圖形的互相位置關(guān)系。確實(shí)，當(dāng)前的這種教學(xué)方式相比之前有了一定進(jìn)步，但本質(zhì)上還是沒(méi)有脫離傳統(tǒng)教學(xué)的束縛，仍然處于教師講，學(xué)生觀看的被動(dòng)形式，交互性太差，學(xué)生難有互動(dòng)【6】。而且現(xiàn)行的CAI課件的靜態(tài)動(dòng)畫(huà)過(guò)于死板，雖然有一定立體效果，但圖形過(guò)于粗糙，動(dòng)態(tài)效果差，更無(wú)法和學(xué)消費(fèi)生交互，很難讓學(xué)生提起興趣。另外，目前的?工程制圖?課程的教學(xué)還缺少理論教學(xué)這一環(huán)節(jié)。須知理論教學(xué)其實(shí)是對(duì)實(shí)際工程工程的一種預(yù)演,是培養(yǎng)學(xué)生將知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生活中的有效手段。很多學(xué)生在剛剛參加工作時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)這樣一種情況，明明對(duì)這門(mén)課程的知識(shí)掌握得很好，但到了實(shí)際工作中，卻不知道該如何下手，不知道本科學(xué)到的知識(shí)該怎樣去運(yùn)用。事實(shí)上，衡量一個(gè)學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握度的多少恰恰是他能否將所學(xué)到的知識(shí)靈敏運(yùn)用到實(shí)際工程中，而不僅僅是他最后的考核成績(jī)。所以，為培養(yǎng)出在土木工程領(lǐng)域各方面拔尖的綜合性人才，就必須將理論教學(xué)融入這門(mén)課程的教學(xué)中。

三引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原因

?工程制圖?是土木工程專(zhuān)業(yè)的本科生所必需修習(xí)的一門(mén)根底課，也是一門(mén)理論性相當(dāng)強(qiáng)的課程。這門(mén)課程可以說(shuō)貫穿了土木工程師的一生，無(wú)論是設(shè)計(jì)還是施工，都離不開(kāi)圖紙。可以快速的讀懂圖紙，是成為一個(gè)優(yōu)秀工程師的關(guān)鍵。而識(shí)圖才能的上下恰恰取決于一個(gè)人的空間想象才能的上下，但反觀目前各高校的教學(xué)，很難在這方面給學(xué)生帶來(lái)進(jìn)步，高校教師們只能通過(guò)口頭的講解，學(xué)生也只能單純的通過(guò)PPT去想象，過(guò)于抽象。一些缺乏空間想象力的學(xué)生完全無(wú)法跟上教師的節(jié)奏，久而久之便會(huì)產(chǎn)生厭學(xué)的情緒。有些高校為了改善這些現(xiàn)狀，曾借助實(shí)體模型來(lái)輔助學(xué)生構(gòu)成三維空間意識(shí)，但事實(shí)上的效果也是微乎其微，畢竟實(shí)體模型由于形狀已經(jīng)固定，無(wú)法向?qū)W生們展現(xiàn)兩個(gè)構(gòu)造之間的相貫、相切的動(dòng)態(tài)過(guò)程。而且實(shí)體模型也無(wú)法進(jìn)展切割、掏空等操作，所以對(duì)于一些相應(yīng)的題型，教師無(wú)法結(jié)合已有模型給學(xué)生講解。實(shí)體模型無(wú)法從根本上改善當(dāng)前教學(xué)狀況?？紤]到目前的學(xué)生都對(duì)這些新派技術(shù)有著濃重的興趣,容易引起共鳴。所以我們可以引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),一方面調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，另一方面利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三項(xiàng)特性，將課堂上所需要用到的平面圖形生成3D立體圖像,讓學(xué)生實(shí)在感覺(jué)到圖紙上各構(gòu)造的互相連接關(guān)系【7】。在學(xué)生佩戴上相應(yīng)的數(shù)據(jù)手套后，還能對(duì)3D圖像進(jìn)展諸如翻轉(zhuǎn)、拆分、重新組合之類(lèi)的操作，實(shí)時(shí)體會(huì)這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，讓學(xué)生如同置身于真實(shí)環(huán)境中，得到真實(shí)的感官反響。這項(xiàng)技術(shù)的引入，一方面使教師的教學(xué)更加生動(dòng)、逼真，另一方面使學(xué)生更好地跟上教師的節(jié)奏，迅速掌握根本要領(lǐng)，進(jìn)步學(xué)習(xí)效率。

四如何進(jìn)展課程改革

目前?工程制圖?的本科教學(xué)尚存許多缺乏，教師的講授無(wú)法與理論相結(jié)合，導(dǎo)致許多學(xué)生只能僵硬地套用教師的方法做題，根本沒(méi)有弄清這些方法背后所涉及到的緣由，也無(wú)法將所學(xué)到的課本知識(shí)帶入到實(shí)體建筑構(gòu)造中去。假設(shè)僅僅依靠PPT的二維圖形講解，沒(méi)有互動(dòng)與動(dòng)手的過(guò)程，便會(huì)使課堂過(guò)于沉悶，不利于學(xué)生知識(shí)的吸收。針對(duì)這些情況，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，從理論教學(xué)、理論教學(xué)和考核方式等方面展開(kāi)課程改革，充分解決學(xué)生理論經(jīng)歷缺乏、空間想象才能缺乏的問(wèn)題，進(jìn)步學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手才能，并且使學(xué)生可以學(xué)以致用，將學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活和工程中。

(一〕理論教學(xué)改革

在該課程的理論教學(xué)中，不再單純使用PPT式教學(xué)，而是和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合起來(lái)。由授課教師提早備好課，將該堂課所需要用到的各種圖形提早編好程序，生成立體模型，從而在授課當(dāng)天利用立體模型給學(xué)生們實(shí)體展示、講解。教師也可以佩戴數(shù)據(jù)手套，對(duì)3D模型進(jìn)展翻轉(zhuǎn)、拆分等操作，將模型的各個(gè)細(xì)節(jié)展示給學(xué)生們。本來(lái)生澀、難懂的知識(shí)以這樣的形式呈現(xiàn)，進(jìn)步了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)也便于學(xué)生理解。同時(shí)，對(duì)于一些特殊題型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以更明晰、明了的給學(xué)生們講解。比方工程制圖中三視圖的其中兩個(gè)視圖求第三個(gè)視圖，這類(lèi)題型往往需要學(xué)生通過(guò)的兩個(gè)視圖推測(cè)出該組合體的立體圖，再通過(guò)立體圖畫(huà)出第三個(gè)視圖。大多數(shù)學(xué)生都被這個(gè)題型難住了，因?yàn)樗麄兒茈y想出形體的立體圖，而教師通過(guò)單純的言語(yǔ)，也沒(méi)方法將形體的詳細(xì)形狀給學(xué)生描繪出來(lái)，學(xué)生自然很難弄懂這類(lèi)題型。但有了VR技術(shù)，便可以直接生成該形體的立體圖形，教師那么可以結(jié)合著立體圖形和二維視圖給學(xué)生講解，有理有據(jù)，可以使學(xué)生迅速掌握這類(lèi)圖形[8]。再比方剖面圖和軸測(cè)圖,尤其是對(duì)于一些切挖較多的復(fù)雜形體,都需要想象出形體的立體形狀和內(nèi)部構(gòu)造才能畫(huà)出,這也是令學(xué)生頭疼的.而VR技術(shù)引入課堂后,不僅教師的講解更加形象，還能通過(guò)拆分讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)形體內(nèi)部的切挖程度。學(xué)生也能通過(guò)比對(duì)生成的立體圖形和二維視圖來(lái)培養(yǎng)自己的識(shí)圖才能和空間思維才能。

〔二〕理論教學(xué)改革

以往的?工程制圖?教學(xué)是沒(méi)有理論課程的，但事實(shí)上，只有理論與理論結(jié)合才能使學(xué)生印象更加深化，學(xué)生才能深化理解知識(shí)點(diǎn)，掌握要領(lǐng)。所以一個(gè)VR實(shí)驗(yàn)室的建造是極其有必要的。首先，實(shí)驗(yàn)室中必須裝備完善的設(shè)備,包括VR眼鏡、數(shù)據(jù)手套和計(jì)算機(jī)等等。其次，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都應(yīng)該裝備兩個(gè)技術(shù)人員，防止學(xué)生違規(guī)操作，損壞儀器。最后，應(yīng)培訓(xùn)一批理論知識(shí)扎實(shí)、純熟使用設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教師，讓教師帶著學(xué)生完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，學(xué)生也可以個(gè)人提出申請(qǐng)來(lái)使用實(shí)驗(yàn)室解決相關(guān)問(wèn)題。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)學(xué)會(huì)根本儀器的操作技巧與原理，可以自行動(dòng)手編寫(xiě)程序構(gòu)建立體模型，純熟運(yùn)用數(shù)據(jù)手套對(duì)模型進(jìn)展組合、拆分，觀察其內(nèi)部構(gòu)造和連接方式，同時(shí)感受三維模型和二維圖形的對(duì)照關(guān)系。學(xué)生也可以在虛擬環(huán)境中模擬組合體之間相貫、相切等動(dòng)態(tài)過(guò)程，用理論檢驗(yàn)教師所教授的理論,多角度理解各種作圖方法的本質(zhì)。這種理論課程的開(kāi)設(shè)，不僅本錢(qián)低，而且可以重復(fù)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生可以充分穩(wěn)固學(xué)習(xí)到的知識(shí)點(diǎn)，甚至可以啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)造出不同的解題思路。另一方面鍛煉學(xué)生的動(dòng)手才能和考慮問(wèn)題的方式，進(jìn)步學(xué)生的空間思維才能，為之后參加工作打下根底。

〔三〕考試方式改革

一個(gè)優(yōu)秀的考核方式才能真正檢驗(yàn)出學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，也才能在一定程度上表達(dá)教師的教學(xué)效果。所以針對(duì)該課程的理論與理論課程的改革，我們本來(lái)的考核方式也需要進(jìn)展創(chuàng)新改革。綜合考慮土木工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案和該課程的學(xué)科特點(diǎn)，我們將考核過(guò)程分為四個(gè)局部：〔1〕每節(jié)理論課程的課堂考勤；〔2〕理論課程考試〔由教師布置兩道利用VR技術(shù)構(gòu)建實(shí)體模型的題目，學(xué)生在VR實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)作答，教師根據(jù)學(xué)生的完成情況現(xiàn)場(chǎng)打分〕；〔3〕教師根據(jù)學(xué)生對(duì)VR設(shè)備的操作程度打分；〔4〕課程最終考試。以上四個(gè)局部所占成績(jī)比例分別為：10%、30%、10%、50%。針對(duì)該考核的第二局部，兩道題分別為三視圖中的任意兩個(gè)視圖構(gòu)造該形體的立體模型和某形體的兩個(gè)剖面圖構(gòu)造該形體的內(nèi)部構(gòu)造。這局部的打分那么應(yīng)綜合考慮正確性和美觀性。第三局部那么主要是考察學(xué)生對(duì)設(shè)備的純熟程度。第四局部根本和以前一致，只是比例有所降低。

五結(jié)語(yǔ)

面對(duì)目前?工程制圖?課程教學(xué)中所存在的問(wèn)題，再聯(lián)絡(luò)當(dāng)今教育環(huán)境向著信息化轉(zhuǎn)化的新形勢(shì)，將現(xiàn)今飛速開(kāi)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入該課程的教學(xué)中，給?工程制圖?的教學(xué)煥發(fā)了新的活力。該次改革將理論教學(xué)改革和理論改革相結(jié)合，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將PPT上的二維信息生成三維立體信息，幫助學(xué)生培養(yǎng)空間立體思維才能。同時(shí)也能幫助教師將該課程的重難點(diǎn)簡(jiǎn)易化，便于學(xué)生理解吸收?？己朔绞降母母铮乖u(píng)價(jià)體系更加多元化，能更好地檢驗(yàn)學(xué)生的成果。這次創(chuàng)新性改革注定是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，我們?nèi)砸粩嗵骄?，完善改革方案，讓學(xué)生充分掌握?工程制圖?這門(mén)課程，努力培養(yǎng)出各方面俱佳的優(yōu)秀土木工程師。

參考文獻(xiàn)

【1】盧強(qiáng),童子方,李偉.淺淡虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技視界,2022,(26):157，148.

【2】張研,趙軍,虞愛(ài)平.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的?土木工程材料?課程改革探究[J].教育現(xiàn)代化,2022,(23):71-72，80.

【3】曾芬芳.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1997.

【4】BourasC,PsaltoulisD,onPsaroudisC,TsiatsosT.Aneducationalmunityusingcollaborativevirtualenvironments.In:Proc.of1stInternationalconferenceWeb-Basedlearning,HongKo