土木工程制图空间解读能力虚拟仿真训练教学改革研究

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 Traditional civil engineering drawing instruction， which is teacher-centered and utilizes outdated teaching methods and tools， struggles to meet the demands of modern societal development.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