SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘要：随着计算机技术的不断创新，传统的工程制图教学应该寻求新的思路。本文通过对工程制图现状的分析，提出引入虚拟现实技术的新思路，从理论教学、实践教学、和考核方式等三个方面对该课程进行改革，从而提高授课效果和学生学习效率，为培养新时代优秀土木工程师奠定基础。
关键词：虚拟现实技术；课程改革；工程制图课程；理论教学；实践教学
本文引用格式：唐旭海，等.基于虚拟现实技术的《工程制图》课程改革探索[J].教育现代化,2019,6(10):120-122.
21世纪是一个信息化的时代，越来越多的行业都开始引入计算机技术。计算机技术的确给我们带来了许多便利，尤其是近些年，计算机技术的高速发展，衍生出了各种新兴产业，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术便是其中的佼佼者。它是仿真技术与计算机图学的交叉融和，能够模拟周边各种物品甚至是环境，使用者能体会到立体感、方位感[1]，仿佛置身于真实环境中。而且使用者能够对模拟环境中的物品实施各种操作，甚至是重复操作。它的高效性与安全性使得这项技术不断地被引入各种行业，而教育行业作为我国重要发展对象，更应该率先引入这项技术，辅助相关教学活动。其实2012年教育部下发的《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》中就有明确指出：“建设仿真实训基地等信息化教学设施，建设实习实训等关键业务领域的管理信息系统，建成支撑学生、教师和员工自主学习和科学管理的数字化环境”[2]。在这种大趋势下，我们应该充分利用虚拟现实技术，结合土木工程专业的特点，进行相应的专业教学改革，将理论教学与实践相结合，力保学生将基础学科夯实。本文将以虚拟现实技术为基础，结合《工程制图》课程特点，从理论教学和实践教学等多个角度对该课程的改革进行思考。
一虚拟现实技术简介
虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，就是利用计算机技术，生成一个能够调动人的各种感觉（视觉、听觉、触觉等）的虚拟环境，而人可以在这个虚拟环境中体验“交互感”，即仿佛将人置于真实环境中，人在其中的一切行为和操作都能得到真实的反馈。[3]虚拟现实技术的不断发展，离不开“虚拟现实之父”Burdea G的功劳。早在20世纪末，BurdeaG就在世界电子年会上发表了一篇题为《Virtual Reality System and Applications》的文章中提出了“虚拟现实技术三角形”模型（如图1所示）,以简单的话语向大众介绍这项技术，即交互性(Interaction)、想象性(Imagination）和沉浸性(Immersion)。这三个“I”反映了虚拟现实技术的最基本特征，那就是人机之间的交互性[4]。沉浸性是指使用者在这个虚拟环境中能够得到最真实的动作反馈，体验到真实感，会不自觉的沉浸在这个虚拟世界中，难以分辨真假。想象性是指虚拟现实技术的基础是想象，它提供我们充分的想象空间，然后将我们想象的一切事物或环境具象化，以三维立体的形式向我们展现。同时，在这个过程中，它还能提高我们对这些事物的认知度，让我们对这些事物产生新的联想，提高我们的创造性思维[5]。交互性是指使用者能对虚拟环境中的物体实施一定的操作同时物体也会给使用者带来相应的感官反馈。例如使用者将虚拟环境中碰倒一杯水，就会感受到被子带来的触觉、听见杯子掉落到地上的声音和水溅出的声音。
二 当前工程制图教学现状
《工程制图》课程的教学一直是本科教学的重点，但一直以来，由于课程的特殊性以及技术的局限性，这门课程的教学效果都不太理想。为了提高该课程的教学效果，国内外各大高校都进行了一定程度的改革。经过多年的修改完善，目前国内各大高校基本都采用了PPT课件辅助CAI多媒体课件的方式来进行教学，将三维动画技术融入课件中，让学生直观理解空间图形的相互位置关系。的确，当前的这种教学方式相比之前有了一定提高，但本质上还是没有脱离传统教学的束缚，仍然处于老师讲，学生观看的被动形式，交互性太差，学生难有互动[6]。而且现行的CAI课件的静态动画过于死板，虽然有一定立体效果，但图形过于粗糙，动态效果差，更无法和学生产生交互，很难让学生提起兴趣。另外，目前的《工程制图》课程的教学还缺少实践教学这一环节。须知实践教学其实是对实际工程项目的一种预演,是培养学生将知识运用到实际生活中的有效手段。很多学生在刚刚参加工作时，都会出现这样一种情况，明明对这门课程的知识掌握得很好，但到了实际工作中，却不知道该如何下手，不知道本科学到的知识该怎样去运用。事实上，衡量一个学生对知识掌握度的多少恰恰是他能否将所学到的知识灵活运用到实际工程中，而不仅仅是他最后的考核成绩。所以，为培养出在土木工程领域各方面拔尖的综合性人才，就必须将实践教学融入这门课程的教学中。
三 引入虚拟现实技术的原因
《工程制图》是土木工程专业的本科生所必需修习的一门基础课，也是一门实践性相当强的课程。这门课程可以说贯穿了土木工程师的一生，无论是设计还是施工，都离不开图纸。能够快速的读懂图纸，是成为一个优秀工程师的关键。而识图能力的高低恰恰取决于一个人的空间想象能力的高低，但反观目前各高校的教学，很难在这方面给学生带来提高，高校老师们只能通过口头的讲解，学生也只能单纯的通过PPT去想象，过于抽象。一些缺乏空间想象力的学生完全无法跟上老师的节奏，久而久之便会产生厌学的情绪。有些高校为了改善这些现状，曾借助实体模型来辅助学生构成三维空间意识，但事实上的效果也是微乎其微，毕竟实体模型由于形状已经固定，无法向学生们展现两个结构之间的相贯、相切的动态过程。而且实体模型也无法进行切割、掏空等操作，所以对于一些相应的题型，老师无法结合已有模型给学生讲解。实体模型无法从根本上改善当前教学状况。考虑到目前的学生都对这些新派技术有着浓厚的兴趣,容易引起共鸣。所以我们可以引入虚拟现实技术,一方面调动学生的积极性，另一方面利用虚拟现实技术的三项特性，将课堂上所需要用到的平面图形生成3D立体图像,让学生切实感觉到图纸上各结构的相互连接关系[7]。在学生佩戴上相应的数据手套后，还能对3D图像进行诸如翻转、拆分、重新组合之类的操作，实时体会这个动态过程，让学生如同置身于真实环境中，得到真实的感官反馈。这项技术的引入，一方面使教师的教学更加生动、逼真，另一方面使学生更好地跟上老师的节奏，迅速掌握基本要领，提高学习效率。
四如何进行课程改革
目前《工程制图》的本科教学尚存许多不足，教师的讲授无法与实践相结合，导致许多学生只能生硬地套用老师的方法做题，根本没有弄清这些方法背后所涉及到的缘由，也无法将所学到的课本知识带入到实体建筑结构中去。如果仅仅依靠PPT的二维图形讲解，没有互动与动手的过程，便会使课堂过于沉闷，不利于学生知识的吸收。针对这些情况，借助虚拟现实技术，从理论教学、实践教学和考核方式等方面展开课程改革，充分解决学生实践经验缺乏、空间想象能力不足的问题，提高学生的学习兴趣和动手能力，并且使学生能够学以致用，将学到的知识应用到实际生活和工程中。
(一）理论教学改革
在该课程的理论教学中，不再单纯使用PPT式教学，而是和虚拟现实技术结合起来。由授课老师提前备好课，将该堂课所需要用到的各种图形提前编好程序，生成立体模型，从而在授课当天利用立体模型给学生们实体展示、讲解。老师也可以佩戴数据手套，对3D模型进行翻转、拆分等操作，将模型的各个细节展示给学生们。原本生涩、难懂的知识以这样的形式呈现，提高了学生的学习兴趣的同时也便于学生理解。同时，对于一些特殊题型，利用虚拟现实技术，能够更清晰、明了的给学生们讲解。比如工程制图中已知三视图的其中两个视图求第三个视图，这类题型往往需要学生通过已知的两个视图推测出该组合体的立体图，再通过立体图画出第三个视图。大多数学生都被这个题型难住了，因为他们很难想出形体的立体图，而老师通过单纯的言语，也没办法将形体的具体形状给学生描绘出来，学生自然很难弄懂这类题型。但有了VR技术，便能够直接生成该形体的立体图形，老师则可以结合着立体图形和二维视图给学生讲解，有理有据，能够使学生迅速掌握这类图形[8]。再比如剖面图和轴测图,尤其是对于一些切挖较多的复杂形体,都需要想象出形体的立体形状和内部结构才能画出,这也是令学生头疼的.而VR技术引入课堂后,不仅老师的讲解更加形象，还能通过拆分让学生充分认识形体内部的切挖程度。学生也能通过比对生成的立体图形和二维视图来培养自己的识图能力和空间思维能力。
（二）实践教学改革
以往的《工程制图》教学是没有实践课程的，但事实上，只有理论与实践结合才能使学生印象更加深刻，学生才能深入理解知识点，掌握要领。所以一个VR实验室的建造是极其有必要的。首先，实验室中必须配备完善的设备,包括VR眼镜、数据手套和计算机等等。其次，每个实验室都应该配备两个技术人员，防止学生违规操作，损坏仪器。最后，应培训一批理论知识扎实、熟练使用设备的实验教师，让教师带领学生完成相关实验。当然，学生也可以个人提出申请来使用实验室解决相关问题。对学生来说，在实验室中应学会基本仪器的操作技巧与原理，能够自行动手编写程序构建立体模型，熟练运用数据手套对模型进行组合、拆分，观察其内部结构和连接方式，同时感受三维模型和二维图形的对照关系。学生也可以在虚拟环境中模拟组合体之间相贯、相切等动态过程，用实践检验老师所教授的理论,多角度理解各种作图方法的本质。这种实践课程的开设，不仅成本低，而且能够重复实验，让学生能够充分巩固学习到的知识点，甚至能够启发学生创造出不同的解题思路。另一方面锻炼学生的动手能力和思考问题的方式，提高学生的空间思维能力，为之后参加工作打下基础。
（三）考试方式改革
一个优秀的考核方式才能真正检验出学生对知识点的掌握程度，也才能在一定程度上体现教师的教学效果。所以针对该课程的理论与实践课程的改革，我们原本的考核方式也需要进行创新改革。综合考虑土木工程专业的培养计划和该课程的学科特点，我们将考核过程分为四个部分：（1）每节理论课程的课堂考勤；（2）实践课程考试（由教师布置两道利用VR技术构建实体模型的题目，学生在VR实验室现场作答，老师根据学生的完成情况现场打分）；（3）老师根据学生对VR设备的操作水平打分；（4）课程最终考试。以上四个部分所占成绩比例分别为：10%、30%、10%、50%。针对该考核的第二部分，两道题分别为已知三视图中的任意两个视图构造该形体的立体模型和已知某形体的两个剖面图构造该形体的内部结构。这部分的打分则应综合考虑正确性和美观性。第三部分则主要是考察学生对设备的熟练程度。第四部分基本和以前一致，只是比例有所降低。
五 结语
面对目前《工程制图》课程教学中所存在的问题，再联系当今教育环境向着信息化转化的新形势，将现今飞速发展的虚拟现实技术引入该课程的教学中，给《工程制图》的教学焕发了新的生机。该次改革将理论教学改革和实践改革相结合，借助虚拟现实技术，将PPT上的二维信息生成三维立体信息，帮助学生培养空间立体思维能力。同时也能帮助教师将该课程的重难点简易化，便于学生理解吸收。考核方式的改革，使评价体系更加多元化，能更好地检验学生的成果。这次创新性改革注定是一个长期的过程。在这个过程中，我们仍要不断探索，完善改革计划，让学生充分掌握《工程制图》这门课程，努力培养出各方面俱佳的优秀土木工程师。
参考文献
[1]卢强,童子方,李伟.浅淡虚拟现实技术在教学中的应用[J].科技视界,2016,(26):157，148.
[2]张研,赵军,虞爱平.基于虚拟现实技术的《土木工程材料》课程改革探索[J].教育现代化,2018,(23):71-72，80.
[3]曾芬芳.虚拟现实技术[M].上海：上海交通大学出版社，1997.
[4]Bouras C,Psaltoulis D,on Psaroudis C,Tsiatsos T.An educational community using collaborative virtual environments.In:Proc.of 1st International conference Web-Based learning,Hong Kong,China,2002,August 180-191.
[5]孙子娴.基于VR-Platform的三维虚拟学习环境的设计与开发[D].上海师范大学,2009.
[6]李刚,李洁.虚拟展示技术在工程制图教学中的应用[J].泸州职业技术学院学报,2013(01):20-23+8.
[7]邓朗妮,马晋超,赵军.虚拟仿真在工程制图课程中的教学改革研究[J].价值工程,2017,36(3):170-171.
[8]朱文博,陈龙,崔怡等.基于虚拟现实技术的机械制图教学[J].教育教学论坛,2014,(9):57-58.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！ 文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/jiaoyulunwen/7956.html
