楊平鄭智敏

（1、湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙4101512、杭州萬霆科技有限公司，浙江杭州310020）

施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

楊平1鄭智敏2

（1、湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙4101512、杭州萬霆科技有限公司，浙江杭州310020）

對施工圖識圖類課程的現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)調(diào)查，分析施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)需求，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)和施工圖識圖類課程教學(xué)要求，提出了設(shè)計(jì)施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)總體框架、總體工作流程的構(gòu)想，描述了系統(tǒng)的仿真教學(xué)軟件和教學(xué)管理平臺核心模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

施工圖識圖；虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬教學(xué)系統(tǒng)

一、概述

施工圖被喻為“工程界的語言”，識讀工程施工圖紙是土木工程專業(yè)領(lǐng)域中一項(xiàng)最基本、應(yīng)用最多的職業(yè)能力。在施工圖識圖類課程教學(xué)中，學(xué)生接受的內(nèi)容常是教材上的文字、符號或教師傳授的語言，學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)實(shí)體與空間、材料與功能處于一種模糊的認(rèn)知狀態(tài)［1］。如何讓學(xué)生掌握施工圖識讀能力是困擾土木工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)難點(diǎn)。

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是一種運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面向教學(xué)過程的網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)教學(xué)系統(tǒng)。虛擬教學(xué)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下給學(xué)習(xí)者建立一個逼真的三維學(xué)習(xí)環(huán)境和情景，將計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字化教學(xué)信息變?yōu)槿怂芨惺艿木哂懈鞣N表現(xiàn)形式的多維教學(xué)信息輔助教學(xué)［2］，通過漫游、協(xié)作、考核、信息交流，使學(xué)習(xí)者主動形成意義建構(gòu)。作為一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)領(lǐng)域，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)能為復(fù)雜的技能訓(xùn)練、宏觀的效果設(shè)計(jì)、微觀的解剖分析，動態(tài)的過程仿真等方面帶來變革，這就為施工圖識圖類課程教學(xué)方法提供新的思路。

為此，以輔助施工圖識圖的教學(xué)為目的，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，深入開展施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，使其具有沉浸感高、實(shí)時交互性強(qiáng)、便于網(wǎng)絡(luò)傳輸特點(diǎn)，滿足課堂教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要。

圖1　施工圖識圖類課程現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)

二、施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)需求分析

施工圖識圖類課程的現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)如圖1，受課程特點(diǎn)、實(shí)踐操作和見習(xí)條件限制，傳統(tǒng)的教學(xué)模式過多依賴教材和課堂教學(xué)，學(xué)生不能根據(jù)自己的愛好選擇老師和學(xué)習(xí)內(nèi)容，無法滿足學(xué)習(xí)者課外學(xué)習(xí)和答疑的需求。

結(jié)合施工圖識圖類課程現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)特征，并參考網(wǎng)絡(luò)教學(xué)共有特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)具有以下性能：

1.虛擬教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明晰，具有逼真的全三維虛擬教學(xué)場景，與真實(shí)世界中的建筑事物從感觀和屬性比例上相一致［1］，反映施工圖識圖類課程知識之間內(nèi)在的聯(lián)系和規(guī)律。

2.虛擬教學(xué)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)簡潔、方便操作、趣味性強(qiáng)。

3.在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，對教學(xué)的語言進(jìn)行擴(kuò)展，把虛擬模型、虛擬構(gòu)件以及各種建筑虛擬形成過程的現(xiàn)象，全部嵌人到虛擬教學(xué)場景中，作為一種“超文本”、“超圖形”的具體學(xué)習(xí)對象而存在，用戶以第一人稱實(shí)現(xiàn)虛擬場景漫游和自主操作，形成同客觀世界相對應(yīng)的沉浸體驗(yàn)，使教學(xué)模式更直觀生動。

4.在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，虛擬建筑事物與學(xué)習(xí)者之間通過鼠標(biāo)或鍵盤進(jìn)行交互，具有較強(qiáng)的操作性和交互性。

5.利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在因特網(wǎng)上發(fā)布虛擬教學(xué)系統(tǒng)，教師或?qū)W習(xí)者可在任何時間和地點(diǎn)訪問系統(tǒng)，反復(fù)進(jìn)行課程學(xué)習(xí)或在線測試。

三、施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)和施工圖識圖類課程教學(xué)要求，施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)主要由系統(tǒng)教學(xué)管理平臺和系統(tǒng)仿真教學(xué)軟件等兩大模塊組成，如圖2所示。施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)總體工作流程如圖3所示。

1.信息化的統(tǒng)一教學(xué)管理平臺。系統(tǒng)教學(xué)管理平臺通過系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，完成資源庫中心、題庫中心、教務(wù)管理中心，仿真教學(xué)中心等，通過與統(tǒng)一登錄認(rèn)證系統(tǒng)的集成和整合，實(shí)現(xiàn)各虛擬仿真軟件的統(tǒng)一單點(diǎn)登錄入口；通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，集中管理用戶數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、考試數(shù)據(jù)等。運(yùn)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將系統(tǒng)教學(xué)管理平臺嫁接到數(shù)字化校園網(wǎng)，支持教師/學(xué)生/管理員三種角色登錄訪問系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代的教學(xué)管理模式：學(xué)生能在宿舍快捷登陸系統(tǒng)學(xué)習(xí)，教師能在辦公室、多媒體教室、機(jī)房和家里快捷登陸系統(tǒng)教學(xué)，管理員能運(yùn)用現(xiàn)代信息手段提供系統(tǒng)管理與維護(hù)服務(wù)。

2.以系統(tǒng)教學(xué)管理平臺為依托，針對建筑、安裝、公路等工程項(xiàng)目特點(diǎn)，引入虛擬仿真技術(shù)和靈境技術(shù)，根據(jù)一套典型、完整的房建、公路工程項(xiàng)目施工圖紙，建構(gòu)集教學(xué)、管理、考核為一體的建筑、安裝、公路等識圖虛擬仿真教學(xué)軟件項(xiàng)目，每個項(xiàng)目分為識圖應(yīng)用中心、識圖知識中心、識圖考核中心三大內(nèi)容，包括工地尋寶、構(gòu)造認(rèn)識、圖紙分析和識圖建模四個應(yīng)用模塊，施工圖庫、構(gòu)件庫和基礎(chǔ)知識庫三大知識庫，智能化考核庫。

圖2　施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

圖3　施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)的總體工作流程

四、施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)教學(xué)管理平臺設(shè)計(jì)

施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)管理平臺包括資源中心、題庫中心、教務(wù)中心、信息中心、教學(xué)中心等核心功能模塊。用戶審核通過之后，可以通過登錄頁進(jìn)行登錄。資源中心是各類教學(xué)資源的集成共享中心，資源中心配備有完善的教學(xué)視頻、PPT課件、建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。題庫中心提供智能化的教學(xué)測驗(yàn)，具備單人練習(xí)、隨機(jī)答題、自定義答題、多人競賽等多種考試方式，教師可以依據(jù)教學(xué)內(nèi)容，在管理后臺設(shè)定考試以檢驗(yàn)教學(xué)成果，為調(diào)整教學(xué)提供依據(jù)［3］，學(xué)生也能在考評中心進(jìn)行自主訓(xùn)練，對自己的專業(yè)知識點(diǎn)掌握情況進(jìn)行鞏固。教務(wù)中心是系統(tǒng)的教務(wù)管理和數(shù)據(jù)分析中心，可以實(shí)現(xiàn)對教務(wù)信息和教學(xué)情況的統(tǒng)籌管理［3］，從而完全掌控教學(xué)情況。信息中心提供相關(guān)新聞公告發(fā)布以及師生交流互動平臺，具有話題討論等功能。教學(xué)中心提供仿真應(yīng)用板塊功能，保障平臺與各種標(biāo)準(zhǔn)化建筑虛擬仿真教學(xué)軟件的兼容，可懸掛相應(yīng)建筑課程的教學(xué)軟件，如施工識圖仿真軟件等。

（二）系統(tǒng)仿真教學(xué)軟件設(shè)計(jì)

施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)仿真教學(xué)軟件包括應(yīng)用中心、知識中心、考核中心等核心功能模塊。

1.應(yīng)用中心包括工地尋寶模塊、構(gòu)造認(rèn)識模塊、圖紙分析模塊及識圖建模等進(jìn)階式學(xué)習(xí)模塊［4］。工地尋寶模塊作為識圖學(xué)習(xí)的入門級模塊，通過人物在虛擬工地或建筑物的漫游，幫助學(xué)生體驗(yàn)三維模擬的工地場景和熟悉三維軟件操作。構(gòu)造認(rèn)識：作為識圖的初級模塊，人物通過地圖引導(dǎo)在三維建筑場景中漫游，并對建筑物外形或內(nèi)部各構(gòu)造節(jié)點(diǎn)進(jìn)行辨識。圖紙分析作為識圖學(xué)習(xí)的中級模塊，通過圖紙二維查看和構(gòu)造三維展示，幫助學(xué)生掌握圖紙形成原理。識圖建模作為識圖學(xué)習(xí)的高級模塊，通過動手能力將各個構(gòu)件配置相應(yīng)的參數(shù)，組裝三維建筑模型，并在建好的三維模型上，能夠繼續(xù)漫游［4］，完成設(shè)定的任務(wù)關(guān)卡和學(xué)習(xí)題目。

2.知識中心。作為識圖學(xué)習(xí)的輔助學(xué)習(xí)模塊，包括施工圖庫、構(gòu)件庫和基礎(chǔ)知識庫三部分。施工圖庫提供用戶按圖紙分類查詢施工圖，并結(jié)合圖紙理解圖紙分類定義的功能；構(gòu)件庫提供用戶按構(gòu)件分類查詢構(gòu)件信息，并結(jié)合構(gòu)件理解構(gòu)件分類定義的功能；基礎(chǔ)知識庫提供查看識圖基礎(chǔ)相關(guān)的文獻(xiàn)資料查看，分制圖基本知識、投影知識、圖集三類［4］。

3.考核中心。以學(xué)生為單位，對訓(xùn)練過程中的操作、答題進(jìn)行考核統(tǒng)計(jì)，自動生成考核成績單、操作分析報告、答題分析報告，提供學(xué)生、教師查詢。

五、結(jié)束語

基于自主、探究式學(xué)習(xí)方式，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以工程項(xiàng)目為載體，利用主流三維游戲引擎Unity3d開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)一款通過服務(wù)器或現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)嫁接到校園網(wǎng)上的施工圖識圖虛擬教學(xué)系統(tǒng)，解決學(xué)生由于缺乏現(xiàn)場感觀、實(shí)踐操作而學(xué)習(xí)效率低的教學(xué)難點(diǎn)，促使理論教學(xué)向更有效率、更加科學(xué)化的方向發(fā)展。

［1］許曉莉.房屋建筑虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.四川師范大學(xué)，2011.

［2］周振軍，張慶秀，馬彥華.虛擬教學(xué)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用分析［J］.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2005（05）.

［3］李楠，賈宏俊.基于仿真模擬平臺的土木工程主干專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)改革［J］.高等建筑教育，2016（02）.

［4］沈新福，易斌.高職工程識圖課程虛擬仿真教學(xué)探討［J］.廣西教育，2015（11）.

The construction drawing classes aims to investigate the practical teaching systems and analyze the requirements of virtual teaching in the constructiondrawing.Combining with the characteristics of the application of virtual reality technology and construction knowledge chart class curriculum requirements，the paper puts forward the design of construction drawing and overall framework and work process of virtual teaching system，describes detailed design of the system simulation teaching software and teaching management platform of thecore module.

construction knowledge chart；virtual reality；the virtual teaching system

G642

A

2096-000X（2016）21-0058-02

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（編號：15C0355）。

楊平（1977，12-），男，侗族，湖南長沙人，副教授/高工，碩士，從事道路工程與高職教育研究。