三維融合式“工程圖學”教學模式探索

鄭 凱，鄭 偉

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.國家電投集團數字科技有限公司，北京 100082）

引言

新工科建設戰略，要求以立德樹人為引領，培養未來多元化、創新卓越型工程人才[1]。“工程圖學”作為理工類專業必修的專業基礎課，培養學生繪制和識讀工程圖樣的能力，鍛煉和提升其空間思維和工程創新能力等，對培育未來新興領域工程科技人才具有重要作用。傳統的教學模式往往只注重知識傳授，在教學思路、教學方式等方面存在很多弊端，授課往往以課堂教師講授為主，配以板書、木模、PPT等教輔工具，學生只是“填鴨式”被動學習。由于大學新生空間想象力較差，圖形的抽象思維能力較弱，這種紙上談兵式的教學不能實現“以學生為核心，以能力培養為主”，容易束縛學生的思維能力和探索精神，難以達到培養綜合性創新型人才的要求，課程教學亟須改革。

當前各類計算機輔助設計（CAD）軟件及增強現實技術（Augmented Reality, AR）等已在各行各業得到廣泛應用，傳統二維圖紙與三維模型在工程制造中的主導地位已經開始逐步變化，深刻影響了現代設計和生產制造理念。為了培養適應當代社會發展和具有創新能力的復合型優秀人才，如何將二維和三維技術有機融入“工程圖學”課堂教學模式，合理構建二、三維同步教學體系，是每一個圖學教育工作者最關心的問題。

本文將三維建模技術和增強現實技術引入課程教學中，開展三維融合式“工程圖學”教學模式改革。通過三維造型技術講解圖與體的投影關系，加強學生形體分析和綜合思維能力的培養，配合增強現實技術為學生創建沉浸式主動學習環境，建立開放式學習環境和交互式學習氛圍，不僅可以激發學生的學習興趣和創新學習意識，還可以提升學生的學習能力和創新思維，以提升教學效果，為培養工科高素質創新型人才奠定良好基礎。

一、工程圖學思維能力培養

工程圖學是依據正投影原理，通過繪制工程圖樣描述物體形象的學科。圖樣又稱為“工程界的語言”，是工程設計人員用來表達設計思想和工作原理、加工制造人員進行加工制作的依據，是工業生產中進行技術交流的重要技術文件。繪制工程圖樣主要是解決如何在平面上通過圖形表達空間形體的問題，目前大都采用三視圖法。通過正投影法將空間三維形體繪制為多個觀察方向的二維視圖稱為畫圖，而通過觀察多個二維視圖想象出空間三維形體稱為讀圖。讀圖是抽象思維，也是學習“工程圖學”課程的難點所在。讀圖既要求學生熟練掌握視圖之間的三等對應關系，也對其空間三維空間想象力提出很高的要求，可以說空間思維能力是課程學習中要重點培養和提高的能力[2]。

畫圖的思維過程可分為圖形抽象和投影變換兩個階段。讀圖的思維過程復雜得多，包括對圖素的分析、歸納和推理，在明確各組成部分的形狀和方位后，通過投影關系綜合確定整體結構。在畫圖和看圖過程中，思維活動互為反向，又互相促進，都以形象思維為主，邏輯思維為輔。為了增強學生的圖形思維能力，一方面要加強對幾何圖素和基本形體投影特征的學習；另一方面要加強對幾何形體構型規律的認識，加深學生對三維實體和圖形基本特征的認知和記憶。在傳統教學過程中，學生由教師引導著一步步在腦海中構建模型，如采用形體分析法，先分解形體，看視圖，抓特征，然后通過投影還原基本體，綜合起來想整體。教師在教學過程中配以多媒體或實物模型，幫助學生建立二維投影與三維形體的映射還原能力。在學習相關理論知識后，學生會進行徒手繪圖或零部件測繪等練習。但課后缺乏可供參考的模型，沒有有效提高空間思維能力的相應方法，學生的抽象思維能力難以建立，導致學習效率低、效果差。這種以知識傳遞和“灌輸”為主的傳統教學模式，學生基本處于被動學習狀態，實際上主動參與度并不高，創新思維能力和創新設計能力的培養受到限制。

如何打破傳統教育教學模式中存在的不足，建立新型的“工程圖學”培養模式，對工科高素質創新型人才培養有著積極的意義。筆者結合多年教學經驗，不斷探索輔助學生提高空間構型能力的方法，進行創新思維模式下“工程圖學”課程的教學新方法，將三維造型技術融入課程教學中，開展三維融合教學模式改革。以三維構型能力培養為中心，利用三維特征構型加強對學生綜合分析能力的培養，強化實踐訓練，幫助學生完成“空間—平面—空間”思維過程的轉換，激發學生的學習興趣和創新學習意識，為培養具有創新意識和創新能力的工程應用類綜合型人才奠定良好基礎。

二、三維融合式教學

三維CAD技術的快速發展對“工程圖學”的教學改革提出了新的要求。傳統“工程圖學”教學往往只注重面向二維視圖進行畫圖與讀圖兩方面的知識、方法、技能的培養和鍛煉，而忽視對三維產品造型能力的培養。每個二維視圖只是物體某些方向的信息表達，描述的都是物體的局部信息，而物體的完整信息需要通過閱讀多個二維視圖在頭腦中復雜的邏輯推理才能得到，是虛幻的；而三維數字模型是物體的真實體現，表達非常直觀。可以說三維模型是本源，二維圖樣只是其派生物，三維模型信息和二維圖樣信息是完全一致的[3]。在“工程圖學”教學過程中融入三維造型技術，可以做到“利于教、便于學”，可以突破傳統教學過程中的一些束縛，有效彌補學生空間思維能力不足的缺陷，大大提高學生的學習效率和學習興趣，將更加有利于培養學生的空間立體感和創新設計能力[4]。

在課程教學過程中融入三維造型軟件（如SolidWorks等），可以加強學生對正投影法等基礎理論的理解和學習，使原本空洞抽象的投影體系更為直觀。空間坐標體系及投影變換、視角變換與三視圖的由來等，這些基礎理論是后續知識學習的理論支撐，在傳統教學過程中往往不被重視，容易造成前后教學內容的脫節。通過展示三維造型，可以很好地幫助學生建立空間立體感，以及對空間圖線投影特性的認知。在建模過程中，可以一邊講解一邊拉伸、旋轉、掃描等造型，既可以使學生理解三維造型設計的設計思路和基本方法，又能與課程內容等緊密結合，如在形體分析法中，把復雜的組合體分解為簡單基本體，基本體之間的方位構成，表面之間過度線的形成等，在熟悉了從三維形體到二維投影視圖的正向繪圖流程之后，再從二維視圖讀圖還原三維形體就會簡單得多，“分線框，對投影，綜合起來像整體”，其實就是三維形體建模過程的真實再現。圖1（a）為組合體中回轉面表面相貫線的展示，可以使學生掌握相貫線的真實形狀，并理解如何通過正投影法在各個視圖中繪制多個關鍵點和中間點，深刻領悟二維圖樣與三維形體的內在聯系。裝配圖一直是教學的最大難點，傳統教學以向學生展示實物道具為主，部件的內部結構和裝配過程學生較難掌握，而通過三維建模軟件則可以隨意地對零部件進行移動、旋轉、剖切、拆卸，使學生完全掌握裝配體內部結構和機器裝配關系，了解部件的工作原理和裝拆順序等，如圖1（b）所示。通過動畫仿真，學生可進一步了解裝配體各機構的作用和設計目的，真正學懂裝配工作原理的真實應用；通過干涉檢查等設置，學生能夠了解結構尺寸的重要性、公差與配合等理論知識在實際設備中的需求等。通過最直觀的方式讓學生有切身感受，理論與實際相結合，從而加深學生對課程理論內容的理解和掌握。可以說將三維建模技術融入課堂教學可以大大提高學生的學習興趣，使學生真正將“工程圖學”課程學“活”了[5]。

圖1 三維形體的展示

三、虛實結合沉浸式學習

在學習“工程圖學”課程的過程中，學生除了在課堂上聽講外，還需要通過大量課后練習才能深入掌握課程知識。傳統“工程圖學”課程通過教具、PPT課件等教學方式，學習者只能被動地觀看，缺乏交互性。當學生在課后復習或做作業時，由于缺乏可供參考的教具且學生的空間想象力較差，導致課后學習效率低、效果差。

增強現實技術是一種新興交互技術，可以將虛擬信息和真實世界巧妙融合，創造出一種虛實融合的視覺感受和超越現實的用戶體驗。相較于傳統課堂講授教學模式的枯燥乏味、信息量單薄，AR技術的圖像化、立體式信息傳遞方式不僅可以傳遞更豐富的信息量，而且沉浸式、場景式的教學模式可將教學活動由傳統的學生被動接受學習過渡到學生自主創新學習，不僅可以激發學生的學習興趣，還可以鍛煉學生的學習能力和創新思維[6]。

利用增強現實技術把“工程圖學”課程的抽象內容具體化，可實現新技術與傳統教學課堂的深度融合，激發學生的自主創新學習興趣，提升教學效果。在學習工程圖樣表達方面，學生明顯更易于接受直觀性更強的三維形體表達。在進一步拓展空間三維設計能力的同時，有助于學生學習和理解正投影法、形體分析法等基礎理論，提高學生的空間思維和邏輯推理能力。通過沉浸式虛實結合場景，可以加深學生對二維圖樣與真實三維形體的圖學表達和轉換理解，強化和拓展學生的想象力。同時，開放的AR互動學習場景將教學交互方式由傳統的“教師講、學生聽”的單向輸入式學習升華至師生之間的交互模式，啟發學生的創新思維，進一步提升教學效果。

為了提高學生的課后學習效果與自主學習積極性，培養學生的空間想象力，本文基于Unity平臺和Easy AR模塊開發了一套適于手機或平板等移動終端系統的虛實結合教學系統應用程序，可以為學生創建虛實結合的沉浸式學習環境。該系統為學生課后學習提供了一種新穎的教學方式，打開該系統App后用手機或平板的攝像頭掃描二維圖樣，即可以在屏幕上把對應的三維立體模型呈現在眼前，還可以對模型進行縮放、旋轉、剖切等操作，在帶給學生新奇視覺感受的同時，開闊了學生的視野，激發了學生的學習興趣與創新思維。

開發流程主要包括三維建模、虛實融合、實時交互三個步驟：首先通過三維建模軟件對二維圖樣建立其三維模型，再導入3dsMax等中間軟件對三維模型的數據格式及材質、光照、顏色等信息進行轉換，以便于Unity平臺使用。在Unity平臺中安裝EasyAR插件后，添加和編輯ImageTracker和ImageTarget特征，指定識別圖片的特征參數，快速實現二維圖樣與三維模型之間的匹配映射。通過輸入腳本代碼可以實現對模型的縮放、旋轉等操作。最后將項目輸出為支持移動開發平臺的App，安裝到手機或平板等即可。使用時只需要打開手機或平板的攝像頭，拍攝二維圖樣即可在屏幕上呈現三維模型，實現AR交互體驗（如圖2所示）。

圖2 AR虛實融合教學系統

相比于傳統二維圖樣到三維形體的抽象思維過程，通過AR技術創建的沉浸式虛實結合場景更加直觀，便于學生理解三維形體與二維圖樣之間的映射關系，可以使學生更清楚地印證投影理論知識與三維構型的邏輯推理關系，加深學生對二維與三維形體的圖形表達和轉換理解，達到強化和拓展學生空間想象力的效果。開放的AR互動學習場景可將師生之間的教學關系升華為交互合作模式，特別對于一題多解的題目，通過AR課件可以起到拋磚引玉的效果，引導和啟發學生開展創新思維，達到推進學習正循環的目的。

針對傳統“工程圖學”課程教學中存在的弊端，為了改善教學方式，提升教學效果，將三維建模技術和AR技術有效地融入“工程圖學”課程的教學實踐中，建立二維、三維同步教學的教學體系，可以讓學生更深刻地掌握三維模型和二維圖樣表達之間的聯系，在鞏固理論知識的基礎上，進一步培養和提升學生的圖學思維和創新思維能力，提升教學質量，為培養新時期工程類綜合型人才奠定堅實基礎。