三维可视化在水利工程课程教学的运用

摘要：水利工程施工课程是水利专业实践性、综合性很强的课程，涉及大量的施工机械、施工方法等，学生普遍缺乏工程实践经验，学习起来有很大的困难。在教学中引进三维可视化技术，利用AutodeskMaya，将复杂的机械操作、施工过程等用计算机动画的形式表现出来，加深学生对内容的理解，激发学生的学习热情和钻研精神，从而提高教学效率与质量。本文主要探讨应用于教学的可视化案例以及对教学效果的影响。

关键词：水利工程;教学研究;三维可视化;AutodeskMaya

1引言

三维可视化是利用计算机将三维世界中的物体再现，并能够表示三维物体复杂信息的一种可视化技术。[1]水利工程施工课程是水利专业实践性、综合性很强的重要课程，在应用型人才培养中发挥着重要的作用。由于其具有较强实践性，涉及大量具体工程的特殊施工机械、复杂施工方法等，而学生普遍缺乏工程实践经验，课堂讲授内容往往显得晦涩难懂，不易理解和接受。本文利用AutodeskMaya，将复杂的机械操作、施工过程制作成动画，在上课的时候利用动画给学生讲解相应的施工过程，促进学生的理解与记忆。

2三维可视化技术

2.1AutodeskMaya。AutodeskMaya是美国Autodesk公司出品的世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业的影视广告、角色动画、电影特技等。Maya功能完善，工作灵活，制作效率高，渲染真实感强，是电影级别的高端制作软件。本研究中利用该软件把水利工程施工课程中的机械操作过程和施工过程制作成动画，作为课上使用的教学资料。2.2动画的制作。根据实际工程资料图片，使用AutodeskMaya软件制定标准尺寸，将参考图片导入到软件的四视图界面中，建造模型，制作光影和材质效果，模拟真实场景，渲染制作成序列图片，将序列图片导入到AfterEffect软件中，制作校准颜色，制作特效，调整效果，最后输出教学视频。

3三维可视化技术在水利工程施工课程中的应用

在传统教学过程中，强调以“教”为中心，教师不断的向学生灌输知识，学生被迫接受，用大量的时间去死记硬背知识点。但在以培养应用型人才为目标的教学活动中，坚持“以成果为导向”的原则，应该从学生的角度出发，以“学”为中心，注重学生的学习过程与效果，寻求提高学生学习效果的教学方法。3.1三维可视化教学的理论基础。在教育活动中，三维可视化是指一种通过可以觉察的视觉方式将思维进行外化呈现的过程。[2]通过可视化技术，教师可以将抽象的知识转化为具体的图像形式，让晦涩难懂的内容变得一目了然。人的大脑分左右两格半球，左半球主管抽象思维，即语言、逻辑数字的运算加工，右半球主管形象思维，即音乐、美术、空间的知觉辨认。在学习活动中，左半球是优势半球，而右半球用的时间很少，常常处于闲置状态，当我们采用图像进行学习记忆时，相当于把闲置的右半球调动起来，记忆的效果就会更好一些。[3]3.2三维可视化教学的应用实例。在实际的水利工程中，施工过程大多是依靠设计文件、图纸和二维平面图呈现出来，读懂这些资料对于从业者来说并不困难。但在教学过程中，教学对象是没有任务实践经验的学生，仅凭语言描述和静态图片无法让他们清楚的明白施工过程中的每个细节，因此给学习造成很大的困难。针对水利工程施工课程的内容设置，本研究选取其中最基本的施工环节——土石方工程中的挖掘机械施工过程，以及最具代表性的水利工程——三峡水利枢纽工程的建设过程进行动画制作，对应讲解课程中的土石方开挖和施工导流的知识内容。通过对课堂教学效果、学生反馈意见以及课程考核结果的综合分析来研究三维可视化技术对教学效果的影响。3.2.1挖掘机械施工过程土石方工程是水利工程中基础的施工项目，其中需要用到的挖掘机械种类有很多，工作原理各不相同，包括铲式挖掘机、抓斗式挖掘机、拉铲式挖掘机、斗轮式挖掘机、链斗式挖掘机和铲运机等，制作成动画更容易理解与区分。3.2.2三峡水利枢纽工程三峡水利枢纽工程是中国有史以来建设最大型的工程项目，是水利专业学生施工课程中很重要的一个工程实例。由于三峡工程分多期建设，包括多种水工建筑物的施工，过程复杂，对没有施工经验的学生们来说学起来比较困难，制作成动画有利于老师的分析讲解和学生的记忆理解。3.3三维可视化技术在教学中的应用效果分析。3.3.1课堂教学效果分析。通过对水利水电和港口航道与海岸工程两个专业进行连续两年课堂效果的监测，发现使用三维动画配合施工过程的讲解比传统的语言图片描述，学生学习的更快，课堂内容开展的更顺利，再通过课堂互动提问环节可以看出学生对施工过程的理解更透彻。3.3.2问卷调查结果分析。向两个专业152名学生发放调查问卷，回收有效问卷146份，经过数据分析，得到主要结论如下：①91%的学生认为在教学中应用三维动画有助于内容的理解学习；②95%的学生认为看动画演示比文字更能激发他们学习的兴趣；③84%的学生对使用三维动画学习的两部分内容即土石方开挖和施工导流的知识比其他章节记忆的更深刻；④89%的学生认为其他章节中关于施工过程的内容都应采用动画的方式展现出来，例如岩石的开挖爆破、地下连续墙的施工、钢筋混凝土预制构件的制作、高压喷射灌浆的施工、高桩码头的施工等。⑤41%的学生认为应该让他们也参与到动画的前期设计工作中；⑥67%的学生认为三维动画也应该尽可能应用到其他课程中。3.3.3课程考核结果分析。该课程采用闭卷考试的方式进行最终考核，通过对试卷分项成绩的统计分析，结论如下：①识图题得分率最高达到85%，简答题得分率最低仅有51%；②基础概念题得分率达到72%，综合分析题得分率仅有47%；③涉及三维动画讲解的内容（包括土石方开挖和施工导流）得分率达到84%，其他施工过程分析题目得分率仅有53%。通过对课堂教学效果、问卷调查结果以及课程考核结果的综合分析，可以发现即使有少数的学生认为课程本身就很难，三维动画辅助教学并无帮助，但大量数据仍然表明三维动画应用于水利施工课程可以激发学生的学习兴趣，提高理解与记忆的效率，对教学效果有很明显的提高作用。

4结论

可视化教学在计算机软件和多媒体资料的帮助下，将被感知、被认知、被想象、被推理的事物及其发展变化的形式和过程，用仿真化、模拟化、形象化、现实化的方式，在教学过程中表现出来。理论分析和实例应用的结果都表明可视化教学有助于教师授课和学生学习，将传统的教学模式向可视化教学过渡，把科学和艺术结合起来，定会使学生对学习内容兼具理性和感性的认识，不仅有助于加深记忆而且还能对事物有更深刻的理解。

作者:刘佳 刘晓宇 刘洪州 郑茜 单位:天津大学仁爱学院

参考文献：

[1]徐孟超.浅谈国内外三维可视化发展及其应用[J].现代测绘,2012,(6):60-62.

[2]顾培蒂.可视化技术在教育中的应用[D].北京师范大学,2008.

[3]邸占英.在科学课中通过观察发展学生的形象思维能力[J].基础教育论坛,2012,(21):36-38.

[4]林婕.三维可视化设计在水电工程中的应用初探[J].计算机应用,2007,(34):54-56.

[5]吴晓红,黄金莎.可视化教学设计研究[J].学科科学,2016,(3):76-79.