土木工程圖學(xué)課程的教學(xué)改革與思考

畢迎迎 ，劉 龍 ，趙 軍 ，王軍偉

（1.安陽學(xué)院，河南 安陽 455000；2.安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000）

1 概述

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，市場要求大學(xué)生具備較強(qiáng)的實(shí)踐創(chuàng)新能力[1]。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方法形式單一，且偏重于理論，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容缺乏自主性和創(chuàng)新性，而學(xué)科競賽是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要途徑，“高教杯”全國大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽（以下簡稱“大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽”）是教育部高等學(xué)校工程圖學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會、中國圖學(xué)學(xué)會制圖技術(shù)專業(yè)委員會、中國圖學(xué)學(xué)會產(chǎn)品信息建模專業(yè)委員會共同主辦的全國大學(xué)生學(xué)科競賽，該競賽通過有效搭建一個規(guī)范化、信息化、創(chuàng)新性，面向?qū)嶋H工程結(jié)構(gòu)的實(shí)踐創(chuàng)新平臺，已成為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的有力途徑[2-3]。競賽分建筑類、道橋類、機(jī)械類和水利類四個類別，結(jié)合傳統(tǒng)的尺規(guī)手繪工具和計算機(jī)軟件，對實(shí)際工程結(jié)構(gòu)物進(jìn)行尺規(guī)繪圖和產(chǎn)品信息建模，綜合考核學(xué)生的工程設(shè)計能力，該比賽自2008年開賽以來，已連續(xù)舉辦十二屆，其比賽規(guī)模及影響力逐年增大[4-5]。作為一種提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的有力途徑，很多高校極其重視其在教學(xué)實(shí)踐中的作用。

鑒于近幾年指導(dǎo)土木工程專業(yè)學(xué)生參與此項競賽的探索與實(shí)踐，擬以大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽為載體，對土木工程制圖課程進(jìn)行改革，旨在提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，為社會培養(yǎng)復(fù)合型人才。

2 教學(xué)改革目標(biāo)

2.1 降低學(xué)生思維難度

目前土木工程圖學(xué)教學(xué)分為工程制圖教學(xué)和計算機(jī)輔助繪圖教學(xué)兩個部分。通過工程制圖的教學(xué)，使學(xué)生掌握投影原理[6]，具備空間想象能力，從而可以將二維圖形轉(zhuǎn)譯為三維空間實(shí)體，同時通過手工繪圖的方式，將三維空間實(shí)體以三視圖的形式按國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)手工繪制在圖紙上[7]。通過計算機(jī)輔助繪圖教學(xué)，使學(xué)生掌握AutoCAD軟件，從而可以利用計算機(jī)繪制相應(yīng)的二維平面圖。但傳統(tǒng)的土木工程圖學(xué)教學(xué)要求學(xué)生能夠通過二維的讀圖去確定三維物體，從二維到三維這一過程要求學(xué)生有較強(qiáng)的空間想象能力，這對空間能力想象弱的學(xué)生是很不友好的。這種通過二維圖文信息搭建三維空間模型的模式[8]，會給初學(xué)者帶來很大的不便。

2.2 教學(xué)理念轉(zhuǎn)移

土木工程圖學(xué)的教學(xué)目的是使學(xué)生具備用二維圖形表達(dá)三維立體空間的能力[9]，使其在今后的學(xué)習(xí)中具備土木工程行業(yè)基本的設(shè)計繪圖能力、三維構(gòu)型等。傳統(tǒng)土木工程圖學(xué)以“投影理論教學(xué)為主，AutoCAD軟件學(xué)習(xí)為輔”的教學(xué)理念，重點(diǎn)講授投影理論，即三視圖的形成、投影規(guī)律、點(diǎn)線面的投影等，以此理論為基礎(chǔ)以二維圖形去表達(dá)形體、施工圖等。而AutoCAD軟件的學(xué)習(xí)，也僅僅是用計算機(jī)代替手工尺規(guī)進(jìn)行二維圖形繪制。

BIM技術(shù)的出現(xiàn)，使得原有的教學(xué)理念已經(jīng)不再適合新技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)改革傳統(tǒng)的教學(xué)理念為“投影理論輔助計算機(jī)建?！?，更側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生于計算機(jī)三維建模的能力。同時通過創(chuàng)建三維模型，更好地鍛煉了學(xué)生的空間思維能力。

2.3 教學(xué)內(nèi)容改變

教學(xué)內(nèi)容是培養(yǎng)大學(xué)生能力的重要載體，教學(xué)內(nèi)容的合理設(shè)置對于人才的發(fā)展有著重要作用。傳統(tǒng)的土木工程圖學(xué)教學(xué)主要側(cè)重在理論、軟件繪圖命令與手繪的講解方面。所選取的教學(xué)內(nèi)容，往往隨意選擇與土木工程方向不相關(guān)，或者關(guān)聯(lián)不大的示例圖形來講解。課后的練習(xí)題也和土木工程制圖聯(lián)系不緊密，造成學(xué)生學(xué)完之后不明白為什么這樣做、這樣做和國家制圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有多大差距[10]。同時，以往的圖學(xué)教學(xué)中僅保留了三維空間實(shí)體的幾何信息，而實(shí)體的材料、工藝僅有文字描述，關(guān)于實(shí)體各種信息的關(guān)聯(lián)度很差。而BIM技術(shù)提供了虛擬化的建設(shè)場景，將材料、配件、數(shù)量等信息與三維實(shí)體模型建立起聯(lián)系，實(shí)體模型各種信息的關(guān)聯(lián)度變強(qiáng)。這便要求在教師授課內(nèi)容中不僅僅講授投影理論、軟件操作，還要穿插土木工程中的其他知識進(jìn)行簡單講授，有利于激發(fā)學(xué)生對土木工程繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣，使得學(xué)生對土木工程有宏觀上的認(rèn)識，也為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

3 教學(xué)改革方案

對土木工程制圖課程進(jìn)行教學(xué)改革的總體思路是：指導(dǎo)教師將創(chuàng)新教育理念作為改革的指導(dǎo)方針[11]，將大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽所需的專業(yè)知識、專業(yè)技能和日常的教學(xué)有機(jī)結(jié)合，完善教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高技能創(chuàng)新人才。以課程考核為例，可在土木工程制圖課程考核過程中，采用大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽的積分制，將考核內(nèi)容分為3個模塊，分別對應(yīng)尺規(guī)繪圖、計算機(jī)二維建模以及計算機(jī)三維建模，具體的測試內(nèi)容也可借鑒大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽，以土木工程實(shí)際結(jié)構(gòu)為測試題目。

通過這種以競賽為依托的教學(xué)改革，可以在日常教學(xué)中增加學(xué)生的專業(yè)知識和專業(yè)技能，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，將工程實(shí)踐與理論制圖有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生理論分析和解決問題的能力與水平，促使學(xué)生從理論學(xué)習(xí)向?qū)嵺`能力的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生掌握快速看圖、快速作圖的能力，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣和樂于學(xué)習(xí)制圖、善于識圖分析、能夠結(jié)合圖紙構(gòu)思三維空間結(jié)構(gòu)的能力。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)制圖課堂的教學(xué)和大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽的良好銜接，教師應(yīng)當(dāng)在具體授課環(huán)節(jié)上下足功夫，優(yōu)化授課內(nèi)容，充分利用現(xiàn)代數(shù)字信息技術(shù)。采用多樣化的教學(xué)手段向?qū)W生傳授理論知識和創(chuàng)新知識。通過多媒體課件、現(xiàn)場視頻和照片等呈現(xiàn)工程實(shí)踐項目的情景和流程，采用BIM技術(shù)建立的三維虛擬模型，讓學(xué)生和老師快速交流制圖的問題，大大提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。同時，教師應(yīng)當(dāng)重視開闊學(xué)生學(xué)習(xí)三維建模和二維建模的視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的求知欲，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新技能和積極進(jìn)取的人才。

4 教學(xué)改革實(shí)施

具體課程改革的實(shí)施方式要結(jié)合大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽的比賽內(nèi)容來進(jìn)行，實(shí)施對象為某校2018級土木工程專業(yè)一班和二班學(xué)生。具體實(shí)施分兩階段進(jìn)行，第一階段是土木工程制圖理論與尺規(guī)繪圖的教學(xué)環(huán)節(jié)，在原來的教授學(xué)生繪制點(diǎn)、線、面的基礎(chǔ)上，綜合分析實(shí)際工程結(jié)構(gòu)物。鑒于這一階段學(xué)生對制圖概念尚不熟悉，可以將工程結(jié)構(gòu)物進(jìn)行拆分，逐個構(gòu)件進(jìn)行講解，要求學(xué)生逐個構(gòu)件進(jìn)行繪制，在積累一定的構(gòu)件繪制經(jīng)驗(yàn)之后，可教授學(xué)生如何對多個簡單構(gòu)件進(jìn)行組裝繪圖，這樣整個講解過程呈現(xiàn)由易到難的過程，學(xué)生更容易接受，學(xué)生既可以在繪制單獨(dú)構(gòu)件過程中掌握繪圖基本理論，也可以積累一定的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)繪圖經(jīng)驗(yàn)，繪圖過程中傳授學(xué)生如何利用已有的繪圖工具快速進(jìn)行建筑構(gòu)件的繪制。比如，丁字尺和三角板相互結(jié)合，使所畫出的水平線和豎直線處于垂直狀態(tài)，巧妙利用三角板斜邊，繪制一些帶有角度的線段等；第二階段是土木工程制圖的計算機(jī)輔助制圖教學(xué)環(huán)節(jié)，也就是教授學(xué)生使用計算機(jī)軟件進(jìn)行繪圖，這一階段要培養(yǎng)學(xué)生快速識圖、繪圖能力，結(jié)合大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽，快速識圖、繪圖能力尤其重要。以AUTOCAD軟件為例，在教學(xué)環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)的先講授菜單，后進(jìn)行實(shí)際操作方法進(jìn)行改進(jìn)，改為教學(xué)生如何使用快捷命令為主，代替之前的傳統(tǒng)菜單操作。比如，要繪制一條直線，那么教學(xué)生用直線快捷鍵L來代替在菜單欄里點(diǎn)擊命令；繪制對稱結(jié)構(gòu)時，可以先繪制一半圖形，然后利用鏡像快捷鍵MI直接繪制出另一半；當(dāng)?shù)染嚯x復(fù)制數(shù)量較多圖形時，可以使用復(fù)制快捷鍵CO里邊的陣列功能，等等。這個環(huán)節(jié)要求學(xué)生記憶常用的快捷命令以及命令的操作步驟，這樣繪圖較傳統(tǒng)方式相比會更準(zhǔn)確、更快速。

此外，為了充分調(diào)動學(xué)生課后學(xué)習(xí)制圖技術(shù)的積極性，提高教學(xué)效果和學(xué)生的制圖水平，挖掘?qū)W生的潛在學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生探索和解決問題的意識和創(chuàng)新思維。借鑒大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽的組隊方式，對班級進(jìn)行合理分組，5名同學(xué)1組，設(shè)組長1名，5名同學(xué)要合力協(xié)助，共同完成課后作業(yè)。在評定課后作業(yè)環(huán)節(jié)，由傳統(tǒng)的教師一人面對全班的作業(yè)形式不同，教師對每個小組每名同學(xué)的作業(yè)進(jìn)行評分，5名同學(xué)的總分為最終小組得分，這樣能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)制圖課程的積極性，因?yàn)槿魏?名同學(xué)的作業(yè)都會影響小組在全班的排名。后續(xù)還可以根據(jù)小組排名情況以及每個小組中組員的表現(xiàn)情況，選出5名尺規(guī)繪圖和計算機(jī)建模成績均較好的同學(xué)組成團(tuán)隊和四名單項成績突出的同學(xué)參加河南省以及全國的大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情將會得到很大提高。

5 教學(xué)改革預(yù)期效果

新的授課模式符合高等院校對土木工程制圖的課程要求，在滿足培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新性和自主性的同時提高了大學(xué)生的基礎(chǔ)制圖技能。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生可以對建筑物大小構(gòu)件充分理解，精準(zhǔn)把握各類制圖規(guī)范，把理論與實(shí)際巧妙結(jié)合。尺規(guī)繪圖方面，首先學(xué)生對所繪制圖形可以正確地在對應(yīng)圖紙尺寸上選擇合適比例和布局，在符合尺規(guī)繪圖規(guī)范的前提下快速抄圖、補(bǔ)圖、標(biāo)注，熟練利用各種尺規(guī)繪圖工具，繪圖成果干凈、美觀、正確；計算機(jī)二維建模方面，學(xué)生能熟練運(yùn)用AUTOCAD快捷鍵命令，取代鼠標(biāo)在菜單欄一個個尋找對應(yīng)命令，通過大量練習(xí)總結(jié)出繪圖技巧，比如同樣的圖形采用哪個命令可以更加快速繪制。常見的圖形特性可以進(jìn)行修改，善于利用各種便于繪圖的插件；計算機(jī)三維建模方面，學(xué)生可以先建立小的構(gòu)件，然后對小的構(gòu)件進(jìn)行組裝（原理類似裝配式建筑），避免學(xué)生看到圖紙不知所措，不知道要從哪里開始做起，這樣可以保證所建模型在結(jié)構(gòu)上正確，模型建立速度也可以明顯提高。在大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽上，學(xué)生也能取得更好的成績。同時，新的授課模式也將加強(qiáng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生執(zhí)著專注、精益求精、追求卓越的工匠精神，為以后在工作崗位的良好發(fā)展打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

6 學(xué)生反饋

接受傳統(tǒng)的工程圖學(xué)課程的學(xué)生經(jīng)常給出以下反饋：“老師上課講的都聽懂了，就是工程中不知道怎么用”“學(xué)完制圖課，假期再去報個手繪或軟件培訓(xùn)班”“老師上課講的菜單命令運(yùn)用看起來都很簡單，當(dāng)自己實(shí)際運(yùn)用的時候要么已經(jīng)忘記命令在哪個菜單欄，要么忘記具體命令的操作步驟”“由于練習(xí)量小，老師講的繪圖技巧并不知道在什么地方可以用能夠找到”等等。在指導(dǎo)大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽道橋類學(xué)生進(jìn)行繪圖訓(xùn)練時使用了上述的教學(xué)模式，學(xué)生普遍反映在備賽過程中明顯要比平時上課對圖形的理解更加深刻、對繪圖技能運(yùn)用的更易上手。從學(xué)生的練習(xí)結(jié)果看出，學(xué)生在一定程度上已經(jīng)理解建筑物構(gòu)件的功能和含義，對繪圖規(guī)范把握的情況和尺規(guī)繪圖效果相比之前有很大改善，計算機(jī)二維建模速度明顯提高，對快捷鍵命令的使用更加熟練，計算機(jī)三維建模效果更加逼真，建模速度更加迅速。