應用型本科土木工程CAD教學改革與實踐

曾建仙，趙冬香

（福建工程學院土木工程學院，福建 福州 350108）

隨著國內外有很多新開發的繪圖軟件不斷的涌現，如：建筑草圖設計類（SketchUp草圖設計大師）、建筑表現類(Autodesk 3ds Max)、建筑信息化 BIM 模型類(Revit Building、Revit Structure、Revit Architecture)、規劃設計類(CityMaker)等[1]，土木工程專業的計算機輔助設計(CAD)課程的教學也迎來了新的挑戰；同時，由于近些年來的應用型本科培養計劃的改革在不斷地壓縮課時；因此在應用型本科的教學上（特別是專業基礎技能課程）需要做必要的改革，以適應培養新時期的應用型人才的要求。通過總結長期從事結構設計和土木工程類專業的CAD教學工作的經驗，在原任務驅動法的教學方法的基礎上[2]，不斷完善教學內容，改進教學方法，以期望尋找合適有效的教學設計及實施方法。

1 課程教學現狀

應用型土木工程專業主要特征是以服務行業或地區經濟社會發展為宗旨，以技術學科為支撐，以培養一線應用型人才為目標，培養面向行業，有可持續性發展的工程師[3]。 對于有著技能型課程特點的土木工程CAD課程，是應用型本科特點的突出表現之一，也是應用型土木類本科培養方案中必不可少的專業基礎課，它的課程體系關系見表1。

表1 土木工程CAD課程體系

CAD作為土木建筑及其相關專業的一門必修課已經開設了十多年，是土木工程制圖重要的組成部分，也是開展土木工程專業課學習的基礎性課程，不少土木工程專業的設計和科研軟件都設計了與CAD對接的專用接口，如PKPM、TBSA、3D3S、MIDAS、ANSYS、ABAQUS等。作為一門注重實踐的技能課程，應系統熟練地掌握 CAD 操作方面的基本技能，培養解決工程設計和工程施工的實際應用能力，同時也是為進一步學習專業設計和科研軟件或開發專業應用軟件打下良好的基礎。然而，土木工程CAD的課程教學在進行了一系列的改革后，取得一定的成果的同時也存在一些普遍的問題，具體主要表現有以下幾個方面：

（1）在課時設置上，土木工程CAD課程改革的趨勢揭示了課時減少與應用能力教學內容不斷增加的矛盾的事實，給教學帶來了極大的挑戰。

（2）在教學方法上，任務驅動式教學方法為大家所接受[1]，但所設置的教學實例往往僅為了學習軟件而設置的，即目標任務的學習暫缺乏系統性。

（3）在授課內容上，在學時甚少的情況下，軟件操作命令的系統性與實用性的矛盾難以解決。

（4）在學生的學習方式上，學生疲于記憶命令操作，影響學習的動力。

（5）在學生的能力表現方面，部分學生因為制圖基礎訓練不足，CAD作圖的平面或空間的思維能力有限，影響創新能力與實踐能力[4]。

（6）從畢業設計和課程設計的制圖效果看，制圖不規范、設計深度不夠等現象普遍存在。

（7）在學習技能的連貫性上，不少學生反應在畢業設計時的CAD技能需要重新復習，連續性欠佳，影響畢業設計的樂趣。

（8）從畢業生就業的回訪調查中得知，不少學生反映應該加強CAD的技能訓練，以適應工作崗位的實際需求。

基于此，對2009、2010、2011級的教學進行以下的改革嘗試，對緩解教學改革帶來課時壓縮與授課內容增加的矛盾、改善學習方法、提高畢業設計質量、培養工程素養起到積極的作用。

2 改革內容的設計

對于應用型的土木工程專業的學生，除了要求能夠繪制結構施工圖以外，還要求能夠繪制相應的建筑施工圖，并熟悉整套施工圖的內容。在教學內容設計上，應考慮畫法幾何與工程制圖、CAD和圖學綜合實訓的工程實例的系統連續性，如將《工程制圖》課程布置的鉛筆圖大作業的內容設計與本教學設計一致或連續。為此，可設計一實例工程的整套作品為整體目標，即“系統作品樹”；以分專業施工圖為主干，以各種圖樣為分支，以大樣圖為枝葉，以此類推，設計成整個系統作品；并以此分類拆解分圖樣，注重設置圖樣內容的在系統作品中的關鍵點和它們之間的聯系，設計教學內容。設計過程和步驟分述如下：

（1）介紹某實例工程概況（如展示該工程的照片或效果圖），分別展示建筑施工圖部分和結構施工圖部分整套圖紙，詳細介紹這兩部分施工圖的內容；同時可介紹必要的設計過程和相關的軟件及接口（特別是結構軟件）。

（2）選擇繪制代表圖樣作為作品關鍵點，如建筑施工圖的“一層平面圖”，結構施工圖的結構平面布置圖和“節點大樣圖”，講解圖樣內容和成圖過程；并以此拆分成各個訓練圖樣實例，如圖1所示。另外，選擇圖樣時應注重訓練內容的分配比例，根據多次的教學調整，擬訓練的圖樣的較合理的分配比例，如圖2所示，并按難易程度精選成習題集。

圖1 訓練圖樣實例

圖2 訓練樣圖分配比例圖

（3）根據相應的課程大綱和授課計劃，各操作模塊課時比例分配如圖3所示。課時安排上不宜少于24學時，且課授不宜過于集中。

（4）分課時系統講解操作的內容，同時注意介紹操作的系統性，如：歸類介紹同類操作。以點帶面地介紹一組命令操作，這對軟件操作命令的系統性與應用性的矛盾的緩解起到一定的作用。

從實施的效果上看，以系統的工程實例作品為背景，并直接以拆分的局部圖樣代替原教學設計的實例，不但可以積累相應的工程實訓的經驗，而且可以更直接有效地推廣常用操作方法及其應用環境，較受學生的歡迎。

圖3 各操作模塊課時的分配圖

3 教學實施方法

應用型本科的實踐技能課程的實施過程應該更注重教學環境的改革，現有的教學設施環境允許教師一對一的專門輔導，也可以通過視頻廣播操作演示教學內容。以“系統作品樹”為依托的教授方法，其具體實施步驟：①初級演示；②模仿訓練；③試驗輔導；④技巧實現；⑤綜合講解；⑥問題提煉。從初級演示到實驗輔導的環節中，應注重系統的學習操作的具體環節，讓學生得到嚴格和系統的操作訓練，教師在問題提煉的環節中應了解學生的學習狀況和操作能力，及時在綜合講解中改進教學方法，調整教學進度，使教學工作真正做到有的放矢，提高課程的教學效果。最后的技巧實現環節是命令的對比和實用規范操作綜合部分，該部分不但實用，而且能夠引導學生靈活應用命令，積累相應的工程經驗。具體的教學實施的過程應該注意以下內容：

（1）選擇較新的合適的軟件版本來演示，并與教材同步[5]，與時俱進；學生能夠在學習的過程中目標明確，有的放矢，減少由于版本問題帶來不必要的麻煩。

（2）取消多媒體教室授課模式，利用現有的教學設施，直接在機房面授、指導。

（3）應同時注重CAD技能的掌握知識面上的廣度和熟練點上的速度[6]。雖然通過結合實例給訓練操作帶來很大的方便，但畢竟操作命令繁多，影響學習的動力。以不超過20個常用命令為界限，通過不同的實例重復操作，達到熟練的程度，不但可以大大提高繪圖速度，而且還可以以點帶面的掌握CAD操作技能。

（4）采用不同的操作實現同一目標，可以增強記憶，同時技巧的實現和趣味性實例的實現也可以改善學習氛圍。

（5）通過設計正確的考核方式，鞏固已有的技能和專業素養；考核內容包括（各50%）：短時快速（如1.5小時）完成的典型施工圖和長時完整（如4周）繪制作品樹。前者用于敦促形成良好的繪圖習慣，后者用于掌握系統作品樹，建立知識構架。

（6）構建學習共同體[7]，鼓勵學生參加CAD協會、組織競賽，參加國家CAD等級考試等。

值得一提的是，在先修的課程（畫法幾何與工程制圖）中掌握制圖規范和培養解決工程實際放樣的能力的同時，可以充分利用現有的教學設備，采用CAD軟件進行演示，如部分習題以CAD操作示范做講解，對學習CAD的技能起到鋪墊作用。

總之，以“系統作品樹”為目標的教學實施方法可以緩解課時壓縮與授課內容增加的矛盾,明確軟件操作命令的系統性與實用性矛盾的主次關系，理清教學實例與專業知識系統的關系，減少學習負擔，增加學習樂趣，增強圖形思維能力，有助于積累相應的工程經驗和素養，更適合應用型人才的培養。

4 結論

以培養應用型本科土木工程專業學生的工程應用能力和創新實踐能力為目標；通過分析當前課程教與學的現狀，設計出以“系統作品樹”為依托的教學方法及實施方法；從宏觀上引導學生繪制關鍵枝節的內容，從而把握作品樹的總體脈絡。在成就感的驅動下，不斷地給作品添加枝葉，可大大提高學生學習的積極性和方向性，有助于創新能力的培養。同時由于樹作品的內部聯系，學生可以根據實例內容鞏固已經學習的操作和技巧，甚至融會貫通，培養自我發展的能力；作為土木工程專業的學生，也可以以此構建相應的專業知識構架，以構圖的形式理解專業知識。

從2009、2010、2011級的300多名學生的綜合評價中發現，學生更有信心融入自己作品中，更懂得珍惜自己的成果，其平均優秀率較2008級提高約5%。良好率提高約7%。

另外，應用型本科應同步關注行業發展動向，BIM技術（信息化模型技術）是當前建筑行業的研究熱點，如何開設課程，并與行業規范同步是進一步嘗試的方向。

[1]魏 屏, 李金偉.基于目標分解法解析“土木工程制圖”的研究[J].工程圖學學報, 2010, 31(5): 132-137.

[2]魏 旭,王景陽, 謝建榮.建筑CAD課程教學改革思考[J].實驗室研究與探索, 2011, 30(7): 318-320.

[3]曹建樹, 王殿君, 代峰燕.應用型本科“CAD/CAM”課程的教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2010, 29(5): 105-107.

[4]吳啟鳳.制圖課程培養學生創新設計與實踐能力的措施[J].圖學學報, 2012, 33(3): 110-116.

[5]陳潤民.計算機輔助繪圖基礎(第4版)[M].北京:清華大學出版社, 2006.

[6]張同偉.土木工程CAD[M].北京: 機械工業出版社2011.

[7]鄺 明, 李雪梅, 高 悅.“土木工程制圖”研究性教學方案及實踐[J].工程圖學學報, 2011, 32(5): 61-64.