土木工程計算機繪圖教學改革研究與實踐

楊萬理， 王 寧， 王廣俊

土木工程計算機繪圖教學改革研究與實踐

楊萬理， 王 寧， 王廣俊

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

針對土木工程計算機繪圖(CAD)教學中存在的缺點和教學課時不斷壓縮的壓力，從教學手段、教學方法和考核方式3方面提出了CAD教學改革方案。將CAD教學內容按照知識點錄制了121個3~5 min長度的微視頻，通過超星學習通將微視頻制作為《計算機繪圖微課程》，學生可利用碎片化時間在個人移動終端如手機、iPad (或平板)等上觀看學習微視頻?；谖⒁曨l，采用任務驅動+翻轉課堂方式開展教學，將學時縮短1/4，注重學生創新學習能力培養。取消卷面理論考試，將微視頻完成度、習題完成情況，翻轉課堂表現、三維創作、上機考試納入考核范圍，加強學習過程管理和實際繪圖能力考查。采用該方案的試點班與傳統班對比發現，不僅縮短了課時，還提高了期末上機考試平均成績約4分，證明了該改革方案的可行性。

土木工程制圖；機算機繪圖；教學改革；微視頻；翻轉課堂

土木工程制圖主要講授制圖標準、投影原理、圖樣畫法的相關知識以及房屋、橋梁等專業圖的閱讀和繪制。土木工程計算機繪圖(computer aided drawing，CAD)將土木工程制圖和計算機技術有機的結合起來，立足土木工程制圖標準或行業規范，講授計算機繪制土木工程相關圖形的基本技術，包括通過二維繪圖、三維建模等實現圖形的平面表達和工程結構的立體造型。上述2部分教學內容的結合讓學生既能讀圖又具備準確、高效繪圖的能力，以滿足土木工程專業對工程制圖課程的要求。土木工程CAD與土木工程制圖作為土木工程以及相關專業必修課和基礎課，在培養土木類人才中的重要性不言而喻，且在應用型高校中尤為突出。土木工程CAD課程不僅承載著對工程制圖理論教學效果的驗證，更注重對學生應用CAD軟件繪制工程圖能力的培養，是技術性、實踐性很強的課程，有著自身的特點，其教學方法與工程制圖部分顯著不同。因此，有必要專門對CAD教學方法開展研究。

1 土木工程CAD教學中存在的主要問題

雖然近年來不少學者對工程制圖中CAD教學改革進行了較為廣泛的研究[1-5]，取得一定研究成果，但同時仍還存在一些普遍的問題。

1.1 教學內容

CAD教學內容與土木工程制圖教學內容缺少聯系。土木工程制圖課程與CAD課程的設置模式主要包括：①土木工程制圖和CAD作為2門獨立的課程設置，先開設前者，再開設后者[6]；②土木工程制圖課程中先講授部分CAD內容，但是核心內容放入高年級再學習[7]；③將CAD內容融入土木工程制圖中教學[8]。3種模式中，CAD教學往往側重于繪圖命令本身的講解和練習，而對制圖標準的貫徹、與專業知識的結合或行業通用做法的講解不夠重視。在教學中也往往任意選擇與土木工程制圖不相關、或關聯度不夠密切的圖形來輔助命令講解或用于實例演示，課后習題或上機實踐中的練習題與土木工程制圖聯系也不夠緊密。在學生畢業設計中或剛參加工作時就不能很好地按照國家制圖標準規范作圖，比例使用混亂，圖紙也不滿足實際工程設計的行業做法，更不能用于指導施工。如比較典型的問題是學生在一張圖紙上分別采用2種不同的比例(1∶100和1∶10)繪制某工程形體的三視圖和局部詳圖時，不會進行正確的成圖操作，導致圖紙打印出來后，文字高度和尺寸標注大小不一，甚至看不清楚，無法閱讀。

1.2 教學手段

在土木工程制圖課時不斷壓縮的情況下，CAD教學學時有限，如西南交通大學土木工程學院CAD二維繪圖、CAD三維建模的課堂教學和上機實踐，共有24學時。目前的教學手段通常使用多媒體設備播放PPT講解CAD基本繪圖命令，使用CAD軟件進行操作步驟演示。因此，大多數教師注重CAD繪圖方法講解，僅講解有代表性的繪圖命令，其余命令要求學生舉一反三利用課后時間上機練習，并布置一定量的練習題。雖然通過布置繪圖作業的方式可在一定程度上督促學生課后自主學習和上機練習，但是，目前尚無有效手段確保學生課后能按要求完成，課后作業相互拷貝的現象嚴重。知識的構建是一個逐步的、不斷訓練的過程，如果學生在課堂上走神或未聽懂，課后也未按教學要求操練繪圖命令，學習效果就會大打折扣。

1.3 教學方法

目前的教學方法主要是理論授課和上機實踐相結合，具體實施時有講-練分離和講-練穿插2種模式。講-練分離模式是先在多媒體教室進行理論課學習，集中講解應用軟件命令、操作方法和流程；再到機房上機進行相應的實踐操作。其缺點在于學生被動接受老師的理論知識講解，被動接受繁瑣的命令操作、復雜的參數設置，老師和學生之間缺乏有效地互動，使學生學習起來難度大且枯燥無味，在課堂上表現為走神、說話、低頭玩手機等，甚至產生厭學情緒。另外，理論知識和上機操作往往間隔一周的時間，即存在一定時差，在無法有效監督學生課后上機練習的情況下，大部分同學在上機實踐時已經忘記理論知識，導致上機實踐和理論知識脫節，上機練習效率低下。講-練穿插進行模式是將理論授課和上機實踐均安排在機房進行，教師先講解幾個繪圖命令，學生再練習這些命令，同時教師在學生之間走動解決實踐中存在的問題。但由于學生多，教師少，實踐過程中很多學生得不到教師的及時指導，且機房后幾排學生往往沒有跟進講-練的節奏，出現上網、玩電腦游戲等情況，教學效果也不理想。

1.4 考核方式

目前理論考試與上機考試相結合的方法仍然是CAD教學考核的主要方式。理論考試主要是檢驗學生對基本概念、基礎理論的掌握程度，即對學生基本命令和繪圖方法掌握程度的考察。理論考試往往劃定考試范圍，部分學生通過死記硬背、考前突擊的方式應付考試，而不重視平時學習和上機操作過程。CAD是一門操作性和技術性很強的課程，需要平時逐步上機操練、不斷總結才能熟練掌握CAD基本命令、繪圖技巧和成圖方法，切實提高繪圖能力?，F行上機考試，在限定的時間內讓學生完成平面視圖抄繪和指定形體的三維建模，任課教師僅對考試題目的完成程度以及成圖質量進行評判，無法對成圖過程中繪圖技巧的使用、構形思維是否正確進行判定。

2 土木工程CAD教學改革研究

在新工科背景下，CAD教學應該更注重計算機二維繪圖、三維建模動手能力以及創新能力的培養。鑒于目前土木工程制圖中CAD教學存在的問題和課時不斷被壓縮的現狀，本文對CAD教學改革方法進行探索，力求部分解決目前CAD教學中存在的一些問題，并在一個教學班上進行了試點以檢驗效果。

2.1 教學手段改革

當代本科生成長在信息時代，已經養成了通過手機、平板、計算機等電子產品獲取知識的習慣。2019年是5G元年，信息技術推動社會發生翻天覆地變化的同時，也將會極大推動教學手段、教育技術的信息化。為適應本科生獲取知識手段的變化和信息技術的發展，將CAD課程中二維繪圖、三維建模教學內容按照知識點錄制為121個微視頻，并上傳至超星學習通(簡稱“學習通”)云平臺制作成《計算機繪圖微課程》，如圖1所示。該課程特點如下：

(1) 微視頻所包含的知識點相對獨立，大部分時長僅為3~5 min，便于學生利用課后碎片化時間(如排隊、乘車或某個間隙)靈活機動的觀看視頻學習。

(2) 該視頻可在個人移動設備(如手機、平板、個人電腦)上播放。

(3) 學生可以按照課本章節順序播放視頻進行系統的學習，也可以靈活播放某個知識點的視頻。此外，學習通能夠統計班級學生對每個知識點(任務點)的完成情況(圖2(a))，提供學生自主學習的總體情況；也能記錄每個學生對每個知識點的學習情況(圖2(b))，可幫助任課教師掌握個別學生自主學習視頻的情況，加強學習過程管理，并將其作為期末總評成績的一部分。學習通平臺還具有作業布置、網上互動答疑、課堂點名、課堂互動等功能，利于教師將有限的時間集中到教學內容上，提高授課效率。

圖1 在超星學習通上建設的《計算機繪圖微課程》

2.2 教學方法改革

在土木工程制圖課時不斷被壓縮的情況下，CAD授課學時也進一步縮減，教學安排需要做出相應的調整。西南交通大學土木工程學院土木工程制圖現行的CAD教學內容和教學安排見表1和表2。

圖2 某一知識點(即圖中任務點)視頻自主學習情況統計

表1 現行的CAD二維教學內容和教學安排

表2 現行的CAD三維建模教學內容和教學安排

表1和表2中CAD二維繪圖和三維建模教學分別安排在《土木工程制圖I》(大一上學期)和《土木工程制圖II》(大一下學期)，一般是在第8周之后的某一周開始，為協調機房使用沖突問題，每個教學班級開始CAD教學的時間不一致。表1和表2中每一講為3個學時，每一講課后作業大致為：自主學習課堂上未能逐一演示和講解的命令；完成習題集上一定量的作業。西南交通大學土木工程學院現行CAD教學存在的問題基本和1.3所述一致。另外，土木工程制圖課程學時的壓縮也要求CAD教學學時作相應的壓縮。改革后的教學內容基本保持不變，但在CAD教學和作業布置中，更注重制圖規范的貫徹和與工程實際的聯系，并在教學方法上采用任務驅動加翻轉課堂的方法。CAD二維繪圖、三維建模各安排3個任務，每個任務結束后安排一次翻轉課堂。每個任務的內容及所包含的知識點見表3和表4。CAD二維繪圖、三維建模各為9個學時，都比改革前縮短3個學時。在每堂翻轉課堂之前，需要將翻轉課堂涵蓋的知識點和任務(表3和表4)劃分到每周提前布置。例如CAD二維繪圖中任務1主要是AutoCAD繪圖基礎、常用繪圖命令、編輯命令、輔助繪圖工具等的學習，在第1周抽出幾分鐘簡單介紹已在超星學習通上制作好的《計算機繪圖微課程》，并要求每位同學加入該課程，在課后借助視頻完成知識點(1)的學習；第2~5周分別布置知識點(2)，(3)，(5)，(6)的學習；第6周布置知識點(8)~(9)的學習；前面各知識點都有適當課后練習作業需要完成。第7周布置表3中的任務1，第8周在機房進行翻轉課堂1教學。翻轉課堂1主要由各小組同學介紹任務1遇到的困難和解決辦法，由任課教師對解決辦法進行評判，并總結各類行之有效的繪圖方法。CAD二維繪圖任務2主要貫徹制圖規范，翻轉課堂2主要指出和糾正CAD中字體、尺寸標注、線寬等未遵守制圖規范的現象。CAD二維繪圖任務3主要訓練成圖方法和出圖技術，翻轉課堂3強調成圖方法的重要性，歸納、總結繪圖技巧，以提高繪圖效率和精度。CAD二維繪圖任務所涉及的部分練習題如圖3 所示。

CAD三維建模任務1要求了解三維繪圖基本概念，掌握三維曲線和曲面建模技術等，翻轉課堂1主要引導學生思考土木工程中常見三維曲面的建模方法，由教師進行歸納和總結；任務2學習三維實體造型、編輯命令，以及從三維模型生成二維圖形的方法，并創作與土木工程建筑相關的三維模型，翻轉課堂2對土木工程中三維實體建模方法進行歸納和總結；任務3主要是效果圖制作，涉及材質、燈光、渲染背景設置等知識，并完成對任務2中三維創作模型的渲染，翻轉課堂3主要歸納、總結土木工程三維模型渲染技術。各任務需完成的部分圖形如圖4所示。

表3 基于任務驅動和翻轉課堂的CAD二維繪圖教學

表4 基于任務驅動和翻轉課堂的CAD三維建模教學

圖3 CAD二維繪圖教學中需要完成的部分圖形

圖4 CAD三維建模教學中需要完成的部分圖形

2.3 考核方式改革

針對現行考核方式的缺點，改革后的考核方式完全取消了卷面理論考試，加強了學習過程管理和實際繪圖能力、創新能力培養，CAD二維繪圖和三維建模考核內容及占比(定義為各項考核內容占期末總評的百分比)見表5。其中，微視頻完成度的評分是依據學習通平臺對每位學生視頻學習完成度的統計結果。CAD期末上機考試內容仍在限定的時間內完成組合體二維圖形的抄繪，以及指定三模型的建立，依據學生完成考題的速度(或完成度)與圖形質量確定評分。

表5 改革后CAD考核內容以及占期末總評的比例

3 教學效果對比

筆者隨機選擇了一個教學班作為改革試點班，于2018~2019年第一學期和第二學期按照本文的改革方案分別開展了CAD的二維繪圖和三維建模教學，并將期末上機考試成績作為驗證改革效果的指標，與傳統教學班進行了對比。結果表明，CAD二維繪圖教學從12學時減少為9學時，試點班和傳統班的期末上機考試平均成績分別為88.7和84.6分，試點班約高出4.1分；CAD三維建模教學也從12學時減少為9學時，試點班和傳統班的期末上機考試平均成績分別為90.3分和86.8分，試點班約高出3.5分。

4 結束語

本文從教學手段、教學方法和考核方式3個方面對土木工程制圖CAD課程開展了教學改革，一定程度上解決了以下幾個問題：

(1) 錄制了121個3~5 min長度的AutoCAD教學微視頻，方便學生在個人移動終端上隨時隨地學習，緩解了CAD教學學時不足的問題；

(2) 調整教學內容，使用任務驅動+翻轉課堂的方式開展教學，改善了創新能力培養不足以及制圖規范貫徹不到位的問題；

(3) 取消卷面理論考試，將微視頻完成度、習題完成情況、翻轉課堂表現、三維創作、上機考試都納入考核范圍，注重實際繪圖能力考查，解決了考核方式單一、考核方式(死記硬背應付考試)不合理的問題；

(4) 使用學習通輔助課堂點名、課后答疑、學習進度統計等，加強了學習過程管理和課后輔導，提高了教-學效率。

教學改革試點發現，本教改方案縮短了課時、提高了期末上機考試成績，證明了本教改方案的可行性。但是，本教改方案還需要在提高微視頻的質量、貫徹制圖規范等方面開展進一步研究，以更好的解決目前CAD教學中存在的問題。

[1] 肇承琴. 采用任務驅動法進行CAD教學的研究與實踐[J]. 工程圖學學報, 2009, 30(S1): 121.

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Research and practice on teaching reform of civil engineering computer aided drawing

YANG Wan-li, WANG Ning, WANG Guang-jun

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

Based on the disadvantages of the teaching of civil engineering computer aided drawing (CAD) course and the pressure of continuous compression of class hours, the teaching reform scheme of CAD is presented in three aspects including teaching means, teaching methods and evaluation methods. According to different knowledge points in CAD teaching, 121 micro-videos with averaged duration of 3–5 minutes were recorded. Then a network course named computer drawing micro-course was developed on the platform of Chaoxing Xuexitong, which supports online study on personal mobile devices such as mobile phones and iPad in fragmentated time. Based on the micro-videos, the task-driven method and flipped classroom are adopted to carry out teaching, which could shorten the class time by 1/4 and focus on the cultivation of students’ innovative learning ability. What’s more, theory examination of CAD is cancelled, but the completion of micro-video self-study, homework, performance in flipped classroom, creation of 3D model and examination on computer are all included in the assessment, aiming to strengthen the management of learning process and the practical drawing ability with computer. Compared with the traditional classes, the pilot classes that adopted the scheme not only shorten the class hour, but also raises the average score of final examination on computer by about 4 scores, which demonstrates the feasibility of the proposed teaching reform scheme.

civil engineering drawing; computer aided drawing; teaching reform; micro-video; flipped classroom

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2020020319

A

2095-302X(2020)02-0319-06

2019-09-28；

2019-11-21

西南交通大學2018年本科教育教學研究與改革重點培育項目(1803001)；面向新工科的工程圖學課程體系改革與實踐項目(2018XGK206-31)

楊萬理(1979-)，男，四川雙流人，教授，博士，博士生導師。主要研究方向為土木工程制圖、橋梁水動力學等。E-mail：68360903@qq.com

王 寧(1976-)，女，山東淄博人，講師，碩士。主要研究方向為土木工程制圖、CAD教學。E-mail：71367970@qq.com