新工科理念下的工程制圖課程教學改革實踐與研究

蔣杰

摘要：新工科理念對新時代高校本科教育提出了新的要求，現(xiàn)代信息化技術(shù)在教學中的運用勢在必行。對于工程類專業(yè)廣泛涉及的圖學教學來講，BIM技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)都是可以快速融入課程教學之中的。尤其是在近年開設(shè)新的BIM技術(shù)系列課程之后，工程制圖、CAD技術(shù)、BIM技術(shù)的教學體系已經(jīng)形成。文章探討了在工程制圖課程中，廣泛使用BIM技術(shù)建立的三維模型幫助學生從二維圖紙到三維實體的直觀認識，并用互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)幫助學生獲得學習資源和軟件技術(shù)支持、開始實踐圖學教學系列課程工程一體化的一些方法。

關(guān)鍵詞：新工科;土木工程制圖;BIM技術(shù);“互聯(lián)網(wǎng)+”

新工科理念的核心是互聯(lián)網(wǎng)和人工智能，這也就要求高校在人才培養(yǎng)中必須將信息技術(shù)廣泛應用于課程教學之中。工程制圖課程是土木工程類專業(yè)的一門專業(yè)技能課，在過去的一段時期里，設(shè)計師往往使用CAD 軟件繪制施工圖紙，也就是以二維圖形展示三維實體的各個細節(jié)。近年來，隨著BIM 技術(shù)的出現(xiàn)，由于其具有三維可視化、信息化、協(xié)同化等諸多優(yōu)點，加之政府的推廣及廠商全方位的宣傳，其應用范圍已經(jīng)蓋過了CAD。國外的 BIM 教學實踐，以美國工程管理為例，很多高校的建筑或工程管理專業(yè)，針對不同的課程、采取不同的模式進行了 BIM 教學改革。但短期內(nèi)CAD技術(shù)還不能退出歷史舞臺。現(xiàn)階段，作為專業(yè)教師，應該設(shè)法在工程制圖課程中完美結(jié)合二維圖學教育和三維模型的特點，并追求更為優(yōu)質(zhì)的教學效果，充分激發(fā)學生對于圖學學習的積極性，建立起對工程行業(yè)的直觀認識。

一、國內(nèi)現(xiàn)狀

工程制圖課程是一門非常重要的專業(yè)必修課，它主要培養(yǎng)學生識圖和制圖的能力，工程制圖課程長期在大學課程中開設(shè)，已經(jīng)形成了一套固定的教學模式。

（一）工程制圖課程的傳統(tǒng)教學模式分析

自從上世紀90年代以來，工程制圖課程教學進入了CAD時代，數(shù)十年來，利用制圖軟件CAD 進行識圖和繪圖成為了主要教學內(nèi)容，圖學相關(guān)理論知識通過課堂教學進行，制圖操作則以上機操作為主。

這一傳統(tǒng)模式有著明顯的缺陷。其一，由于工程制圖課是專業(yè)基礎(chǔ)課，開設(shè)時間一般在本科第一學年甚至第一學期，學生的專業(yè)經(jīng)歷往往只有一次認識實習，在未學習工程施工、工程材料、工程結(jié)構(gòu)等專業(yè)課程的情況下，學生通過課程學習只掌握了軟件的基本操作，對于圖紙的內(nèi)涵認知是難以建立的。其二，工程圖紙是以二維圖形按照平法規(guī)則展現(xiàn)三維構(gòu)件的位置、大小、構(gòu)造等相關(guān)信息，這就需要學生具備較強的三維想象能力，但是我們不能奢求每個學生都具備這樣的能力，大多數(shù)學生都需要一個完整的三維構(gòu)件來與圖形進行對比才能建立起直觀的認識。其三，后續(xù)課程的跟進比較困難，學生在大一進行了制圖課程學習之后，接下來的工程施工和造價類課程較多的用到識圖和制圖技能。這些專業(yè)課程的開設(shè)時間比較靠后，也導致了學生所接受到的圖學教育不是連續(xù)的，形成斷檔。

（二）BIM技術(shù)的應用優(yōu)勢分析

BIM 技術(shù)正在大力推廣，它實現(xiàn)了三維模型可視化這一最基礎(chǔ)的功能，也就為其應用于工程制圖課程提供了條件。目前，BIM建模主要使用REVIT軟件，可以在計算機上充分展示一棟建筑物的多維信息，包括尺寸、朝向、材質(zhì)等，相比只有平面繪圖能力的CAD 優(yōu)勢明顯。正因為如此，住建部才會在國內(nèi) CAD 技術(shù)已經(jīng)成熟的情況下，以較快的節(jié)奏推廣 BIM 技術(shù)。

從目前來看，BIM技術(shù)在設(shè)計工作中完全取代CAD技術(shù)依舊存在問題：中國建筑行業(yè)所使用的施工圖需遵守傳統(tǒng)的平法規(guī)則，而REVIT所建立的三維實體模型直接生成的圖紙卻不能完全符合這一規(guī)則;REVIT軟件在進行鋼筋配置時對硬件要求較高，且難以做到完全體現(xiàn)設(shè)計意圖;在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，本來要求簡化模型，文字說明簡潔明確，而REVIT 軟件可以有效還原三維實體模型，卻無法將一些標注也完美呈現(xiàn)，例如梁的鋼筋標注和墻柱表尤為明顯。可見短時間內(nèi)CAD軟件的輔助設(shè)計功能仍無法完全被取代。這就導致了工程制圖課程在進行教學改革的過程中，既要與BIM 相結(jié)合，也應保留對CAD 必要的教學內(nèi)容。

（三）互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)的應用優(yōu)勢分析

互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)的出現(xiàn)，則是為教學模式的變革提供了條件。課程資源可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳到課程云平臺，學生可以在課堂學習之外，隨時登錄云平臺，調(diào)閱課程學習資料，并可以與教師開展實時互動，學習的維度大大增加。對于教師來說，互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)的出現(xiàn)，可以有效地檢測學生的學習狀態(tài)，使得因材施教真正成為可能，也為翻轉(zhuǎn)課堂等新的教學方法和手段提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

綜上所述，隨著時代的發(fā)展，仍然堅持CAD傳統(tǒng)教學模式已經(jīng)無法跟得上社會需要。而在工程制圖課程中運用BIM技術(shù)可以有效幫助學生進行三維形體的想象，幫助學生認識圖紙內(nèi)涵，而互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)則可以幫助學生實現(xiàn)實時學習、隨時學習，并且更容易回顧已學過的知識，形成知識積累。

二、教學方法改革的具體舉措

BIM技術(shù)在工程制圖課程中的運用具體做法是：在工程制圖課程中引入使用BIM技術(shù)建立的三維模型，可更加直觀地說明各種構(gòu)件的實際形狀、尺寸和圖紙的對應關(guān)系。通過二維圖紙和三維模型的對比，能夠讓學生更容易建立起對建筑物的直觀認識，極大地提高其學習效率。

互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)的具體運用做法是：首先利用課程建設(shè)平臺建立云課堂，學生可以在線自行學習各種理論知識和CAD軟件、天正軟件等制圖軟件的操作，課堂教學將重點集中于工程識圖技巧，為日后的BIM技能訓練做好準備。在具體的教學實踐中應注意以下方面：

（一）課程網(wǎng)站應盡可能完整，并具備實時互動功能

工程制圖課程中涉及制圖和識圖，如果單純要求學生進行圖形學習，實質(zhì)上無法提高學生對工程實體的認知。因此，我們有必要為學生準備足夠的，或者稍有超前的學習資料，使得學生從這門課開始就接觸到未來才會學習到的工程施工和工程結(jié)構(gòu)方面的知識。例如，關(guān)于建筑物或者橋梁構(gòu)件、工程材料的分類等知識，在讀圖時是必備的，必須讓學生提前接觸，而且由于課堂學時的有限，這一部分的學習只能安排在課外由學生自行完成。一個完整的工程制圖課程網(wǎng)站，除了包含必須的教案、教學大綱、課件、試題之外，還應該有擴展性的參考資料，如土木工程知識簡介、工程案例庫等。另外，為了適應BIM技術(shù)教學，還應該加入BIM基礎(chǔ)知識、BIM軟件基礎(chǔ)操作教程和BIM模型庫等。

（二）使用翻轉(zhuǎn)課堂的教學方法

本次教改首先要求學生按照課程和上課次數(shù)分組，教師提前提供一次課程的教學視頻和課件，由學生自行學習領(lǐng)悟，并依序指定一個小組的學生在課堂上使用BIM三維模型和課件進行講解和分析，其他學生則提出問題，共同討論解決。教師在課程講授中僅對重點內(nèi)容進行說明，再結(jié)合學生講解的內(nèi)容進行點評、總結(jié)存在的問題，并進行解答。而在識圖和制圖技能訓練過程中則給每個小組指定一個實際工程項目，并提供全套圖紙，結(jié)合后續(xù)課程，可以使學生能夠完整經(jīng)歷識圖制圖、三維建模、渲染仿真、計量計價和項目管理全過程。

（三）靈活運用BIM模型和輔助教具，加強學生直觀感知

教師要提前準備好當節(jié)課程所需要的BIM模型，并充分利用REVIT軟件對模型進行三維展示，可以非常直觀的顯示出平面圖、剖面圖、立面圖的圖示原理。課程中涉及的建筑構(gòu)件識圖由于基本都顯露在外，學生經(jīng)常可以接觸到，印象較多，其三維形體的想象容易建立。結(jié)構(gòu)構(gòu)件尤其是鋼筋工程，由于被包裹在混凝土之中，學生缺乏直觀印象，就難以從二維圖紙想象到三維實體，以梁鋼筋為例，我們可以告訴學生集中標注和原位標注中每一個符號的含義，但是學生在未見過實物的情況下，對于鋼筋的彎起完全沒有概念，既無法理解為什么要彎起，也無法準確判斷彎起的位置和角度。如果此時以三維模型進行展示，其效果明顯要好很多。

除了軟件展示之外，最好的辦法莫過于讓學生親手制作一個簡單的模型。鋼筋模型可以使用細鐵絲，讓學生在課堂上用很短的時間制作出一個與實際效果接近的物品，這對于學生加深對鋼筋的形體認知有非常好的效果。

（四）改革課程考核方式，刺激學生主動性

毋庸置疑的是，現(xiàn)在本科生的學習明顯帶有功利性，除部分主動性較強的優(yōu)秀學生外，大部分學生的學習目的簡單而直接，就是考核通過，滿足最終獲取畢業(yè)證和學位證的基本需求。為了提高教學效果，必須要讓學生普遍參與到互動中來。

工程制圖課程可以對課程考核方式做出如下改革，要求學生在課堂教學之前先登陸課程網(wǎng)站進行預先自學，課堂上再以學生提問，教師作答解惑為主，教師不再進行太多的講解。在課前教師給學生分組和安排實際工程圖紙，并要求每個小組學生在課堂上對本組工程項目進行全方位的介紹，說明工程構(gòu)造特點，并且做到言之有物，其他學生則針對其介紹的情況進行提問，教師根據(jù)介紹情況打出小組和個人分，這一得分可直接影響平時成績的評定，同時也可根據(jù)其他學生的提問情況對其進行平時成績的加分。這一考核方式的存在，可以刺激學生的發(fā)言熱情，所以每節(jié)課的學生講解、工程介紹和互動提問環(huán)節(jié)的氣氛都非常熱烈。

三、教學方法改革效果與思考

通過上述一系列舉措，工程制圖課程不管是從課堂組織上、成績分布上還是學生的學習效果上與其他課程相比都會展現(xiàn)出極多的不同之處，這些情況的出現(xiàn)，首先說明了課程教學方法改革已經(jīng)體現(xiàn)出效果，但是其中優(yōu)劣之處，仍需進一步的分析和實踐。

（一）由純粹的“教”轉(zhuǎn)化為師生互動

各種教學改革舉措的實施，大大的減少了課堂講授的時間。通過實施翻轉(zhuǎn)課堂式教學，大約三分之二的課程學時被改變?yōu)閹熒g、生生之間的互動時間，同時學生在課前自學和課堂互動中主動或者被動的參與思考、投入討論，均能有效起到提高學習效率的作用，達到了翻轉(zhuǎn)課堂的目的。教師在這一過程中變身為旁觀者和監(jiān)督者，對于學生的學習情況也能夠有更為清楚的認識，便于針對不同的群體實施不同的教學手段。

（二）深化了學生對BIM技術(shù)的認識，激發(fā)了其學習興趣

工程制圖課程課堂教學改革的重點，是把BIM技術(shù)進行廣泛而深入的應用，從而成功的讓剛剛進入大學學習的學生提前接觸并認識到BIM這一引發(fā)建設(shè)行業(yè)巨大變革的前沿技術(shù)的重要意義。根據(jù)過往的教學經(jīng)驗，如果學生在大二才進入BIM建模這樣的技能操作性課程的學習，學生的圖學教育就會出現(xiàn)斷層和沒有連貫性，甚至對BIM技術(shù)的應用效果認識不到位，從而導致學習缺乏主動性。而在CAD學習時引入BIM技術(shù)，可以直觀地對二維圖紙和三維模型進行對比，學生自然會發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)的優(yōu)越性，進而激發(fā)其學習興趣。在工程制圖課程教學結(jié)束后，很多學生自發(fā)的開始了對BIM技術(shù)的學習，圖學技能明顯得到提高，并在在大二、大三就完全具備了參加高水平學科競賽的能力，且一部分學生成功獲得了BIM建模師的資格證書。

（三）應盡量實行小班教學

以工程制圖課程教學改革的實踐經(jīng)驗，如果要獲得不錯的教學效果，就必須將教學班人數(shù)控制在不多于40人。如果人數(shù)過多，在組織進行課堂互動時就會出現(xiàn)較大的困難。假設(shè)上課次數(shù)一共為16次，每次課均安排一個學生小組來介紹其識讀的實際工程項目的圖紙，如果每次課上需要有4～5名學生發(fā)言，那么每個人的發(fā)言時間就必須控制在10分鐘以內(nèi)，才能保證教師有足夠的時間來解答問題和改正學生的錯誤，這樣就難以再進行大面積的學生互動討論。

四、總結(jié)與展望

對于土木工程和工程管理一類專業(yè)的學生來說，CAD和BIM系列圖學教育是日后進入社會的基礎(chǔ)職業(yè)技能，更是核心技能。BIM這一新興的建筑信息化技術(shù)，其三維直觀性的特點顯然可以在本科教學中發(fā)揮巨大作用，可以進行有力的推廣，但是近幾年還鮮有前例。不僅如此，BIM 適用教材較少，而且編寫實用性、科學性的BIM 教材也相對困難。互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)，則提供了更為便捷的學習平臺，兩者的結(jié)合，可以說完全改變了工程圖學教育的模式。

筆者預測未來圖學教育的發(fā)展方向必將往這一方向發(fā)展，基礎(chǔ)教學如圖紙規(guī)范一類將只會借助互聯(lián)網(wǎng)進行，學生們在教室里就可以像在實際工程中的圖紙交底現(xiàn)場一般進行識圖學習，同時BIM模型，以及AR、VR技術(shù)都將會出現(xiàn)在課堂上，圖學教育的視聽感受將完全走向精細化的仿真。

參考文獻：

[1]楊國平，黃平，高雪.BIM 時代下的建筑CAD 課程教學改革[J].山西建筑，2018，34（12）：232—233.

[2]Lee N，Dossick C S，F(xiàn)oley S P.Guideline for building information modeling in construction engineering and management education[J].Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice，2013，139（4）：266—274.

[3]趙爽，梁廣東，郭海濱.BIM視角下地方高校工程造價專業(yè)人才培養(yǎng)體系初探[J].中國建設(shè)教育，2016，（4）：51—53+58.

編輯∕楊波