環工《建筑概論與制圖》“教-測-識-繪”教改實踐

李 響，范心韻，薛 罡，高 品，劉亞男，余 陽，劉振鴻

(東華大學環境科學與工程學院，上海 201620)

20世紀70年代末期，我國環境專業教育和環境生態保護事業同時起步；最早依托土木學科和給水排水工程專業設立的環境工程專業具有鮮明的土木工程背景(如：同濟大學、哈爾濱工業大學等)；同期歐美國家大部分環境學科下也設置了土木建筑專業，使環境工程本科專業亦具有典型的土木工程學科和專業特點[1]。在我國具有水利、紡織、冶金、化學化工等行業背景類的高校后期設置的環境工程專業中，為培養符合社會需求的工程化人才，土木建筑成為教學和人才培養體系中不可或缺的方向，奠定了專業工程實踐基礎。發展至今，土木建筑已成為環境工程專業的重要支撐方向之一[2]。

隨著生態文明發展戰略的推進，生態環境保護要求的提升，當前環境工程專業和學科已跨界土木建筑、化學化工、生態、生物、熱物理、動能等多個學科和專業，形成了典型的交叉學科專業特征，賦予了環境工程本科專業新的人才培養內涵，工程創新和相應的工程化教育已成為未來人才培養的趨勢[3]。土建作為環境工程專業人才培養的重要支撐方向，更需秉承與生態環境保護發展動態有機結合的理念，在教學和人才培養過程中不斷創新，著力以全新的方式提升學生自學、實踐與創新的主觀能動性，夯實人才培養工程實踐基礎[4]。為此，在剖析國內開設建筑及制圖類課程現狀與問題的基礎上，提出《建筑概論與制圖》“教-測-識-繪”四維教學改革思路并進行了實踐，希望對環境工程專業人才培養質量提升有所裨益。

1 環境工程專業開設建筑及制圖類課程現狀與問題

迄今為止，我國開設環境工程專業高校近400所，在環境科學與工程學科排名前77所高校中，有51所開設了建筑類課程(包括：建筑概論、土建概論、房屋建筑學、土木工程概論、工程測量、建筑測量、環境工程施工設計、泵站設計等)，占比約66% (圖1)。絕大部分環境工程專業(約91%)開設了CAD制圖類課程，這是環境工程課程設計及畢業設計中必不可少的基本功及工具軟件。深入分析發現，16所985高校(約占26所的62%)，16所211高校(約占23所的70%)和19所其他高校(占比68%)開設了建筑類課程，985高校開課率低于211高校的原因可能是其更偏重研究型人才培養，而211高校更重視工程型人才培養。環境學科評估為A類的高校開課率(82%)大大高于B類環境學科(59%)和其他類(68%)，可見A類環境學科重視學生土建知識及實踐能力。建筑類特色高校開課率(85%)高于非建筑類特色高校(63%)，這與建筑特色高校中的環境學科起源于建筑土木系有關，結合建筑高校特色，在環境工程學科培養方案中延續建筑類知識。東部及沿海地區高校開課率(74%)高于中部地區(69%)、東北地區(63%)及西部地區(50%)，這與東部沿海地區率先發展、中部崛起、東北振興、西部大開發的國家發展戰略相吻合，先發展地區建設項目多，需配套環境污染治理項目，重視培養環境人才的土建知識。

圖1 部分環境學科開設建筑類課程及制圖類課程的調研情況Fig. 1 Investigation on the architectural courses and cartography courses offered in environmental disciplines of domestic universities

本校環境工程專業旨在培養掌握工程基礎知識，融入社會、健康、文化、安全等因素，設計環境污染治理單元，運用工程工具和現代儀器分析手段對工藝構筑物進行分析的應用型人才。《建筑概論與制圖》有力支撐了上述培養目標。在已修《工程制圖》、《環境工程CAD》基礎上，本課程鞏固了工程制圖的基本技巧，傳授了建筑識圖、設計、構造知識，在建筑物的設計理念中體現人文情懷及文化傳承，在建筑構造中體現安全、可持續、材料力學及土木巖土等復雜工程問題；培養了學生運用建筑測繪工具進行場地及建筑物高程測繪，設計建筑物的能力；也為后續《建筑給水排水工程》的室內管線設計及《工程概預算》的工程量計算打下了基礎。結合本校環境工程專業工程化教學及人才培養目標，《建筑概論與制圖》在具體教學過程中需解決如下關鍵問題：

(1) “教”與“學”的有效銜接。在“雙創”社會背景和教育形勢下，大幅減少學分日漸成為高教改革趨勢。在學生有限的學分中，須提高教師的教學質量和學生的學習效果[5]。教師“教什么”、“教多少”，學生“學什么”、“學多少”，是當前工科專業面臨的共性問題。具體而言，在教學實踐中，若建筑類知識與環境工程專業不能有機結合，極易造成“教”和“學”的脫節，面向環境工程專業開設建筑類課程，更需結合環境工程專業問題及實際工程案例，增強“教”與“學”的有效銜接。

(2) “學”與“用”的互動支撐。工程化教育是工科專業未來人才培養的趨勢，學生通過學習達到“學以致用”，是教學和人才培養的要義。具體對于《建筑概論與制圖》的教學，學生在課堂上“學”到的土建知識，需要與工程實踐結合并熟練用于工程實踐。在教學中需有機結合課堂教學和實踐環節，增強學生對土木建筑的距離、高程、位置感等要素的理解，科學引導學生以“用”促學，以“用”強化實踐能力，同步提高學生的土建知識水平綜合及實踐能力。

2 《建筑概論與制圖》教學改革與實踐

基于上述分析，結合環境-土建交叉工程問題及教學實踐，提出《建筑概論與制圖》“教-測-識-繪”四維一體教學改革與實踐模式(圖2)，分別由32學時2個學分的課堂教學(案例教學與翻轉教學)和32學時1個學分的實踐教學(現場教學及機房教學)組成。課程共有16周，每周2學時課堂教學及2學時實踐教學。建筑概論覆蓋“教”與“測”2個教學模塊，識圖制圖覆蓋“識”與“繪”2個教學模塊。4個教學模塊相互穿插互補，相互關聯，充分體現“教”與“學”的有效銜接，“學”與“用”的互動支撐。課堂中學到的建筑知識可即時用于實踐環節，強化知識的應用性及可操作性。

圖2 《建筑概論與制圖》“教-測-識-繪”四維一體教改模式與實踐Fig. 2 The four-dimension integrated teaching reform plan of “Teaching-Exploring-Blueprint Reading-Mapping”

課堂教學中圍繞環境工程與建筑知識的關聯，引入案例教學，按照“識圖-設計-構造”為軸線，邏輯清晰，依次遞進，深入淺出。

第一章建筑識圖10個學時，指導識圖實踐。介紹了建筑物總平面圖、立面圖、剖面圖、管線圖紙中的各類制圖符號和識圖方法，同時講解了水準儀的使用和讀數方法，幫助學生更好的理解后續的《禽畜養殖污水處理廠》設計圖紙。與此同時，開展了校內建筑物高程測繪(10學時)的實踐內容。

第二章建筑設計6個學時，指導制圖實踐。講述了建筑設計過程及平立剖設計方法，為學生設計、繪制圖紙提供了理論指導。與此同時，開展了6個實踐學時的校園總平面圖、管線圖的繪制。

第三章建筑構造12個學時，指導建筑物的測繪實踐。講授了建筑基礎、墻、梁、板、樓梯、臺階及其他細部構造；課堂教學的部分時間安排學生匯報污水廠等構筑物的構造細節。同期，設置6個實踐學時紅外測距儀測繪校內建筑物，理解課堂教學知識，6個學時機房繪制建筑物平立剖面圖。

翻轉教學與現場教學采用任務分組方法，充分鍛煉、提升學生的團隊合作能力。現場實踐教學開展的測繪實踐活動使學生獲得的建筑參數又可作為機房教學制圖的素材，讓學生根據測量的數據繪制建筑圖紙，可充分調動學生的主觀能動性，強化學生理解建筑中的尺寸和方位概念。教學過程既體現團隊的分工合作，又要求獨立完成圖紙繪制，有力提升了學生對基礎知識的綜合理解和應用能力。

3 “教”與“學”的有效銜接

在學分及學時日漸縮減的教改背景下，考慮學生的學習效果和認知過程，逆向思維，決定教授的內容及順序。因此，建筑概論的課堂教學中融入案例分析，并盡可能結合環境工程專業知識[6]。案例教學是一種以案例為基礎的教學法，授課教師列舉工程實例，將典型的項目成果有機地融合到課程教學中，讓學生積極思考，加深學生對知識的理解，開闊學生視野。另外，教學過程還需要介紹環境工程中的土建元素；為了讓學生在“聽故事”的過程中，理解建筑知識的背景和涵義，以“識圖-設計-構造”為軸線，采用案例教學，按照從整體到局部，從宏觀到微觀，從簡單到復雜的規律，逐步展開知識點。“教”與“學”的有效銜接，規避了照本宣科的傳授《建筑概論》知識讓學生感到枯燥無味、學習興趣降低的問題。

如圖3所示，在第一章建筑識圖的學習中，利用環境工程相關的“工業園區污水處理廠工程-中船九院”和建筑相關的“無錫市某住宅小區-朗詩地產”等設計圖紙。讓學生從真實的案例出發，掌握圖紙中的定位軸線、坐標、標高、尺寸標注、線型含義、風向玫瑰圖、指北針、比例尺等重要符號，從圖紙中獲取重要的建筑信息。例如：講解《淀山湖馨香花苑小區》戶型布局圖時，引導學生作為購房者，考慮指北針對不同戶型的采光影響，加深學生理解指北針在建筑中的重要意義；解釋樓梯剖面圖的折斷線時，帶學生實地觀察教學樓的樓梯布局，理解不同樓層折斷線位置不同的原因，強化學生對折斷線和剖面細節的理解，提高學生的空間想象能力；展示水處理構筑物的模型與圖紙的對應關系，清晰展示水的流向與延長水力停留時間的方式，聯系環境工程專業，增加學生對本專業的認知和興趣。

第二章建筑設計學習中，采用真實的設計案例，包括環境工程的水處理設計及污水廠泵站設計，土木建筑有關的上海中心大廈、虹橋機場、CBD辦公及住宅平面圖設計等。將設計過程、設計需要考慮的要素、規范標準、布局模式、體型及幕墻融入到每個案例中。播放《上海中心大廈建筑設計》紀錄片，結合視頻和學生一起歸納其中的建筑知識。引入角色換位模擬，設計生活情境[7]，縮小了課堂教學與真實生活和工作情境的距離，引導學生說出自己的想法和設計方案，培養學生對建筑設計的興趣，加深今后工作和生活中對建筑及戶型的認知。例如，在住宅平面圖設計中，讓學生作為設計師，為自己的住宅進行設計，考慮窗、門、墻方位對通風的影響；讓學生作為售樓顧問，推銷介紹自己設計的住宅賣點，引導學生主動學習和思考。在污水廠平面設計過程中，給定風向、道路、河流上下游及周邊住宅位置等約束條件，綜合考慮復雜工程因素，讓學生設計污水處理廠建筑物及構筑物。介紹中西建筑設計的差異，凸顯中國建筑傳統文化以“和”為貴的魅力，達到“潤物細無聲”的課堂思政效果。

圖3 《建筑概論與制圖》課堂教學的案例分析的教改實踐Fig. 3 Teaching reform of case study in the class of“Orientation of Architecture & Cartography”

第三章建筑構造學習中，重點學習“基礎”構造，引入上海中心、上海南北-延安高架橋交叉橋基、上海蓮花景苑小區住宅倒塌事件、意大利比薩斜塔等經典案例。在生動的教學過程中，讓學生理解地基承載力、地基加固、樁基礎(摩擦樁和端承樁)、地基沉降等概念。在地基施工一課中，講解上海市閔行區蓮花南路在建樓盤工地發生樓體倒覆事件，引導學生思考傾倒原因，解析在樓體前方開挖基坑，后方堆積土方，對樁基產生剪切力，引起樓房整體倒覆，加強學生對地基受力情況的分析能力。強調在環境工程施工過程中需要考慮的若干地基問題，分析和解決環境工程的復雜工程問題。在地下構造教學中，介紹《2030上海老城區排水規劃》，構建地下海綿城市，拓展學生視野，讓學生熟悉自己所處城市未來的總體規劃。依托外灘萬國建筑群、上海若干文化歷史建筑(老廠房、田子坊、一大會址等)為案例，講解墻、梁、樓板、吊頂、樓梯、地震縫等若干概念。以毛坯房到精裝房的住宅裝潢過程為案例，介紹房屋結構改造，區別承重墻與隔墻，介紹抹灰中水泥與砂漿比例在貼面磚(2∶1)、地面找平(1∶1)、墻面抹灰(1∶1)、砌墻體(1∶2)、貼地板磚(1∶3)等知識，引導學生思考地暖和吊頂裝修過程中水、電、網線路埋放順序。

4 “學”與“用”的互動支撐

學生在課堂上“學”到的土建知識，需要與工程實踐相結合，引導學生運“用”知識指導實踐，進而鞏固所“學”知識。其中“學”與“用”的相互支撐包括以下3個環節：

4.1 翻轉教學：識圖實踐

課堂教學的第一章識圖課結束后，學生自行分組，每組5～7人，如圖4所示，將東華大學環境科學與工程學院完成的《上海申蘭集團洪廟牧場設計圖紙》等7個實際工程設計圖紙分配給各組，要求團隊每位成員至少解讀一張圖紙，分工制作PPT，并對圖紙內容進行標注示意(含不熟悉的構筑物及標注)，提高學生獨立識圖能力，讓學生從“要我學”向“我要學”轉變；同時團隊合作體現在團隊需要對總平面圖、高程圖(工藝流程圖)、構筑物剖面圖、污水處理工藝設施圖、配筋圖、預埋件圖結合起來，整體把握，理順圖紙間的邏輯關系。采用翻轉教學法[8]將學生推向課堂“主角”的地位，要求團隊每位成員上臺展示成果，分工講解圖紙內容。匯報形式多樣化，鼓勵學生在黑板將較難的內容繪制出來，比如某廢水處理構筑物的平、立、剖示意圖，并讓學生提出疑問，且上臺進行修圖，突出學生的主體地位，培養學生自主識圖、演講表達、主動思考等能力。教師可從團隊配合銜接評估小組總體情況，還可從學生對圖紙的講解正誤、細節領悟和匯報邏輯等多角度評估個人情況。

圖4 《建筑概論與制圖》翻轉教學的識圖實踐與團隊分工Fig. 4 The practice of blueprint reading and teamwork drawing-recognition in the flip teaching of“Orientation of Architecture & Cartography”

4.2 現場教學：高程及建筑測繪實踐

環境工程構筑物設計需要考慮地基平整及高程勘察，需要理解高程的重要意義[9]。為了提高學生的動手能力，增強學生的距離、高程、位置及方位感，在《建筑概論與制圖》課程改革中，引入了測繪實踐環節。設置2個實踐任務：①校園高程及坐標測繪；②建筑物測繪。

如圖5所示，校園高程及坐標測繪，學生按照識圖實踐的分組安排，挑選校園有高低起伏的地區，將校園分為6塊區域，作為測繪標的。借助水準儀、皮尺、指北針等測繪工具，對校園指定區域進行高程勘測：首先，對指定校園區域測點進行標記，提前設計好站點位置；其次，逐步對測點的前、后視點進行測量，記錄數據及方位角；最后，依次計算測點的高程及坐標。高程測繪實踐要求學生掌握水準測繪儀的使用方法，掌握水準高程計算方法，了解建筑物坐標法定位方法，利用測繪儀器估算測點之間的距離及高程關系，用水準儀記錄標高并進行數據處理，計算所選點坐標，以備后續制備校園平面圖及管道縱剖面圖。高程及坐標測繪實踐要求閉合差在±4√L mm (L為環線的水準測量路線長度，km)內，閉合差不滿足要求的團隊，需要對測點進行重新測定。該過程不僅增強了學生的團隊責任感，也在實踐過程中體驗了實際測繪方法和過程。

圖5 《建筑概論與制圖》現場教學的測繪實踐Fig. 5 On-site teaching of surveying and mapping practice in the course of “Orientation of Architecture & Cartography”

建筑測繪實踐與課堂教學第三章同時進行，讓學生在建筑測繪實踐過程中，帶著需求與問題去接觸真實的窗口、門洞、墻、梁、柱、散水、樓梯等構造，利用紅外測距儀及卷尺，測量建筑的構造，真實的感受建筑構件的物理意義。雖然建筑物和人們生活息息相關，但學生可能從未關注過樓層的間距到底是多少，樓梯的朝向與間距是多少。通過實踐環節，學生對建筑物的細節構造的認識更加具體化，進一步鞏固了課堂教學的知識。

4.3 機房教學：獨立繪制圖紙呈現測繪成果

《環境工程CAD》為本課的先修課程[10]，因此，機房的制圖教學重點為如何規范性繪制建筑圖紙，并根據測繪數據，設計和繪制校園總平面圖和建筑物。并根據現場測繪獲得的數據，獨立完成3項圖紙繪制工作(圖6)：①繪制所測高程范圍的總平面圖；②繪制管道埋深縱剖面圖；③繪制所測建筑物平、立、剖面圖。

圖6 繪制圖紙成果Fig. 6 Dispaly of blueprints

學生根據高程測繪實踐獲得的高程、坐標、方位及距離尺寸，繪制總平面圖。為了提高學生解決復雜工程問題的能力，利用《排水管網》所學習的管道坡度計算方法，應用到本課程中，設計管道縱剖面圖，要求學生將20點位以內的測點作為管道檢查井的地面標高，計算管底埋深及標高。最后，依據建筑測繪實踐獲得的距離參數，繪制建筑平面圖、立面圖、剖面圖。其中，需要繪制不同樓層的平面圖[11]。獨立繪制過程鍛煉了學生CAD繪圖技能，培養了工程繪圖的專業素養。在未來的環境工程的畢業設計及工作中，為繪制構筑物的總平面圖、高程圖、單體圖奠定了重要基礎。

5 結束語

《建筑概論與制圖》的教學改革和實踐經歷了6年的摸索與改進。從教學效果分析，選修的學生數量從原來的十幾名上升并覆蓋全部環境工程專業學生，甚至還有其他專業的學生選修，選修人數達到40余人。且反響較好，學生的評價較高。從教改前后的學生反饋中發現，原本枯燥無味的建筑識圖限制了學生的主動思考，而現在對圖紙的理解更加形象和功能化；原來沒有動手實踐，現在教學效果體現了學生測繪與繪制成果；原來對建筑構造缺乏興趣的學生，現在已熟悉了建筑設計-施工-裝潢全鏈條過程。建筑知識雖看似單調、枯燥，但把建筑知識與生活和專業案例結合起來，極大調動了學生的興趣和主動思考能力，實現了良好的“教”-“學”銜接；現場建筑測繪及諸多實踐環節，增強了學生的參與感、成就感和責任感，實現了較好的“學”-“用”互動。通過靈活的教學方式，把工程知識傳遞給學生，讓學生感受到建筑知識與生活、專業、未來工作的關系，為學生日后從事工程工作奠定了堅實的專業和人文基礎。

在教學改革過程中，還存在諸多問題，工程教育強調以成果為導向是未來持續改進的方向。例如，任課教師需要提高土木專業知識，對建筑構造的解釋需要更專業，進一步提高學生解決工程問題的能力；現階段教學使用的水準測繪儀是一種比較粗放的土木測繪儀器，在未來的教學實踐中，可以采用全站儀等更為精確的測量設備；現階段繪圖工具CAD以平面繪制為主，未來的教學中，可以嘗試CAD矢量圖和三維建模結合，讓學生的成果立體化；課程實踐環節與生產實習并行，學生就實習的污染處理單位進行測繪，增強學生對環境工程中的建/構筑物的理解；結合現階段設計院使用的BIM軟件，可以嘗試在教學中利用BIM軟件作為橋梁，整合《建筑給排水》、《排水管網》、《工程概預算》及《水污染控制工程》等多個課程的建筑元素，將學生的實踐數據、建筑構造設計模塊及工程造價結合起來，進一步提高分析和解決復雜工程問題的能力。