BIM技術下工程制圖課程的翻轉課堂教學模式構建

吳 丹，張智聰

（文山學院 人工智能學院，云南 文山 663099）

工程設計圖是工程技術界指導生產、施工以及管理等技術工作的重要技術文件，作為一名從事建筑工程的技術人員，必須掌握工程圖樣的繪制和識讀方法[1]。“工程制圖”就是一門為了使建筑土木類學生具備這一技能而開設的重要專業基礎課程，其教學目的在于培養學生的空間想象能力、設計表達能力，使學生能夠熟練閱讀和繪制工程施工圖樣，為后續專業課程的學習和實踐打下基礎。

“工程制圖”是一門理論知識和實踐應用緊密相連的課程，在教學過程中不但要注重學生理論知識的講解，使學生了解制圖的基本原理，同時也需要著力培養學生實際繪制和識讀建筑工程施工圖紙的能力。因此，通過該課程的教學，要求學生全面掌握空間形體的投影特征和投影規律，能準確繪制建筑物及其構件二維平面圖、立面圖、剖面圖和詳圖等工程圖樣，做到表達清晰、標注正確書寫規范[2]，同時快速準確進行建筑工程施工圖的識讀，梳理圖紙之間的相互聯系，運用空間想象能力在腦海中完成二維到三維的轉化。

1 工程制圖課程教學現狀分析

“工程制圖”作為建筑土木類專業一門重要的專業必修課程，采用傳統方式進行教學存在弊端，不能滿足教學過程中專業人才培養目標，主要表現在以下幾個方面：

一是授課內容與工程實際存在一定的偏差。本校“工程制圖”教學主要內容包括制圖的基本知識與技能、投影基本原理和投影圖、建筑工程施工圖等部分，其中建筑工程施工圖部分，教材中的建筑工程圖樣常采用結構較為簡單的多層建筑（如教學樓、多層住宅、學生公寓等），雖然便于初學者掌握制圖識圖的要點，可是在難易程度和復雜程度上與目前的實際工程存在差異，這就意味著學生還需要花費時間再一次地深化學習和訓練才能熟練進行實際工程施工圖的識讀，這并不能滿足后續專業課程和企業對于學生制圖識圖能力的需求。

二是單一的多媒體教學模式無法滿足教學需要。目前，“工程制圖”課程常采用多媒體課件進行教學，雖使得教學效率有所提高，但是教學效果并未達到預期，究其原因在于多媒體課件多采用幻燈片形式呈現，在課堂教學中，教師容易成為幻燈片的放映者，繪圖過程演示過快，示范效果不佳，學生沒有真正理解或缺乏對于實際繪圖的主觀體驗，導致“能聽懂，做不出”的現象[3]。同時，多媒體教學是以教師為主導實施教學，在幻燈片的講解過程中缺乏師生的良性互動，不利于教師全面掌握學生的學習情況，針對性地進行薄弱環節的強化。

三是學生缺乏相關專業知識造成學習效果不佳。“工程制圖”課程常開設于建筑土木類專業學生入學第一年，而新生初踏入專業領域，普遍缺乏專業基礎知識，雖然在現實生活中對建筑物不陌生，但是對于建筑組成和建筑構件不具備專業的認識，以至于無法完成二維圖紙與建筑實體的對照，不能在腦海中形成建筑物的三維轉化。由于課時的限制，授課教師無法將建筑組成和構件一一進行詳細講解，因此造成學生學習過程較為吃力，學習效果不佳。

2 BIM技術輔助教學

BIM（Building Information Modeling）全稱建筑信息模型，是以建筑工程項目各項信息數據為基礎，通過建立三維建筑模型對建筑物的真實信息進行數字信號的仿真模擬[4]。將BIM 技術運用于“工程制圖”的課程教學，對提高教學質量是大有裨益的，有助于解決新生，對建筑組成和構件缺乏了解、不具備專業認知概念的問題。

2.1 BIM三維仿真模型的引入

BIM 構建仿真模型具有良好的交互性，能將建筑物的所有組成部分和各個構件按照建筑物實體清晰表達出來。BIM 的可視化信息技術包括3D、4D和5D,其中3D 技術主要通過三維空間模式構件建筑物仿真模型，包括建筑的整體構造、每個構件的形狀和位置、建筑材料的選用以及裝飾效果等[5]。通過BIM 的3D 技術構建建筑物仿真模型，可讓學生對于建筑物具有較為直觀的感性認識，補全二維到三維轉化過程中信息的丟失。借助模型旋轉、平移、縮放等較為簡單的命令以不同視角切換查看建筑模型，可使學生得以了解建筑物的全貌，同時通過隱藏、顯示等命令可實現部分構件可見或不可見的切換，有助于學生對于單一構件的觀察學習。同時，三維模型的呈現，有助于學生理解建筑物構件與構件之間以及不同專業二維工程圖紙之間的邏輯關系，在識圖過程中必須將不同專業圖紙聯系起來進行識讀，這一點對于建筑工程識圖而言是較為重要的。

2.2 BIM三維模型與二維圖紙的對照教學

在文山學院，“工程制圖”課程共90 個學時，時間緊教學任務重，因此僅將BIM 三維模型引入作為輔助教學。由教師完成BIM 三維模型的構建，直接讓學生接受三維仿真模型，再將三維模型各組成部分和構件按照內容和作用的不同與各專業的二維施工圖紙一一對照進行識圖訓練。通過三維模型反作用于二維圖紙的方式，引導學生建立實物與圖形的對應關系，有助于提高學生對于圖紙的理解能力、強化相關建筑圖例的識別記憶，同時拓展學生的空間想象能力。

3 翻轉課堂教學方法的融入

翻轉課堂模式是指學生利用課前時間對知識點進行自主學習，課堂時間則用于知識的吸收內化[6]。該模式從本質上轉變了傳統教學中以教師為主導，學生被動接受的模式，可充分調動學生學習自主性，實現個性化教育。

課前學生可以根據自己的學習習慣以及對知識點的掌握程度，靈活地安排學習時間，調整學習進度，完成教師發布的學習任務，進行知識的初步學習和消化，同時根據自身學習情況選擇性的查閱相關學習資料，強化自身知識體系中較為薄弱的環節。

課堂時間則用于對課前學習過程中還未解決的問題或模糊不清的知識點與教師和其他同學進行討論學習，同時針對實踐性要求較高的課程，可將課堂時間用于構建理論知識和實踐操作的聯系，使學生親自參與實踐操作，自動將理論知識運用于實踐。通過這一過程的實施，學生和教師的身份都發生了轉變，學生由傳統課堂教學中知識的被動接受者，轉變為了主動提出問題，與他人共同解決問題的研究者和合作者。教師由傳統課堂模式中知識的主動傳授者，轉變為學習的促進者和指導者[7]。

將翻轉課堂融入“工程制圖”課程教學中，主要為了解決課本中建筑工程圖樣結構簡單，學生僅通過該圖樣的學習無法滿足工程實際需要和后續課程學習的問題。課前學生應根據課本知識和教師準備的學習資料，完成理論知識部分的學習，能識讀教材中結構簡單的建筑工程圖樣。課中，教師組織學生以小組討論等多種方式完成答疑環節，同時提供實際項目工程圖紙，組織學生進行實際工程圖紙的識讀訓練，使學生在老師和其他同學的幫助下將識圖部分的知識點進一步內化和升華，具備實際工程施工圖的識讀能力。

4 BIM技術下的翻轉課堂教學實施過程設計

教學實施過程設計應包括兩個過程：一是教師教學過程設計，二是學生學習過程設計，其結構圖見下圖1。

4.1 教師教學過程設計

一是課前準備階段。該階段教師主要進行學習內容的明確、學習場景的預設和學習材料的準備。主要包括：首次認真梳理教學目標，制定教學大綱，明確教學內容，梳理出知識點中的重點和難點。然后在已有教材的基礎上，根據近年行業動態和企業需求，查閱資料，對教材中的知識點進行補充和完善，可適當增加自己對于知識點的理解和識記技巧，幫助學生在自學過程中快速掌握。同時，根據教材中結構簡單的建筑施工圖紙，完成BIM 三維模型的正確創建以及教學課件的制作和教學視頻的錄制，作為學生自學過程中的學習材料。在此過程中，教師應考慮多種方式進行知識點的呈現，使得知識點更為直觀、生動、有趣，有助于增加學生的學習興趣，提高教學成效。最后，選定線上教學平臺，按照教學大綱，順序發放教學材料，發布教學任務，督促學生在規定時限內按照教學進度進行自主學習。

圖 1 教師教學過程和學生學習過程結構圖

二是課堂組織討論學習階段。學生通過課前主動學習，基本掌握知識點，初步具備識讀結構簡單的建筑施工圖的能力，緊接著在課堂進行結構較為復雜的實際建筑工程施工圖識讀訓練，將識圖知識內化和升華。在這一階段，教師承擔的教學任務包括：一是進行簡要的知識點的梳理。可通過課堂提問、小組競賽或隨堂小測驗等多種方式進行，既可以檢驗學生的自學成效，做到心中有數，又可以通過梳理，強化知識點之間的前后聯系，幫助學生構建較為完整的知識體系，同時也有利于學生在下一環節的討論學習中及時調用腦海中的知識點，不易遺忘。二是組織學習小組，提供實際建筑工程施工圖紙，進行識讀學習和討論，一方面解決前期自學過程中混淆不清的知識點，另一方面通過討論學習，進行實際建筑施工圖識讀訓練，提升施工圖識讀的實踐應用能力。最后，教師需關注每個學習小組進度，參與到學習小組中進行討論，掌握學生的學習情況，引導學生通過互助合作解決討論學習過程中出現的問題，并就共性問題進行統一的解答。

三是課后總結階段。教師一方面需要指導學生，根據課堂學習的內容，進行學習筆記的完善，補全自學過程中的混淆不清的知識點或更正理解偏差的基礎概念。另一方面，教師需根據學生學習效果和學生反饋，總結自學階段和課堂討論階段存在的問題，在教學方法和教學內容方面進行進一步的補充和完善。

4.2 學生學習過程設計

一是課前自學階段。融入了翻轉課堂的教學模式要求學生在該階段能積極主動地投入到新知識的自學過程中。學生需下載并登陸線上教學平臺，查看教師發布的學生任務和學習材料，進行分析和整理，根據自身基本情況和學習習慣，在規定的學習時限內自主進行學習計劃的制定和學習資料的查閱。以教學課件為主，BIM 三維模型和教學視頻為輔，完成教師發布的學習任務，認真進行學習筆記的整理，同時找出學習過程中不清楚、不明白的知識點或問題，記錄下來，在課堂學習中與教師或同學討論。

二是課堂知識內化階段。經過前期的自學階段，學生帶著問題回到課堂。在這一階段中，首先由教師組織知識點的簡要梳理，學生進行知識的回顧和知識點之間聯系的建立。緊接著組建學習小組進行討論學習，學生應首先提出自學階段出現的問題與組員和教師討論，在解決這些問題的基礎上，根據教師提供的實際建設項目施工圖紙，與組員一起進行識圖訓練。在識讀過程中遵循“發現問題—小組討論—協同解決”這一模式，完成施工圖紙識讀，以此內化所學知識，提升自身的實踐能力和團結協作能力。

三是課后知識鞏固階段。通過課堂討論學習，使得學生模糊不清、不能理解的知識點逐漸清晰，為了鞏固學習效果，學生應在教師的指導下進行學習筆記的完善，將自學階段不清楚，不明白的知識點進行補充，系統地回顧本次教學過程中的基礎知識，注意知識點之間的聯系，形成自身的知識體系。

5 BIM技術下的翻轉課堂教學實施案例

將BIM 技術與翻轉課堂融入“工程制圖”課程教學是一種新的嘗試。本文以“工程制圖”中“建筑施工圖”章節為例，進行BIM 技術下的翻轉課堂教學實施過程的展示。

（1）課前準備。根據教學設計，該環節教師應明確教學目標、梳理學習內容、準備學習材料。《建筑施工圖》是“工程制圖”課程的重點章節，通過本章節的學習，應使學生在了解建筑物基本組成和基本構件的基礎上，掌握建筑施工圖的形成、組成和相關制圖規則，掌握建筑施工圖的繪制方法與技巧，同時能熟練識讀建筑施工圖。根據教學目標，將本章節內容分解為三個部分：第一部分是房屋建筑工程圖的概述，主要講解房屋的基本組成和作用、房屋建筑工程圖的產生與分類等。第二部分是房屋建筑工程圖的有關規定，該部分主要結合國家制圖標準進行房屋建筑工程圖的制圖規則講解。第三部分是建筑施工圖的繪制與識圖，該部分是在第一部分和第二部分的基礎上進行建筑總平面圖、建筑平面圖、建筑立面圖、建筑剖面圖等建筑施工圖的識讀和繪制。針對以上內容進行學習材料的準備，包括：一是充分利用revit、Hibim 等建模軟件，根據教材中較為簡單的工程圖紙，完成建筑部分BIM 三維模型的建立，用于第一部分建筑物基本組成和基本構件以及第三部分建筑施工圖識讀的輔助教學；二是將知識點進行整理和補充，完成教學課件的制作；三是通過EV 錄幕等軟件，進行教學講解視頻的錄制；最后通過超星學習通等線上教學平臺進行學習任務的發布和學習資料的發放。

學生在課前按照教師安排進入線上教學平臺查看學習任務并結合教材和學習資料，觀看教學視頻，完成該部分學習任務。在自主學習過程中，學生可根據自身情況合理調整學習時間，但需在規定的時限內完成學習任務，避免學習進度滯后。教師可通過查看每位學生的學習任務點完成情況，掌握學生學習進度，督促進度滯后的學生按時完成學習任務。在本章節中，各類建筑施工圖的識讀既是重點也是難點，學生根據二維圖紙無法清晰的在腦海中轉化出其對應的三維模型，同時，部分學生不理解工程圖紙之間的聯系性，不能將圖紙聯系起來進行識讀。此時學生可在學習資料發放處進行BIM 三維模型的下載，結合教師講解視頻的觀看，實際進行模型的旋轉、移動、剖切、視角切換等操作，自行填補腦海中三維模型的信息缺失，梳理出不同建筑構件之間的關系，了解各類圖紙的形成過程，較快熟悉建筑物組成的基本構件，迅速掌握建筑施工圖的識讀技巧。若空間想象能力較好的同學，可根據自身情況，不借助BIM 三維模型即可完成該部分學習，則無需下載模型，僅進行教學課件和學教學講解視頻觀看即可。在自主學習過程中，要求學生在完成學習任務的同時進行知識點的梳理和總結，強化學生對于知識點的識記和理解。當遇到不明白的地方，鼓勵學生對教材和課件進行進一步研究，或通過圖書、網頁等不同渠道進行資料查閱，培養學生獨立思考和解決問題的能力。若依舊存在不理解之處，則記錄下來帶到課堂上進行討論。

（2）課堂學習。在“建筑施工圖”章節的課堂學習中，選取實際工程——某高層住宅的建筑施工圖紙進行識圖訓練。將學生按照5 人一組進行分配，形成學習小組。首先由教師進行知識點的簡要梳理和回顧，然后以學習小組討論，教師參與的形式，進行自主學習階段遺漏問題的答疑解惑和實際工程建筑施工圖紙識圖訓練。在討論學習過程中，學習小組可采用不同的方式完成識讀訓練，如集體討論、相互問答、組員競賽等。教師需參與到學習小組的討論中，引導學生充分利用自主學習過程中所掌握的知識點，自行梳理識圖順序，前后對照完成各類建筑施工制圖每個部分的準確識讀。對于學生討論學習過程中遇到的問題，可通過小組交流、教師提示、學生思考等方式進行解答，若存在難度較大的內容，教師則可暫停討論，統一進行講解。

（3）課后總結。在課堂教學結束后，教師根據學習小組討論情況和識圖訓練中存在的問題，進行整理總結，將總結成果充實到教學材料中，以豐富教學內容。

6 教學效果分析

將BIM 技術與翻轉課堂融入“工程制圖”課程教學中，能夠解決傳統教學模式中存在的諸多問題，通過教學改革，有效提高了學生的學習效率，有利于學生自學能力和團結協作能力的培養，為學生后續專業課程的學習以及以后的就業打下了堅實的基礎。

“工程制圖”課程是建筑土木類學生入門的重要專業基礎課，因此有效提高該門課程的教學質量具有重要意義。將BIM 模型引入教學有助于學生在專業基礎知識較為欠缺的階段更好地理解工程圖紙，使得學生在自學過程中能夠更快的掌握建筑施工圖識讀的基本知識和識圖技巧。翻轉課堂的融入不但打破了學生被動學習的模式，同時強調了知識點的內化與升華，解決了學生對于實際施工圖紙識讀能力較弱的問題。在整個教學實施過程中，不但需要教師在課前查閱大量資料，進行充足的準備，也需要學生充分利用課外時間完成自主學習過程，這就意味著教師和學生均需為每一節課付出更多的時間和精力，同時，也要借助相關建模軟件、網絡環境、網絡平臺等確保教學的順利實施。因此，要真正實現BIM 技術與翻轉課堂融入“工程制圖”的教學改革，還需學校、教師和學生的積極配合，進行更多探索和研究。