木結構設計軟件課程教學模式探索

李宏敏 闕澤利 王志強 邱洪興

摘要：木結構設計軟件課程是南京林業大學木結構建筑專業的一門專業核心與特色課程，是木結構建筑專業技術人員從事專業工作的重要設計工具，關系到木結構建筑專業人才綜合素質的培養。針對課程內容國際木結構知識多，教學課時有限，教學難度大等特點和難點，從培養學生綜合能力出發，在教學內容、教學方法、課程考評與實踐活動方面進行一系列的改革創新。課程教學以教師課堂講授為主，以軟件專業培訓工程師在線答疑和國外專家學術報告活動為輔。同時組織國內外學生進行復雜模型設計（一對一），運用所學軟件知識參與國內高校木結構模型設計競賽，以及木結構數字化設計與加工等生產實訓。教學實踐中，木結構設計軟件課程教學取得了良好效果，學生的綜合能力得到明顯提高，為今后的工作學習奠定了堅實基礎。

關鍵詞：木結構設計軟件;教學模式;數字化加工;人才培養

中圖分類號：G642.0; TU366.2 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：10052909（2021）05017007

木結構在中國具有悠久的歷史，現存古建筑遺產多為木結構形式，如有千年歷史的應縣木塔，以及世界上現存規模最大、保存最為完整的木結構古建筑之一的北京故宮等。可見，木結構在中國建筑史上具有重要的地位并備受青睞。建國初期，由于大量工程建設造成森林資源銳減，因此其他建筑材料（混凝土、鋼材等）逐漸替代了木材，中國木結構的研究與應用由此也停止長達二十余年之久[1]，中國木結構發展水平與國外林業發達國家之間的差距逐漸增大。

近20年來，國內木結構發展的大環境發生了重大改變。溫室效應和礦產資源銳減使人們認識到低碳節能和可再生材料的重要性，木結構再次成為建筑行業可持續發展的優選材料之一。同時，來自北美、歐洲和俄羅斯等國家的結構用木材進口增加，以及國內速生林的高增長率為國內木結構發展奠定了基礎。此外，木結構具有較好的抗震性能和較高的舒適度，這些都為木結構在中國的發展提供了有利條件。中國各級政府提出綠色發展理念，各類木結構建筑的設計標準、規范、政策等逐步出臺，2015年工信部聯原309號文件指出，促進城鎮木結構建筑的應用，推動木結構建筑在政府投資的學校、幼托、敬老院、園林景觀等低層新建公共建筑以及城鎮平改坡中的使用。在此背景下，木結構建筑近來得到了較快發展[2-3]，社會對木結構專業人才的需求日益迫切，國內多所高校如同濟大學、哈爾濱工業大學、南京工業大學等相關專業都已開設有關木結構的選修課程，并開展相關課題的研究。南京林業大學于2007年率先設立了全國首個木結構建筑工程本科專業[4]，距今已辦學13年，為我國木結構建筑行業發展輸送了大量專業人才。

為了增強木結構建筑專業學生的設計理念，提高學生從事木結構專業工作的能力，在建筑設計軟件學習方面，除安排學生學習Auto CAD、3D Max、Sketchup等基礎繪圖和建模軟件外，還針對高年級學生的實際情況，增加了專業核心與特色課程木結構設計軟件。該課程主要內容是國際木結構建筑專用設計軟件瑞士Cadwork和德國西瑪在木建筑工程中的應用，旨在提高學生木結構建筑的設計能力。在全球信息化和工業4.0的推動下，木結構設計軟件與數控加工中心（CNC）無縫對接，很大程度上解決了木構件設計和加工精度等問題。木結構設計軟件課程可以讓學生掌握木結構設計、加工和施工安裝一體化的國外先進技術，提高木結構建筑的設計效率，增強學生從事國內外木結構設計工作的能力。但是目前國內鮮有關于該課程教學模式的探討。本文結合南京林業大學教學實踐經驗，從教學內容、教學方法和教學手段等方面，對提高木結構設計軟件課程教學質量和教學效果進行探討。

一、國內外木結構設計軟件課程教學現狀及存在問題

（一）國內外木結構設計軟件課程教學現狀

目前，國外木結構發達國家的高校在木結構軟件教學方面已經非常成熟，多數有木結構建筑專業的工科高校均開設了木結構設計軟件課程，尤其是歐洲和北美國家的高校，如瑞士的Bern大學、德國的FH Rosenheim大學和加拿大英屬哥倫比亞大學（UBC）等，僅法國開設木結構設計軟件課程的學校就多達300余所。在教學師資上，歐洲高校基本上是由軟件專業教師授課，北美則是由取得培訓資格證的教師進行專業講解。相比國外，中國開設木結構設計軟件課程的高校屈指可數，除南京林業大學外，北京林業大學、西南林業大學、內蒙古農業大學等高校相繼開設了木結構設計軟件課程，部分高校僅開設木結構設計軟件的短期培訓。木結構設計軟件課程教學師資主要依賴軟件公司組織高校教師進行短期培訓。但短期培訓教學內容有限，缺乏實操練習，教學效果欠佳。因此，國內木結構設計軟件課程教學現狀與國外有著明顯差距。對此應引起高度重視，積極開展該課程教學模式的實踐改革與探索，以達到良好的教學效果。

（二）木結構設計軟件課程教學存在的問題

一是專業師資匱乏和課時偏少是木結構設計軟件課程目前存在的兩大問題。該課程內容包括兩個國際木結構通用軟件（瑞士Cadwork和德國西瑪），共48課時，兩個軟件各占24課時，僅為國外設計軟件課程教學課時的一半。但課程內容很多，涉及的理論知識較為廣泛，因此教學中只能刪減和縮短實操課時，教學效果難以保證。

二是學生對木結構設計軟件認知度不高。雖然木結構設計軟件在國內木結構企業已逐步廣泛應用，但學生接觸最多的仍是建筑通用設計軟件比如Sketchup等，對木結構專業設計軟件的認知具有局限性，尚難準確認識木結構專業設計軟件在實際工程中的重要性。

三是學生專業英語水平影響了對軟件的掌握。木結構設計軟件課程涉及的軟件均為國際通用，因此專業英語在軟件學習中顯得尤為重要。具有良好的專業英語基礎對學生理解和掌握軟件操作功能非常有利。但目前學生的專業英語水平還不夠高，因此應加強雙語教學，以促進學生對軟件的學習和掌握。

二、木結構設計軟件課程教學內容

南京林業大學木結構設計軟件課程主要結合學生前兩年本科課程中有關木結構知識，將最為常用的兩種木結構體系（輕型木結構和梁柱式木結構）的建模過程作為課程主線，采用“總—分—總”的方式安排課程內容。首先結合軟件的經典完整模型來介紹軟件的主要功能和用途，比如2015年米蘭世博會法國館、中國館、Swatch在Biel的總部木結構大樓（圖1）[5]，以及往屆學生完成的部分模型（圖2）等，培養學生對軟件學習的興趣，增強學生的學習信心。然后由淺入深地安排軟件學習的核心內容，從軟件的界面工具到功能模塊，從木結構的構件和基礎到整個結構模型建模的學習等。最后是對整個模型的渲染和出圖，并且輸出可以為CNC智能加工中心識別的各構件參數列表，以實現數字化加工。課程內容主要包括三維建模工具的使用，結構段和視域屬性等輔助工具的使用，基礎和梁柱的添加，屋頂助手、老虎窗助手的使用，墻體結構的層定義和角定義，平立剖面圖紙、單獨構件圖紙、屋面圖紙、墻體圖紙和木料清單的自動生成，圖紙文字及尺寸標注，圖紙和木料清單的輸出、打印等。

三、 木結構設計軟件課程教學方法

（一）傳統教學方法與互聯網技術相結合

針對木結構設計軟件課程教學內容特點，教學方法上主要采用講授法、演示法、練習法等，并與超星學習通等在線教學平臺的視頻教學相結合，借助線上答疑群，提高課程教學效果。軟件簡介和經典完整模型部分，主要采用講授法。實際操作對軟件學習至關重要，因此軟件建模的過程主要依靠教師在電腦上演示和講解，同時給學生安排練習任務。在課堂練習過程中，教師隨時可以答疑。

由于課時有限，為了讓學生更全面地掌握軟件建模功能，除面授課程以外，還依托互聯網技術在線課程教學平臺開展視頻教學（如超星學習通、騰訊會議、騰訊課堂等），方便學生自學和練習。當今互聯網教學平臺技術發展日漸成熟[6-9]，尤其在疫情期間發揮了重要作用，有力支撐了木結構設計軟件課程的在線教學。

目前基于微信等互聯網技術的教學探索較多[10-13]。對木結構設計軟件課程學習中學生提出的問題，借助現代互聯網通訊軟件的群聊功能（QQ群和微信群），建立相應軟件的答疑群。群里除了有任課教師和學生外，還有軟件專業培訓工程師。工程師可以更加專業和全面地解答實際操作中的問題。學生可以通過錄屏和截屏等將疑問提交群里，通過師生互動，讓所有學生都能分享疑問的解答過程，極大地提高了課程教學效率。

（二）雙語授課與實踐技能培訓相融合

2018年7月，歐洲著名木結構領域專家瑞士伯爾尼大學教授Willy Berthoud博士，代表木結構設計軟件瑞士Cadwork公司與南京林業大學簽訂科學與教育合作MOU。Cadwork公司為南京林業大學師生提供海外實訓基地，每年還組織歐洲著名木結構領域專家定期到南京林業大學開展為期一周的木結構軟件設計與學術報告活動。這些活動與專業課程教學無縫對接，旨在為師生提供高水平的全英文課堂教學及實踐技能培訓。此項合作對開拓學生的國際視野，把學生培養成為參與國際交流的高層次木結構專業人才具有積極的作用，同時也為我國木結構發展提供了國際化合作與交流的創新平臺。

在Willy教授的指導下，學生對軟件的應用能力大大提高，在實訓中學生依據課程設計模型建造了一座木亭（圖3），鍛煉了學生的動手能力和口語表達能力，更重要的是，從木結構的設計、出圖到建造的一體化過程中，學生從感性認識到理性認識，既整合了所學理論知識，又激發了實踐動手的潛力，學生綜合能力有了顯著提高。

（三）國外技術與民族文化相結合

木結構設計軟件課程所涉及的兩個軟件主要用于設計現代木結構建筑，如輕型木結構、梁柱式木結構、井干式木結構。軟件可直接生成梁柱、帶墻骨柱墻體、帶擱柵樓板、可個性化修改樓梯等，設計簡便快速。但目前該軟件缺乏古建構件模塊，在中國傳統古建木結構設計中的應用較少。古建木結構是中國木結構建筑獨特的存在，是民族文化傳承的重要形式，在世界建筑史上具有重要的地位，因此培養木結構專業人才尤為重要。木結構部分構件構造復雜（如斗栱形式），主要依靠手工制作，加工效率不高，精度也參差不齊。因此，在課程作業甚至畢業設計中會指導學生完成一些古建筑木結構的模型作業，將現代木結構軟件的學習與民族文化相結合，融入學生比較熟悉的中國傳統古建木結構的建筑特色和建模技巧，激發學生對軟件學習的興趣，增強民族自豪感。圖4是學生建成的高質量的古建木結構模型。在近兩年的畢業設計中，有兩位學生基于Cadwork平臺對3種典型斗栱進行仿真設計和建模，在古建筑木結構數字化加工過程中，培養學生的軟件開發能力，為其日后工作和研究奠定基礎。

與此同時，鼓勵學生積極參與國際交流，加強國內外學生之間的互動，增強國外學生對中國歷史的認知，培養國外學生對中國傳統古建文化的興趣，促進國際文化的交流。

四、 考評及課后實踐環節

（一）開放性大作業

木結構設計軟件課程的考核方式是期末大作業（60%）+平時課堂學習研討及課后反饋表現（20%）+教學視頻（20%）。其中期末大作業是開放性的作業，題目主要是利用上述兩個軟件分別建立滿足使用功能需求的木結構建筑，其中模型的具體形式可由學生自選。提供《建筑方案設計說明》和模型，包括方案構思、作品介紹、成品建筑外觀圖、室內效果圖、平面圖、結構構件簡單設計、材料清單等。同時考核雙語教學效果，要求學生提供英語錄制的約六分鐘時長建模視頻，詳細介紹建模過程。因為可根據興趣選取木結構建筑形式（包括建筑的結構形式和建筑風格），該類型開放性大作業深受學生歡迎，完成作業過程中也可以鍛煉口語表達及建模操作能力。

（二） 國內競賽和國際互動

除了正常的大作業考核外，還與國內外高校以競賽或課程形式開展相關互動交流。2019年7月第一屆高校西瑪木結構設計大賽在南京林業大學材料學院舉行，以小型木結構圖書館或者藝術館為題，依托西瑪木結構設計軟件進行建模，要求建筑突出木結構作為綠色建筑的自然感。經過激烈的初評、網評和終評，來自南京林業大學和內蒙古農業大學的7個作品進入了決賽。通過該類競賽，學生在木結構建筑設計、結構計算、軟件建模、效果圖設計、展板制作及匯報表達等方面的能力得到了很大的鍛煉和提高，學校之間也加強了溝通和交流，學生之間的協作能力也得到了提升。

為提高學生對木結構軟件的運用能力，培養學生的創新能力，促進國際文化交流，學校非常重視木結構設計軟件課程與國外高校的交流[2， 14-17]。2017年南京林業大學木結構建筑系闕澤利教授與瑞士伯爾尼大學（University of Bern）Willy Berthoud博士聯合發起“2017國際學生聯合設計課程”。雙方聯合開展了基于交互平臺跨區域、跨國家的“互聯網+”教學探索。“互聯網+”教學實踐課程以“傳統與現代融合與共生”為主題，由中瑞雙方學生分別選出中西方各具民族代表性的作品，通過木結構設計軟件Cadwork共同進行作品設計，對作品的節點構造、3D仿真模型、工廠預制化模數等進行一系列探索。雙方學生利用“電子郵件”“移動社交軟件”“遠程視頻交互平臺” “導師微信群”等互聯網形式進行一對一溝通交流（圖5），解決了跨地域教學交流的難題，極大地提高了教學成效和研究效率。此次探索性教學為雙方國際交流與合作打下了良好基礎。此后，每年木結構系學生都會與瑞士伯爾尼大學學生開展類似的聯合建模活動。該國際互動項目命名為“Ping Pong round”，2020年已進行到第四年“Ping-Pong round 4.0”。

五、 結語

針對木結構設計軟件課程特點探索切實有效的教學模式，提出傳統教學方法與互聯網技術相結合、雙語授課與實踐技能培訓相融合以及國外技術與民族文化相結合的教學方法。課后實踐環節引入國內競賽和國內外師生互動的方式，調動學生的學習積極性，引導學生自主學習，開展合作探究，既提高了教學效果，也豐富了教學內容。

參考文獻：

[1]祝恩淳， 潘景龍. 中國木結構淺談[C]//第六屆中國木材保護大會暨2012中國景觀木竹結構與材料產業發展高峰論壇2012橡膠木高效利用專題論壇論文集. 海口， 2012.

[2]張晉， 馮健， 范圣剛， 等. 聯合加拿大不列顛哥倫比亞大學的木結構課程教學[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（4）： 63-67.

[3]凌志彬， 楊會峰， 孫國華. 中國木結構教學實踐與探索[J]. 高等建筑教育， 2018， 27（6）： 82-86.

[4]闕澤利， 李哲瑞， 孫友富， 等. 木結構建筑工程專業應用人才培養方案的研究——以全國首設的南京林業大學木結構建筑工程專業為例[J]. 中國林業教育， 2015， 33（4）： 42-44.

[5]劉泳娜. Swatch總部大樓： 閃耀著“生命”光澤的藝術品[J]. 房地產導刊， 2019（11）： 64-67.

[6]張祚， 閆平平， 周敏， 等. “雙一流”背景下基于互聯網平臺的互動教學研究項目設計與實踐[J]. 高等建筑教育， 2017， 26（5）： 20-23.

[7]艾素平. 互聯網時代高校思想政治理論課網絡化實踐教學模式探討[J]. 高等建筑教育， 2018， 27（3）： 126-129.

[8]胡曉依， 席永慧， 鄧雪， 等. 土木工程施工基本原理課程MOOC教學實踐資源建設[J]. 高等建筑教育， 2020， 29（1）： 45-50.

[9]陳志雄， 盧黎， 盧諒. 土力學基于慕課的翻轉課堂教學模式探析[J]. 高等建筑教育， 2018， 27（2）： 64-67.

[10]屈娜， 賈浩， 徐魯強， 等. 基于微信的大學生微型學習平臺的設計與實現[J]. 中國教育信息化， 2016（18）： 92-94.

[11]田美靈， 王晉寶， 王寧， 等. 一種基于微信公眾平臺的教學助手系統的開發應用[J]. 高等建筑教育， 2019， 28（5）： 147-153.

[12]時金娜， 郝贠洪， 李元晨， 等. 微信公眾平臺在高校課程教學中的應用——以內蒙古工業大學結構力學課程教學為例[J]. 高等建筑教育， 2018， 27（3）： 121-125.

[13]余祥， 張麗娜， 李鳳臣， 等. 獨立院校基于微信公眾平臺與傳統教育的混合模式教學研究——以鋼結構設計原理課程為例[J]. 高等建筑教育， 2018， 27（1）： 49-52.

[14]沈佳君， 黃宏偉. 高等教育國際化趨勢下同濟大學土木工程學科國際化對策[J]. 高等建筑教育， 2016， 25（6）： 19-22.

[15]占玉林， 富海鷹， 馬中國， 等. 以國際競賽為依托的土木工程本科生實踐能力提升培養機制探析[J]. 高等建筑教育， 2019， 28（5）： 8-15.

[16]黃浩宇， 姚振瑀， 張紋韶. 木結構暑期境外教學實踐與探索[J]. 高等建筑教育， 2020， 29（4）： 122-130.

[17]沈揚， 芮笑曦， 王璐. 服務于土木工程新工科建設的國際學生交流組織平臺設計與構建[J]. 高等建筑教育， 2020， 29（2）： 1-7.