以工程應用為導向的土木工程專業(yè)工程制圖的教學思考與實踐

竇超

[摘 要]圍繞專業(yè)需求、以工程應用為導向，文章分析和總結(jié)了土木工程專業(yè)工程制圖課程的特點和存在的問題，針對性地提出了具體的教學改革建議，包括重視邏輯推理思維、精簡教學內(nèi)容、豐富工程示例、強化計算機輔助繪圖、借助多媒體庫和微課等教學手段，取得了良好的教學效果。

[關(guān)鍵詞]工程制圖;土木工程專業(yè);教學大綱;工程應用;移動教學平臺

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）01-0046-03

工程制圖系列課程是土木工程專業(yè)的必修基礎課，旨在讓學生掌握基本正投影理論和作圖方法，培養(yǎng)其繪制和閱讀土木工程圖樣、運用計算機軟件繪制專業(yè)圖樣的能力，為后續(xù)專業(yè)課程學習、課程設計和畢業(yè)設計打下良好基礎。北京交通大學土木工程專業(yè)的工程制圖系列課程包括工程圖學基礎和工程制圖，各32學時。工程圖學基礎主要講授“畫法幾何”的內(nèi)容。工程制圖主要講授土建工程圖的讀圖和作圖方法、制圖標準和要求，以及計算機輔助制圖的內(nèi)容。近些年來，各高校針對工程制圖課程開展了許多相關(guān)的教學改革，進行了大量的研究工作，但大部分研究都集中于機械、精儀或測繪等專業(yè)，其與土木建筑類（以下科稱“土建類”）制圖課程無論是在對象、課程內(nèi)容還是在教學目標上都存在較大差別[1-7]。

筆者在近些年的教學工作中發(fā)現(xiàn)，土建類的工程制圖系列課程仍存在不少亟待解決的問題。例如，很多學生反映工程圖學基礎內(nèi)容多、進度快、難度大，導致學習跟不上，每年課程不及格率較高;從后續(xù)課程設計或畢業(yè)設計來看，課程也沒有達到理想的教學效果，不少學生的圖紙成果不符合國家制圖標準，有的甚至出現(xiàn)不少錯誤之處。此外，雖然學生基本具備了運用計算機軟件繪制土木工程圖樣的能力，但仍不能繪制三維圖形，這與現(xiàn)今計算機輔助制圖技術(shù)以及BIM技術(shù)的飛速發(fā)展不相適應。因此，在工程教育專業(yè)認證的大背景下，以學生為中心，培養(yǎng)具備扎實的閱讀和繪制工程圖樣能力、能夠熟練運用現(xiàn)代化制圖手段為工程實踐服務的高素質(zhì)土木專業(yè)人才，成為高等學校土木工程專業(yè)工程制圖系列課程的重要任務。

本文以筆者多年來教學實踐經(jīng)驗為基礎，對土建類工程制圖課程特點進行分析和總結(jié)，對課程教學中發(fā)現(xiàn)的問題進行思考，提出以工程應用為導向的改革措施和建議，以提升課程教學效果。

一、以工程應用為導向的工程制圖課程改革建議

北京交通大學土木工程專業(yè)已完成了工程教育專業(yè)認證，其核心是以學生為中心、培養(yǎng)目標為導向和堅持持續(xù)改進。基于成果導向（Outcome Based Education，OBE）的現(xiàn)代化教育理念要求針對課程特點和存在的問題，圍繞專業(yè)需求、以工程應用為目標去設定教學大綱、構(gòu)思教學方法。

（一）重點引導學生具備邏輯推理的思維方式

與學生的日常溝通中筆者發(fā)現(xiàn)，很多學生認為工程圖學基礎課程的理解難度較大，即使明白概念也不會解題。這些問題直接導致學生逐漸跟不上教師的教學進度而產(chǎn)生厭學情緒。究其原因，首先是工程圖學基礎課程的思維方式與高中數(shù)學類課程有著較大差別。后者主要依靠公式推導和數(shù)學計算完成定量的解答，而前者是根據(jù)已有的投影規(guī)律（通常非常直觀和容易理解），通過一步步邏輯推理得到點、線、面的投影作圖，其思維方式更類似于中學的幾何證明題。如圖1所示的典型例題，可以明顯看到這種遞進式的解題思路，即每一步都包含了“因為……所以……”的邏輯推理方法;其所基于的定理或投影規(guī)律如“直角投影定理”“直線平行投影規(guī)律”“點的投影規(guī)律”，相比中學的幾何定理都是很容易理解和記憶的，學生只要稍加用心，掌握和運用應沒問題。

但是對于一些大一新生來說，其思維方式還停留在中學階段。教師在教學過工程中要有意識地重點引導學生學習這種邏輯推理的思維方式。這部分的練習不在多而在精，即精選有代表性的例題，讓學生掌握思維方法，從而具備舉一反三的能力。

（二）增強學生熟練閱讀和繪制土木工程圖樣的能力

工程圖學基礎課程目前的教學大綱如表1所示，包括投影基本知識、立體的投影、軸測投影、模型測繪及構(gòu)型設計四部分。從內(nèi)容上看，各章節(jié)層層遞進形成完整的畫法幾何知識體系并無問題，但是筆者在授課時常碰到一些學生，他們直言不知為什么要學這些內(nèi)容、不知道學這些內(nèi)容有何用處。

工程制圖系列課程的最終目的是讓學生具備熟練閱讀和繪制土木工程圖樣的能力，在有限的課時內(nèi)所有教學活動都應為此服務。作為以投影理論為主的基礎課程，投影基本知識、投影規(guī)律和繪圖方法固然重要，但現(xiàn)有土木工程制圖的畫法幾何部分往往照搬建筑、機械或測繪專業(yè)的內(nèi)容，其中有一些知識點在土木工程制圖中的應用并不多。現(xiàn)有課程大篇幅講述如何通過平面作圖解決復雜的空間幾何問題，例如表1的“直線、平面之間的相對位置”中包含了大量線線平行、相交、交叉和垂直，線面相交垂直、面面相交等情況的作圖，以及“直線投影”和“平面投影”中求解直線實長和夾角、平面傾角、點面距離等內(nèi)容，這些其實與土木專業(yè)的工程實踐并無多大聯(lián)系。此外，由于土木工程圖樣大都是標準位置的正投影，而且建筑物或構(gòu)筑物一般比較規(guī)則，因此從工程應用的角度來看，“投影變換”“立體的斜交相貫”“立體的表面定點和復雜截切”等內(nèi)容也并無太大的實際意義。況且，對于更為復雜的土木工程結(jié)構(gòu)例如造型復雜的鋼結(jié)構(gòu)或附屬結(jié)構(gòu)，現(xiàn)今大都利用計算機輔助制圖的專業(yè)軟件（如AutoCAD或Xsteel等）進行圖紙繪制或深化設計，無須根據(jù)復雜投影理論進行人工作圖。通過對上述課程進行“瘦身”，一方面使得課程的教學目的更為突出，即為工程應用服務，另一方面去除了晦澀難懂且無實用價值的復雜空間問題的相關(guān)內(nèi)容，從而避免了學生由于學習困難而喪失興趣的問題。

在刪減部分內(nèi)容的同時，工程圖學基礎中組合體部分的課時需要加強。土木工程中常見的構(gòu)件、節(jié)點、房屋建筑、橋梁、道路、涵洞等，其工程圖紙的繪制過程即為組合體的投影作圖過程，組合體部分的課程訓練對于學生解決工程實際問題很有幫助。但需要注意的是，目前教材及習題集中的組合體多為機械零件或小物件等，缺乏土木工程中的典型實例，對于培養(yǎng)學生專業(yè)認識的作用有限[8]。因此，建議在以后的教材編著或課堂講述中，增加與土建相關(guān)的例子和習題。這樣在學習組合體作圖相關(guān)知識的同時，可以讓學生了解到其所學知識能夠用于解決實際工程問題，解答了其“為什么要學這些內(nèi)容、學這些內(nèi)容有何用處”的疑惑，從而激發(fā)其學習興趣和學習積極性。此外，應重視學生閱讀工程圖樣能力的培養(yǎng)，因為讀圖是繪圖的基礎，在以后的課程和工作中學生也將經(jīng)歷“先大量讀圖，再在此基礎上繪圖”的過程。

（三）加強計算機輔助制圖訓練

目前，北京交通大學土木建筑工程學院工程制圖課程教師講述了AutoCAD制圖的基本知識和操作，并實行“分組大作業(yè)”，4位學生為一組完成一份多層住宅樓的全套圖紙（立面圖、平面圖、剖面圖和詳圖等），其中一張圖紙為手繪圖，其余為計算機繪圖。從作業(yè)質(zhì)量和學生的反饋來看，此教學方式效果較好，只要學生認真完成作業(yè)，就能基本掌握工程圖樣的繪圖要點和計算輔助繪圖基本方法。但筆者在教學中仍然發(fā)現(xiàn)，由于上機實操課時較少，部分學生的AutoCAD基本繪圖操作仍然掌握得不夠好。因此，工程制圖課程中計算機繪圖的課時和實操訓練還需增加。

此外，隨著計算機輔助繪圖特別是BIM技術(shù)在土木工程中的應用，各種結(jié)構(gòu)的三維造型和制圖在設計中使用越來越廣泛。小到單根構(gòu)件和節(jié)點，大到整個建筑，其幾何尺寸和建造信息都可以建模并存儲在三維模型中，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、設計施工一體化管理等功能。可見，計算機三維造型的能力是學生在研究生階段或畢業(yè)工作中所需要具備的能力。為了順應行業(yè)的發(fā)展，十分有必要在工程制圖課程中加入計算機三維繪圖的教學內(nèi)容。具體可基于AutoCAD平臺開展三維建模教學，讓學生掌握基本的操作方法。由于課時的限制，可以適當?shù)亟榻BBIM技術(shù)及基本操作方法將學生引入門，引導學有余力或有興趣的學生課下自學并給予一定的輔導。

（四）依托微課、移動平臺等手段提升教學效果

在互聯(lián)網(wǎng)時代，手機閱讀成為一種易于被學生接受、廣泛存在的學習方式。合理運用移動教學平臺作為課堂教學的輔助手段，可有效提升教學效果。在北京交通大學土建學院教學改革項目的支持下，筆者開展了基于互聯(lián)網(wǎng)移動平臺的工程制圖教學改革工作，主要嘗試了以下教學手段。（1）錄制課堂講課的視頻，提供給學生進行回顧復習。事實上，由于傳統(tǒng)專業(yè)課課堂時間較長（2×50分鐘），很多學生并不能全程保持注意力（即使聽名師講課也一樣），會漏掉一些知識點，因此講課錄像回看有助于學生查缺補漏和深化理解。（2）錄制專題微課（短視頻）。每節(jié)微課為5～15分鐘，可采用案例分析、常見錯誤解析等方式，強調(diào)重要知識點或解決普遍存在的問題。微課更為聚焦，方便在手機端觀看學習，易被學生接受，可以非常有效地定點清除難點、查漏補缺。（3）搜集和制作各種典型土木工程構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的三維模型以及對應的圖紙圖樣，讓學生能夠直觀地認識工程結(jié)構(gòu)的組成、功能和圖樣畫法，以工程實例為對象、工程應用為導向，培養(yǎng)學生的專業(yè)興趣。（4）通過雨課堂、微信群等平臺，推送各種課程學習資料、多媒體材料以及拓展閱讀資料，同時提供討論平臺，幫助學生更好地完成課程學習。從教學效果來看，上述移動教學平臺和教學手段是課堂教學的有效補充，有助于學生查缺補漏，解決了“部分學生跟不上、部分學生吃不飽”的問題，獲得了不錯的反饋。

二、結(jié)語

在工程教育專業(yè)認證體系下，基于OBE和面向工程應用的教學理念，本文分析了目前工程制圖課程存在的“思維方式需要轉(zhuǎn)變”“教學內(nèi)容需要精簡”“計算機輔助制圖需要加強”等問題，分析了其內(nèi)在原因，進而提出了教學內(nèi)容和方法的改革措施和建議，包括加強邏輯推理方法教學、精簡教學內(nèi)容、強化工程應用導向、開展三維建模教學、采取微課和移動平臺輔助教學手段等，取得了較為明顯的教學效果。在今后的教學過程中，可在以下方面進一步加強。

1.教學內(nèi)容和大綱的改革涉及范圍較廣，影響到學生后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學習，因此需要不斷根據(jù)教學效果和學生的反饋進行持續(xù)改進。

2.土木專業(yè)相關(guān)的畫法幾何例題庫和三維模型庫需要不斷完善。目前大部分教材中這部分內(nèi)容較少，而例題、模型等資料的收集和制作耗費很大精力，需要長期堅持不斷豐富，同時要注意在教學過程中不斷精選。

3.基于互聯(lián)網(wǎng)移動平臺的各種教學手段中，目前看來效果比較突出的是微課，其達到了給學生查缺補漏和讓學生加深理解的目的。對于其他手段，如何使其效果最大化，是后續(xù)需要思考的問題。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 單國駿，丁志昆.土建工程制圖課程教學改革新模式[J].高等建筑教育，2001（2）：24-25.

[2] 江洪，吉維峰.運用三維繪圖軟件SolidWorks改革工程圖學教學的實踐[J].工程圖學學報，2004（1）：109-113.

[3] 葉曉芹.關(guān)于新形勢下畫法幾何學課程教學設計的探索[J].工程圖學學報，2004（4）：168-171.

[4] 楊中，柳愛群，張令諾.新建本科學校“土木工程制圖”課程的教學改革與實踐[J].成都大學學報（教育科學版），2007（11）：84-85.

[5] 牛炳昆，高春艷.建筑工程制圖教學改革探索[J].山西建筑，2010（13）：174-175.

[6] 侯衛(wèi)，周雪峰，齊峰，等.基于應用能力培養(yǎng)的土木工程制圖課程教學研究[J].高等建筑教育，2010（1）：70-73.

[7] 胡海軍，裴金萍，楊秀娟，等.土建類專業(yè)畫法幾何與工程制圖課程教學改革探討[J].高等建筑教育，2017（3）：66-68.

[8] 丁宇明.《土建工程制圖》第三版及配套習題集[M].北京：中國高等教育出版社，2012.

[責任編輯：劉鳳華]

2761500511302