土木工程圖學課程的教學改革與思考

畢迎迎 ，劉 龍 ，趙 軍 ，王軍偉

（1.安陽學院，河南 安陽 455000；2.安陽工學院，河南 安陽 455000）

1 概述

近年來，隨著我國社會經濟的飛速發展，市場要求大學生具備較強的實踐創新能力[1]。傳統實踐教學方法形式單一，且偏重于理論，實踐教學內容缺乏自主性和創新性，而學科競賽是培養學生實踐創新能力的重要途徑，“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽（以下簡稱“大學生先進成圖大賽”）是教育部高等學校工程圖學教學指導委員會、中國圖學學會制圖技術專業委員會、中國圖學學會產品信息建模專業委員會共同主辦的全國大學生學科競賽，該競賽通過有效搭建一個規范化、信息化、創新性，面向實際工程結構的實踐創新平臺，已成為培養學生實踐創新能力的有力途徑[2-3]。競賽分建筑類、道橋類、機械類和水利類四個類別，結合傳統的尺規手繪工具和計算機軟件，對實際工程結構物進行尺規繪圖和產品信息建模，綜合考核學生的工程設計能力，該比賽自2008年開賽以來，已連續舉辦十二屆，其比賽規模及影響力逐年增大[4-5]。作為一種提升學生實踐創新能力的有力途徑，很多高校極其重視其在教學實踐中的作用。

鑒于近幾年指導土木工程專業學生參與此項競賽的探索與實踐，擬以大學生先進成圖大賽為載體，對土木工程制圖課程進行改革，旨在提高學生實踐創新能力，為社會培養復合型人才。

2 教學改革目標

2.1 降低學生思維難度

目前土木工程圖學教學分為工程制圖教學和計算機輔助繪圖教學兩個部分。通過工程制圖的教學，使學生掌握投影原理[6]，具備空間想象能力，從而可以將二維圖形轉譯為三維空間實體，同時通過手工繪圖的方式，將三維空間實體以三視圖的形式按國家相應標準手工繪制在圖紙上[7]。通過計算機輔助繪圖教學，使學生掌握AutoCAD軟件，從而可以利用計算機繪制相應的二維平面圖。但傳統的土木工程圖學教學要求學生能夠通過二維的讀圖去確定三維物體，從二維到三維這一過程要求學生有較強的空間想象能力，這對空間能力想象弱的學生是很不友好的。這種通過二維圖文信息搭建三維空間模型的模式[8]，會給初學者帶來很大的不便。

2.2 教學理念轉移

土木工程圖學的教學目的是使學生具備用二維圖形表達三維立體空間的能力[9]，使其在今后的學習中具備土木工程行業基本的設計繪圖能力、三維構型等。傳統土木工程圖學以“投影理論教學為主，AutoCAD軟件學習為輔”的教學理念，重點講授投影理論，即三視圖的形成、投影規律、點線面的投影等，以此理論為基礎以二維圖形去表達形體、施工圖等。而AutoCAD軟件的學習，也僅僅是用計算機代替手工尺規進行二維圖形繪制。

BIM技術的出現，使得原有的教學理念已經不再適合新技術的發展，應改革傳統的教學理念為“投影理論輔助計算機建模”，更側重培養學生于計算機三維建模的能力。同時通過創建三維模型，更好地鍛煉了學生的空間思維能力。

2.3 教學內容改變

教學內容是培養大學生能力的重要載體，教學內容的合理設置對于人才的發展有著重要作用。傳統的土木工程圖學教學主要側重在理論、軟件繪圖命令與手繪的講解方面。所選取的教學內容，往往隨意選擇與土木工程方向不相關，或者關聯不大的示例圖形來講解。課后的練習題也和土木工程制圖聯系不緊密，造成學生學完之后不明白為什么這樣做、這樣做和國家制圖標準規范有多大差距[10]。同時，以往的圖學教學中僅保留了三維空間實體的幾何信息，而實體的材料、工藝僅有文字描述，關于實體各種信息的關聯度很差。而BIM技術提供了虛擬化的建設場景，將材料、配件、數量等信息與三維實體模型建立起聯系，實體模型各種信息的關聯度變強。這便要求在教師授課內容中不僅僅講授投影理論、軟件操作，還要穿插土木工程中的其他知識進行簡單講授，有利于激發學生對土木工程繼續學習的興趣，使得學生對土木工程有宏觀上的認識，也為后續的學習打下基礎。

3 教學改革方案

對土木工程制圖課程進行教學改革的總體思路是：指導教師將創新教育理念作為改革的指導方針[11]，將大學生先進成圖大賽所需的專業知識、專業技能和日常的教學有機結合，完善教學內容，提高教學質量，培養高技能創新人才。以課程考核為例，可在土木工程制圖課程考核過程中，采用大學生先進成圖大賽的積分制，將考核內容分為3個模塊，分別對應尺規繪圖、計算機二維建模以及計算機三維建模，具體的測試內容也可借鑒大學生先進成圖大賽，以土木工程實際結構為測試題目。

通過這種以競賽為依托的教學改革，可以在日常教學中增加學生的專業知識和專業技能，擴大學生的知識面，將工程實踐與理論制圖有機結合，提高學生理論分析和解決問題的能力與水平，促使學生從理論學習向實踐能力的轉變，使學生掌握快速看圖、快速作圖的能力，培養學生的專業興趣和樂于學習制圖、善于識圖分析、能夠結合圖紙構思三維空間結構的能力。

為了能夠實現制圖課堂的教學和大學生先進成圖大賽的良好銜接，教師應當在具體授課環節上下足功夫，優化授課內容，充分利用現代數字信息技術。采用多樣化的教學手段向學生傳授理論知識和創新知識。通過多媒體課件、現場視頻和照片等呈現工程實踐項目的情景和流程，采用BIM技術建立的三維虛擬模型，讓學生和老師快速交流制圖的問題，大大提高教學質量和教學效率。同時，教師應當重視開闊學生學習三維建模和二維建模的視野，激發學生學習的求知欲，調動學生學習的主動性，提高學生的學習能力，培養具有創新技能和積極進取的人才。

4 教學改革實施

具體課程改革的實施方式要結合大學生先進成圖大賽的比賽內容來進行，實施對象為某校2018級土木工程專業一班和二班學生。具體實施分兩階段進行，第一階段是土木工程制圖理論與尺規繪圖的教學環節，在原來的教授學生繪制點、線、面的基礎上，綜合分析實際工程結構物。鑒于這一階段學生對制圖概念尚不熟悉，可以將工程結構物進行拆分，逐個構件進行講解，要求學生逐個構件進行繪制，在積累一定的構件繪制經驗之后，可教授學生如何對多個簡單構件進行組裝繪圖，這樣整個講解過程呈現由易到難的過程，學生更容易接受，學生既可以在繪制單獨構件過程中掌握繪圖基本理論，也可以積累一定的實際工程結構繪圖經驗，繪圖過程中傳授學生如何利用已有的繪圖工具快速進行建筑構件的繪制。比如，丁字尺和三角板相互結合，使所畫出的水平線和豎直線處于垂直狀態，巧妙利用三角板斜邊，繪制一些帶有角度的線段等；第二階段是土木工程制圖的計算機輔助制圖教學環節，也就是教授學生使用計算機軟件進行繪圖，這一階段要培養學生快速識圖、繪圖能力，結合大學生先進成圖大賽，快速識圖、繪圖能力尤其重要。以AUTOCAD軟件為例，在教學環節，將傳統的先講授菜單，后進行實際操作方法進行改進，改為教學生如何使用快捷命令為主，代替之前的傳統菜單操作。比如，要繪制一條直線，那么教學生用直線快捷鍵L來代替在菜單欄里點擊命令；繪制對稱結構時，可以先繪制一半圖形，然后利用鏡像快捷鍵MI直接繪制出另一半；當等距離復制數量較多圖形時，可以使用復制快捷鍵CO里邊的陣列功能，等等。這個環節要求學生記憶常用的快捷命令以及命令的操作步驟，這樣繪圖較傳統方式相比會更準確、更快速。

此外，為了充分調動學生課后學習制圖技術的積極性，提高教學效果和學生的制圖水平，挖掘學生的潛在學習能力，培養學生探索和解決問題的意識和創新思維。借鑒大學生先進成圖大賽的組隊方式，對班級進行合理分組，5名同學1組，設組長1名，5名同學要合力協助，共同完成課后作業。在評定課后作業環節，由傳統的教師一人面對全班的作業形式不同，教師對每個小組每名同學的作業進行評分，5名同學的總分為最終小組得分，這樣能夠激發學生學習制圖課程的積極性，因為任何1名同學的作業都會影響小組在全班的排名。后續還可以根據小組排名情況以及每個小組中組員的表現情況，選出5名尺規繪圖和計算機建模成績均較好的同學組成團隊和四名單項成績突出的同學參加河南省以及全國的大學生先進成圖大賽，這樣學生的學習熱情將會得到很大提高。

5 教學改革預期效果

新的授課模式符合高等院校對土木工程制圖的課程要求，在滿足培養大學生創新性和自主性的同時提高了大學生的基礎制圖技能。在這種教學模式下，學生可以對建筑物大小構件充分理解，精準把握各類制圖規范，把理論與實際巧妙結合。尺規繪圖方面，首先學生對所繪制圖形可以正確地在對應圖紙尺寸上選擇合適比例和布局，在符合尺規繪圖規范的前提下快速抄圖、補圖、標注，熟練利用各種尺規繪圖工具，繪圖成果干凈、美觀、正確；計算機二維建模方面，學生能熟練運用AUTOCAD快捷鍵命令，取代鼠標在菜單欄一個個尋找對應命令，通過大量練習總結出繪圖技巧，比如同樣的圖形采用哪個命令可以更加快速繪制。常見的圖形特性可以進行修改，善于利用各種便于繪圖的插件；計算機三維建模方面，學生可以先建立小的構件，然后對小的構件進行組裝（原理類似裝配式建筑），避免學生看到圖紙不知所措，不知道要從哪里開始做起，這樣可以保證所建模型在結構上正確，模型建立速度也可以明顯提高。在大學生先進成圖大賽上，學生也能取得更好的成績。同時，新的授課模式也將加強學生的職業素養，培養學生執著專注、精益求精、追求卓越的工匠精神，為以后在工作崗位的良好發展打下堅實基礎。

6 學生反饋

接受傳統的工程圖學課程的學生經常給出以下反饋：“老師上課講的都聽懂了，就是工程中不知道怎么用”“學完制圖課，假期再去報個手繪或軟件培訓班”“老師上課講的菜單命令運用看起來都很簡單，當自己實際運用的時候要么已經忘記命令在哪個菜單欄，要么忘記具體命令的操作步驟”“由于練習量小，老師講的繪圖技巧并不知道在什么地方可以用能夠找到”等等。在指導大學生先進成圖大賽道橋類學生進行繪圖訓練時使用了上述的教學模式，學生普遍反映在備賽過程中明顯要比平時上課對圖形的理解更加深刻、對繪圖技能運用的更易上手。從學生的練習結果看出，學生在一定程度上已經理解建筑物構件的功能和含義，對繪圖規范把握的情況和尺規繪圖效果相比之前有很大改善，計算機二維建模速度明顯提高，對快捷鍵命令的使用更加熟練，計算機三維建模效果更加逼真，建模速度更加迅速。