新工科背景下基于BIM的“工程圖學”課程教學改革與實踐

［摘 要］ “工程圖學”是為土木工程專業大一學生開設的一門專業基礎課。新工科背景下，對“工程圖學”教學提出了更高的要求。結合多年教學和實踐經驗，在“工程圖學”課程中引入BIM技術，創建教學所用的BIM模型、教學視頻等資源，將BIM技術的可視性、可出圖性等應用于教學過程，使大一學生能及時接觸到新的科技知識，大大提高了學生的學習興趣，較好地培養了學生的形象思維能力和空間想象能力，取得了較好的教學效果，體現了課程的“兩性一度”。

［關鍵詞］ 工程圖學；BIM技術；教學改革

［基金項目］ 2023年度河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“新工科背景下‘BIM+’工程圖學課程教學研究與實踐探索”（2022GJJG222）；2022年度河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“土木類專業工程圖學課程思政教學體系研究探索”（2021GJJG228）

［作者簡介］ 張會斌（1970—），男，河北欒城人，工學碩士，石家莊鐵道大學土木工程學院副教授，主要從事工程圖學與BIM技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）19-0065-04 ［收稿日期］ 2023-06-16

引言

新工科背景下，對土木工程專業人才提出了更高的要求，其中掌握現代圖學理論及技術顯得尤為重要。“工程圖學”是土木工程專業的一門必修基礎課，主要目標是培養學生繪制和閱讀土木工程圖的能力，即用二維平面施工圖表達三維建筑形體的能力以及對二維平面施工圖進行形象思維和構型設計的能力，從而提高學生的實踐應用能力。隨著信息科學技術的迅速發展，傳統的圖學課程已無法適應現代土木工程的要求，BIM（Building Information Modeling）技術應運而生。BIM是建筑信息模型化的簡稱，它是通過建立虛擬的土木工程三維模型，并利用數字化技術為這個模型提供與實際情況一致的各種工程相關信息，將這些信息應用于土木工程設計、施工、運維等全過程的現代化管理。BIM是2002年由美國建筑師協會資深建筑師Jerry Laiserin提出的，并逐漸得到業界人士的廣泛認可。隨著全球化進程的發展，BIM技術逐漸在美國、新加坡、日本等國家和歐洲普及。近幾年，BIM技術在我國受到了廣泛關注，住房和城鄉建設部頒發了一系列關于BIM的文件，旨在推進BIM技術在我國的發展。但目前BIM技術的應用在我國還未普及，其中一個很重要的原因是BIM技術人才匱乏［1］。高等學校作為培養工程專業技術人才的基地，應進行課程教學改革，培養適應現代技術發展的新型技術人員［2］。將BIM技術應用到傳統的土木工程圖學課程中，不僅能使學生通過BIM技術更好地學習工程圖學知識，還能激發學生學習BIM技術的熱情，掌握最新的科技知識。使學生更適應當前時代的發展趨勢，畢業后快速適應工作崗位的要求，推進BIM技術發展。

一、傳統“工程圖學”課程存在的問題

傳統的“工程圖學”課程以講授投影理論和土木工程圖為主，已無法滿足新工科人才培養的需求。主要體現在以下幾個方面。

（一）學生空間思維能力普遍較差

“工程圖學”課程的主要任務就是研究用二維平面投影圖來表達三維建筑形體，二維平面圖沒有立體感，根據二維平面圖想象出三維建筑形體需要較強的空間思維能力和形象思維能力［3］。部分學生立體感較差，看不懂復雜的投影圖，且目前的教學模式不能激發學生的學習興趣和熱情，久而久之易產生厭學情緒，影響教學效果。

（二）專業知識匱乏

“工程圖學”課程開設在大學一年級，大一的學生尚未接觸土木工程專業知識，不了解建筑物的結構構造，對于土木工程專業圖的理解抽象模糊，只能機械背誦知識點，與教學目標相悖，難以達到教學目標。

（三）教學手段單一

“工程圖學”課程目前的教學手段主要以幻燈片教學為主，教師通過播放幻燈片進行講解，課堂教學中理論教學內容中占比較高，學生被動地接受理論知識，教學效果較差。作為一門實踐性較強的專業基礎課，如果學生不能將理論知識運用于解決工程實際問題、不知學為何用，就失去了教學意義。這種教學模式很難激發學生對土木工程圖學課程的學習興趣，難以滿足教學要求。

二、BIM技術對“工程圖學”課程的影響

（一）改變思維方式

“工程圖學”課程傳統的思維模式是先學習投影知識，即用二維平面圖表達三維實體的方法。二維平面圖比三維實體少了一個維度，需要把幾個投影圖聯系起來想象。這就給初學者，尤其是空間立體感較差的學生，增加了很大的難度。BIM技術具有可視性和可出圖性，它可以提供一種更直觀、更接近實物的三維實體模型，并將這種三維實體模型通過技術手段轉化為平面投影圖，由電腦代替人腦完成由三維到二維之間的轉化，兼具興趣性和趣味性，使初學者學習起來更加簡單。

（二）革新教學理念

隨著高校改革的不斷推進，許多課程設置應與時俱進地進行調整。“工程圖學”課程應把原來二維為主的教學理念轉變為三維為主的教學理念，應用BIM技術創建建筑形體的三維模型，實現“所見即所得”。學生掌握BIM技術，既可以增加學習興趣，易于形成空間概念，還可以增加工程實用性。

（三）轉移教學重心

傳統的圖學教學重點是培養學生用二維平面圖表達三維空間立體的能力，這是制圖課的重點也是難點，只有掌握了這種能力，學生才能方便地繪制和閱讀工程圖樣。但是這導致在有效的課時內難以培養學生的構型能力、創新能力及工程素養。現在借助BIM技術可使二維到三維的轉變簡單易學，降低難度，節省了教學學時，進而把教學重點放在培養學生的構型能力、創新能力和工程素養上［4］，體現了課程的高階性、創新性和挑戰度。

（四）改革教學方式

傳統的教學方式是以教師講授為主、學生被動聽課和學習。這種方式使缺乏專業知識的大一學生學習起來更為困難，對于復雜的形體和專業知識，學生往往聽不懂。基于BIM的教學方式可以通過三維模型、動畫演示、虛擬現實等生動形象地展示教學內容，與課程中的理論知識聯系起來，使學生對理論知識有直觀的認識；然后再學習正確規范的作圖方法和步驟，使學生親身體驗傳統繪圖方法和BIM建模方法的不同，學生能更好地掌握工程圖紙和BIM模型各自的優缺點和使用范圍，增加對新知識的求知欲望。

三、基于BIM的“工程圖學”課程體系構建

（一）構建原則

基于BIM的“工程圖學”課程體系構建原則是：（1）改變原來二維作圖為主的課程體系，以三維設計與立體思維為主線，強調構型能力、空間思維和工程意識；（2）弱化“點、線、面”的知識講解，重點突出“體”的地位，使課程內容更接近工程實際；（3）培養學生的三維建模能力，掌握一到兩種常用建模軟件的使用，比如AutoCAD、Rrevit、SketchUp等；（4）培養學生對工程建設全生命周期的管理能力。

（二）教學目標

基于BIM的“工程圖學”課程體系將從基本知識、工程能力、工程素養三個方面對學生進行培養，使學生在掌握傳統圖學知識的同時，初步具備三維建模能力、工程設計能力和工程全生命周期管理能力，體現課程的“兩性一度”。

（三）課程體系構建

傳統的圖學課程由投影理論、制圖基礎、專業制圖三部分構成，其中投影理論部分主要講授點、線、面、體的投影理論和方法；制圖基礎部分主要講授工程形體的表達方法和國標基本規定；專業制圖部分主要講授常見工程圖的繪制和閱讀方法。本課程內容多、理論性強、學習難度大，學生學習困難主要體現在兩個方面：一是投影理論部分，學生空間概念差，二維到三維轉換困難；二是專業圖部分，學生專業知識匱乏，對建筑物的構造不了解。這些學習困難均可借助BIM技術順利解決。

對于投影理論部分，傳統的教學重點是點、線、面、體的投影理論，概念抽象，難以理解。基于BIM的教學淡化了點、線、面的理論教學，強化立體的投影圖學習。對于幾何形體，可通過對BIM三維模型進行旋轉、縮放、剖切等操作直觀地觀察分析，了解形體的特點，截交線、相貫線的形成等知識。學生看懂模型后，還可借助BIM三維到二維的轉換技術直接生成三視圖、剖視圖、斷面圖等投影圖，這樣可使學生跳過抽象的空間分析想象，直接掌握投影圖和實體之間的相互關系，大大降低學習難度，激發學生的學習興趣。

對于專業制圖部分，學生學習的難點是專業知識匱乏，不了解建筑物的詳細構造，只看工程施工圖無法掌握圖紙所表達的內容。基于BIM的教學根據施工圖創建建筑物逼真的三維模型，通過動畫、漫游、渲染等操作，使學生詳細了解建筑物各部分的構造，再通過BIM的施工圖生成技術，直接可將三維模型轉化為施工圖紙。通過這種學習方式，學生不僅學會了本課程的專業知識，還體會到現代科技的強大，激發了學生熱愛科學、努力鉆研、勇于創新、掌握最新科技知識的學習熱情。

（四）課程素材庫建設

為了深化教學改革，我們將“工程圖學”課程中的所有例題、習題都創建了BIM模型，建立課程素材庫，用于實際教學。我們的素材庫主要包括三大部分：基本立體部分、組合體及形體表達部分、專業圖部分。這些素材都可通過電腦或手機觀看。

組合體及形體表達部分，創建了各種形體的三維模型，再利用BIM技術自動生成三視圖、剖視圖、斷面圖等，通過比較這些視圖，可選擇合適的圖形表達建筑形體。圖1為某組合體的BIM模型，圖2為由BIM模型生成的半剖視圖和平面圖。

四、BIM技術融入課堂

將BIM技術融入課堂是一種全新的教學模式，如何更好地融入課堂需要不斷的探索和實踐，我們在教學過程中主要從以下幾個方面進行嘗試。

（一）建立教學資源，引導學生課前預習

我們為“工程圖學”課程的全部內容錄制教學視頻、創建BIM模型、設計預習自測題目，并將這些資源利用超星平臺提前發布給學生，讓學生提前預習課程內容。課上教師先講授重點和難點，然后提出問題讓學生分組討論，再選某個小組作答，其他小組可對回答結果進行評判，最后再由教師進行總結梳理。這樣活躍了課堂氣氛，調動了學生主動學習的積極性，使其變被動學習為主動學習，大大提高了學習效率。

（二）利用BIM技術全方位觀看學習

學生在學習過程中，對于難以理解的復雜形體，可以利用BIM模型進行360°全方位旋轉觀看，同時可通過BIM模型直接生成三視圖、剖視圖、斷面圖等平面圖形，使學生更方便地建立三維立體和二維投影圖之間的聯系，把復雜抽象的空間想象過程變得直觀、簡單，取得了較好的學習效果。對于建筑物各個復雜的細部構造，學生可利用BIM模型進行局部放大、剖切等操作，仔細研究其細部構造，加深對建筑構造知識的理解，避免空洞地講解。對于鋼筋混凝土結構圖，可通過鋼筋模型，使學生深入了解結構內部鋼筋的布置及其作用。

（三）引導學生自學BIM軟件

由于我們的“BIM建模”課程開設在大二，所以“工程圖學”課程中用到的BIM模型都是由教師提前建好的，供學生自學和上課使用。學生在學習“工程圖學”課程時主要使用現成的BIM模型。通過將BIM技術引入課堂，激發了學生的學習興趣，很多學生在大一就開始自學BIM建模知識。為此我們將“BIM建模”課程也錄制了教學視頻，發布在超星平臺供學生自學。很多學生通過自學很好地掌握了BIM建模軟件的使用，為后續課程的學習和畢業設計打下了很好的基礎。

五、教學效果分析

我們將BIM技術引入課堂，經過兩年的教學實踐，取得了較好的教學效果。

（一）激發學生的學習興趣

“工程圖學”課程理論抽象、學習難度大，很多學生感覺學習困難，產生了厭學情緒，考試不及格人數較多。通過將BIM技術引入課堂，大大激發了學生的學習熱情，學生通過手機、電腦等移動端，隨時隨地都可學習。很多學生把玩手機游戲的時間變成了“工程圖學”課程的學習時間，取得了較好的學習效果，近兩年該課程不及格率明顯降低。

（二）使學生變被動學習為主動學習

傳統的教學模式是“滿堂灌”，學生被動學，效果不好。通過BIM技術，利用翻轉課堂、小組討論等新穎的教學模式，調動了學生學習的積極性，學生開始主動學習，取得了較好的教學效果。

（三）掀起了學生學習BIM技術的高潮

通過BIM技術引入課堂，大一學生接觸到了最先進的工程圖學知識及其前沿科技的發展，激發了學生熱愛科學、努力鉆研、探索最新科技知識的熱情。很多學生通過自學掌握了BIM技術的基礎知識，且后續開設的BIM選修課程，選課人數也年年爆滿。學生掌握了BIM技術，為今后的課程學習、畢業設計、走向工作崗位奠定了很好的基礎。

（四）在全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽中取得好成績

我校從2021年開始參加全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽，近三年成績穩步提高。2021年取得建筑類團體三等獎1項、單項二等獎1項、個人三等獎4項；2022年取得建筑類團體三等獎1項、個人一等獎1項、個人三等獎3項；2023年取得建筑類團體二等獎1項、個人一等獎2項、個人二等獎1項、個人三等獎3項。這些成績的取得與BIM技術融入課堂密切相關。

結語

BIM技術是現今土木工程領域最先進的科技之一。高校作為培養工程技術人才的基地，應將最新、最前沿的科技成果引入課堂，使學生掌握最新科技知識。通過BIM技術引入課堂，深入且有效地培養了學生的構型能力、讀圖能力、繪圖能力、創新能力和設計能力，達到了“工程圖學”課程的教學目標，為培養新型土木工程人才奠定了基礎。

參考文獻

［1］ 何蕊，欒英艷，高岱.基于BIM人才培養的土木工程課程體系改革研究［J］.圖學學報，2017（1）：102-108.

［2］欒英艷，王迎，何蕊.新工科背景下工程圖學課程改革研究［J］.圖學學報，2020（1）：164-168.

［3］吳丹，張智聰.BIM技術下工程制圖課程的翻轉課堂教學模式構建［J］.文山學院學報，2020（6）：89-93.

［4］繆盾.基于BIM的建筑工程制圖教學體系構建［J］.圖學學報，2016，37（6）：826-830.

Teaching Research and Practice of Engineering Drawing Course Based on BIM Against the Background of Emerging Engineering Education

ZHANG Hui-bin， ZHOU Qiao-yong， MEI Sheng-qi

（School of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， Hebei 050043， China）

Abstract： Against the background of emerging engineering education， higher requirements are put forward for engineering drawing teaching. Based on the author’s years of teaching and practical experience， this paper introduces BIM technology into the engineering drawing course， creats BIM models， teaching videos and other resources for teaching. The visibility and graphability of BIM technology are applied to the teaching process. The freshmen are exposed to the latest scientific and technological knowledge， which greatly improves their interest in learning， better cultivates their ability of image thinking and spatial imagination， and achieves better teaching results， reflecting the “high order， innovation and challenge” of the course.

Key words： Engineering Drawing; BIM technology; teaching research