建筑类工程图学实践创新型教学内容与方法的研究与实践

2013-09-21刘克非汤小红吴庆定胡劲松

图学学报 2013年6期

刘克非，汤小红，吴庆定，胡劲松

（中南林业科技大学，湖南长沙 410004）

从当前教育发展的形式和国家的政策导向来看，创新型人才培养的理念已深入人心，创新型人才的培养也是当前教育的根本宗旨，而创新能力培养的核心又是创新思维能力的培养。工程图学课程的教学目的主要是培养工科学生的形象思维和设计表达能力，为工程设计实践服务。图学课程的教学与其它课程一样，应将学生能力、素质培养放在与知识传授同等重要的地位；同时，图学课程是培养学生的空间思维能力，图学教育对培养、提高学生的综合素质和能力具有不可推卸的责任。但是在有限的课时内既要完成大量的教学内容，同时又要加强学生的能力和素质培养，若不进行根本性的改革，难以完成图学课程被赋予的全部任务[1-4]。

随着建筑、制造行业和图形处理软件的快速发展，AutoCAD作图速度快、精度高、易于修改等优势已为大家所认同，传统的构型设计方法已不能满足要求，三维建模引入制图课程已成为教学内容改革的大趋势，国内多所院校都在这一领域开展了卓有成效的探索，也取得了一系列研究和实践成果[5-6]。

以培养学生的创新性构型设计能力为主要目标，尝试对建筑类工程图学的教学内容与方法、教学效果的考核与评价进行改革，提出以构型设计和实践创新为主线的教学模式，加强空间思维能力、形体构型能力、创新能力和工程意识的培养，用以指导教学实践，培养新世纪创新型人才。

1 建筑制图课程体系改革目标与任务

我校学习建筑制图类课程的专业较多，除了土木工程、工程管理、工程力学、建筑学、城市规划等专业外，给排水、艺术设计、园林、铁道等专业也需要学习大量的建筑制图知识。学校多个学科主要培养建筑、土木和景观的结构与产品设计方面的人才，这就对学生在构型设计和创新能力上有更深的要求，也对建筑制图的教学体系、内容与方法提出了新挑战。一方面，图学课程是建筑类相关专业学生进入大学后最先接触的基础课程，学生的形象思维、构型能力都处于初步形成的关键时期，扎实的图学基础是学好后续课程的保障；另一方面，在结构模拟软件和设计软件飞速发展的今天，二维绘图和建模方法已难以满足三维模拟和设计的需求，亟待将三维模型的构造和建模方法引入图学教学，培养学生的设计理念和创新能力。

本次建筑类工程图学课程体系改革的根本目标与任务是：

1）针对当前建筑制图课程重理论讲授，轻实践操作和设计构思的问题，提出切实可行、能运用于图学教学的有效教学方法和手段，将图学课程学习和实践创新能力相结合，在保证教学质量和教学效果的前提下，探索出一条行之有效的工程图学教学新体系、新思路。

2）围绕建筑类图学教育的课程性质与各专业特点，构建完整的知识构架和内容体系，使建筑制图的计算机教学摆脱“针对软件讲软件”的局面。更为重要的是，建立在“设计”与“创新”理念上的实践操作训练，使学生在深刻理解制图理论之后逐渐掌握快速、准确、具有创新思维和构形表达能力的计算机绘图、建模、计算与设计方法。

3）以培养学生的创造性构型设计能力为主要目标，以三维CAD及相应的专业应用软件为主要工具，加强创新型实验与实践项目的训练，强调学生学习的主体地位，激发学生的求知欲，增强学生的实践创新素质。

4）根据学生的实际能力和水平，提出多样化的、切合实际的、与新教学体系相适应的建筑类制图课程教学效果考核与评价方法，使制图教学真正收到应有的实效。

2 以培养创新能力为主线的建筑制图教学体系

1）引入三维几何建模的建筑类图学课程教学模式

不少院校工程制图改革方法和效果显示，“分段式”与“独立式”教学模式在三维几何建模教学中具有良好的灵活性和实用性，既能达到培养学生三维造型能力的目的，又可保证二、三维良好共存。

2）基于三维造型和创新设计的实验与实践课程教学模式

强化土木类和建筑类专业学生应用三维软件构件三维模型的能力，引导学生在第一学年完成《Auto CAD》通用软件的学习后，在大二、大三的专业课程实验与实践中将其与其他软件和教学内容结合起来学习并应用。

3）增加和完善各级各类创新型实验项目的参与实践

为切实提高和检验学生创造性构型设计能力和创新能力，建筑制图教研组拟定优秀教师组织精良团队积极参加全国、省内各类创新型实验设计、建模大赛，将图学基础知识、三维构型设计和创新能力有效结合，注重加强学生的素质培养。实施“导师制”培养方法，一个导师带领一个团队，应用图学、力学和其他相关知识，完成设计和计算任务。

4）改革考核制度，建立新的课程评价指标与方法

根据教学情况及我校学生的学习能力和实际水平，将传统的课堂作业、大图评价与其他考核形式相结合，提出符合建筑类制图课程培养目标和实践创新型教学体系改革要求的综合评价形式，确定各评价形式所占的比例。

3 创新型教学体系的实践与应用

1）工程图学教育中三维几何建模的“分段式”和“独立式”引入的特点在于不同学期设置不同内容的课程，并与原有工程图学基础知识形成完整的新体系，体现“三维”和“设计”的特点。我校传统的制图课程主要分为《画法几何》（40 学时）、《工程制图》（40 学时）和《Auto CAD》（24学时）三部分，其中前两部分的理论教学着重介绍图学基本知识，培养学生空间想象能力和形体二维、三维构型的正确表达能力。在本次教学改革中，针对不同专业对制图课程要求的多样性、不同专业在课程学时和教学内容上的差异性以及后续专业课程的设置情况，教研组分别从09级土木类（土木工程、工程力学）和建筑类（园林、建筑学）专业各选择了两个实验班，图学课程设置的教学模式有较大的创新，如图1所示。

在大一的制图基础知识课程中，将画法几何投影理论知识的点、线、面及其相互关系的图解内容简化，强化投影变换部分内容，并将轴测基本作图方法纳入画法几何课程内容中，加强学生对轴测草图和构型设计部分的练习，锻炼他们的形象思维和工程图形的设计思想。在课时相对增加的工程制图课程内容中，除加强徒手绘图、制图标准规范和形体表达方法（视图、剖切、断面）训练外，在专业图部分引入三维模型和形体设计基础内容，将原有的建筑（或结构）施工图的简单抄绘转变为具有设计和创新意识的思考训练，除在CAI课件中加强“结构”和“形体”的概念外，还要融入设计过程知识和简单的工程材料常识，并鼓励学生用三维草图快速表达其基本的设计思想。

图1 建筑类工程图学实践创新型课程体系

2）建筑制图创新型教学内容与方法的研究重点即为实验与实践部分，其主要原因在于我国现在的高等教育已逐渐形成大众化教育规模，但与精英化教育还相距甚远。传统图学教育中理论基础扎实而动手、创新能力差的局面仍未根本扭转，实验与实践教学作为培养学生创新精神和实践能力的重要环节，其质量直接影响工程图学的整体教学质量。在大二和大三的专业课实践中，三维CAD及其开发软件中的设计和建模操作能够快速且有效地培养和强化学生的创新思维和设计表达能力，因此，非常适用于本次教学改革的实践中。以工程力学专业为例，该专业学生在后续学习中要接触大量的有限元分析软件，这些软件都与三维CAD有效兼容，在学习的过程中可以较好地实现图学与专业课程相结合。如在ANSYS上机操作中引导学生直接在AutoCAD软件中构筑三维模型再导入ANSYS中进行分析和计算，这样既有助于模型的快速建立和修改，又利于学生掌握命令流的使用，真正实现学以致用，如图2所示。

在教学内容和方案的实施过程中，需注意的问题（同时也是最难避免）是当前专业软件教学中普遍存在的“针对软件讲软件”的现状。调查结果表明，近年来在如何实现工程图学和三维CAD技术的融合式课程体系的建设和改革过程中，出现了过多“灌输式”的教学方法，导致教师经常错将工程应用软件的操作性指导和训练当做图学和专业课程体系的现代化教学内容，以为讲到哪个软件就是教会其操作命令和使用方法，而忽略了大学本科层次工程图学及其他课程应达到的“思维及过程训练”的目的。为真正抓住“思维性”和“创新性”这一主导思想，我们在各专业应用软件的教学中强调实体三维几何建模的训练环节，要求学生在巩固已学到的图学知识的基础上，结合专业知识和创造性思维加以提升，强化学生的创新设计能力。如对园林专业第6学期的《园林小品设计》课，我们要求实验班的学生在掌握已学习 Auto CAD、YLCAD、Sketch Up和Prianesi等绘图、设计软件的基础上，结合景观设计理论知识各自进行一个不同的园林小品项目设计，除强调准确应用 YLCAD、Sketch Up在各个层面的设计方法和技巧外，要求学生结合不同的地形和环境对景观小品进行创造性构思，并在设计过程中建立简单的模型库，拟合自己的独立创新意识。学生在拿到这一开放性题目后开始可能感到无从下手，教师需引导学生在查阅相关资料和案例基础上，从设计项目所处的环境及相应功能入手，在突出创造性设计理念的同时保持作品的工程应用性。在指导学生设计的过程中既特别强调作品应与功能相结合，不单为创新而创新，又要保留和激发学生的创新设计热情，培养学生注重观察、思考问题的能力，避免学生设计出过多华而不实的作品。2周的实践课程结果表明，与普通班同学相比，实验班的学生在软件操作应用和创新设计表达方面均表现出良好的创造性和实践能力，他们设计的亭、廊架、水榭、牌楼或古塔不仅表现风格多样、图示方法规范，还更加符合国家标准，且建模方法独特，如图3、图4所示。这一方面得益于前期图学知识学习中三维模型和构型设计内容的训练，另一方面更是指导教师充分引导和指导的结果。

图2 工程力学专业学生建立的ANSYS三维数值分析模型

图3 园林专业学生设计的君子亭

图4 园林专业学生设计的福绿石牌坊

3）创新型实验与实践项目是培养学生动手能力、科学思维、创新素质和协作精神的良好模式，加强创新型实践项目的建设是实现创新型人才培养的有效途径。建筑类制图创新型项目的核心特点体现在教学内容与方法创新和教学形式的创新。第一，创新型实践内容综合集成了现代图学发展中的新知识和新方法，从社会发展、工程实践及教学改革成果中有针对性地凝练、提取应用性强的内容创新实践教学，激发学生的求知欲，使学生基于兴趣主动参与到学习研究中，在过程中掌握新知识，训练新方法，并加强其实践动手能力。第二，创新型实验与实践项目的设置形式一般为开放式的，一方面实践项目内容具有可选择性，在同类型同层次的实验中安排一定比例的选修实验供有精力和兴趣的学生选择，以调动学生的积极性，满足多元化人才培养需要；另一方面实践中强调以学生为主体，教师处于主导地位。教学过程中以学生实践创新能力培养为核心，提出项目设计的基本要求和目标，并启发和引导学生。学生真正作为主题参与实践项目的全部过程，独立思考、创新思维，完成资料查阅、方案设计、计算分析、项目实施到总结报告的全部内容，在完成任务的过程中培养综合运用所学知识解决实际问题的能力和严谨的工作、学习态度，将“实践”与“创新”理念真正落到实处[7]。

近年来，建筑制图教研组的教师积极参与并深化各类实践教学项目和竞赛，每年都以立项的形式强化与完善建筑类图学教学体系的建设，创新实践教学方法，激发学生的自主创新兴趣，引导学生主动参与，增强学生实践创新素质。在指导模式上借鉴研究生教育中的全程指导思路，采用“导师制”方式实现实践项目的完成。在实践创新项目中将图学教师安排为导师全程负责和指导设计过程，既保证学生在运用图学知识、绘图技能和方法遇到困难和疑问时可及时获得指导，又可对项目实施的深度、创新性、实用性和进度方面加以把握，使学生少走弯路。在指导过程中还应积极运用研讨式和引导式的教学方法，注重体现学生在创新项目中的主体性，避免学生在以往的实践项目中缺乏主动性、过分依赖老师的现象再次发生，让学生在实践和创新的过程中掌握知识和技能。

从 2009年实施建筑类图学教育教学改革以来，教研组先后组织建筑类专业学生参加各级各类创新型实践竞赛 52项，其中在国家级学生竞赛中获得奖项 26项，成果喜人。中南林科大土木工程专业 09级实验班学生参加第四届“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛建筑类比赛的获奖作品（计算机二维绘图），评委评判结果表明学生在图层、文字、尺寸的设置和使用，图块创建和调用等方面掌握较熟练；所绘制图样图线清晰、字体匀称、比例适中、布局合理，且完全符合国家房屋建筑制图统一标准及建筑制图标准，如图5所示。

4）教学效果的评价与考核是检验和提高教学质量的重要保证，良好的教学效果考核方案不但能有效鉴别教师工作质量和学生学习效果的好坏，还可为改进教学方法与手段、调动学生追求卓越的学习积极性奠定基础。为探索与实践创新型教学体系相适应的课程考核方式，根据建筑类制图课程的培养目标和本次教学改革的研究内容，对大一实验班的建筑制图课程考核方式提出了“课程作业+期末考试+大图作业+构型设计”的考核方案。该方案的提出与实施紧紧围绕“培养学生形象思维能力和设计表达能力，为工程设计实践服务”这一教学改革基本要求，以“使学生成为自主学习者”为指导思想，在操作方法上强调尊重学生的主动性和创造性，最大限度地为学生提供思考、研究和创新的空间[8-9]。具体的考核内容与比例、量化考核结果，如表1、表2所示。从考核结果，通过以上几种考核形式的综合应用，实验班学生的空间思维创造性、专业知识渗透性和开放性都比普通班学生好，尤其在构型设计、建筑物徒手绘制和CAD操作技巧等方面表现出良好的教学效果，学生学习的主动性、合作能力、创新设计能力和绘图软件操作能力都得到很大提升，达到了实践创新型建筑制图课程学习的目的，提高了教学质量。