环工《建筑概论与制图》“教-测-识-绘”教改实践

李 响，范心韵，薛 罡，高 品，刘亚男，余 阳，刘振鸿

(东华大学环境科学与工程学院，上海 201620)

20世纪70年代末期，我国环境专业教育和环境生态保护事业同时起步；最早依托土木学科和给水排水工程专业设立的环境工程专业具有鲜明的土木工程背景(如：同济大学、哈尔滨工业大学等)；同期欧美国家大部分环境学科下也设置了土木建筑专业，使环境工程本科专业亦具有典型的土木工程学科和专业特点[1]。在我国具有水利、纺织、冶金、化学化工等行业背景类的高校后期设置的环境工程专业中，为培养符合社会需求的工程化人才，土木建筑成为教学和人才培养体系中不可或缺的方向，奠定了专业工程实践基础。发展至今，土木建筑已成为环境工程专业的重要支撑方向之一[2]。

随着生态文明发展战略的推进，生态环境保护要求的提升，当前环境工程专业和学科已跨界土木建筑、化学化工、生态、生物、热物理、动能等多个学科和专业，形成了典型的交叉学科专业特征，赋予了环境工程本科专业新的人才培养内涵，工程创新和相应的工程化教育已成为未来人才培养的趋势[3]。土建作为环境工程专业人才培养的重要支撑方向，更需秉承与生态环境保护发展动态有机结合的理念，在教学和人才培养过程中不断创新，着力以全新的方式提升学生自学、实践与创新的主观能动性，夯实人才培养工程实践基础[4]。为此，在剖析国内开设建筑及制图类课程现状与问题的基础上，提出《建筑概论与制图》“教-测-识-绘”四维教学改革思路并进行了实践，希望对环境工程专业人才培养质量提升有所裨益。

1 环境工程专业开设建筑及制图类课程现状与问题

迄今为止，我国开设环境工程专业高校近400所，在环境科学与工程学科排名前77所高校中，有51所开设了建筑类课程(包括：建筑概论、土建概论、房屋建筑学、土木工程概论、工程测量、建筑测量、环境工程施工设计、泵站设计等)，占比约66% (图1)。绝大部分环境工程专业(约91%)开设了CAD制图类课程，这是环境工程课程设计及毕业设计中必不可少的基本功及工具软件。深入分析发现，16所985高校(约占26所的62%)，16所211高校(约占23所的70%)和19所其他高校(占比68%)开设了建筑类课程，985高校开课率低于211高校的原因可能是其更偏重研究型人才培养，而211高校更重视工程型人才培养。环境学科评估为A类的高校开课率(82%)大大高于B类环境学科(59%)和其他类(68%)，可见A类环境学科重视学生土建知识及实践能力。建筑类特色高校开课率(85%)高于非建筑类特色高校(63%)，这与建筑特色高校中的环境学科起源于建筑土木系有关，结合建筑高校特色，在环境工程学科培养方案中延续建筑类知识。东部及沿海地区高校开课率(74%)高于中部地区(69%)、东北地区(63%)及西部地区(50%)，这与东部沿海地区率先发展、中部崛起、东北振兴、西部大开发的国家发展战略相吻合，先发展地区建设项目多，需配套环境污染治理项目，重视培养环境人才的土建知识。

图1 部分环境学科开设建筑类课程及制图类课程的调研情况Fig. 1 Investigation on the architectural courses and cartography courses offered in environmental disciplines of domestic universities

本校环境工程专业旨在培养掌握工程基础知识，融入社会、健康、文化、安全等因素，设计环境污染治理单元，运用工程工具和现代仪器分析手段对工艺构筑物进行分析的应用型人才。《建筑概论与制图》有力支撑了上述培养目标。在已修《工程制图》、《环境工程CAD》基础上，本课程巩固了工程制图的基本技巧，传授了建筑识图、设计、构造知识，在建筑物的设计理念中体现人文情怀及文化传承，在建筑构造中体现安全、可持续、材料力学及土木岩土等复杂工程问题；培养了学生运用建筑测绘工具进行场地及建筑物高程测绘，设计建筑物的能力；也为后续《建筑给水排水工程》的室内管线设计及《工程概预算》的工程量计算打下了基础。结合本校环境工程专业工程化教学及人才培养目标，《建筑概论与制图》在具体教学过程中需解决如下关键问题：

(1) “教”与“学”的有效衔接。在“双创”社会背景和教育形势下，大幅减少学分日渐成为高教改革趋势。在学生有限的学分中，须提高教师的教学质量和学生的学习效果[5]。教师“教什么”、“教多少”，学生“学什么”、“学多少”，是当前工科专业面临的共性问题。具体而言，在教学实践中，若建筑类知识与环境工程专业不能有机结合，极易造成“教”和“学”的脱节，面向环境工程专业开设建筑类课程，更需结合环境工程专业问题及实际工程案例，增强“教”与“学”的有效衔接。

(2) “学”与“用”的互动支撑。工程化教育是工科专业未来人才培养的趋势，学生通过学习达到“学以致用”，是教学和人才培养的要义。具体对于《建筑概论与制图》的教学，学生在课堂上“学”到的土建知识，需要与工程实践结合并熟练用于工程实践。在教学中需有机结合课堂教学和实践环节，增强学生对土木建筑的距离、高程、位置感等要素的理解，科学引导学生以“用”促学，以“用”强化实践能力，同步提高学生的土建知识水平综合及实践能力。

2 《建筑概论与制图》教学改革与实践

基于上述分析，结合环境-土建交叉工程问题及教学实践，提出《建筑概论与制图》“教-测-识-绘”四维一体教学改革与实践模式(图2)，分别由32学时2个学分的课堂教学(案例教学与翻转教学)和32学时1个学分的实践教学(现场教学及机房教学)组成。课程共有16周，每周2学时课堂教学及2学时实践教学。建筑概论覆盖“教”与“测”2个教学模块，识图制图覆盖“识”与“绘”2个教学模块。4个教学模块相互穿插互补，相互关联，充分体现“教”与“学”的有效衔接，“学”与“用”的互动支撑。课堂中学到的建筑知识可即时用于实践环节，强化知识的应用性及可操作性。

图2 《建筑概论与制图》“教-测-识-绘”四维一体教改模式与实践Fig. 2 The four-dimension integrated teaching reform plan of “Teaching-Exploring-Blueprint Reading-Mapping”

课堂教学中围绕环境工程与建筑知识的关联，引入案例教学，按照“识图-设计-构造”为轴线，逻辑清晰，依次递进，深入浅出。

第一章建筑识图10个学时，指导识图实践。介绍了建筑物总平面图、立面图、剖面图、管线图纸中的各类制图符号和识图方法，同时讲解了水准仪的使用和读数方法，帮助学生更好的理解后续的《禽畜养殖污水处理厂》设计图纸。与此同时，开展了校内建筑物高程测绘(10学时)的实践内容。

第二章建筑设计6个学时，指导制图实践。讲述了建筑设计过程及平立剖设计方法，为学生设计、绘制图纸提供了理论指导。与此同时，开展了6个实践学时的校园总平面图、管线图的绘制。

第三章建筑构造12个学时，指导建筑物的测绘实践。讲授了建筑基础、墙、梁、板、楼梯、台阶及其他细部构造；课堂教学的部分时间安排学生汇报污水厂等构筑物的构造细节。同期，设置6个实践学时红外测距仪测绘校内建筑物，理解课堂教学知识，6个学时机房绘制建筑物平立剖面图。

翻转教学与现场教学采用任务分组方法，充分锻炼、提升学生的团队合作能力。现场实践教学开展的测绘实践活动使学生获得的建筑参数又可作为机房教学制图的素材，让学生根据测量的数据绘制建筑图纸，可充分调动学生的主观能动性，强化学生理解建筑中的尺寸和方位概念。教学过程既体现团队的分工合作，又要求独立完成图纸绘制，有力提升了学生对基础知识的综合理解和应用能力。

3 “教”与“学”的有效衔接

在学分及学时日渐缩减的教改背景下，考虑学生的学习效果和认知过程，逆向思维，决定教授的内容及顺序。因此，建筑概论的课堂教学中融入案例分析，并尽可能结合环境工程专业知识[6]。案例教学是一种以案例为基础的教学法，授课教师列举工程实例，将典型的项目成果有机地融合到课程教学中，让学生积极思考，加深学生对知识的理解，开阔学生视野。另外，教学过程还需要介绍环境工程中的土建元素；为了让学生在“听故事”的过程中，理解建筑知识的背景和涵义，以“识图-设计-构造”为轴线，采用案例教学，按照从整体到局部，从宏观到微观，从简单到复杂的规律，逐步展开知识点。“教”与“学”的有效衔接，规避了照本宣科的传授《建筑概论》知识让学生感到枯燥无味、学习兴趣降低的问题。

如图3所示，在第一章建筑识图的学习中，利用环境工程相关的“工业园区污水处理厂工程-中船九院”和建筑相关的“无锡市某住宅小区-朗诗地产”等设计图纸。让学生从真实的案例出发，掌握图纸中的定位轴线、坐标、标高、尺寸标注、线型含义、风向玫瑰图、指北针、比例尺等重要符号，从图纸中获取重要的建筑信息。例如：讲解《淀山湖馨香花苑小区》户型布局图时，引导学生作为购房者，考虑指北针对不同户型的采光影响，加深学生理解指北针在建筑中的重要意义；解释楼梯剖面图的折断线时，带学生实地观察教学楼的楼梯布局，理解不同楼层折断线位置不同的原因，强化学生对折断线和剖面细节的理解，提高学生的空间想象能力；展示水处理构筑物的模型与图纸的对应关系，清晰展示水的流向与延长水力停留时间的方式，联系环境工程专业，增加学生对本专业的认知和兴趣。

第二章建筑设计学习中，采用真实的设计案例，包括环境工程的水处理设计及污水厂泵站设计，土木建筑有关的上海中心大厦、虹桥机场、CBD办公及住宅平面图设计等。将设计过程、设计需要考虑的要素、规范标准、布局模式、体型及幕墙融入到每个案例中。播放《上海中心大厦建筑设计》纪录片，结合视频和学生一起归纳其中的建筑知识。引入角色换位模拟，设计生活情境[7]，缩小了课堂教学与真实生活和工作情境的距离，引导学生说出自己的想法和设计方案，培养学生对建筑设计的兴趣，加深今后工作和生活中对建筑及户型的认知。例如，在住宅平面图设计中，让学生作为设计师，为自己的住宅进行设计，考虑窗、门、墙方位对通风的影响；让学生作为售楼顾问，推销介绍自己设计的住宅卖点，引导学生主动学习和思考。在污水厂平面设计过程中，给定风向、道路、河流上下游及周边住宅位置等约束条件，综合考虑复杂工程因素，让学生设计污水处理厂建筑物及构筑物。介绍中西建筑设计的差异，凸显中国建筑传统文化以“和”为贵的魅力，达到“润物细无声”的课堂思政效果。

图3 《建筑概论与制图》课堂教学的案例分析的教改实践Fig. 3 Teaching reform of case study in the class of“Orientation of Architecture & Cartography”

第三章建筑构造学习中，重点学习“基础”构造，引入上海中心、上海南北-延安高架桥交叉桥基、上海莲花景苑小区住宅倒塌事件、意大利比萨斜塔等经典案例。在生动的教学过程中，让学生理解地基承载力、地基加固、桩基础(摩擦桩和端承桩)、地基沉降等概念。在地基施工一课中，讲解上海市闵行区莲花南路在建楼盘工地发生楼体倒覆事件，引导学生思考倾倒原因，解析在楼体前方开挖基坑，后方堆积土方，对桩基产生剪切力，引起楼房整体倒覆，加强学生对地基受力情况的分析能力。强调在环境工程施工过程中需要考虑的若干地基问题，分析和解决环境工程的复杂工程问题。在地下构造教学中，介绍《2030上海老城区排水规划》，构建地下海绵城市，拓展学生视野，让学生熟悉自己所处城市未来的总体规划。依托外滩万国建筑群、上海若干文化历史建筑(老厂房、田子坊、一大会址等)为案例，讲解墙、梁、楼板、吊顶、楼梯、地震缝等若干概念。以毛坯房到精装房的住宅装潢过程为案例，介绍房屋结构改造，区别承重墙与隔墙，介绍抹灰中水泥与砂浆比例在贴面砖(2∶1)、地面找平(1∶1)、墙面抹灰(1∶1)、砌墙体(1∶2)、贴地板砖(1∶3)等知识，引导学生思考地暖和吊顶装修过程中水、电、网线路埋放顺序。

4 “学”与“用”的互动支撑

学生在课堂上“学”到的土建知识，需要与工程实践相结合，引导学生运“用”知识指导实践，进而巩固所“学”知识。其中“学”与“用”的相互支撑包括以下3个环节：

4.1 翻转教学：识图实践

课堂教学的第一章识图课结束后，学生自行分组，每组5～7人，如图4所示，将东华大学环境科学与工程学院完成的《上海申兰集团洪庙牧场设计图纸》等7个实际工程设计图纸分配给各组，要求团队每位成员至少解读一张图纸，分工制作PPT，并对图纸内容进行标注示意(含不熟悉的构筑物及标注)，提高学生独立识图能力，让学生从“要我学”向“我要学”转变；同时团队合作体现在团队需要对总平面图、高程图(工艺流程图)、构筑物剖面图、污水处理工艺设施图、配筋图、预埋件图结合起来，整体把握，理顺图纸间的逻辑关系。采用翻转教学法[8]将学生推向课堂“主角”的地位，要求团队每位成员上台展示成果，分工讲解图纸内容。汇报形式多样化，鼓励学生在黑板将较难的内容绘制出来，比如某废水处理构筑物的平、立、剖示意图，并让学生提出疑问，且上台进行修图，突出学生的主体地位，培养学生自主识图、演讲表达、主动思考等能力。教师可从团队配合衔接评估小组总体情况，还可从学生对图纸的讲解正误、细节领悟和汇报逻辑等多角度评估个人情况。

图4 《建筑概论与制图》翻转教学的识图实践与团队分工Fig. 4 The practice of blueprint reading and teamwork drawing-recognition in the flip teaching of“Orientation of Architecture & Cartography”

4.2 现场教学：高程及建筑测绘实践

环境工程构筑物设计需要考虑地基平整及高程勘察，需要理解高程的重要意义[9]。为了提高学生的动手能力，增强学生的距离、高程、位置及方位感，在《建筑概论与制图》课程改革中，引入了测绘实践环节。设置2个实践任务：①校园高程及坐标测绘；②建筑物测绘。

如图5所示，校园高程及坐标测绘，学生按照识图实践的分组安排，挑选校园有高低起伏的地区，将校园分为6块区域，作为测绘标的。借助水准仪、皮尺、指北针等测绘工具，对校园指定区域进行高程勘测：首先，对指定校园区域测点进行标记，提前设计好站点位置；其次，逐步对测点的前、后视点进行测量，记录数据及方位角；最后，依次计算测点的高程及坐标。高程测绘实践要求学生掌握水准测绘仪的使用方法，掌握水准高程计算方法，了解建筑物坐标法定位方法，利用测绘仪器估算测点之间的距离及高程关系，用水准仪记录标高并进行数据处理，计算所选点坐标，以备后续制备校园平面图及管道纵剖面图。高程及坐标测绘实践要求闭合差在±4√L mm (L为环线的水准测量路线长度，km)内，闭合差不满足要求的团队，需要对测点进行重新测定。该过程不仅增强了学生的团队责任感，也在实践过程中体验了实际测绘方法和过程。

图5 《建筑概论与制图》现场教学的测绘实践Fig. 5 On-site teaching of surveying and mapping practice in the course of “Orientation of Architecture & Cartography”

建筑测绘实践与课堂教学第三章同时进行，让学生在建筑测绘实践过程中，带着需求与问题去接触真实的窗口、门洞、墙、梁、柱、散水、楼梯等构造，利用红外测距仪及卷尺，测量建筑的构造，真实的感受建筑构件的物理意义。虽然建筑物和人们生活息息相关，但学生可能从未关注过楼层的间距到底是多少，楼梯的朝向与间距是多少。通过实践环节，学生对建筑物的细节构造的认识更加具体化，进一步巩固了课堂教学的知识。

4.3 机房教学：独立绘制图纸呈现测绘成果

《环境工程CAD》为本课的先修课程[10]，因此，机房的制图教学重点为如何规范性绘制建筑图纸，并根据测绘数据，设计和绘制校园总平面图和建筑物。并根据现场测绘获得的数据，独立完成3项图纸绘制工作(图6)：①绘制所测高程范围的总平面图；②绘制管道埋深纵剖面图；③绘制所测建筑物平、立、剖面图。

图6 绘制图纸成果Fig. 6 Dispaly of blueprints

学生根据高程测绘实践获得的高程、坐标、方位及距离尺寸，绘制总平面图。为了提高学生解决复杂工程问题的能力，利用《排水管网》所学习的管道坡度计算方法，应用到本课程中，设计管道纵剖面图，要求学生将20点位以内的测点作为管道检查井的地面标高，计算管底埋深及标高。最后，依据建筑测绘实践获得的距离参数，绘制建筑平面图、立面图、剖面图。其中，需要绘制不同楼层的平面图[11]。独立绘制过程锻炼了学生CAD绘图技能，培养了工程绘图的专业素养。在未来的环境工程的毕业设计及工作中，为绘制构筑物的总平面图、高程图、单体图奠定了重要基础。

5 结束语

《建筑概论与制图》的教学改革和实践经历了6年的摸索与改进。从教学效果分析，选修的学生数量从原来的十几名上升并覆盖全部环境工程专业学生，甚至还有其他专业的学生选修，选修人数达到40余人。且反响较好，学生的评价较高。从教改前后的学生反馈中发现，原本枯燥无味的建筑识图限制了学生的主动思考，而现在对图纸的理解更加形象和功能化；原来没有动手实践，现在教学效果体现了学生测绘与绘制成果；原来对建筑构造缺乏兴趣的学生，现在已熟悉了建筑设计-施工-装潢全链条过程。建筑知识虽看似单调、枯燥，但把建筑知识与生活和专业案例结合起来，极大调动了学生的兴趣和主动思考能力，实现了良好的“教”-“学”衔接；现场建筑测绘及诸多实践环节，增强了学生的参与感、成就感和责任感，实现了较好的“学”-“用”互动。通过灵活的教学方式，把工程知识传递给学生，让学生感受到建筑知识与生活、专业、未来工作的关系，为学生日后从事工程工作奠定了坚实的专业和人文基础。

在教学改革过程中，还存在诸多问题，工程教育强调以成果为导向是未来持续改进的方向。例如，任课教师需要提高土木专业知识，对建筑构造的解释需要更专业，进一步提高学生解决工程问题的能力；现阶段教学使用的水准测绘仪是一种比较粗放的土木测绘仪器，在未来的教学实践中，可以采用全站仪等更为精确的测量设备；现阶段绘图工具CAD以平面绘制为主，未来的教学中，可以尝试CAD矢量图和三维建模结合，让学生的成果立体化；课程实践环节与生产实习并行，学生就实习的污染处理单位进行测绘，增强学生对环境工程中的建/构筑物的理解；结合现阶段设计院使用的BIM软件，可以尝试在教学中利用BIM软件作为桥梁，整合《建筑给排水》、《排水管网》、《工程概预算》及《水污染控制工程》等多个课程的建筑元素，将学生的实践数据、建筑构造设计模块及工程造价结合起来，进一步提高分析和解决复杂工程问题的能力。