土木工程图学课程的教学改革与思考

毕迎迎 ，刘 龙 ，赵 军 ，王军伟

（1.安阳学院，河南 安阳 455000；2.安阳工学院，河南 安阳 455000）

1 概述

近年来，随着我国社会经济的飞速发展，市场要求大学生具备较强的实践创新能力[1]。传统实践教学方法形式单一，且偏重于理论，实践教学内容缺乏自主性和创新性，而学科竞赛是培养学生实践创新能力的重要途径，“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（以下简称“大学生先进成图大赛”）是教育部高等学校工程图学教学指导委员会、中国图学学会制图技术专业委员会、中国图学学会产品信息建模专业委员会共同主办的全国大学生学科竞赛，该竞赛通过有效搭建一个规范化、信息化、创新性，面向实际工程结构的实践创新平台，已成为培养学生实践创新能力的有力途径[2-3]。竞赛分建筑类、道桥类、机械类和水利类四个类别，结合传统的尺规手绘工具和计算机软件，对实际工程结构物进行尺规绘图和产品信息建模，综合考核学生的工程设计能力，该比赛自2008年开赛以来，已连续举办十二届，其比赛规模及影响力逐年增大[4-5]。作为一种提升学生实践创新能力的有力途径，很多高校极其重视其在教学实践中的作用。

鉴于近几年指导土木工程专业学生参与此项竞赛的探索与实践，拟以大学生先进成图大赛为载体，对土木工程制图课程进行改革，旨在提高学生实践创新能力，为社会培养复合型人才。

2 教学改革目标

2.1 降低学生思维难度

目前土木工程图学教学分为工程制图教学和计算机辅助绘图教学两个部分。通过工程制图的教学，使学生掌握投影原理[6]，具备空间想象能力，从而可以将二维图形转译为三维空间实体，同时通过手工绘图的方式，将三维空间实体以三视图的形式按国家相应标准手工绘制在图纸上[7]。通过计算机辅助绘图教学，使学生掌握AutoCAD软件，从而可以利用计算机绘制相应的二维平面图。但传统的土木工程图学教学要求学生能够通过二维的读图去确定三维物体，从二维到三维这一过程要求学生有较强的空间想象能力，这对空间能力想象弱的学生是很不友好的。这种通过二维图文信息搭建三维空间模型的模式[8]，会给初学者带来很大的不便。

2.2 教学理念转移

土木工程图学的教学目的是使学生具备用二维图形表达三维立体空间的能力[9]，使其在今后的学习中具备土木工程行业基本的设计绘图能力、三维构型等。传统土木工程图学以“投影理论教学为主，AutoCAD软件学习为辅”的教学理念，重点讲授投影理论，即三视图的形成、投影规律、点线面的投影等，以此理论为基础以二维图形去表达形体、施工图等。而AutoCAD软件的学习，也仅仅是用计算机代替手工尺规进行二维图形绘制。

BIM技术的出现，使得原有的教学理念已经不再适合新技术的发展，应改革传统的教学理念为“投影理论辅助计算机建模”，更侧重培养学生于计算机三维建模的能力。同时通过创建三维模型，更好地锻炼了学生的空间思维能力。

2.3 教学内容改变

教学内容是培养大学生能力的重要载体，教学内容的合理设置对于人才的发展有着重要作用。传统的土木工程图学教学主要侧重在理论、软件绘图命令与手绘的讲解方面。所选取的教学内容，往往随意选择与土木工程方向不相关，或者关联不大的示例图形来讲解。课后的练习题也和土木工程制图联系不紧密，造成学生学完之后不明白为什么这样做、这样做和国家制图标准规范有多大差距[10]。同时，以往的图学教学中仅保留了三维空间实体的几何信息，而实体的材料、工艺仅有文字描述，关于实体各种信息的关联度很差。而BIM技术提供了虚拟化的建设场景，将材料、配件、数量等信息与三维实体模型建立起联系，实体模型各种信息的关联度变强。这便要求在教师授课内容中不仅仅讲授投影理论、软件操作，还要穿插土木工程中的其他知识进行简单讲授，有利于激发学生对土木工程继续学习的兴趣，使得学生对土木工程有宏观上的认识，也为后续的学习打下基础。

3 教学改革方案

对土木工程制图课程进行教学改革的总体思路是：指导教师将创新教育理念作为改革的指导方针[11]，将大学生先进成图大赛所需的专业知识、专业技能和日常的教学有机结合，完善教学内容，提高教学质量，培养高技能创新人才。以课程考核为例，可在土木工程制图课程考核过程中，采用大学生先进成图大赛的积分制，将考核内容分为3个模块，分别对应尺规绘图、计算机二维建模以及计算机三维建模，具体的测试内容也可借鉴大学生先进成图大赛，以土木工程实际结构为测试题目。

通过这种以竞赛为依托的教学改革，可以在日常教学中增加学生的专业知识和专业技能，扩大学生的知识面，将工程实践与理论制图有机结合，提高学生理论分析和解决问题的能力与水平，促使学生从理论学习向实践能力的转变，使学生掌握快速看图、快速作图的能力，培养学生的专业兴趣和乐于学习制图、善于识图分析、能够结合图纸构思三维空间结构的能力。

为了能够实现制图课堂的教学和大学生先进成图大赛的良好衔接，教师应当在具体授课环节上下足功夫，优化授课内容，充分利用现代数字信息技术。采用多样化的教学手段向学生传授理论知识和创新知识。通过多媒体课件、现场视频和照片等呈现工程实践项目的情景和流程，采用BIM技术建立的三维虚拟模型，让学生和老师快速交流制图的问题，大大提高教学质量和教学效率。同时，教师应当重视开阔学生学习三维建模和二维建模的视野，激发学生学习的求知欲，调动学生学习的主动性，提高学生的学习能力，培养具有创新技能和积极进取的人才。

4 教学改革实施

具体课程改革的实施方式要结合大学生先进成图大赛的比赛内容来进行，实施对象为某校2018级土木工程专业一班和二班学生。具体实施分两阶段进行，第一阶段是土木工程制图理论与尺规绘图的教学环节，在原来的教授学生绘制点、线、面的基础上，综合分析实际工程结构物。鉴于这一阶段学生对制图概念尚不熟悉，可以将工程结构物进行拆分，逐个构件进行讲解，要求学生逐个构件进行绘制，在积累一定的构件绘制经验之后，可教授学生如何对多个简单构件进行组装绘图，这样整个讲解过程呈现由易到难的过程，学生更容易接受，学生既可以在绘制单独构件过程中掌握绘图基本理论，也可以积累一定的实际工程结构绘图经验，绘图过程中传授学生如何利用已有的绘图工具快速进行建筑构件的绘制。比如，丁字尺和三角板相互结合，使所画出的水平线和竖直线处于垂直状态，巧妙利用三角板斜边，绘制一些带有角度的线段等；第二阶段是土木工程制图的计算机辅助制图教学环节，也就是教授学生使用计算机软件进行绘图，这一阶段要培养学生快速识图、绘图能力，结合大学生先进成图大赛，快速识图、绘图能力尤其重要。以AUTOCAD软件为例，在教学环节，将传统的先讲授菜单，后进行实际操作方法进行改进，改为教学生如何使用快捷命令为主，代替之前的传统菜单操作。比如，要绘制一条直线，那么教学生用直线快捷键L来代替在菜单栏里点击命令；绘制对称结构时，可以先绘制一半图形，然后利用镜像快捷键MI直接绘制出另一半；当等距离复制数量较多图形时，可以使用复制快捷键CO里边的阵列功能，等等。这个环节要求学生记忆常用的快捷命令以及命令的操作步骤，这样绘图较传统方式相比会更准确、更快速。

此外，为了充分调动学生课后学习制图技术的积极性，提高教学效果和学生的制图水平，挖掘学生的潜在学习能力，培养学生探索和解决问题的意识和创新思维。借鉴大学生先进成图大赛的组队方式，对班级进行合理分组，5名同学1组，设组长1名，5名同学要合力协助，共同完成课后作业。在评定课后作业环节，由传统的教师一人面对全班的作业形式不同，教师对每个小组每名同学的作业进行评分，5名同学的总分为最终小组得分，这样能够激发学生学习制图课程的积极性，因为任何1名同学的作业都会影响小组在全班的排名。后续还可以根据小组排名情况以及每个小组中组员的表现情况，选出5名尺规绘图和计算机建模成绩均较好的同学组成团队和四名单项成绩突出的同学参加河南省以及全国的大学生先进成图大赛，这样学生的学习热情将会得到很大提高。

5 教学改革预期效果

新的授课模式符合高等院校对土木工程制图的课程要求，在满足培养大学生创新性和自主性的同时提高了大学生的基础制图技能。在这种教学模式下，学生可以对建筑物大小构件充分理解，精准把握各类制图规范，把理论与实际巧妙结合。尺规绘图方面，首先学生对所绘制图形可以正确地在对应图纸尺寸上选择合适比例和布局，在符合尺规绘图规范的前提下快速抄图、补图、标注，熟练利用各种尺规绘图工具，绘图成果干净、美观、正确；计算机二维建模方面，学生能熟练运用AUTOCAD快捷键命令，取代鼠标在菜单栏一个个寻找对应命令，通过大量练习总结出绘图技巧，比如同样的图形采用哪个命令可以更加快速绘制。常见的图形特性可以进行修改，善于利用各种便于绘图的插件；计算机三维建模方面，学生可以先建立小的构件，然后对小的构件进行组装（原理类似装配式建筑），避免学生看到图纸不知所措，不知道要从哪里开始做起，这样可以保证所建模型在结构上正确，模型建立速度也可以明显提高。在大学生先进成图大赛上，学生也能取得更好的成绩。同时，新的授课模式也将加强学生的职业素养，培养学生执着专注、精益求精、追求卓越的工匠精神，为以后在工作岗位的良好发展打下坚实基础。

6 学生反馈

接受传统的工程图学课程的学生经常给出以下反馈：“老师上课讲的都听懂了，就是工程中不知道怎么用”“学完制图课，假期再去报个手绘或软件培训班”“老师上课讲的菜单命令运用看起来都很简单，当自己实际运用的时候要么已经忘记命令在哪个菜单栏，要么忘记具体命令的操作步骤”“由于练习量小，老师讲的绘图技巧并不知道在什么地方可以用能够找到”等等。在指导大学生先进成图大赛道桥类学生进行绘图训练时使用了上述的教学模式，学生普遍反映在备赛过程中明显要比平时上课对图形的理解更加深刻、对绘图技能运用的更易上手。从学生的练习结果看出，学生在一定程度上已经理解建筑物构件的功能和含义，对绘图规范把握的情况和尺规绘图效果相比之前有很大改善，计算机二维建模速度明显提高，对快捷键命令的使用更加熟练，计算机三维建模效果更加逼真，建模速度更加迅速。