以提升学生创新力为导向的科技绘图训练体系研究

王少锋，郭思达

（中南大学资源与安全工程学院 湖南 长沙 410083）

1 新工科创新教育的需求和趋势

新工科创新教育是针对社会对新兴科技领域和新工科人才的需求而提出的一种教育改革模式[1]。随着社会的发展，对新工科人才的需求越来越高，教育改革也变得更加迫切[2]。在教育改革的进程中，学生的创新力培养得到越来越多的重视[3]。因此，创新教育是新工科专业未来教育的趋势，是适应当前社会对创新型人才需求的一种教育改革模式，注重培养具有创新能力、实践能力、跨界能力和社会责任感的新工科人才[4]。

新工科专业的创新教育是一个复杂的体系，具有不同的教育手段和教育思想，其最终目的是培养学生具有创新性思维，即能够发现新的科学问题，并运用新的科学方法去解决问题。在创新教育体系中，提升创新能力必要的一环就是培养学生的科技绘图能力。科技绘图是学生创新力培养的要求[5]，同时又是体现学生创新想法和思路的关键途径。因此，在新工科背景下，科技绘图和创新力培养是紧密联系的，科技绘图为创新者提供了更精准、更高效的创新工具和平台，促进了其创新力的不断提高和创新成果的不断涌现。但是，在当前的教育体系中，针对提升学生科技绘图能力的培养体系仍存在空白。因此，本文着眼当前教育教学OBE（Outcome based education，OBE）理念，针对能力建设这一关键目标，进一步分析科技绘图对提升新工科专业学生创新能力的作用，并提出一套以提升学生创新力为导向的科技绘图训练的培养体系。

2 科技绘图在新工科创新教育中的作用

随着技术的不断发展，科研工作已经进入了“软件绘图”的时代。“软件绘图”不仅改善了纯文字描述的不足，还能在创作过程中帮助学生梳理并清晰思维，引导学生的创新性思考，对提升新工科专业学生的创新能力有重要作用。

2.1 促进学生对知识体系的掌握

科技绘图对学生深入掌握知识体系有重要作用。对于复杂的专业知识，学生可以通过绘制思维导图、流程图等了解专业知识体系的组成部分和相互关系，按照自己的理解对其进行拆分或归纳后，在分散的知识点之间建立联系，从而形成完整的知识体系框架。因此，学生掌握了熟练的绘图技巧，就能够在建立知识体系框架的过程中得心应手。学生建立了完整且细致的知识体系之后，可为后续的“创新”奠定基础。

2.2 引导学生进行创新思考与创新研究

在新工科背景下，教师引导学生以绘制图片的方式传递和梳理自己的新想法、新思路，并在绘图过程中进一步拓展思路和想法，是培养学生创新能力的有效途径。首先，科技绘图软件可以作为学生进行创新研究和探索的一个平台，帮助学生将其创新性概念和想法通过图片的形式呈现出来。其次，科技绘图也是一种具有艺术性质的创作方式，它能够激发学生对创作内容的兴趣，使学生更愿意进行创新思考和研究。同时，目前许多绘图软件，如数值模拟软件等，需要学生掌握多学科的知识，这样有助于培养学生成为跨学科融合的创新型人才。

2.3 帮助学生完成创新性科研成果展示

随着学术交流的不断深入，越来越多的学生通过发表科技论文报道自己的最新研究成果，以引起大家的关注和兴趣。科技论文中，图片是必不可少的一部分，其作为一种更直观的呈现方式，作者可以通过其展示自己的研究过程与研究结果。人类的大脑对于图片的记忆远远高于对文字的记忆，一张生动的图片，可以很好地向读者传递作者想要表达的内容。同时，一张精美的图片，也更加容易吸引读者的兴趣，使读者产生强烈的阅读欲望。因此，绘制科技论文图片是科研工作者的必要能力，在新工科背景下，也是培养学生创新能力的必然要求。

3 基于科技绘图训练的培养体系

科技绘图能力的培养是学生创新教育培养体系中的重要一环，掌握科技绘图的技术，能够帮助新工科专业的学生在创意生成、创意表达、创意设计等方面提高创新能力和创新质量。因此，本文以提高新工科专业学生的创新力为导向，提出了基于科技绘图训练的培养体系。该培养体系的思路如图1 所示。

图1 以培养学生创新力为导向的科技绘图训练体系

3.1 结合专业背景，构建个人知识体系

以专业知识为背景，引导学生通过思维导图或流程图构建知识体系，梳理专业发展的历程，纵向和横向全面了解专业发展脉络，为激发学生的创新性思维奠定充实的基础。在学生构建个人知识体系的过程中，教师可引导其从中传递和梳理出自己的新想法、新思路，并在绘图过程中进一步拓展思路和想法，让学生对专业领域的科学问题进行深刻且富有创造力的思考，帮助学生找到解决问题的关键因素或关键环节，达到增加学生创新性思考、增强学生创新性思维的目的。

3.2 了解绘图方法，掌握绘图技巧

开展系列科技绘图讲座，帮助学生了解科研过程中涉及的图片种类、相应的绘图软件以及绘图技巧等，激发学生对科技绘图的兴趣。讲座内容主要包括对科技论文图片类型和绘图软件的总结，以及绘图技巧的培训。

3.2.1 科技论文图片类型及绘图软件

熟练掌握绘图技能首先要清楚科技论文中经常运用的图片类型，以及相应的绘图软件。科技论文中的图片，主要包含四类[6]：表示示意信息的示意图；由数码产品所拍摄的实物图；展现数值模拟软件结果的数值模拟图；展现数据分布情况及相关关系的数据图。随着计算机技术的发展，市面上出现越来越多的专业软件，能够支持科研工作者绘制各种类型的图片，并以图片的形式展现其研究成果。在完成科技论文的过程中，作者可以根据其表述需求绘制相应类型的图片，向读者展示所做的研究类型。

①示意图。科技论文中的示意图用于展示物质之间的关系，或某个过程的基本原理，大部分由几何构型、说明文字和指引箭头构成。它通常以现实为基础，用简化的实体结构来体现各组成部分的逻辑关系，并且会突出重点，忽略某些细节。因此，作为示意图，要能够简单明了地将重点呈现在读者面前。示意图是最能够直观体现创作者创新想法的图片类型，合理运用示意图，能够使读者快速、直观、清晰地获取作者想传达的信息。绘制示意图的软件主要包括：AutoCAD、Smart Draw、Visio、PowerPoint、Adobe Illustrator、SolidWorks、SketchUp、ProE、Catia 和UG。

②实物图。实物图，就是要将实物的图像呈现在读者面前。实物图能够真实地展现科研工作的内容，增强科研工作的可信度。以工科专业科技论文为例，论文中常常出现试验仪器、试验过程、试验结果或工程现场的图片，这就要求作者拍摄尽量高清的图片来客观呈现。为了使实物图更加美观，在不影响图片客观性的前提下，作者可以通过Adobe Photoshop 美化图片，提高图片质量；也可以在图片中添加一些说明文字与箭头，突出图片展示的重点内容。

③数值模拟图。当研究者的创新性想法难以通过现实条件实现时，如试验条件复杂，实验室试验无法完全满足试验要求时，可以通过进行数值模拟来完成。与实验室试验相比，数值模拟具有成本低、速度快的优势。因此，数值模拟被越来越多地应用于科学研究中，其结果通过数值模拟图展现出来。数值模拟图作为数值模拟软件的伴生品，确定了数值模拟软件，也就确定了数值模拟图类型。区别于文字表述或数据图，数值模拟图能够以颜色或几何形状的变化直观地展现研究结果。数值模拟图是各种图片绘制中学习成本最高，与专业知识联系最紧密的类型。因此，要画出较好的数值模拟图，学生通常需要进行较长时间的学习。市面上数值模拟软件众多，且不同专业领域中常用软件差异较大，工科专业中常用的数值模拟软件包括：Ansys、Comsol、Abaqus、Flac2D、Flac3D、UEDC、3DEC、PFC2D 和PFC3D。

④数据图。大数据时代，数据存在于方方面面，冗杂的数据间也存在各方面的联系。绘制数据图通常是作者揭示科学问题规律的主要手段，数据图就是对数据资料的深度剖析，将数据直观、立体、分门别类地呈现到读者面前，是体现科研结果和科研价值最有力的工具。通过对数据图的分析，可以明确数据的分布情况以及各变量与试验结果之间的关系，从而得到具有说服力的结论。绘制数据图侧重于对数据的处理能力，通常熟练掌握一或两个软件即可，绘制数据图的软件主要包括：Matlab、Mathematica、Maple、Origin、R 和Excel。

⑤绘图软件的综合利用。在一篇科技论文中，上述四种类型的图片通常会涉及多项。因此，作者需要掌握每一类图片的绘图技巧，但是具体到每一类图片的对应软件，只需掌握自己研究领域内的一个或几个，这就需要作者首先了解每一种绘图软件的使用特点。文中提到的绘图软件的特点如图2 所示（p65）。上述绘图软件均在各自领域有很广泛的应用，功能强大，所需学习的时间也较长。作者可根据各个绘图软件的特长与表述需求，选择合适的绘图软件；也可以综合利用多个软件，对图片进行组合或排布，以更加饱满、美观的形式呈现在科技论文中。

图2 科技论文绘图软件及特点

3.2.2 科技论文的绘图原则

图片的整体性、自明性、美观性决定了科技论文整体的呈现效果，可以为文章增加可读性和可理解性，从而提升文章的科学价值和学术意义。因此，绘制科技论文图片的过程中应当遵循几个重要的绘图原则。

①图片的整体性。科技论文图片中，若能用一幅图片包含完整的信息，其表达效果会好于用多幅图片表示。多幅类型相同或相关的图片绘制或组合在一起时，可以使图片内容更加丰满，避免由于图片中留有太多空白而导致的空旷观感。同时，也要注意不要一味追求图片包含的信息量，要更注重图片的逻辑性和条理性，图片中的信息要清晰可见，不过分追求图片的复杂化。

②图片的自明性。图片是一种代替文字表述的展现形式，一幅图片的呈现应该让读者在看到图片本身时就能够明白其想要表达的信息，因此，图片应当具有自明性。对于同行业的读者，只需浏览论文中的所有图片即可大致明晰文章的研究内容、创新点及主要结论。科技论文图片的自明性可以帮助读者更快速地理解抽象概念，减少解释和重复的文字表述，提高读者的阅读效率。从该角度出发，图片需要简单明了，这就要求图片中包含的要素一定要完整且简洁。

③图片的美观性。科技论文图片的重点虽然是体现科学概念或科学规律，精确的数据和实验结论必不可少，但是美观性同样不可被忽略。一幅美观的图片更容易吸引读者的兴趣，使读者投入文章所传递的信息当中，能够更好地理解文章的研究内容。科技论文中的图片在准确反应科学规律的同时，兼具艺术美感，有利于提升文章的学术价值，还能有更好的宣传效果。

3.3 专业课题实践，考查绘图能力

系列讲座完成后，教师可以通过实践课堂来检验学生的绘图能力。在实践教学中，引导学生选择其知识体系中感兴趣的科学问题，形成专业课题，对课题进行深入研究。在研究过程中，结合所学的科技绘图技术，将其创新性的想法、解决问题的创新方法，以及取得的创新性研究成果呈现出来。

4 结语

本文分析了科技绘图在新工科专业学生创新教育中的重要作用。首先，运用科技绘图，能够帮助学生构建完整的专业知识体系，从而进一步引发学生的创新性思考。其次，科技绘图能够帮助学生完成其创新性研究成果的展示。为了提升学生的科技绘图水平，完善新工科专业的创新教育体系，本文提出了一套基于科技绘图训练的培养体系。通过加强对学生科技绘图能力的训练，能够进一步提升学生在科研过程中的创新力。