新工科理念下的工程制圖課程教學(xué)改革實(shí)踐與研究

蔣杰

摘要：新工科理念對(duì)新時(shí)代高校本科教育提出了新的要求，現(xiàn)代信息化技術(shù)在教學(xué)中的運(yùn)用勢(shì)在必行。對(duì)于工程類專業(yè)廣泛涉及的圖學(xué)教學(xué)來講，BIM技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)都是可以快速融入課程教學(xué)之中的。尤其是在近年開設(shè)新的BIM技術(shù)系列課程之后，工程制圖、CAD技術(shù)、BIM技術(shù)的教學(xué)體系已經(jīng)形成。文章探討了在工程制圖課程中，廣泛使用BIM技術(shù)建立的三維模型幫助學(xué)生從二維圖紙到三維實(shí)體的直觀認(rèn)識(shí)，并用互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)幫助學(xué)生獲得學(xué)習(xí)資源和軟件技術(shù)支持、開始實(shí)踐圖學(xué)教學(xué)系列課程工程一體化的一些方法。

關(guān)鍵詞：新工科;土木工程制圖;BIM技術(shù);“互聯(lián)網(wǎng)+”

新工科理念的核心是互聯(lián)網(wǎng)和人工智能，這也就要求高校在人才培養(yǎng)中必須將信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于課程教學(xué)之中。工程制圖課程是土木工程類專業(yè)的一門專業(yè)技能課，在過去的一段時(shí)期里，設(shè)計(jì)師往往使用CAD 軟件繪制施工圖紙，也就是以二維圖形展示三維實(shí)體的各個(gè)細(xì)節(jié)。近年來，隨著BIM 技術(shù)的出現(xiàn)，由于其具有三維可視化、信息化、協(xié)同化等諸多優(yōu)點(diǎn)，加之政府的推廣及廠商全方位的宣傳，其應(yīng)用范圍已經(jīng)蓋過了CAD。國外的 BIM 教學(xué)實(shí)踐，以美國工程管理為例，很多高校的建筑或工程管理專業(yè)，針對(duì)不同的課程、采取不同的模式進(jìn)行了 BIM 教學(xué)改革。但短期內(nèi)CAD技術(shù)還不能退出歷史舞臺(tái)?，F(xiàn)階段，作為專業(yè)教師，應(yīng)該設(shè)法在工程制圖課程中完美結(jié)合二維圖學(xué)教育和三維模型的特點(diǎn)，并追求更為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)效果，充分激發(fā)學(xué)生對(duì)于圖學(xué)學(xué)習(xí)的積極性，建立起對(duì)工程行業(yè)的直觀認(rèn)識(shí)。

一、國內(nèi)現(xiàn)狀

工程制圖課程是一門非常重要的專業(yè)必修課，它主要培養(yǎng)學(xué)生識(shí)圖和制圖的能力，工程制圖課程長(zhǎng)期在大學(xué)課程中開設(shè)，已經(jīng)形成了一套固定的教學(xué)模式。

（一）工程制圖課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式分析

自從上世紀(jì)90年代以來，工程制圖課程教學(xué)進(jìn)入了CAD時(shí)代，數(shù)十年來，利用制圖軟件CAD 進(jìn)行識(shí)圖和繪圖成為了主要教學(xué)內(nèi)容，圖學(xué)相關(guān)理論知識(shí)通過課堂教學(xué)進(jìn)行，制圖操作則以上機(jī)操作為主。

這一傳統(tǒng)模式有著明顯的缺陷。其一，由于工程制圖課是專業(yè)基礎(chǔ)課，開設(shè)時(shí)間一般在本科第一學(xué)年甚至第一學(xué)期，學(xué)生的專業(yè)經(jīng)歷往往只有一次認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，在未學(xué)習(xí)工程施工、工程材料、工程結(jié)構(gòu)等專業(yè)課程的情況下，學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)只掌握了軟件的基本操作，對(duì)于圖紙的內(nèi)涵認(rèn)知是難以建立的。其二，工程圖紙是以二維圖形按照平法規(guī)則展現(xiàn)三維構(gòu)件的位置、大小、構(gòu)造等相關(guān)信息，這就需要學(xué)生具備較強(qiáng)的三維想象能力，但是我們不能奢求每個(gè)學(xué)生都具備這樣的能力，大多數(shù)學(xué)生都需要一個(gè)完整的三維構(gòu)件來與圖形進(jìn)行對(duì)比才能建立起直觀的認(rèn)識(shí)。其三，后續(xù)課程的跟進(jìn)比較困難，學(xué)生在大一進(jìn)行了制圖課程學(xué)習(xí)之后，接下來的工程施工和造價(jià)類課程較多的用到識(shí)圖和制圖技能。這些專業(yè)課程的開設(shè)時(shí)間比較靠后，也導(dǎo)致了學(xué)生所接受到的圖學(xué)教育不是連續(xù)的，形成斷檔。

（二）BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

BIM 技術(shù)正在大力推廣，它實(shí)現(xiàn)了三維模型可視化這一最基礎(chǔ)的功能，也就為其應(yīng)用于工程制圖課程提供了條件。目前，BIM建模主要使用REVIT軟件，可以在計(jì)算機(jī)上充分展示一棟建筑物的多維信息，包括尺寸、朝向、材質(zhì)等，相比只有平面繪圖能力的CAD 優(yōu)勢(shì)明顯。正因?yàn)槿绱?，住建部才?huì)在國內(nèi) CAD 技術(shù)已經(jīng)成熟的情況下，以較快的節(jié)奏推廣 BIM 技術(shù)。

從目前來看，BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)工作中完全取代CAD技術(shù)依舊存在問題：中國建筑行業(yè)所使用的施工圖需遵守傳統(tǒng)的平法規(guī)則，而REVIT所建立的三維實(shí)體模型直接生成的圖紙卻不能完全符合這一規(guī)則;REVIT軟件在進(jìn)行鋼筋配置時(shí)對(duì)硬件要求較高，且難以做到完全體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖;在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，本來要求簡(jiǎn)化模型，文字說明簡(jiǎn)潔明確，而REVIT 軟件可以有效還原三維實(shí)體模型，卻無法將一些標(biāo)注也完美呈現(xiàn)，例如梁的鋼筋標(biāo)注和墻柱表尤為明顯?？梢姸虝r(shí)間內(nèi)CAD軟件的輔助設(shè)計(jì)功能仍無法完全被取代。這就導(dǎo)致了工程制圖課程在進(jìn)行教學(xué)改革的過程中，既要與BIM 相結(jié)合，也應(yīng)保留對(duì)CAD 必要的教學(xué)內(nèi)容。

（三）互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)的出現(xiàn)，則是為教學(xué)模式的變革提供了條件。課程資源可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳到課程云平臺(tái)，學(xué)生可以在課堂學(xué)習(xí)之外，隨時(shí)登錄云平臺(tái)，調(diào)閱課程學(xué)習(xí)資料，并可以與教師開展實(shí)時(shí)互動(dòng)，學(xué)習(xí)的維度大大增加。對(duì)于教師來說，互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)的出現(xiàn)，可以有效地檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，使得因材施教真正成為可能，也為翻轉(zhuǎn)課堂等新的教學(xué)方法和手段提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

綜上所述，隨著時(shí)代的發(fā)展，仍然堅(jiān)持CAD傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)無法跟得上社會(huì)需要。而在工程制圖課程中運(yùn)用BIM技術(shù)可以有效幫助學(xué)生進(jìn)行三維形體的想象，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)圖紙內(nèi)涵，而互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)則可以幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)、隨時(shí)學(xué)習(xí)，并且更容易回顧已學(xué)過的知識(shí)，形成知識(shí)積累。

二、教學(xué)方法改革的具體舉措

BIM技術(shù)在工程制圖課程中的運(yùn)用具體做法是：在工程制圖課程中引入使用BIM技術(shù)建立的三維模型，可更加直觀地說明各種構(gòu)件的實(shí)際形狀、尺寸和圖紙的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過二維圖紙和三維模型的對(duì)比，能夠讓學(xué)生更容易建立起對(duì)建筑物的直觀認(rèn)識(shí)，極大地提高其學(xué)習(xí)效率。

互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)的具體運(yùn)用做法是：首先利用課程建設(shè)平臺(tái)建立云課堂，學(xué)生可以在線自行學(xué)習(xí)各種理論知識(shí)和CAD軟件、天正軟件等制圖軟件的操作，課堂教學(xué)將重點(diǎn)集中于工程識(shí)圖技巧，為日后的BIM技能訓(xùn)練做好準(zhǔn)備。在具體的教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)注意以下方面：

（一）課程網(wǎng)站應(yīng)盡可能完整，并具備實(shí)時(shí)互動(dòng)功能

工程制圖課程中涉及制圖和識(shí)圖，如果單純要求學(xué)生進(jìn)行圖形學(xué)習(xí)，實(shí)質(zhì)上無法提高學(xué)生對(duì)工程實(shí)體的認(rèn)知。因此，我們有必要為學(xué)生準(zhǔn)備足夠的，或者稍有超前的學(xué)習(xí)資料，使得學(xué)生從這門課開始就接觸到未來才會(huì)學(xué)習(xí)到的工程施工和工程結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)。例如，關(guān)于建筑物或者橋梁構(gòu)件、工程材料的分類等知識(shí)，在讀圖時(shí)是必備的，必須讓學(xué)生提前接觸，而且由于課堂學(xué)時(shí)的有限，這一部分的學(xué)習(xí)只能安排在課外由學(xué)生自行完成。一個(gè)完整的工程制圖課程網(wǎng)站，除了包含必須的教案、教學(xué)大綱、課件、試題之外，還應(yīng)該有擴(kuò)展性的參考資料，如土木工程知識(shí)簡(jiǎn)介、工程案例庫等。另外，為了適應(yīng)BIM技術(shù)教學(xué)，還應(yīng)該加入BIM基礎(chǔ)知識(shí)、BIM軟件基礎(chǔ)操作教程和BIM模型庫等。

（二）使用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法

本次教改首先要求學(xué)生按照課程和上課次數(shù)分組，教師提前提供一次課程的教學(xué)視頻和課件，由學(xué)生自行學(xué)習(xí)領(lǐng)悟，并依序指定一個(gè)小組的學(xué)生在課堂上使用BIM三維模型和課件進(jìn)行講解和分析，其他學(xué)生則提出問題，共同討論解決。教師在課程講授中僅對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行說明，再結(jié)合學(xué)生講解的內(nèi)容進(jìn)行點(diǎn)評(píng)、總結(jié)存在的問題，并進(jìn)行解答。而在識(shí)圖和制圖技能訓(xùn)練過程中則給每個(gè)小組指定一個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目，并提供全套圖紙，結(jié)合后續(xù)課程，可以使學(xué)生能夠完整經(jīng)歷識(shí)圖制圖、三維建模、渲染仿真、計(jì)量計(jì)價(jià)和項(xiàng)目管理全過程。

（三）靈活運(yùn)用BIM模型和輔助教具，加強(qiáng)學(xué)生直觀感知

教師要提前準(zhǔn)備好當(dāng)節(jié)課程所需要的BIM模型，并充分利用REVIT軟件對(duì)模型進(jìn)行三維展示，可以非常直觀的顯示出平面圖、剖面圖、立面圖的圖示原理。課程中涉及的建筑構(gòu)件識(shí)圖由于基本都顯露在外，學(xué)生經(jīng)?？梢越佑|到，印象較多，其三維形體的想象容易建立。結(jié)構(gòu)構(gòu)件尤其是鋼筋工程，由于被包裹在混凝土之中，學(xué)生缺乏直觀印象，就難以從二維圖紙想象到三維實(shí)體，以梁鋼筋為例，我們可以告訴學(xué)生集中標(biāo)注和原位標(biāo)注中每一個(gè)符號(hào)的含義，但是學(xué)生在未見過實(shí)物的情況下，對(duì)于鋼筋的彎起完全沒有概念，既無法理解為什么要彎起，也無法準(zhǔn)確判斷彎起的位置和角度。如果此時(shí)以三維模型進(jìn)行展示，其效果明顯要好很多。

除了軟件展示之外，最好的辦法莫過于讓學(xué)生親手制作一個(gè)簡(jiǎn)單的模型。鋼筋模型可以使用細(xì)鐵絲，讓學(xué)生在課堂上用很短的時(shí)間制作出一個(gè)與實(shí)際效果接近的物品，這對(duì)于學(xué)生加深對(duì)鋼筋的形體認(rèn)知有非常好的效果。

（四）改革課程考核方式，刺激學(xué)生主動(dòng)性

毋庸置疑的是，現(xiàn)在本科生的學(xué)習(xí)明顯帶有功利性，除部分主動(dòng)性較強(qiáng)的優(yōu)秀學(xué)生外，大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)目的簡(jiǎn)單而直接，就是考核通過，滿足最終獲取畢業(yè)證和學(xué)位證的基本需求。為了提高教學(xué)效果，必須要讓學(xué)生普遍參與到互動(dòng)中來。

工程制圖課程可以對(duì)課程考核方式做出如下改革，要求學(xué)生在課堂教學(xué)之前先登陸課程網(wǎng)站進(jìn)行預(yù)先自學(xué)，課堂上再以學(xué)生提問，教師作答解惑為主，教師不再進(jìn)行太多的講解。在課前教師給學(xué)生分組和安排實(shí)際工程圖紙，并要求每個(gè)小組學(xué)生在課堂上對(duì)本組工程項(xiàng)目進(jìn)行全方位的介紹，說明工程構(gòu)造特點(diǎn)，并且做到言之有物，其他學(xué)生則針對(duì)其介紹的情況進(jìn)行提問，教師根據(jù)介紹情況打出小組和個(gè)人分，這一得分可直接影響平時(shí)成績(jī)的評(píng)定，同時(shí)也可根據(jù)其他學(xué)生的提問情況對(duì)其進(jìn)行平時(shí)成績(jī)的加分。這一考核方式的存在，可以刺激學(xué)生的發(fā)言熱情，所以每節(jié)課的學(xué)生講解、工程介紹和互動(dòng)提問環(huán)節(jié)的氣氛都非常熱烈。

三、教學(xué)方法改革效果與思考

通過上述一系列舉措，工程制圖課程不管是從課堂組織上、成績(jī)分布上還是學(xué)生的學(xué)習(xí)效果上與其他課程相比都會(huì)展現(xiàn)出極多的不同之處，這些情況的出現(xiàn)，首先說明了課程教學(xué)方法改革已經(jīng)體現(xiàn)出效果，但是其中優(yōu)劣之處，仍需進(jìn)一步的分析和實(shí)踐。

（一）由純粹的“教”轉(zhuǎn)化為師生互動(dòng)

各種教學(xué)改革舉措的實(shí)施，大大的減少了課堂講授的時(shí)間。通過實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)，大約三分之二的課程學(xué)時(shí)被改變?yōu)閹熒g、生生之間的互動(dòng)時(shí)間，同時(shí)學(xué)生在課前自學(xué)和課堂互動(dòng)中主動(dòng)或者被動(dòng)的參與思考、投入討論，均能有效起到提高學(xué)習(xí)效率的作用，達(dá)到了翻轉(zhuǎn)課堂的目的。教師在這一過程中變身為旁觀者和監(jiān)督者，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)情況也能夠有更為清楚的認(rèn)識(shí)，便于針對(duì)不同的群體實(shí)施不同的教學(xué)手段。

（二）深化了學(xué)生對(duì)BIM技術(shù)的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了其學(xué)習(xí)興趣

工程制圖課程課堂教學(xué)改革的重點(diǎn)，是把BIM技術(shù)進(jìn)行廣泛而深入的應(yīng)用，從而成功的讓剛剛進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)的學(xué)生提前接觸并認(rèn)識(shí)到BIM這一引發(fā)建設(shè)行業(yè)巨大變革的前沿技術(shù)的重要意義。根據(jù)過往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，如果學(xué)生在大二才進(jìn)入BIM建模這樣的技能操作性課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的圖學(xué)教育就會(huì)出現(xiàn)斷層和沒有連貫性，甚至對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用效果認(rèn)識(shí)不到位，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)缺乏主動(dòng)性。而在CAD學(xué)習(xí)時(shí)引入BIM技術(shù)，可以直觀地對(duì)二維圖紙和三維模型進(jìn)行對(duì)比，學(xué)生自然會(huì)發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)的優(yōu)越性，進(jìn)而激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。在工程制圖課程教學(xué)結(jié)束后，很多學(xué)生自發(fā)的開始了對(duì)BIM技術(shù)的學(xué)習(xí)，圖學(xué)技能明顯得到提高，并在在大二、大三就完全具備了參加高水平學(xué)科競(jìng)賽的能力，且一部分學(xué)生成功獲得了BIM建模師的資格證書。

（三）應(yīng)盡量實(shí)行小班教學(xué)

以工程制圖課程教學(xué)改革的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如果要獲得不錯(cuò)的教學(xué)效果，就必須將教學(xué)班人數(shù)控制在不多于40人。如果人數(shù)過多，在組織進(jìn)行課堂互動(dòng)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)較大的困難。假設(shè)上課次數(shù)一共為16次，每次課均安排一個(gè)學(xué)生小組來介紹其識(shí)讀的實(shí)際工程項(xiàng)目的圖紙，如果每次課上需要有4～5名學(xué)生發(fā)言，那么每個(gè)人的發(fā)言時(shí)間就必須控制在10分鐘以內(nèi)，才能保證教師有足夠的時(shí)間來解答問題和改正學(xué)生的錯(cuò)誤，這樣就難以再進(jìn)行大面積的學(xué)生互動(dòng)討論。

四、總結(jié)與展望

對(duì)于土木工程和工程管理一類專業(yè)的學(xué)生來說，CAD和BIM系列圖學(xué)教育是日后進(jìn)入社會(huì)的基礎(chǔ)職業(yè)技能，更是核心技能。BIM這一新興的建筑信息化技術(shù)，其三維直觀性的特點(diǎn)顯然可以在本科教學(xué)中發(fā)揮巨大作用，可以進(jìn)行有力的推廣，但是近幾年還鮮有前例。不僅如此，BIM 適用教材較少，而且編寫實(shí)用性、科學(xué)性的BIM 教材也相對(duì)困難?；ヂ?lián)網(wǎng)+云技術(shù)，則提供了更為便捷的學(xué)習(xí)平臺(tái)，兩者的結(jié)合，可以說完全改變了工程圖學(xué)教育的模式。

筆者預(yù)測(cè)未來圖學(xué)教育的發(fā)展方向必將往這一方向發(fā)展，基礎(chǔ)教學(xué)如圖紙規(guī)范一類將只會(huì)借助互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行，學(xué)生們?cè)诮淌依锞涂梢韵裨趯?shí)際工程中的圖紙交底現(xiàn)場(chǎng)一般進(jìn)行識(shí)圖學(xué)習(xí)，同時(shí)BIM模型，以及AR、VR技術(shù)都將會(huì)出現(xiàn)在課堂上，圖學(xué)教育的視聽感受將完全走向精細(xì)化的仿真。

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編輯∕楊波