以提升學(xué)生創(chuàng)新力為導(dǎo)向的科技繪圖訓(xùn)練體系研究

王少鋒，郭思達(dá)

（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410083）

1 新工科創(chuàng)新教育的需求和趨勢(shì)

新工科創(chuàng)新教育是針對(duì)社會(huì)對(duì)新興科技領(lǐng)域和新工科人才的需求而提出的一種教育改革模式[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)新工科人才的需求越來越高，教育改革也變得更加迫切[2]。在教育改革的進(jìn)程中，學(xué)生的創(chuàng)新力培養(yǎng)得到越來越多的重視[3]。因此，創(chuàng)新教育是新工科專業(yè)未來教育的趨勢(shì)，是適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才需求的一種教育改革模式，注重培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、跨界能力和社會(huì)責(zé)任感的新工科人才[4]。

新工科專業(yè)的創(chuàng)新教育是一個(gè)復(fù)雜的體系，具有不同的教育手段和教育思想，其最終目的是培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新性思維，即能夠發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)問題，并運(yùn)用新的科學(xué)方法去解決問題。在創(chuàng)新教育體系中，提升創(chuàng)新能力必要的一環(huán)就是培養(yǎng)學(xué)生的科技繪圖能力。科技繪圖是學(xué)生創(chuàng)新力培養(yǎng)的要求[5]，同時(shí)又是體現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新想法和思路的關(guān)鍵途徑。因此，在新工科背景下，科技繪圖和創(chuàng)新力培養(yǎng)是緊密聯(lián)系的，科技繪圖為創(chuàng)新者提供了更精準(zhǔn)、更高效的創(chuàng)新工具和平臺(tái)，促進(jìn)了其創(chuàng)新力的不斷提高和創(chuàng)新成果的不斷涌現(xiàn)。但是，在當(dāng)前的教育體系中，針對(duì)提升學(xué)生科技繪圖能力的培養(yǎng)體系仍存在空白。因此，本文著眼當(dāng)前教育教學(xué)OBE（Outcome based education，OBE）理念，針對(duì)能力建設(shè)這一關(guān)鍵目標(biāo)，進(jìn)一步分析科技繪圖對(duì)提升新工科專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的作用，并提出一套以提升學(xué)生創(chuàng)新力為導(dǎo)向的科技繪圖訓(xùn)練的培養(yǎng)體系。

2 科技繪圖在新工科創(chuàng)新教育中的作用

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，科研工作已經(jīng)進(jìn)入了“軟件繪圖”的時(shí)代?！败浖L圖”不僅改善了純文字描述的不足，還能在創(chuàng)作過程中幫助學(xué)生梳理并清晰思維，引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新性思考，對(duì)提升新工科專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力有重要作用。

2.1 促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的掌握

科技繪圖對(duì)學(xué)生深入掌握知識(shí)體系有重要作用。對(duì)于復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)，學(xué)生可以通過繪制思維導(dǎo)圖、流程圖等了解專業(yè)知識(shí)體系的組成部分和相互關(guān)系，按照自己的理解對(duì)其進(jìn)行拆分或歸納后，在分散的知識(shí)點(diǎn)之間建立聯(lián)系，從而形成完整的知識(shí)體系框架。因此，學(xué)生掌握了熟練的繪圖技巧，就能夠在建立知識(shí)體系框架的過程中得心應(yīng)手。學(xué)生建立了完整且細(xì)致的知識(shí)體系之后，可為后續(xù)的“創(chuàng)新”奠定基礎(chǔ)。

2.2 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思考與創(chuàng)新研究

在新工科背景下，教師引導(dǎo)學(xué)生以繪制圖片的方式傳遞和梳理自己的新想法、新思路，并在繪圖過程中進(jìn)一步拓展思路和想法，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑。首先，科技繪圖軟件可以作為學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新研究和探索的一個(gè)平臺(tái)，幫助學(xué)生將其創(chuàng)新性概念和想法通過圖片的形式呈現(xiàn)出來。其次，科技繪圖也是一種具有藝術(shù)性質(zhì)的創(chuàng)作方式，它能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)創(chuàng)作內(nèi)容的興趣，使學(xué)生更愿意進(jìn)行創(chuàng)新思考和研究。同時(shí)，目前許多繪圖軟件，如數(shù)值模擬軟件等，需要學(xué)生掌握多學(xué)科的知識(shí)，這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生成為跨學(xué)科融合的創(chuàng)新型人才。

2.3 幫助學(xué)生完成創(chuàng)新性科研成果展示

隨著學(xué)術(shù)交流的不斷深入，越來越多的學(xué)生通過發(fā)表科技論文報(bào)道自己的最新研究成果，以引起大家的關(guān)注和興趣?？萍颊撐闹?，圖片是必不可少的一部分，其作為一種更直觀的呈現(xiàn)方式，作者可以通過其展示自己的研究過程與研究結(jié)果。人類的大腦對(duì)于圖片的記憶遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)文字的記憶，一張生動(dòng)的圖片，可以很好地向讀者傳遞作者想要表達(dá)的內(nèi)容。同時(shí)，一張精美的圖片，也更加容易吸引讀者的興趣，使讀者產(chǎn)生強(qiáng)烈的閱讀欲望。因此，繪制科技論文圖片是科研工作者的必要能力，在新工科背景下，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的必然要求。

3 基于科技繪圖訓(xùn)練的培養(yǎng)體系

科技繪圖能力的培養(yǎng)是學(xué)生創(chuàng)新教育培養(yǎng)體系中的重要一環(huán)，掌握科技繪圖的技術(shù)，能夠幫助新工科專業(yè)的學(xué)生在創(chuàng)意生成、創(chuàng)意表達(dá)、創(chuàng)意設(shè)計(jì)等方面提高創(chuàng)新能力和創(chuàng)新質(zhì)量。因此，本文以提高新工科專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新力為導(dǎo)向，提出了基于科技繪圖訓(xùn)練的培養(yǎng)體系。該培養(yǎng)體系的思路如圖1 所示。

圖1 以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新力為導(dǎo)向的科技繪圖訓(xùn)練體系

3.1 結(jié)合專業(yè)背景，構(gòu)建個(gè)人知識(shí)體系

以專業(yè)知識(shí)為背景，引導(dǎo)學(xué)生通過思維導(dǎo)圖或流程圖構(gòu)建知識(shí)體系，梳理專業(yè)發(fā)展的歷程，縱向和橫向全面了解專業(yè)發(fā)展脈絡(luò)，為激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維奠定充實(shí)的基礎(chǔ)。在學(xué)生構(gòu)建個(gè)人知識(shí)體系的過程中，教師可引導(dǎo)其從中傳遞和梳理出自己的新想法、新思路，并在繪圖過程中進(jìn)一步拓展思路和想法，讓學(xué)生對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)問題進(jìn)行深刻且富有創(chuàng)造力的思考，幫助學(xué)生找到解決問題的關(guān)鍵因素或關(guān)鍵環(huán)節(jié)，達(dá)到增加學(xué)生創(chuàng)新性思考、增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新性思維的目的。

3.2 了解繪圖方法，掌握繪圖技巧

開展系列科技繪圖講座，幫助學(xué)生了解科研過程中涉及的圖片種類、相應(yīng)的繪圖軟件以及繪圖技巧等，激發(fā)學(xué)生對(duì)科技繪圖的興趣。講座內(nèi)容主要包括對(duì)科技論文圖片類型和繪圖軟件的總結(jié)，以及繪圖技巧的培訓(xùn)。

3.2.1 科技論文圖片類型及繪圖軟件

熟練掌握繪圖技能首先要清楚科技論文中經(jīng)常運(yùn)用的圖片類型，以及相應(yīng)的繪圖軟件?？萍颊撐闹械膱D片，主要包含四類[6]：表示示意信息的示意圖；由數(shù)碼產(chǎn)品所拍攝的實(shí)物圖；展現(xiàn)數(shù)值模擬軟件結(jié)果的數(shù)值模擬圖；展現(xiàn)數(shù)據(jù)分布情況及相關(guān)關(guān)系的數(shù)據(jù)圖。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，市面上出現(xiàn)越來越多的專業(yè)軟件，能夠支持科研工作者繪制各種類型的圖片，并以圖片的形式展現(xiàn)其研究成果。在完成科技論文的過程中，作者可以根據(jù)其表述需求繪制相應(yīng)類型的圖片，向讀者展示所做的研究類型。

①示意圖?？萍颊撐闹械氖疽鈭D用于展示物質(zhì)之間的關(guān)系，或某個(gè)過程的基本原理，大部分由幾何構(gòu)型、說明文字和指引箭頭構(gòu)成。它通常以現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)，用簡(jiǎn)化的實(shí)體結(jié)構(gòu)來體現(xiàn)各組成部分的邏輯關(guān)系，并且會(huì)突出重點(diǎn)，忽略某些細(xì)節(jié)。因此，作為示意圖，要能夠簡(jiǎn)單明了地將重點(diǎn)呈現(xiàn)在讀者面前。示意圖是最能夠直觀體現(xiàn)創(chuàng)作者創(chuàng)新想法的圖片類型，合理運(yùn)用示意圖，能夠使讀者快速、直觀、清晰地獲取作者想傳達(dá)的信息。繪制示意圖的軟件主要包括：AutoCAD、Smart Draw、Visio、PowerPoint、Adobe Illustrator、SolidWorks、SketchUp、ProE、Catia 和UG。

②實(shí)物圖。實(shí)物圖，就是要將實(shí)物的圖像呈現(xiàn)在讀者面前。實(shí)物圖能夠真實(shí)地展現(xiàn)科研工作的內(nèi)容，增強(qiáng)科研工作的可信度。以工科專業(yè)科技論文為例，論文中常常出現(xiàn)試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)過程、試驗(yàn)結(jié)果或工程現(xiàn)場(chǎng)的圖片，這就要求作者拍攝盡量高清的圖片來客觀呈現(xiàn)。為了使實(shí)物圖更加美觀，在不影響圖片客觀性的前提下，作者可以通過Adobe Photoshop 美化圖片，提高圖片質(zhì)量；也可以在圖片中添加一些說明文字與箭頭，突出圖片展示的重點(diǎn)內(nèi)容。

③數(shù)值模擬圖。當(dāng)研究者的創(chuàng)新性想法難以通過現(xiàn)實(shí)條件實(shí)現(xiàn)時(shí)，如試驗(yàn)條件復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)無法完全滿足試驗(yàn)要求時(shí)，可以通過進(jìn)行數(shù)值模擬來完成。與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬具有成本低、速度快的優(yōu)勢(shì)。因此，數(shù)值模擬被越來越多地應(yīng)用于科學(xué)研究中，其結(jié)果通過數(shù)值模擬圖展現(xiàn)出來。數(shù)值模擬圖作為數(shù)值模擬軟件的伴生品，確定了數(shù)值模擬軟件，也就確定了數(shù)值模擬圖類型。區(qū)別于文字表述或數(shù)據(jù)圖，數(shù)值模擬圖能夠以顏色或幾何形狀的變化直觀地展現(xiàn)研究結(jié)果。數(shù)值模擬圖是各種圖片繪制中學(xué)習(xí)成本最高，與專業(yè)知識(shí)聯(lián)系最緊密的類型。因此，要畫出較好的數(shù)值模擬圖，學(xué)生通常需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)。市面上數(shù)值模擬軟件眾多，且不同專業(yè)領(lǐng)域中常用軟件差異較大，工科專業(yè)中常用的數(shù)值模擬軟件包括：Ansys、Comsol、Abaqus、Flac2D、Flac3D、UEDC、3DEC、PFC2D 和PFC3D。

④數(shù)據(jù)圖。大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)存在于方方面面，冗雜的數(shù)據(jù)間也存在各方面的聯(lián)系。繪制數(shù)據(jù)圖通常是作者揭示科學(xué)問題規(guī)律的主要手段，數(shù)據(jù)圖就是對(duì)數(shù)據(jù)資料的深度剖析，將數(shù)據(jù)直觀、立體、分門別類地呈現(xiàn)到讀者面前，是體現(xiàn)科研結(jié)果和科研價(jià)值最有力的工具。通過對(duì)數(shù)據(jù)圖的分析，可以明確數(shù)據(jù)的分布情況以及各變量與試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系，從而得到具有說服力的結(jié)論。繪制數(shù)據(jù)圖側(cè)重于對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力，通常熟練掌握一或兩個(gè)軟件即可，繪制數(shù)據(jù)圖的軟件主要包括：Matlab、Mathematica、Maple、Origin、R 和Excel。

⑤繪圖軟件的綜合利用。在一篇科技論文中，上述四種類型的圖片通常會(huì)涉及多項(xiàng)。因此，作者需要掌握每一類圖片的繪圖技巧，但是具體到每一類圖片的對(duì)應(yīng)軟件，只需掌握自己研究領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)或幾個(gè)，這就需要作者首先了解每一種繪圖軟件的使用特點(diǎn)。文中提到的繪圖軟件的特點(diǎn)如圖2 所示（p65）。上述繪圖軟件均在各自領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，功能強(qiáng)大，所需學(xué)習(xí)的時(shí)間也較長(zhǎng)。作者可根據(jù)各個(gè)繪圖軟件的特長(zhǎng)與表述需求，選擇合適的繪圖軟件；也可以綜合利用多個(gè)軟件，對(duì)圖片進(jìn)行組合或排布，以更加飽滿、美觀的形式呈現(xiàn)在科技論文中。

圖2 科技論文繪圖軟件及特點(diǎn)

3.2.2 科技論文的繪圖原則

圖片的整體性、自明性、美觀性決定了科技論文整體的呈現(xiàn)效果，可以為文章增加可讀性和可理解性，從而提升文章的科學(xué)價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。因此，繪制科技論文圖片的過程中應(yīng)當(dāng)遵循幾個(gè)重要的繪圖原則。

①圖片的整體性。科技論文圖片中，若能用一幅圖片包含完整的信息，其表達(dá)效果會(huì)好于用多幅圖片表示。多幅類型相同或相關(guān)的圖片繪制或組合在一起時(shí)，可以使圖片內(nèi)容更加豐滿，避免由于圖片中留有太多空白而導(dǎo)致的空曠觀感。同時(shí)，也要注意不要一味追求圖片包含的信息量，要更注重圖片的邏輯性和條理性，圖片中的信息要清晰可見，不過分追求圖片的復(fù)雜化。

②圖片的自明性。圖片是一種代替文字表述的展現(xiàn)形式，一幅圖片的呈現(xiàn)應(yīng)該讓讀者在看到圖片本身時(shí)就能夠明白其想要表達(dá)的信息，因此，圖片應(yīng)當(dāng)具有自明性。對(duì)于同行業(yè)的讀者，只需瀏覽論文中的所有圖片即可大致明晰文章的研究?jī)?nèi)容、創(chuàng)新點(diǎn)及主要結(jié)論?？萍颊撐膱D片的自明性可以幫助讀者更快速地理解抽象概念，減少解釋和重復(fù)的文字表述，提高讀者的閱讀效率。從該角度出發(fā)，圖片需要簡(jiǎn)單明了，這就要求圖片中包含的要素一定要完整且簡(jiǎn)潔。

③圖片的美觀性?？萍颊撐膱D片的重點(diǎn)雖然是體現(xiàn)科學(xué)概念或科學(xué)規(guī)律，精確的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論必不可少，但是美觀性同樣不可被忽略。一幅美觀的圖片更容易吸引讀者的興趣，使讀者投入文章所傳遞的信息當(dāng)中，能夠更好地理解文章的研究?jī)?nèi)容?？萍颊撐闹械膱D片在準(zhǔn)確反應(yīng)科學(xué)規(guī)律的同時(shí)，兼具藝術(shù)美感，有利于提升文章的學(xué)術(shù)價(jià)值，還能有更好的宣傳效果。

3.3 專業(yè)課題實(shí)踐，考查繪圖能力

系列講座完成后，教師可以通過實(shí)踐課堂來檢驗(yàn)學(xué)生的繪圖能力。在實(shí)踐教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生選擇其知識(shí)體系中感興趣的科學(xué)問題，形成專業(yè)課題，對(duì)課題進(jìn)行深入研究。在研究過程中，結(jié)合所學(xué)的科技繪圖技術(shù)，將其創(chuàng)新性的想法、解決問題的創(chuàng)新方法，以及取得的創(chuàng)新性研究成果呈現(xiàn)出來。

4 結(jié)語

本文分析了科技繪圖在新工科專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新教育中的重要作用。首先，運(yùn)用科技繪圖，能夠幫助學(xué)生構(gòu)建完整的專業(yè)知識(shí)體系，從而進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思考。其次，科技繪圖能夠幫助學(xué)生完成其創(chuàng)新性研究成果的展示。為了提升學(xué)生的科技繪圖水平，完善新工科專業(yè)的創(chuàng)新教育體系，本文提出了一套基于科技繪圖訓(xùn)練的培養(yǎng)體系。通過加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科技繪圖能力的訓(xùn)練，能夠進(jìn)一步提升學(xué)生在科研過程中的創(chuàng)新力。