土木工程專業(yè)工程制圖教學(xué)與實踐

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［摘要］圍繞專業(yè)需求、以工程應(yīng)用為導(dǎo)向，文章分析和總結(jié)了土木工程專業(yè)工程制圖課程的特點和存在的問題，針對性地提出了具體的教學(xué)改革建議，包括重視邏輯推理思維、精簡教學(xué)內(nèi)容、豐富工程示例、強化計算機輔助繪圖、借助多媒體庫和微課等教學(xué)手段，取得了良好的教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］工程制圖；土木工程專業(yè)；教學(xué)大綱；工程應(yīng)用；移動教學(xué)平臺

工程制圖系列課程是土木工程專業(yè)的必修基礎(chǔ)課，旨在讓學(xué)生掌握基本正投影理論和作圖方法，培養(yǎng)其繪制和閱讀土木工程圖樣、運用計算機軟件繪制專業(yè)圖樣的能力，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打下良好基礎(chǔ)。北京交通大學(xué)土木工程專業(yè)的工程制圖系列課程包括工程圖學(xué)基礎(chǔ)和工程制圖，各32學(xué)時。工程圖學(xué)基礎(chǔ)主要講授“畫法幾何”的內(nèi)容。工程制圖主要講授土建工程圖的讀圖和作圖方法、制圖標(biāo)準(zhǔn)和要求，以及計算機輔助制圖的內(nèi)容。近些年來，各高校針對工程制圖課程開展了許多相關(guān)的教學(xué)改革，進(jìn)行了大量的研究工作，但大部分研究都集中于機械、精儀或測繪等專業(yè)，其與土木建筑類（以下科稱“土建類”）制圖課程無論是在對象、課程內(nèi)容還是在教學(xué)目標(biāo)上都存在較大差別[1-7]。筆者在近些年的教學(xué)工作中發(fā)現(xiàn)，土建類的工程制圖系列課程仍存在不少亟待解決的問題。例如，很多學(xué)生反映工程圖學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容多、進(jìn)度快、難度大，導(dǎo)致學(xué)習(xí)跟不上，每年課程不及格率較高；從后續(xù)課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計來看，課程也沒有達(dá)到理想的教學(xué)效果，不少學(xué)生的圖紙成果不符合國家制圖標(biāo)準(zhǔn)，有的甚至出現(xiàn)不少錯誤之處。此外，雖然學(xué)生基本具備了運用計算機軟件繪制土木工程圖樣的能力，但仍不能繪制三維圖形，這與現(xiàn)今計算機輔助制圖技術(shù)以及BIM技術(shù)的飛速發(fā)展不相適應(yīng)。因此，在工程教育專業(yè)認(rèn)證的大背景下，以學(xué)生為中心，培養(yǎng)具備扎實的閱讀和繪制工程圖樣能力、能夠熟練運用現(xiàn)代化制圖手段為工程實踐服務(wù)的高素質(zhì)土木專業(yè)人才，成為高等學(xué)校土木工程專業(yè)工程制圖系列課程的重要任務(wù)。本文以筆者多年來教學(xué)實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，對土建類工程制圖課程特點進(jìn)行分析和總結(jié)，對課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行思考，提出以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的改革措施和建議，以提升課程教學(xué)效果。

一、以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的工程制圖課程改革建議

北京交通大學(xué)土木工程專業(yè)已完成了工程教育專業(yè)認(rèn)證，其核心是以學(xué)生為中心、培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向和堅持持續(xù)改進(jìn)。基于成果導(dǎo)向（OutcomeBasedEducation，OBE）的現(xiàn)代化教育理念要求針對課程特點和存在的問題，圍繞專業(yè)需求、以工程應(yīng)用為目標(biāo)去設(shè)定教學(xué)大綱、構(gòu)思教學(xué)方法。

（一）重點引導(dǎo)學(xué)生具備邏輯推理的思維方式

與學(xué)生的日常溝通中筆者發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生認(rèn)為工程圖學(xué)基礎(chǔ)課程的理解難度較大，即使明白概念也不會解題。這些問題直接導(dǎo)致學(xué)生逐漸跟不上教師的教學(xué)進(jìn)度而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。究其原因，首先是工程圖學(xué)基礎(chǔ)課程的思維方式與高中數(shù)學(xué)類課程有著較大差別。后者主要依靠公式推導(dǎo)和數(shù)學(xué)計算完成定量的解答，而前者是根據(jù)已有的投影規(guī)律（通常非常直觀和容易理解），通過一步步邏輯推理得到點、線、面的投影作圖，其思維方式更類似于中學(xué)的幾何證明題。如圖1所示的典型例題，可以明顯看到這種遞進(jìn)式的解題思路，即每一步都包含了“因為……所以……”的邏輯推理方法；其所基于的定理或投影規(guī)律如“直角投影定理”“直線平行投影規(guī)律”“點的投影規(guī)律”，相比中學(xué)的幾何定理都是很容易理解和記憶的，學(xué)生只要稍加用心，掌握和運用應(yīng)沒問題。但是對于一些大一新生來說，其思維方式還停留在中學(xué)階段。教師在教學(xué)過工程中要有意識地重點引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)這種邏輯推理的思維方式。這部分的練習(xí)不在多而在精，即精選有代表性的例題，讓學(xué)生掌握思維方法，從而具備舉一反三的能力。

（二）增強學(xué)生熟練閱讀和繪制土木工程圖樣的能力

工程圖學(xué)基礎(chǔ)課程目前的教學(xué)大綱如表1所示，包括投影基本知識、立體的投影、軸測投影、模型測繪及構(gòu)型設(shè)計四部分。從內(nèi)容上看，各章節(jié)層層遞進(jìn)形成完整的畫法幾何知識體系并無問題，但是筆者在授課時常碰到一些學(xué)生，他們直言不知為什么要學(xué)這些內(nèi)容、不知道學(xué)這些內(nèi)容有何用處。工程制圖系列課程的最終目的是讓學(xué)生具備熟練閱讀和繪制土木工程圖樣的能力，在有限的課時內(nèi)所有教學(xué)活動都應(yīng)為此服務(wù)。作為以投影理論為主的基礎(chǔ)課程，投影基本知識、投影規(guī)律和繪圖方法固然重要，但現(xiàn)有土木工程制圖的畫法幾何部分往往照搬建筑、機械或測繪專業(yè)的內(nèi)容，其中有一些知識點在土木工程制圖中的應(yīng)用并不多。現(xiàn)有課程大篇幅講述如何通過平面作圖解決復(fù)雜的空間幾何問題，例如表1的“直線、平面之間的相對位置”中包含了大量線線平行、相交、交叉和垂直，線面相交垂直、面面相交等情況的作圖，以及“直線投影”和“平面投影”中求解直線實長和夾角、平面傾角、點面距離等內(nèi)容，這些其實與土木專業(yè)的工程實踐并無多大聯(lián)系。此外，由于土木工程圖樣大都是標(biāo)準(zhǔn)位置的正投影，而且建筑物或構(gòu)筑物一般比較規(guī)則，因此從工程應(yīng)用的角度來看，“投影變換”“立體的斜交相貫”“立體的表面定點和復(fù)雜截切”等內(nèi)容也并無太大的實際意義。況且，對于更為復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)例如造型復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)或附屬結(jié)構(gòu)，現(xiàn)今大都利用計算機輔助制圖的專業(yè)軟件（如AutoCAD或Xsteel等）進(jìn)行圖紙繪制或深化設(shè)計，無須根據(jù)復(fù)雜投影理論進(jìn)行人工作圖。通過對上述課程進(jìn)行“瘦身”，一方面使得課程的教學(xué)目的更為突出，即為工程應(yīng)用服務(wù)，另一方面去除了晦澀難懂且無實用價值的復(fù)雜空間問題的相關(guān)內(nèi)容，從而避免了學(xué)生由于學(xué)習(xí)困難而喪失興趣的問題。在刪減部分內(nèi)容的同時，工程圖學(xué)基礎(chǔ)中組合體部分的課時需要加強。土木工程中常見的構(gòu)件、節(jié)點、房屋建筑、橋梁、道路、涵洞等，其工程圖紙的繪制過程即為組合體的投影作圖過程，組合體部分的課程訓(xùn)練對于學(xué)生解決工程實際問題很有幫助。但需要注意的是，目前教材及習(xí)題集中的組合體多為機械零件或小物件等，缺乏土木工程中的典型實例，對于培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)認(rèn)識的作用有限[8]。因此，建議在以后的教材編著或課堂講述中，增加與土建相關(guān)的例子和習(xí)題。這樣在學(xué)習(xí)組合體作圖相關(guān)知識的同時，可以讓學(xué)生了解到其所學(xué)知識能夠用于解決實際工程問題，解答了其“為什么要學(xué)這些內(nèi)容、學(xué)這些內(nèi)容有何用處”的疑惑，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。此外，應(yīng)重視學(xué)生閱讀工程圖樣能力的培養(yǎng)，因為讀圖是繪圖的基礎(chǔ)，在以后的課程和工作中學(xué)生也將經(jīng)歷“先大量讀圖，再在此基礎(chǔ)上繪圖”的過程。

（三）加強計算機輔助制圖訓(xùn)練

目前，北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院工程制圖課程教師講述了AutoCAD制圖的基本知識和操作，并實行“分組大作業(yè)”，4位學(xué)生為一組完成一份多層住宅樓的全套圖紙（立面圖、平面圖、剖面圖和詳圖等），其中一張圖紙為手繪圖，其余為計算機繪圖。從作業(yè)質(zhì)量和學(xué)生的反饋來看，此教學(xué)方式效果較好，只要學(xué)生認(rèn)真完成作業(yè)，就能基本掌握工程圖樣的繪圖要點和計算輔助繪圖基本方法。但筆者在教學(xué)中仍然發(fā)現(xiàn)，由于上機實操課時較少，部分學(xué)生的AutoCAD基本繪圖操作仍然掌握得不夠好。因此，工程制圖課程中計算機繪圖的課時和實操訓(xùn)練還需增加。此外，隨著計算機輔助繪圖特別是BIM技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，各種結(jié)構(gòu)的三維造型和制圖在設(shè)計中使用越來越廣泛。小到單根構(gòu)件和節(jié)點，大到整個建筑，其幾何尺寸和建造信息都可以建模并存儲在三維模型中，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、設(shè)計施工一體化管理等功能。可見，計算機三維造型的能力是學(xué)生在研究生階段或畢業(yè)工作中所需要具備的能力。為了順應(yīng)行業(yè)的發(fā)展，十分有必要在工程制圖課程中加入計算機三維繪圖的教學(xué)內(nèi)容。具體可基于AutoCAD平臺開展三維建模教學(xué)，讓學(xué)生掌握基本的操作方法。由于課時的限制，可以適當(dāng)?shù)亟榻BBIM技術(shù)及基本操作方法將學(xué)生引入門，引導(dǎo)學(xué)有余力或有興趣的學(xué)生課下自學(xué)并給予一定的輔導(dǎo)。

（四）依托微課依托微課、移動平臺等手段提升教學(xué)效果

在互聯(lián)網(wǎng)時代，手機閱讀成為一種易于被學(xué)生接受、廣泛存在的學(xué)習(xí)方式。合理運用移動教學(xué)平臺作為課堂教學(xué)的輔助手段，可有效提升教學(xué)效果。在北京交通大學(xué)土建學(xué)院教學(xué)改革項目的支持下，筆者開展了基于互聯(lián)網(wǎng)移動平臺的工程制圖教學(xué)改革工作，主要嘗試了以下教學(xué)手段。（1）錄制課堂講課的視頻，提供給學(xué)生進(jìn)行回顧復(fù)習(xí)。事實上，由于傳統(tǒng)專業(yè)課課堂時間較長（2×50分鐘），很多學(xué)生并不能全程保持注意力（即使聽名師講課也一樣），會漏掉一些知識點，因此講課錄像回看有助于學(xué)生查缺補漏和深化理解。（2）錄制專題微課（短視頻）。每節(jié)微課為5~15分鐘，可采用案例分析、常見錯誤解析等方式，強調(diào)重要知識點或解決普遍存在的問題。微課更為聚焦，方便在手機端觀看學(xué)習(xí)，易被學(xué)生接受，可以非常有效地定點清除難點、查漏補缺。（3）搜集和制作各種典型土木工程構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的三維模型以及對應(yīng)的圖紙圖樣，讓學(xué)生能夠直觀地認(rèn)識工程結(jié)構(gòu)的組成、功能和圖樣畫法，以工程實例為對象、工程應(yīng)用為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣。（4）通過雨課堂、微信群等平臺，推送各種課程學(xué)習(xí)資料、多媒體材料以及拓展閱讀資料，同時提供討論平臺，幫助學(xué)生更好地完成課程學(xué)習(xí)。從教學(xué)效果來看，上述移動教學(xué)平臺和教學(xué)手段是課堂教學(xué)的有效補充，有助于學(xué)生查缺補漏，解決了“部分學(xué)生跟不上、部分學(xué)生吃不飽”的問題，獲得了不錯的反饋。

二、結(jié)語

在工程教育專業(yè)認(rèn)證體系下，基于OBE和面向工程應(yīng)用的教學(xué)理念，本文分析了目前工程制圖課程存在的“思維方式需要轉(zhuǎn)變”“教學(xué)內(nèi)容需要精簡”“計算機輔助制圖需要加強”等問題，分析了其內(nèi)在原因，進(jìn)而提出了教學(xué)內(nèi)容和方法的改革措施和建議，包括加強邏輯推理方法教學(xué)、精簡教學(xué)內(nèi)容、強化工程應(yīng)用導(dǎo)向、開展三維建模教學(xué)、采取微課和移動平臺輔助教學(xué)手段等，取得了較為明顯的教學(xué)效果。在今后的教學(xué)過程中，可在以下方面進(jìn)一步加強。1.教學(xué)內(nèi)容和大綱的改革涉及范圍較廣，影響到學(xué)生后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，因此需要不斷根據(jù)教學(xué)效果和學(xué)生的反饋進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。2.土木專業(yè)相關(guān)的畫法幾何例題庫和三維模型庫需要不斷完善。目前大部分教材中這部分內(nèi)容較少，而例題、模型等資料的收集和制作耗費很大精力，需要長期堅持不斷豐富，同時要注意在教學(xué)過程中不斷精選。3.基于互聯(lián)網(wǎng)移動平臺的各種教學(xué)手段中，目前看來效果比較突出的是微課，其達(dá)到了給學(xué)生查缺補漏和讓學(xué)生加深理解的目的。對于其他手段，如何使其效果最大化，是后續(xù)需要思考的問題。

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作者：竇超 單位：北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院