新工科背景下土木工程制图教学改革探索与实践

[摘 要]在新工科背景下，课程组针对土木工程制图教学中存在的问题，从教学内容、教学手段和考核方式等方面对土木工程制图教学进行了改革：教学内容方面调减了辅助正投影和标高投影，弱化了点、线、面间相对几何关系以及曲面立体相贯，新增BIM基础及建模实例;计算机绘图与画法几何、工程制图教学穿插进行，并采用计算机绘图完成后两者的部分作业，调减工具（手工）绘图作业量，增加徒手绘图作业量;创新性地引入工程制图课程设计，以使学生对本课程三部分知识点的掌握达到融会贯通，培养学生在模型设计与图形表达方面的创新能力;评选并3D打印优秀作品，以纪念品的形式颁发给学生，调动学生学习兴趣与热情。将传统课堂教学与课后微视频学习、翻转课堂等新兴教学手段有机结合，提高教学效率和教学质量。取消计算机绘图理论考试，增加翻转课堂表现、视频学习完成度、课程设计考核，调减工具（手工）绘图考核分值，调增徒手绘图考核分值。试验结果表明本改革方案行之有效，在提高教学效率的同时，能调动学生学习积极性，培养学生创新能力。

[关键词]新工科; 土木工程制图; 教学改革; 课程设计; 翻转课堂

[中图分类号] TU204;G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）03-0101-06

近年来我国经济发展步入了一个新的腾飞阶段，高等教育也开启了一个新的改革进程[1]。2017年年初，教育部在复旦大学召开了综合性高校工程教育发展战略研讨会，达成了“新工科建设复旦共识”，发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，标志着我国高等教育开始了新工科建设的新篇章。所谓新工科，既是新兴产业学科，即针对新兴产业而凸显学科交叉性和综合性的宽口径专业，也可以是传统工科专业应对新科技的革新。土木工程是传统工科专业，在与人工智能、大数据、云计算等新兴技术融合后，将蓬勃发展，焕发出新的生命力。因此，土木工程作为与土建、信息、材料、控制相交叉，传统与现代相结合的专业，成为新工科建设的重要专业。李培根院士指出，工科之“新”更要体现在工程教育的内涵上，即（1）培养能够适应甚至引领未来工程需求的具有新素养的人才;（2）新专业结构、课程及知识体系的建立或已有体系的重构;（3）教育、教学新方法的应用[2]。

土木工程制图是土建类工科专业必修的一门专业基础课，课程的目的在于培养学生的空间想象能力、工程图的阅读和绘制能力，以及工程实践运用所学知识解决实际问题的能力。土木工程制图一般开设在本科第一学年的上、下学期，是大学阶段启蒙本科生工程意识、建立工程概念、培养空间思维能力的最早课程，其课程地位和作用非常独特。另外，作为学生接触到的第一门专业基础课程，工程制图课程的学习效果对于学生学习自信心的培养，以及学生对后续专业课程的认识和兴趣都会产生直接的影响。

近年来虽然已有大量学者对土木工程制图教学改革进行了研究，但仍存在不少问题。如宋晓东指出高职高专道路与桥梁工程制图教学存在实践教学缺乏、考核制度落后、教学形式单一、教材内容偏差等问题[3]。罗宁等对非机械类工程制图教学问题进行了研究，指出目前教学中存在多媒体滥用、教学内容缺乏专业特色、计算机绘图环节偏少、标注概念强化不够等问题[4]。吉春和对画法几何与工程制图教学中存在的问题进行了剖析，指出目前教学中存在师生比过小、教学任务繁重、过于依赖多媒体课件、师生之间交流少、教学理念不明确等问题[5]。张捷等从毕业设计的角度分析了工程制图教学中存在的问题，指出教学中存在对制图国家标准掌握不扎实、形体投影绘制正确率低、计算机绘图操作能力有限、施工图识图能力薄弱等问题[6]。上述问题不仅存在于土木工程制图课程教学中，而且也广泛存在于机械制图教学中，此处不再赘述。

新工科背景下土木工程学科建设需要相关课程按照新时代国家战略对人才培养的需求，总结教学中存在的问题，有针对性地进行改革。课程组通过走访国内兄弟院校，以及收集用人单位反馈意见，对我校土木工程制图教学进行了反思，总结了目前教学中存在的主要问题：（1）教学内容方面：教学内容中存在花费学时较长但实用性不强的部分;画法几何、工程制图与计算机绘图三部分内容联系不够紧密，课程知识体系欠缺契合性和系统性。（2）教学方式、教学手段方面：仍以传统PPT、板书教学为主，教学方式、手段落后于当今信息技术、多媒体技术的发展。（3）对教学实践的重视不够，对学生工程素质和创新能力的培养略显欠缺。（4）课程考核评价方式单调，对工具（手工）绘图（本文是指利用直尺、圆规、图板等绘图工具，采用手工绘图方式按照国家标准绘制工程图样）考核偏多，期末卷面考试成绩占比偏重。针对上述问题，以及我校土木工程制图课程学时被大幅压缩的紧迫形势，同时考虑到新工科对土木工程人才培养的新要求，我们开展了土木工程制图教学改革研究与探索，以提升土木工程制图教学质量，培养出满足新工科建设要求的土木工程类专业人才。

本次课程改革的目标为：改善土木工程制图教学内容的工程适用性;提高工程图阅读和按照规范制图的能力，加强计算机绘图（后文中均指AutoCAD）和徒手绘图能力培养，增进对工程制图发展前沿的认识和理解;引入课程设计，融合贯通前后知识点，构建土木工程制图知识体系;采用现代信息技术和多媒体技术，结合新兴的教学手段与传统教学手段的优势，形成高效、合理的制图课程现代教学方法;优化考核方式，注重实践、注重过程管理和能力培养。

一、教学内容调整

（一）精简辅助正投影教学内容

在绘制工程图或解决工程实际问题时，可能涉及求距离和角度等度量问题，即求解满足一定位置要求的点、线、面的定位问题[7]。投影变换将直线或平面从一般位置变换为投影面平行或垂直的位置，以简便地解决它们的定位和度量问题。因此，传统的画法几何内容安排了约5学时用于点、线、面辅助投影教学。经调研发现，该知识点在实际工程中的应用并不广泛，也并非学习后续内容必备的前置知识点，因此我们将该部分教学内容从5学时精简为3学时。

（二）精简点、线、面间相对几何关系教学内容

目前点、线、面间相对几何关系讲授约6学时，讲授内容过于烦冗，如：平面内的点、平面内的直线部分例题讲解偏多，平面立体表面上的点与直线讲解过细，直线与平面平行、平面与平面平行部分内容与高中立体几何内容部分重复等。因此，我们对上述部分教学内容进行了精简，教学时长压缩至3学时。

（三）标高投影调整为自学内容

标高投影用于在地质、土木、水利等领域中表示岩层或用于解决填方、挖方边坡交线等问题。目前该部分内容教学时长约7学时，但该部分教学内容与前后章节关联性不强，相对独立，且大部分高校土木工程制图课程也未讲授该部分内容。因此，可将该部分内容改为课后自学，这对整个教学体系的完整性并无明显影响。

（四）新增建筑信息模型基础及建模实例教学内容

建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM）以建筑项目各相关数据为基础，通过数字信息仿真建立三维模型，在工程项目的设计、制造、运营、维护、拆除等全生命周期内利用该模型实现对项目的管理。BIM技术近年来在我国迅猛发展，相关部门也出台了一些政策来推动和促进BIM技术在土木工程中的应用，如住房和城乡建设部发布的《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》等。土木工程课程教学中无法绕避行业最新技术的发展与应用，而国外高校很早已经开设了BIM相关课程。土木工程制图课程与BIM紧密相关，因此在本课程中我们使用3学时介绍BIM基本理论和工程应用，展示Revit建立简单三维房屋模型的过程，鼓励学生深入学习BIM相关技术。

二、教学手段、教学方法改革

（一）采用任务驱动+翻转课堂模式革新计算机绘图教学

将计算机二维绘图和三维建模教学内容划分为121个知识点，为每个知识点录制3～5分钟长度的微视频，并基于超星学习通平台制作计算机绘图微课程，可供学生利用碎片化时间在手机、平板电脑等个人移动设备上学习。将计算机二维、三维知识点都划分为三个知识单元，我们针对每一组知识单元设计与土木工程相关的图形绘制任务。我们在画法几何和工程制图教学中布置计算机绘图相关任务，采用任务驱动方式督促学生课后利用3～5周的碎片化时间学习相关知识点，并以翻转课堂模式让学生提出问题、群策群力解决问题。相比传统教学方法，该教学方法缩短了6个学时，取得了良好的教学效果，已另文详述[8]，不再赘述。

（二）计算机绘图、画法几何与工程制图的融合教学

部分高校土木工程制图仅包括画法几何与工程制图两部分教学内容，而计算机绘图作为一门课程单独存在[9]。部分高校土木工程制图虽然形式上包含这三部分教学内容，但是在教学中独立讲授计算机绘图命令，缺乏与画法几何、工程制图教学内容的联系，未能将这三部分内容融合贯通，导致计算机绘图教学对制图标准的贯彻、与专业知识的结合、行业通用做法的讲解不够重视。本次改革将计算机二维绘图教学安排在大一上学期，并交叉融合到画法几何教学中;将计算机三维建模教学安排在大一下学期，交叉融合到画法几何与工程制图教学中，如表1所示。融合教学的具体方法为：（1）将计算机绘图内容插入画法几何和工程制图教学中;（2）完成计算机绘图相关任务（作业）以及翻转课堂中，尽量采用土木工程相关的图样，并严格贯彻土木工程制图规范和标准;（3）制图规范的讲解不是相关条文、相关数据的枯燥宣读，而是要在计算机绘图的实际操作中体现出来;（4）安排专门的学时讲解计算机绘制专业图的技术和技巧;（5）要求采用计算机绘图方式完成画法几何和工程制图一部分作业，以强化计算机绘图实际操作能力。融合教学的优势在于：（1）不增加课后作业量的同时，增加了计算机绘图操作训练;（2）学生可以借助绘图软件建立三维模型，展示组合体的基本构形方式（叠加、切割和交接）以及各类复杂的组合体等，以辅助空间想象能力、形象思维能力的培养;（3）知识点之间的联系更为紧密，系统性更强。

（三）调减工具（手工）绘图作业量，加强徒手绘图能力培养

与计算机绘图相比，工具（手工）绘图要学生逐一绘制点、线、面、体，亲力亲为，学生在这个过程中可逐点逐线地理解“点—线—面—体”的投影逻辑关系，加深对投影理论的理解，强化学生的空间构形能力[8]。另外，工具（手工）绘图能培养学生遵守国家标准的习惯和严谨细致的工作作风，因此其是传统工程制图的教学重点之一。但是在设计技术、制图技术迅猛发展的当下，工具（手工）绘图的缺陷不可忽视：（1）工具（手工）绘图图纸的质量评判对图线、幅面质量的重视程度远超过对图形表达能力和水平的重视。制图标准对每一条线的线型、线宽进行了规定，初学者不易掌握或把握不到位，导致绘图效果不佳，这会挫伤学生的学习热情。（2）对用人单位的调研结果表明，工具（手工）绘图在企业里已非常少见，基本都是应用设计软件、计算机绘图软件完成工程结构二维图形的绘制。个别设计院已经使用设计软件直接建立工程结构三维模型，从三维模型生成二维图纸，并实现设计、施工、监理、运管维等多方数据共享。制图技术已经从20世纪末“甩图板运动”，逐渐跨入BIM时代，即使这个跨越会持续较长一段时间。对遵守国家标准的习惯和严谨细致作风的培养，工具（手工）绘图并非唯一途径，例如也可通过严格把控计算机绘图质量来实现。因此，本次改革通过调减工具（手工）绘图作业量来淡化工具（手工）绘图。改革前本课程有6次工具（手工）绘图作业，包括：（1）图线练习（A3幅面）;（2）几何作图（A4）;（3）组合体三视图（A2幅面）;（4）组合体剖视图（A3幅面）;（5）房屋建筑图（A2）;（6）涵洞图（A2）。改革后仅保留作业（1）图线练习（A3幅面）和（4）组合体剖视图（A3幅面），其余作业通过徒手绘图或计算机绘图方式完成。

调研中还发现，除了使用由绘图软件绘制的正式技术图纸外，技术人员在现场交流或即兴交流中，更喜欢徒手绘制简图以表达无法用语言描述清楚的问题，表明徒手绘图的应用比工具（手工）绘图更为广泛。因此，本次教学改革调增徒手绘图作业量，加强徒手绘图能力培养。改革前本课程有1次徒手绘图训练，即徒手绘制组合体三视图。改革后，徒手绘图训练增加为：（1）平面立体三视图、轴测图的绘制;（2）曲面立体三视图、轴测图的绘制;（3）组合体三视图的绘制。徒手绘图能力的强化训练，也有助于对学生的空间想象能力和形象思维能力进行培养。