土木工程专业工程制图教学与实践

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［摘要］围绕专业需求、以工程应用为导向，文章分析和总结了土木工程专业工程制图课程的特点和存在的问题，针对性地提出了具体的教学改革建议，包括重视逻辑推理思维、精简教学内容、丰富工程示例、强化计算机辅助绘图、借助多媒体库和微课等教学手段，取得了良好的教学效果。

［关键词］工程制图；土木工程专业；教学大纲；工程应用；移动教学平台

工程制图系列课程是土木工程专业的必修基础课，旨在让学生掌握基本正投影理论和作图方法，培养其绘制和阅读土木工程图样、运用计算机软件绘制专业图样的能力，为后续专业课程学习、课程设计和毕业设计打下良好基础。北京交通大学土木工程专业的工程制图系列课程包括工程图学基础和工程制图，各32学时。工程图学基础主要讲授“画法几何”的内容。工程制图主要讲授土建工程图的读图和作图方法、制图标准和要求，以及计算机辅助制图的内容。近些年来，各高校针对工程制图课程开展了许多相关的教学改革，进行了大量的研究工作，但大部分研究都集中于机械、精仪或测绘等专业，其与土木建筑类（以下科称“土建类”）制图课程无论是在对象、课程内容还是在教学目标上都存在较大差别[1-7]。笔者在近些年的教学工作中发现，土建类的工程制图系列课程仍存在不少亟待解决的问题。例如，很多学生反映工程图学基础内容多、进度快、难度大，导致学习跟不上，每年课程不及格率较高；从后续课程设计或毕业设计来看，课程也没有达到理想的教学效果，不少学生的图纸成果不符合国家制图标准，有的甚至出现不少错误之处。此外，虽然学生基本具备了运用计算机软件绘制土木工程图样的能力，但仍不能绘制三维图形，这与现今计算机辅助制图技术以及BIM技术的飞速发展不相适应。因此，在工程教育专业认证的大背景下，以学生为中心，培养具备扎实的阅读和绘制工程图样能力、能够熟练运用现代化制图手段为工程实践服务的高素质土木专业人才，成为高等学校土木工程专业工程制图系列课程的重要任务。本文以笔者多年来教学实践经验为基础，对土建类工程制图课程特点进行分析和总结，对课程教学中发现的问题进行思考，提出以工程应用为导向的改革措施和建议，以提升课程教学效果。

一、以工程应用为导向的工程制图课程改革建议

北京交通大学土木工程专业已完成了工程教育专业认证，其核心是以学生为中心、培养目标为导向和坚持持续改进。基于成果导向（OutcomeBasedEducation，OBE）的现代化教育理念要求针对课程特点和存在的问题，围绕专业需求、以工程应用为目标去设定教学大纲、构思教学方法。

（一）重点引导学生具备逻辑推理的思维方式

与学生的日常沟通中笔者发现，很多学生认为工程图学基础课程的理解难度较大，即使明白概念也不会解题。这些问题直接导致学生逐渐跟不上教师的教学进度而产生厌学情绪。究其原因，首先是工程图学基础课程的思维方式与高中数学类课程有着较大差别。后者主要依靠公式推导和数学计算完成定量的解答，而前者是根据已有的投影规律（通常非常直观和容易理解），通过一步步逻辑推理得到点、线、面的投影作图，其思维方式更类似于中学的几何证明题。如图1所示的典型例题，可以明显看到这种递进式的解题思路，即每一步都包含了“因为……所以……”的逻辑推理方法；其所基于的定理或投影规律如“直角投影定理”“直线平行投影规律”“点的投影规律”，相比中学的几何定理都是很容易理解和记忆的，学生只要稍加用心，掌握和运用应没问题。但是对于一些大一新生来说，其思维方式还停留在中学阶段。教师在教学过工程中要有意识地重点引导学生学习这种逻辑推理的思维方式。这部分的练习不在多而在精，即精选有代表性的例题，让学生掌握思维方法，从而具备举一反三的能力。

（二）增强学生熟练阅读和绘制土木工程图样的能力

工程图学基础课程目前的教学大纲如表1所示，包括投影基本知识、立体的投影、轴测投影、模型测绘及构型设计四部分。从内容上看，各章节层层递进形成完整的画法几何知识体系并无问题，但是笔者在授课时常碰到一些学生，他们直言不知为什么要学这些内容、不知道学这些内容有何用处。工程制图系列课程的最终目的是让学生具备熟练阅读和绘制土木工程图样的能力，在有限的课时内所有教学活动都应为此服务。作为以投影理论为主的基础课程，投影基本知识、投影规律和绘图方法固然重要，但现有土木工程制图的画法几何部分往往照搬建筑、机械或测绘专业的内容，其中有一些知识点在土木工程制图中的应用并不多。现有课程大篇幅讲述如何通过平面作图解决复杂的空间几何问题，例如表1的“直线、平面之间的相对位置”中包含了大量线线平行、相交、交叉和垂直，线面相交垂直、面面相交等情况的作图，以及“直线投影”和“平面投影”中求解直线实长和夹角、平面倾角、点面距离等内容，这些其实与土木专业的工程实践并无多大联系。此外，由于土木工程图样大都是标准位置的正投影，而且建筑物或构筑物一般比较规则，因此从工程应用的角度来看，“投影变换”“立体的斜交相贯”“立体的表面定点和复杂截切”等内容也并无太大的实际意义。况且，对于更为复杂的土木工程结构例如造型复杂的钢结构或附属结构，现今大都利用计算机辅助制图的专业软件（如AutoCAD或Xsteel等）进行图纸绘制或深化设计，无须根据复杂投影理论进行人工作图。通过对上述课程进行“瘦身”，一方面使得课程的教学目的更为突出，即为工程应用服务，另一方面去除了晦涩难懂且无实用价值的复杂空间问题的相关内容，从而避免了学生由于学习困难而丧失兴趣的问题。在删减部分内容的同时，工程图学基础中组合体部分的课时需要加强。土木工程中常见的构件、节点、房屋建筑、桥梁、道路、涵洞等，其工程图纸的绘制过程即为组合体的投影作图过程，组合体部分的课程训练对于学生解决工程实际问题很有帮助。但需要注意的是，目前教材及习题集中的组合体多为机械零件或小物件等，缺乏土木工程中的典型实例，对于培养学生专业认识的作用有限[8]。因此，建议在以后的教材编著或课堂讲述中，增加与土建相关的例子和习题。这样在学习组合体作图相关知识的同时，可以让学生了解到其所学知识能够用于解决实际工程问题，解答了其“为什么要学这些内容、学这些内容有何用处”的疑惑，从而激发其学习兴趣和学习积极性。此外，应重视学生阅读工程图样能力的培养，因为读图是绘图的基础，在以后的课程和工作中学生也将经历“先大量读图，再在此基础上绘图”的过程。

（三）加强计算机辅助制图训练

目前，北京交通大学土木建筑工程学院工程制图课程教师讲述了AutoCAD制图的基本知识和操作，并实行“分组大作业”，4位学生为一组完成一份多层住宅楼的全套图纸（立面图、平面图、剖面图和详图等），其中一张图纸为手绘图，其余为计算机绘图。从作业质量和学生的反馈来看，此教学方式效果较好，只要学生认真完成作业，就能基本掌握工程图样的绘图要点和计算辅助绘图基本方法。但笔者在教学中仍然发现，由于上机实操课时较少，部分学生的AutoCAD基本绘图操作仍然掌握得不够好。因此，工程制图课程中计算机绘图的课时和实操训练还需增加。此外，随着计算机辅助绘图特别是BIM技术在土木工程中的应用，各种结构的三维造型和制图在设计中使用越来越广泛。小到单根构件和节点，大到整个建筑，其几何尺寸和建造信息都可以建模并存储在三维模型中，可以实现数据共享、设计施工一体化管理等功能。可见，计算机三维造型的能力是学生在研究生阶段或毕业工作中所需要具备的能力。为了顺应行业的发展，十分有必要在工程制图课程中加入计算机三维绘图的教学内容。具体可基于AutoCAD平台开展三维建模教学，让学生掌握基本的操作方法。由于课时的限制，可以适当地介绍BIM技术及基本操作方法将学生引入门，引导学有余力或有兴趣的学生课下自学并给予一定的辅导。

（四）依托微课依托微课、移动平台等手段提升教学效果

在互联网时代，手机阅读成为一种易于被学生接受、广泛存在的学习方式。合理运用移动教学平台作为课堂教学的辅助手段，可有效提升教学效果。在北京交通大学土建学院教学改革项目的支持下，笔者开展了基于互联网移动平台的工程制图教学改革工作，主要尝试了以下教学手段。（1）录制课堂讲课的视频，提供给学生进行回顾复习。事实上，由于传统专业课课堂时间较长（2×50分钟），很多学生并不能全程保持注意力（即使听名师讲课也一样），会漏掉一些知识点，因此讲课录像回看有助于学生查缺补漏和深化理解。（2）录制专题微课（短视频）。每节微课为5~15分钟，可采用案例分析、常见错误解析等方式，强调重要知识点或解决普遍存在的问题。微课更为聚焦，方便在手机端观看学习，易被学生接受，可以非常有效地定点清除难点、查漏补缺。（3）搜集和制作各种典型土木工程构件和结构的三维模型以及对应的图纸图样，让学生能够直观地认识工程结构的组成、功能和图样画法，以工程实例为对象、工程应用为导向，培养学生的专业兴趣。（4）通过雨课堂、微信群等平台，推送各种课程学习资料、多媒体材料以及拓展阅读资料，同时提供讨论平台，帮助学生更好地完成课程学习。从教学效果来看，上述移动教学平台和教学手段是课堂教学的有效补充，有助于学生查缺补漏，解决了“部分学生跟不上、部分学生吃不饱”的问题，获得了不错的反馈。

二、结语

在工程教育专业认证体系下，基于OBE和面向工程应用的教学理念，本文分析了目前工程制图课程存在的“思维方式需要转变”“教学内容需要精简”“计算机辅助制图需要加强”等问题，分析了其内在原因，进而提出了教学内容和方法的改革措施和建议，包括加强逻辑推理方法教学、精简教学内容、强化工程应用导向、开展三维建模教学、采取微课和移动平台辅助教学手段等，取得了较为明显的教学效果。在今后的教学过程中，可在以下方面进一步加强。1.教学内容和大纲的改革涉及范围较广，影响到学生后续相关专业课程的学习，因此需要不断根据教学效果和学生的反馈进行持续改进。2.土木专业相关的画法几何例题库和三维模型库需要不断完善。目前大部分教材中这部分内容较少，而例题、模型等资料的收集和制作耗费很大精力，需要长期坚持不断丰富，同时要注意在教学过程中不断精选。3.基于互联网移动平台的各种教学手段中，目前看来效果比较突出的是微课，其达到了给学生查缺补漏和让学生加深理解的目的。对于其他手段，如何使其效果最大化，是后续需要思考的问题。

［参考文献］

［1］单国骏，丁志昆.土建工程制图课程教学改革新模式［J］.高等建筑教育，2001（2）：24-25.

［2］江洪，吉维峰.运用三维绘图软件SolidWorks改革工程图学教学的实践［J］.工程图学学报，2004（1）：109-113.

［3］叶晓芹.关于新形势下画法几何学课程教学设计的探索［J］.工程图学学报，2004（4）：168-171.

［4］杨中，柳爱群，张令诺.新建本科学校“土木工程制图”课程的教学改革与实践［J］.成都大学学报（教育科学版），2007（11）：84-85.

［5］牛炳昆，高春艳.建筑工程制图教学改革探索［J］.山西建筑，2010（13）：174-175.

［6］侯卫，周雪峰，齐峰，等.基于应用能力培养的土木工程制图课程教学研究［J］.高等建筑教育，2010（1）：70-73.

［7］胡海军，裴金萍，杨秀娟，等.土建类专业画法几何与工程制图课程教学改革探讨［J］.高等建筑教育，2017（3）：66-68.

［8］丁宇明.《土建工程制图》第三版及配套习题集［M］.北京：中国高等教育出版社，2012.

作者：窦超 单位：北京交通大学土木建筑工程学院