馬佳星 黃悅 寧超列 李兵 沈非凡
摘? 要:工程制圖作為一門專業(yè)基礎課程,其重要性不言而喻。在土木工程領域,工程制圖的授課內(nèi)容主要包括畫法幾何、AutoCAD及BIM。該文從課程內(nèi)容、授課方式、作業(yè)及考核方式三方面出發(fā),對比國內(nèi)及新加坡高校工程制圖課程的異同點。同時進行相關調(diào)研,并進一步總結經(jīng)驗,就如何保持自身優(yōu)良特點,借鑒國外經(jīng)驗,進行工程制圖課程的教學改革做出探討和建議。
關鍵詞:土木工程;工程制圖;新加坡;課程內(nèi)容;授課方式
中圖分類號:G642? ? ? 文獻標志碼:A? ? ? ? ? 文章編號:2096-000X(2024)18-0014-05
Abstract: As a fundamental and practical course of civil engineering, Engineering Drawing is quite important. The teaching content of Engineering Drawing includes descriptive geometry, AutoCAD and BIM. In this paper, comparisons and discussions are conducted from three perspectives, namely contents, teaching methods and assignments to explore the similarities and differences of engineering drawing teaching in China and Singapore. In the meanwhile, relative surveys are conducted. Recommendations are further drawn on how to conduct teaching reform on the basis of maintaining own characteristics while drawing on foreign experience.
Keywords: Civil Engineering; Engineering Drawing; Singapore; course content; teaching method
工程制圖(Engineering Drawing)是土木工程專業(yè)基本課程之一,在各國課程體系中多為必修課程[1]。從概念上而言,工程制圖是一種用以指導產(chǎn)品生產(chǎn)或構件制作的技術性手段。在土木工程領域,設計師利用工程制圖精準清晰地描述構件及結構的幾何尺寸,工程師則通過參照圖紙來建造相應建筑[2]。一般而言,工程制圖的授課內(nèi)容主要包括:畫法幾何(descriptive geometry),AutoCAD (Autodesk Computer Aided Design)及建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)[3]。其中,畫法幾何是幾何學的一個分支。通過一系列特定的技術在平面上用圖形表示形體,解決空間幾何問題,是工程制圖的基礎。AutoCAD是由美國Autodesk公司設計研發(fā)的專業(yè)繪圖軟件,自1989年推出后,因其易用性及實用性,在設計界迅速走紅,如今已被廣泛運用于土木工程、機械工程等領域。BIM是生產(chǎn)及處理建筑物理信息和實用功能的數(shù)字表征的手段及過程[4]。相對于傳統(tǒng)的二維設計,BIM能夠以三維的方式更加精準地呈現(xiàn)設計者的意圖和建筑的信息。從建筑的設計、施工、運行直至全壽命周期的終結,各種信息始終整合于一個信息數(shù)據(jù)庫中。設計團隊、施工單位、設施運營部門和業(yè)主等各方人員可以基于BIM進行協(xié)同工作,從而提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本,以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[5]。正因如此,BIM課程的重要性也越來越多地受到各個高校的認同。
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷進步,工程制圖已經(jīng)從原先的手工制圖逐漸發(fā)展為更多依靠計算機的電子制圖[6]。在如今大規(guī)?;A建設的背景下,如何使學生掌握最新制圖技術,使其適應當前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要,就成為高校教育工作者們不得不思考的一個重要問題。
筆者曾有幸在國內(nèi)及新加坡高校(南洋理工大學)教授工程制圖。國內(nèi)的課程體系在創(chuàng)立之初,大量參考了蘇聯(lián)模式。盡管改革開放后,國家與時俱進地做了多次教育改革,但至今仍能在國內(nèi)大學的培養(yǎng)計劃中找到蘇聯(lián)模式的影子。而新加坡作為一個曾經(jīng)的英國殖民地,其課程及教育體系幾乎照搬了英國模式。另一方面,新加坡的人口規(guī)模遠遠小于中國,且發(fā)展程度較高,其學生享受到的教育資源也更加豐富。以上兩國的國情差異,也同樣反映在工程制圖這門課程中。本篇文章中,筆者將就課程內(nèi)容、授課方式、作業(yè)及考核方式三個方面,對比并討論中新兩國的工程制圖課程的異同點,并總結經(jīng)驗,為此課程的改革提出建議。
一? 課程對比
(一)? 課程內(nèi)容對比
在絕大多數(shù)國內(nèi)高校中,土木工程制圖通常由三個子課程組成,即畫法幾何、AutoCAD、BIM,并于不同時段分別開班授課。畫法幾何作為工程制圖的基礎,通常被安排在第一學年講授,占2學分。內(nèi)容主要包括投影原理、軸測投影、點線面投影、曲線曲面投影、立體的截交線和相貫線及標高投影等。畫法幾何是一門理論與實踐并重、動手操作性較強的課程,往往要求學生進行手繪制圖[7]。通過該課程的學習,學生應掌握制圖與識圖基本方法和基本技能,熟悉國家相關制圖標準、規(guī)范,熟悉各種基本立體、復雜立體的投影規(guī)律。學生需具備較強的空間想象力,能夠熟練繪制三視圖,并能根據(jù)三視圖熟練繪制立體圖。
根據(jù)專業(yè)的不同,AutoCAD通常被安排在第一學年(如工程管理專業(yè))或第二學年(如土木工程專業(yè))講授,占1學分。學生首先學習軟件界面及基本操作,圖層及線型線寬設置,直線、圓等幾何圖形的繪制,再學習如何進行書寫文字、標注尺寸[8]。通過不斷練習加深熟練程度,能夠獨立完成建筑施工圖和平面圖的繪制,滿足畢業(yè)設計的繪圖要求。
隨著建筑工業(yè)化的不斷發(fā)展,越來越多的國內(nèi)高校認識到了BIM技術的重要性,相關課程也逐漸被納入培養(yǎng)計劃[9]。作為畫法幾何及AutoCAD的后續(xù)課程,BIM通常被安排在第三學年講授,占2學分。國內(nèi)一般采用Revit Structure或Naviswork等軟件進行BIM課程講授。課程內(nèi)容包括相關軟件的應用,梁、板、墻、基礎和樓梯等構件的三維結構建模和計算方法,實現(xiàn)沖突管理與動態(tài)的四維項目進度仿真的方法。學生應通過該課程培養(yǎng)BIM結構建模和設計的能力,及實現(xiàn)施工項目可視化的能力。
在新加坡,畫法幾何常與AutoCAD及BIM整合,組成一門名為工程制圖和3D建筑信息建模的課程,有些院校也會選擇Inventor等軟件作為補充。該課程被安排在第一學年,占1學分(Academic Unit),且均為實驗課程(Laboratory Course)。課程內(nèi)容方面,按照畫法幾何、AutoCAD、BIM的順序,層層遞進,由淺入深。其中畫法幾何講授的內(nèi)容包括工程制圖的基本原則、切線原則、第一及第三視角投影、剖視圖及等距視圖等。學生被要求能夠根據(jù)立體示意圖畫出幾何體的三視圖。AutoCAD則包括點、線及各種幾何圖形的繪制、旋轉、復制和鏡像等操作的學習。學生需掌握組合復雜圖形的繪制。BIM則要求能熟練運用Revit軟件進行結構建模及設計計算。
筆者對所在學院土木工程專業(yè)大四124名學生進行關于課程內(nèi)容的調(diào)研,同時委托南洋理工大學李兵教授對其所在院校土木與環(huán)境工程大二80名學生進行同樣調(diào)研。結果顯示(圖1)中新兩國學生均對軟件繪圖興趣較高,對傳統(tǒng)手工繪圖(畫法幾何)興趣較低。筆者認為不能以陳舊思想,將學生的選擇片面歸因于對傳統(tǒng)制圖技巧的畏難情緒上。而應從當下實際工作所需技能出發(fā),與時俱進,以平和心態(tài)看待學生興趣的轉變。這也要求學院在制訂培養(yǎng)計劃及教師在撰寫教學大綱時,注重相關繪圖軟件的訓練。
(二)? 授課方式對比
授課方式是工程制圖課程的關鍵一環(huán),關乎著課程能否持續(xù)有效推進,學生能否有效獲取相關知識。畫法幾何對于空間想象能力及相關繪圖技巧的要求較高,國內(nèi)高校多選擇普通教室作為其授課地點。課程教學分為課堂講授和課堂練習兩部分。教師通過板書或多媒體輔助教學工具講解投影原理、規(guī)律并進行相關案例的解析,學生則依照相應教材進行學習。隨著課程的不斷展開,課堂練習的時間不斷增多。AutoCAD的授課地點則選在機房(實驗室)。課程教學分為操作演示和課堂練習兩部分。教師通過機房主機投影屏幕至學生電腦,進行相關知識點的講解及操作流程的介紹。學生亦可參考課本中的步驟分解進行學習。而后學生通過繪制相應圖形練習該堂課所授的知識點。BIM的授課地點亦選在機房(實驗室)。課程教學分為課堂講授、操作演示、課堂練習三部分。講授及演示時,教師以工程項目為依托,結合工程實際案例,使學生掌握教材中Revit Structure、Naviswork等軟件的應用方法和原理。課堂練習則包括案例教學及分組討論。教師選取實際工程案例,并將學生分組,培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作和溝通能力,提高學生分析和解決實際工程問題的能力[10]。
如前所述,新加坡高校多將畫法幾何、AutoCAD、BIM整合到一門課中講授。作為一門實踐課程,授課地點均在機房(實驗室),由實驗室工作人員或助教博士(Teaching Assistants)進行講授。課程教學主要分為操作演示和課堂練習。相對于軟件學習部分,畫法幾何所需教師講授時間更長,但通常也不超過半節(jié)課。AutoCAD和BIM需要的講授時間往往只占整堂課的三分之一左右。這樣,學生就有大量的時間進行自主練習。課堂講授時,教師通過機房主機投影屏幕至學生面前的電腦上,進行相關知識點的講解及操作流程的介紹。學生無專用課本,往往采用概括經(jīng)典教材內(nèi)[11]知識點及習題講義進行學習。課堂練習時,教師在課堂內(nèi)來回走動,針對不同學生的問題進行解答。授課時間短,就要求學生在授課前進行預習。學校的學習網(wǎng)絡教育平臺提供了按照教學計劃劃分的學習內(nèi)容。學生可在網(wǎng)上自主學習,進行小組討論,并向授課老師留言提問,從而做到線上及線下的良好互動。
如前所述,筆者對所在學院土木工程專業(yè)大四124名學生進行關于授課方式的調(diào)研,同時委托南洋理工大學李兵教授對其所在院校土木與環(huán)境工程大二80名學生進行同樣調(diào)研。結果顯示(圖2)中新兩國學生均認為教師實例演示是最為有效的授課方式,大部分國內(nèi)學生(62%)依賴此方式進行學習。除此方式外(42%),相當多的新加坡學生同樣依賴于小組討論(18%)及課堂答疑(25%)進行學習,其比例遠高于國內(nèi)學生。這是因為新加坡高校強調(diào)學生的自學與小組間的互動,課堂氛圍較為輕松活躍。同時可以看到,兩國學生對于較為機械的PPT講解均不甚喜愛。
(三)? 作業(yè)及考核方式對比
作業(yè)及考核方式是工程制圖課程的評價手段,是檢驗課程成效的必要途徑。在此方面,國內(nèi)一貫較為嚴格[12]。畫法幾何注重手繪技能,平時大作業(yè)(點線面投影練習、組合體投影練習等)占總成績40%左右,期末考試則占比60%左右??己藘?nèi)容主要包括投影基本概念、投影原理和應用,反映在試卷上即為三視圖的推導及繪制等。AutoCAD作為一門軟件學習課程,考核內(nèi)容也是軟件繪圖的水平和速度。其總成績由平時成績、期末考試成績組合而成。平時成績由出勤及大作業(yè)構成,占比較小,而期末考試占比達80%以上。學生們被要求在規(guī)定時間內(nèi)將圖紙所示的建筑平面及立面圖原樣繪制于計算機內(nèi)。這也是對本課程所學內(nèi)容的綜合考察。對于BIM而言,由于其軟件繪圖所需工作量較大,故對軟件熟練程度的考核往往是以大作業(yè)的方式(Revit Structure圖元、族)進行,占總成績的比例約為40%,其余60%則以期末考試的方式,通過選擇題、填空題、分析題等考察學生對于BIM的技術應用理論、鋼筋混凝土結構和鋼結構模型建立與配筋計算、圖紙設計與處理、施工進度表的制定等的掌握。
在新加坡,工程制圖課程作為一門實踐課程[13],強調(diào)的是學生課前自學、課中練習、課后鞏固。學生在課前登錄網(wǎng)絡教育平臺,瀏覽該堂課所授內(nèi)容并進行預習。課后則可選擇性地(不做強制要求)完成平臺內(nèi)提供的習題,并以小組為單位進行相互幫助。考核方式也較為寬松。畫法幾何多采用隨堂測試的方式,以3~4道例題考察學生對于投影原理的應用。AutoCAD和BIM則無指定的測試內(nèi)容,學生僅需要完成每堂課所布置的關于本堂課知識點的案例繪制即可。如AutoCAD只需掌握復雜平面圖形的繪制即可。因其與混凝土設計及畢業(yè)設計等高度相關,故可視為在后續(xù)課程中檢驗了學生的掌握情況。
如前所述,筆者對所在學院土木工程專業(yè)大四124名學生進行關于考核方式的調(diào)研,同時委托南洋理工大學李兵教授對其所在院校土木與環(huán)境工程大二80名學生進行同樣調(diào)研。結果顯示(圖3)絕大多數(shù)國內(nèi)學生(71%)認為期末考試是最為有效的考核方式。因為期末考試方式較為寬松,且多為簡單隨堂測試,故僅有16%的新加坡學生認為期末考試為最為有效的考核方式,比例遠低于國內(nèi)學生。超過半數(shù)的新加坡學生認為應以平時成績及課后練習情況評價學習成果。部分學生(16%)認為應在后續(xù)設計課中考察工程制圖的學習成果。
二? 評價及討論
在課程內(nèi)容方面,由于國內(nèi)高校多將工程制圖分為畫法幾何、AutoCAD及BIM,并在不同學期分別授課,故其涵蓋面更廣,包羅的知識點更豐富,學生對于要點、難點的掌握也更加熟練。而新加坡將以上三門子課程融合成為一門課在一個學期內(nèi)講授。課時量少,也就可能造成學生對于某些知識點的了解不夠深入。尤其是在畫法幾何上,中國學生對于組合立體投影及截交線與相貫線的掌握明顯高于新加坡學生,面對復雜幾何體三視圖解析題也更為得心應手。而對于AutoCAD,新加坡學生并未被要求掌握建筑施工圖和平面圖的繪制,學習面比中國學生窄。但后續(xù)課程及畢業(yè)設計中并未發(fā)現(xiàn)在軟件運用熟練程度上中新兩國學生有明顯差異。概因新加坡學生在課前和課后花費了相當多的時間來預習和復習鞏固,從而彌補了課時量不足造成的差異。對于BIM課程,新加坡學生運用Revit Structure軟件的熟練程度總體上高于中國學生。這與BIM教學在國內(nèi)剛剛起步有關。隨著實驗室等硬件條件的不斷完備,相信國內(nèi)學生對于BIM相關軟件的掌握也會隨之提高。但從另一方面而言,由于新加坡高校在BIM教學上只要求學生學會運用相關軟件,這就導致其學生欠缺對于圖紙設計與處理能力及施工進度表的制定能力。新加坡高校多采用開設設計課程及施工課程的方式,在后續(xù)教學中提高其學生在這兩個方面的能力。
在授課方式方面,中新兩國教師的授課方式大體一致。工程制圖作為一門實踐性較強的課程,要求學生在了解、掌握知識點的基礎上,還能夠在圖紙及軟件中靈活運用所學知識。故教師多采用概念講述加案例示范的方式授課。通過案例的拆解,逐步講授制圖方式,從而加深學生對知識點的認知。相對于國內(nèi),新加坡更強調(diào)學生的自主學習能力,教師的講解也較為簡單,更多的是從課堂習題上,逐個解答學生遇到的問題,做到因材施教,對學生個體發(fā)展更為關懷。
在作業(yè)及考核方式方面,國內(nèi)的習題及考試的難度明顯更高。這是因為國內(nèi)高校安排的總學時較長,所包涵知識點更廣,從而對學生的考核也更加嚴格。而新加坡高校將工程制圖視為一門實踐課程,不采用試卷或期末考試來衡量學生的學習成果,更多強調(diào)學生“會做”“會用”及對具體問題的解決能力。學生沒有額外的課后作業(yè),只需在課堂內(nèi)完成教師布置的案例習題即可。這就要求學生具有較強的主觀能動性及互助精神,能夠主動在課后進行個人及小組練習。此外值得一提的是,國內(nèi)高校不光強調(diào)軟件運用的準確性,還強調(diào)運用的速度,反映在考試中即要求學生在規(guī)定時間完成規(guī)定任務,這就要求學生在課余反復練習。而新加坡并未見有此方面的要求。
中新兩國具有不同的教學理念與授課方式。筆者于2019—2020學年第一學期,在所授AutoCAD的兩個教學班內(nèi),分別采用中新兩國的教學模式。在教學過程中記錄學生反饋。期末考核采用個人簡單建筑平、立面圖繪制及小組復雜建筑平、立面圖繪制兩種考察形式,結果見表1。
如前所述,國內(nèi)教學課時多,知識點拆解詳細。新加坡教學模式中教師授課時間短,學生需要在課后進行大量自主訓練,故其學習主動性較國內(nèi)模式高。同時,這也要求學生獨立自主完成課后作業(yè)來印證其學習成果。而國內(nèi)教學模式下每節(jié)課教師均詳細講解知識點并布置相應習題,導致學生易產(chǎn)生已掌握相關內(nèi)容的盲目樂觀情緒,對于作業(yè)則敷衍了事,一抄了之??己朔矫?,可以看到國內(nèi)教學模式下學生個體對于相關軟件掌握得較為熟練;新加坡模式更依賴學生的自主訓練,故學生個體水平參差不齊,在考核中則反映為繪圖速度過慢,難以完成全部內(nèi)容。小組考核需要一組學生合力完成圖紙繪制,在軟件熟練度的基礎上同時考察學生的協(xié)作能力及領導能力。可以看出,因課后有小組學習及討論的經(jīng)驗,新加坡教學模式下學生的分工更明確,交流也更流暢,小組考核平均分也略高于國內(nèi)教學模式下學生的成績。
三? 心得體會
通過以上討論可以發(fā)現(xiàn),中新兩國關于工程制圖課程的理念有所差異。與諸多其他課程一樣,國內(nèi)高校通過將工程制圖拆分成三門子課程的方式,系統(tǒng)性地推進學生由淺入深學習,更多強調(diào)“授課”。而新加坡高校則視工程制圖為一門實踐性的課程,一門為完成后續(xù)設計課及畢業(yè)設計所需的“工具”,更多地強調(diào)“掌握”。以上理念的差異,也帶來了兩國在課程內(nèi)容設置、授課方式等方面的種種差異。
國內(nèi)考核方式具有嚴謹性、系統(tǒng)性,難度系數(shù)較高,不僅對學生平時考勤、大作業(yè)進行考核,還會在期末考試時進行全方面的檢測,這就要求學生掌握每個知識,反復練習,在快速解答的基礎上保證正確率。而新加坡高校則強調(diào)學生“會做”“會用”及對于具體問題的解決能力,在學生是否牢固掌握該課程知識方面沒有系統(tǒng)考核。
國內(nèi)教學依舊較為依靠教師,而新加坡倡導學生自主學習。隨著近年來信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展與互聯(lián)網(wǎng)普及,學生多已具有軟件學習的經(jīng)驗和能力。授人以魚不如授人以漁,國內(nèi)高校或可考慮在應用性較強的子課程上,如AutoCAD軟件學習上,適當減少教師教學,鼓勵學生多動腦、多動手,在實踐中探索真知,并通過與實際工程高度接軌的工程實例來對學習成果進行考核。
新加坡高校重視無紙化、信息化教學,通過多年來的持續(xù)構建及優(yōu)化,打造了內(nèi)容廣、覆蓋全、互動性強和可操作性高的校園網(wǎng)絡教育平臺。學生隨時隨地能享受到與課程相關的一整套資源,可輕松掌握課程進度、進行習題訓練、獲取教師反饋,從而極大程度地方便了其進行預習及自學。國內(nèi)近年來在教學手段上進步可觀,但與發(fā)達國家如新加坡相比仍有差距。國內(nèi)高校應繼續(xù)加強投入,打造一套適宜國內(nèi)學生的網(wǎng)絡教育平臺。
四? 結束語
工程制圖課程作為土木工程專業(yè)學生的必備技能,其重要性不言而喻。通過與新加坡高校的對比可以發(fā)現(xiàn),國內(nèi)高校應在保持和發(fā)揚自身優(yōu)良的教學特點的基礎上,學習國外先進經(jīng)驗,不斷完善相關的軟、硬件。立足學生,以人為本,堅持因材施教,發(fā)揚學生個性,同時注重知識在實際生活中的運用,鼓勵學生進行自我探索與自我訓練,從而培養(yǎng)其思維能力與學習能力,使其能夠適應未來工作中可能遇到的更加棘手的問題。
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基金項目:浙江省一流本科課程“混凝土結構基本原理”(浙教辦函〔2022〕352號);浙江省課程思政教學研究項目“‘超級工程引領下的土木工程專業(yè)課程思政建設與實踐”(浙教函〔2021〕47號);浙大寧波理工學院專業(yè)綜合改革項目“基于工程教育認證的自動化專業(yè)新工科建設”(浙大寧理教〔2021〕120號)、“立足寧波建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實踐教學體系建設及產(chǎn)教深度融合的協(xié)同育人機制改革”(浙大寧理教〔2021〕192號);浙大寧波理工學院校級課程思政示范課建設項目“混凝土結構基本原理”(浙大寧理教〔2022〕137號)
第一作者簡介:馬佳星(1989-),男,漢族,陜西佳縣人,博士,副教授,院長助理,土木工程系副主任,碩士研究生導師。研究方向為鋼筋混凝土結構課程教授方法與教學改革。
*通信作者:沈非凡(1989-),男,漢族,浙江寧波人,博士,副教授,副院長,自動化系副主任。研究方向為工程類專業(yè)課程思政教學體系建設。