“新工科”背景下《土木工程制圖》課程教學改革與實踐

郭穎 ,熊春寶 ,蔡俊超 ,馬建軍 *

(1.河南科技大學 土木工程學院，河南 洛陽；2.天津大學 建筑工程學院，天津)

一 引言

新一輪科技與產業革命在全球范圍內興起，新經濟蓬勃發展，急需創新型工程人才作為支撐，并對工程科技人才提出更高要求[1]。而“新工科”建設是我國高等工程教育主動應對這一輪科技與產業革命的戰略行動，也是國家為應對新經濟、新業態的挑戰，是服務國家戰略、滿足產業需求，面向未來發展提出的一項持續深化工程教育改革的重大行動計劃[2]?！靶鹿た啤敝荚跇淞⒐こ倘瞬排囵B的“新理念”，落實創新型、綜合化、全周期的工程教育理念，培養學生終身學習發展、適應時代要求的關鍵能力。這對工程教育而言是一個反思教育模式和教育理念的重大新機遇[3]。

《土木工程制圖》課程是河南科技大學土木工程專業的專業基礎必修課，在本科第一年開課，56個課時，3.5學分。該課是后續相關專業課學習的基礎，旨在培養學生的制圖和識圖的能力，在培養土木工程專業人才方面有重要地位。隨著新工科要求的提出，工程領域需要培養具備扎實學科知識并能夠將學習的新知識新技術應用于解決實際工程問題的能力和具有良好團隊合作能力以及人文素養的新型復合人才。因此，需結合新時代建設特點和建設內容，從新工科視角入手，不斷完善教學改革體系，形成新的教學模式，提高教學效果，以實現知識與實踐的有機結合，進而推動課程建設。

二 傳統教學的問題

《土木工程制圖》課程教學質量和效果直接關系到土木專業后續相關專業課程中學生學習的積極性和人才質量培養的成敗。如要滿足和適應新工科對教學和人才培養的需求，首先需要了解新工科提出的意義和要求，然后結合新工科的要求從《土木工程制圖》課程教育中發現問題，再結合新工科的背景尋找合適的解決問題的方法和措施，是一個教育工作者迫切需要解決的問題。當前《土木工程制圖》課程存在如下四個問題。

(一) 課時少，任務重

《土木工程制圖》是土木工程專業一門非常重要的專業基礎必修課，與后續房屋建筑學、工程管理、工程造價、畢業設計以及學生步入工作崗位后各類工作需求相互交叉融合，為后續學生的學習興趣和學習能力奠定了一定基礎，所涉及知識面廣泛。學生需要在讀懂圖的基礎上進一步結合規范和標準來進行設計和計算，課本中提供的規范和標準往往已經過時，在上課時還需要對新的規范和標準進行補充。而《土木工程制圖》從原本的畫法幾何和工程制圖兩門課程分兩學期完成慢慢減少成為56課時，在這56個課時中，學生需要學習畫法幾何和工程制圖，這使得學生在短時間內難以完全掌握課本中的知識，出現了明顯的課時量少，任務量大的問題，不利于培養學生深入理解和獨立思考的能力，此外，該課程在河南科技大學的授課群體是剛進大學的新生，他們大多對大學的課程不甚了解，容易將中學時代的學習方法直接代入，但《土木工程制圖》課程對空間想象力和邏輯思維方式要求較高，學生學習覺得較為吃力，這會更一步降低教學進度。

(二) 畫法幾何部分占比較大

畫法幾何曾經是作為土木工程制圖的分支用一學期來學習，經過一定的壓縮，河南科技大學土木工程學院的土木工程制圖課中畫法幾何26課時，占總課時量的46.4%(課程具體安排見表1)。其中包含平面的投影、平面立體和曲面立體的投影等難度較大的課程，學生雖然會對該課程中寫寫畫畫的內容有好奇感，但他們還是更習慣中學的學習方式，以寫寫算算為主，加之對該課程的應用性并不明確，尤其是在畫法幾何部分，學生不能理解課程的重要性的同時又覺得難度偏大，漸漸對該課程的學習喪失了信心，甚至有可能會對其他相關課程貼上“難”的標簽。此外，看幻燈片是現在教學常用的方式，這種方式制約了學生空間思維的開放及對課程知識點的實際理解[4-5]。

表1 《土木工程制圖》課程體系模塊劃分

(三) 教學形式和評價體系單一

傳統的課堂普遍是以“老師講學生聽”的模式進行的，整個過程中授課老師基本是“滿堂灌”，加之課時量不足，老師大多注重課程是否講完，是否將所有的知識都“告知”了學生，而并沒有關注到學生是否對此感興趣以及是否聽懂。這樣造成了如果學生聽不懂就會慢慢沒有興趣，越沒有興趣就越不想學的一個惡性循環，甚至還會因為聽不懂，不感興趣導致上課玩手機、睡覺等。由于對基礎專業課不感興趣可能導致了學生對其他專業課的不感興趣造成學習不是連續的，形成斷檔，甚至出現“讀書無用”的想法。

傳統的考核方式大多是以擬定的選擇題、簡答題、畫圖題等題干信息進行期末統考，并用平時作業成績和期末考試成績作為評判標準，這種評判方式相對單一，缺乏對過程和實際應用的評價，這致使部分學生選擇在考試前一周進行突擊學習的方式來應付考試，難以發揮學生的主動性。這種考核形式下，雖然一半以上學生可以通過考試，但學生往往只能回答一些特定的問題，不能很好地解決實際問題，有的可能考完試就忘了，到畢業設計時才發現很多內容并不能清晰地表達，對一些規范和要求完全不明白，也不知道需要如何查閱。

(四) 缺乏全局協調

雖然壓縮了課時量，但現在河南科技大學的《土木工程制圖》主要還是包括畫法幾何和工程制圖兩部分，工程制圖部分還包含了一些規范學習和制圖技巧兩部分，學習規范是一個很好與其他專業課程相融合的過程，但由于課時量不足，以及本科第一年尚未接觸專業課，沒有預先準備，導致以往的教學中，更多的關注點放在了課程本身上，不能將制圖課與其它專業課程有效結合，讓學生很難體會到該課程的重要性，缺乏課程之間的關聯和以工程應用為目的的大局觀[6]。新經濟的快速發展對工程科技創新人才提出了更高的要求，迫切需要高校培養具有創新能力和跨界整合能力的卓越工程科技人才[7-8]，但如果本課程沒有學好，學生的制圖和識圖能力得不到鍛煉，在后續的學習中會埋下很大的隱患。

三 課程改革意義

(一) “新工科”建設需求

“新工科”建設是在“新理念”全周期工程教育中，構建新興和傳統相結合的“新結構”工科體系，尋求“新模式”來進行工程教育人才培養，造就具有國際競爭力的“新質量”工程教育體系，進一步完善具有中國特色的“新體系”工程教育模式，實現我國從工程教育大國走向工程教育強國的目標。從五個新來看，“新工科”中的新是取向更是指引，但不能脫離了工科這個大背景，土木工程專業原本是傳統工科專業，但隨著智能化、綠色環保等理念不斷出現，土木工程也逐步催化成為新型工科，而《土木工程制圖》作為土木工程的基礎專業必須課在專業領域教育中占有重要地位。

(二) 人才培養的需求

隨著國內國際發展的多元化和融合性凸顯，在學生就業時將會面臨更多的新問題和新挑戰，“新工科”建設要求進行全周期的工程教育培養，這就要求學生不能僅僅學了課本的知識，還要求學生能夠將知識用于工作當中去。在推進《土木工程制圖》學科建設和改革過程中，需構建創新的、實用的專業知識體系，培養強有力社會競爭力的復合型創新人才[9]，以滿足新時代復合型創新人才培養的需求。

(三) 學科發展的需求

從2016年“新工科”這一概念提出以來，多所高校都在探尋適合我國實際教學情況的工程教育改革之路?！锻聊竟こ讨茍D》作為土木工程專業的基礎必修課是為后續相關專業課程打基礎的重要課程，關乎于學生是否能看懂專業課中的工程圖，是否掌握了工程語言。采用“新理念”和“新模式”對學生進行該課程的學習有助于整個土木工程專業的“新發展”。

四 課程教學改革舉措

圖1 教學改革舉措關系示意圖

(一) 授課思想的改革

任何課程教學改革都需要吃透課程本身特征以及教學改革精神和實際意義。如何能夠在課時量不斷減少，而需要授課內容以及課程思政不斷增加的情況下，精準地把握學生需要學習的內容，并讓學生有足夠的時間和精力對內容進行掌握是一個重要的問題。要求老師需要明確課程的重難點以及與其他課程的銜接，充分明確需要“教什么”“教多少”“如何教”。除了教與學，新工科背景下高校需要培養出具有應用能力的新型復合人才，土木工程應用性極強，而《土木工程制圖》又是整個專業的基礎課程，更需要從工程實際出發，科學引導學生以“用”促學，以“用”強化實踐能力，實現學以致用。

(二) 授課內容的改革

《土木工程制圖》課程內容主要是畫法幾何和工程制圖兩部分，主要培養學生針對施工圖的識圖和制圖能力。土木工程類的規范經常會有改動造成與課本有些內容不符，雖然如此，但是給學生講述新規范的同時還可以培養學生查閱規范的能力，應培養學生遇到問題查規范來解決的能力。此外，工程制圖是針對各類工程建筑物和構筑物中的平面圖、立面圖、剖面圖等建筑施工圖和配筋圖、結構詳圖等結構施工圖來進行詳細的學習，并達到能夠熟練的識圖和制圖的目的，更適合與后期與其他專業課和工程實際相結合。

工程制圖部分還包含了組合體及其立面和剖面圖，這部分是基于畫法幾何的深入，但如果降低畫法幾何部分的難度，分一定課時量來講這部分，實用性會更強。而對于畫法幾何部分的換面法、線面相交等難點雖是從點、線、面投影層層遞進而來，但對于本科一年級剛開始轉變思維方式的學生而言依然難度不小，應用性也不強。因此，考慮適當弱化畫法幾何中偏于理論而實際中有不常用的部分，重點結合應用學習組合體視圖以及軸測圖等能夠更好地讓學生讀懂施工圖的同時又不會對該課程產生厭惡感。

(三) 授課形式的改革

傳統的教學形式老師將知識“告知”給學生后，學生難以消化，更不要說應用了。課程改革需要以學生為中心，激發學生自主探索和自主學習的能力，從而讓學生更多地融入課堂，提高學生的興趣和積極性，讓學生成為課程學習主體，教師充當學習引導和幫扶的角色。在課前給學生布置與下節課相關的內容，讓學生通過查閱資料、現場調研的方式提前學習和了解，上課時以學生為主導，根據預先設定的問題情境，引導各組成員完成小組匯報及成果演示，需要學生為大家講解清楚相應問題是如何得到，并如何應用于工程當中。最后總結階段，根據各個小組的解決方案進行逐一點評，指出優點和存在的不足，并給出互動環節成績，具體計算如下：

其中，T2總為T2部分一組學生的總得分，A為課堂互動成績，N為該組學生人數，T2為課堂互動環節一個學生成績，該分數可與A不同，由每組學生商討后自行分配。

針對整個評分體系的得分計算如下：

其中，T為最終成績，T1為期末考試成績，T3為課后作業成績，T4為出勤成績，1ω為期末考試成績所占比重，2ω為課堂互動成績所占比重，ω3為課后作業成績所占比重，ω4為出勤成績所占比重。

以半剖面圖部分為例來進行教學設計：

圖2為半剖面圖的教學案例，在上課前，先要求學生理解剖面圖的分類和概念。并要求學生提前知道不同的剖面圖適用于哪些不同的條件和環境。上課時，首先要求學生對剖面圖的概念和方式進行介紹，并回答其在工程中有哪些應用。接著，以圖2 (a)為例帶讓學生學習如何做基礎的1-1半剖面圖。學生理解之后，讓學生來講如何畫出圖2 (b)的中的2-2半剖面圖。發現學生掌握知識的不足，更加明確哪部分知識學生還沒有完全理解，在最后15分鐘的時間中，對本節課學習的內容進行總結，并指出學生哪里理解得不到位，深入對該部分進行講解，在布置課后作業時，有針對性地進行布置。

圖2 半剖面圖教學案例

現階段，線上線下混合教學以及翻轉課堂等新的教學模型開始逐漸發展，并被高校教師廣泛認可和推廣。特別是經歷了2020年新型冠狀病毒肺炎的影響，線上課也在一定程度上得到了認可，采用超星、雨課堂等平臺進行網上教學有諸多好處：1.應對了疫情時的教育問題，實現了“停課不停學”；2.學生可以合理利用碎片化時間，提高自主學習能力；3.學生可以通過老師上傳的課件反復觀看和學習，節約了大量重復性的教學和答疑時間；4.學生還可以在網絡平臺上與老師進行交流、打卡等活動，通過網絡的記錄實現了各類問題有據可查；5.線上平臺可對學生的學習情況進行統計，有助于老師更好地了解學生的學習情況和不足之處，更有針對性地進行輔導。翻轉課堂的理念更接近于研究生甚至博士生的培養方式。開放性的知識資源，暢所欲言的討論式學習，有利于思想的碰撞和知識的深入理解[10-11]。

圖3 改革后教學形式

圖4 綜合成績分項組成及比重

五 教學和考核效果

通過開展基“新工科”的《土木工程制圖》教學改革，在學生能力培養和考核評估方面取得了良好的效果。

（一） 自主學習能力和課堂氛圍顯著提升

課堂上采用了學生講為主，老師進行一定的引導，這要求學生在課前課后能夠自主學習，并搞清楚自己要講的內容才能進一步給自己的同學講清楚，大大提高了學生自主解決問題的能力。將原本四五個班一起上課改為了小班上課后課堂上互動明顯增多，學生自主放下了手機。

（二） 考試成績有一定的進步

傳統的教學模式下，學生成績不理想，不及格率偏高，約45%，很多學生甚至連概念都不清楚。優秀率很低，每次考試幾乎只有三五個成績為90分以上。通過新形勢的教學模式，學生不僅平時的作業完成得更好了，期末考試成績也有了明顯的提高。不及格率明顯下降，約22%，優秀率也有一定的提升，約為15%。

總體而言，通過新工科背景下《土木工程制圖》的教學改革，輔以任課老師和學生等人員的協同作用，學生的自主學習能力和學習熱情、考試成績等方面得到巨大提升，能夠初步實現新工科要求培養的創新型、綜合型人才的目標，進而推進課程建設。

六 結語

《土木工程制圖》課程是土木工程專業一門非常重要的專業基礎必修課，課程學習質量和效果直接影響相關專業課學習興趣和學習方法。本文結合新工科背景，將從傳統《土木工程制圖》教學存在的問題、“新工科”背景下教育改革的意義和措施等方面出發，找到教學中存在的不足，并根據新模式、新技術、新理念來解決新工科背景下《土木工程制圖》課程的新問題。采用啟發和引導的模型，實現課堂中學生為主體，大家共同參與的課堂學習模式，激發學生學習興趣的同時提高自己探索和解決問題的能力以及團隊合作的能力，并得到了良好的效果。