模型制作在大学工科实践教学中的应用与探索

张天航 李清富 王鹏

［摘要］大学工科教学存在专业理论抽象，内容更新快，实践性强的特点，到施工现场学习又会产生经济费用以及时间、安全等问题。本文探索将沙盘仿真模型制作应用于大学工科实践教学，形成独特的体验式教学方法，使同学们在模拟实践中学习新的知识，使得教学更加直观，无法用语言文字表达的随着社会科学技术的进步，教育教学的工具和手段也有了新的变化，教学手段、方法以及教学环境的发展和变革，必然带动教学思维的扩展，并引起概念性的变革，这是对新技术、新方法的一种简单适应，也产生出新时代新的思维方式。本文针对传统大学工科课堂教育中教学手段单一、形式枯燥的特点，探索将模型制作应用于工科课堂教学和实践教学，直观的教学方法使一些无法用语言文字表达的过程以动态模拟的形式表达出来，更容易使学生理解，由于需要自己动手更能激发学生的学习兴趣，同时避免了到施工现场而产生的经济费用以及时间、安全问题。

一、大学工科教学的难点分析

大学工科课程的教学存在着这样一些难点：讲解专业理论时抽象枯燥，学生难以理解；内容更新快，更注重实践性，由于难学难懂，无法提高学生的学习兴趣，造成毕业生专业技能的下降。依照目前的“填鸭式”课堂教学方法，在学习中学生并没有建立起合适的专业模型，一时无法将实践与理论建立起联系,思维限于问题表面,不能透过现象看到本质，容易受到条件的干扰，一旦把握不住实质，提炼不出模型，思维过程必然受阻，专业问题难以解决。学生由于没有专业知识的积累，没有专业的实践，缺少程序化的思维演练过程，而教材中的实例往往不能满足要求，缺乏实践的过程而单单掌握理论，理论就成为一种无用的记忆。长此以往，学生就只会就题论题，随意套用公式，这必将形成思维上的枷锁，越是解决不了越是不爱思考，进入恶性循环的学生当然认知发展缓慢。可见，工科专业教学必须重视从感性上升为理性的过程，即重点抓住图像、图景、实际操作的教学过程，这样才能加强学生的应用理解能力的培养，以便提高和解决实际应用问题的能力。多数工科院校实践教学基地建设不完善，学生实习也大多是走马观花，浮于表面，达不到培养学生工程设计和实践能力的效果，可见加强实践性教学是目前课程教学亟待解决的问题。针对这些教学中存在的问题与难点，尝试在课程中引入模型制作来解决教学中面临的这些问题。

二、模型制作的教学实践与应用

模型根据研究对象可以大致分为四类:（1）实体模型；（2）过程模型；（3）条件模型；（4）结构模型。本文研究的仿真沙盘模型属于第一类和第四类的结合。沙盘模型是根据地形图或实地地形，按照一定的比例用泥沙、木板等各种材料堆制而成的模型。沙盘模型最初应用在军事上，常供研究地形、敌情、作战方案、组织协调动作和实施训练时使用。现在，沙盘模型在人们的实际生活中随处可见，例如城市概貌、模拟场景、楼盘模型等等，它能够直观表达建筑物相对位置、大小、整体景物之间的关系，具有良好的演示效果。本文将仿真沙盘模型的制作应用到大学道路桥梁与渡河工程专业课程的学习中，将一些复杂的设计过程利用仿真沙盘模型模拟现场，将设计过程动态地表现出来，形成独特的体验式教学，使同学们在模拟实践中更加轻松地学到知识，也会激发同学们的学习兴趣。将仿真模型的制作应用到道路桥梁专业的道路、桥梁、隧道、港口等专业方向的认知实习、施工实习和毕业实习中，通过施工现场和仿真模型的双重教学，使同学们能够真正巩固知识和强化技能，提高教学质量。仿真沙盘模型可以使同学们在体验式教学中自己发现工程勘察、设计、施工等过程中可能出现的问题,从而分析问题、解决问题，提高学习效率，增强学生的动手能力和团队合作能力。因此，进行模型制作应用于教学的研究是必要的，并具有一定的理论和实践意义。

（一）制作方案的设计

本次应用研究主要是针对大学工科中的道路桥梁专业课程教学进行的，根据道路桥梁专业不同的课程可以设计不同的沙盘模型制作方案，尽可能包含课程讲述过程中涉及的概念。例如突出道路线形设计、路基路面横断面、路基形式等内容可以尝试制作山区公路仿真沙盘模型制作；如果是突出桥梁形式可以考虑T型梁桥仿真沙盘模型制作。山区公路沙盘模型设计内容包括平原区、山岭区、丘陵区选线工作，道路路基路面设计，山区桥梁设计等，T型梁桥沙盘设计内容包括T型梁桥的配筋设计，T型梁桥上部结构设计和下部结构设计等，这些模型的制作涉及面广，要求掌握的道桥专业知识较多，难度系数高，可以充分锻炼学生的动手能力和团队合作能力，有利于加深学生理解更全面的道桥专业知识点，以下以制作山区公路仿真沙盘模型为例表述模型制作的简要过程。

（二）制作方案的确定

本次实践以道路桥梁专业三门主干课程道路勘测设计、路基路面工程、桥梁工程为基础，通过查阅资料和文献，经过认真分析，结合交通工程道路技术标准规定，以教师提供的原始地形图纸为参考，经过设计计算，最终确定制作一条跨越平原、山岭、丘陵区域的公路仿真模型。基本步骤为首先按所选定山区地形图，结合山区公路设计标准，纸上选线定线，进行路基、路面、桥涵工程等内容设计，进行山岭区、微丘区、重丘区、平原区公路的线形布置设计，根据地形考虑桥梁的设置，要求进行桥型选择和布置，然后进行沙盘模型的制作，模型的制作包括：山岭区、微丘区、重丘区、平原区公路的制作，道路路基路面设计制作，河流的制作以及桥梁的制作。

（三）模型制作的流程

在模型制作之前，编写设计方案，画工艺流程图，还可以先把效果图用电脑软件做出来。模型的材料主要考虑造价和易成型的材料，可采用重量轻、易切割、易镶嵌、不易变形泡沫材料制作山体，辅助材料有人工胶合板、泡沫板、硬纸板、石膏等。具体制作方法：一是根据垂直比例尺大小确定等高距、材料的厚度，以及基础等高线。二是等高线的标描、复印与剪裁工作。用彩笔进行标描，对等高线进行综合取舍，在强力海绵材料上复印等高线时要按由低到高的顺序，并标明层数，然后逐层进行沿线切割。三是山体的粘钉工作。用乳胶漆将底层的“梯田”准确粘贴于底盘上，然后逐层进行叠加粘接，层与层之间套合不好的地方要随时用剪刀或手术刀进行修整。对于河流、湖泊，当用有机玻璃做原料时，先把湖蓝色有机玻璃压在基准起算面底下，用乳胶等粘牢，由此构成地貌雏形。按照平原区、山岭区、丘陵区公路设计标准，对沙盘模型中平原区、山岭区、丘陵区的公路线形进行制作，先用陶泥在已经选好的路线上进行铺设，再用石膏和白乳胶涂抹路面，使路面平整光滑，然后用灰色喷漆对制作好的路面进行颜色渲染，使道路模型更显逼真。按照丘陵区桥梁设计要求，对沙盘模型中的桥梁进行制作，制作桥梁的材料有切割刀、胶水、木板、铜丝、喷漆等，先用切割刀对木板进行切割，制作出桥梁的桥面板和支座以及桥面板的护栏，然后用铜丝制作桥梁的悬索，然后用喷漆进行渲染，这样沙盘模型中桥梁的制作就完成了。

三、模型的修整与评定

模型制作初步完成后，对沙盘模型进行修整、美化，然后以调查问卷的形式，让老师和学生提出沙盘的修改意见，然后按照老师和学生的建议，再次修改后，最终沙盘模型完成。专业任课老师可以根据学生的作品质量，结合设计的标准，团队的工作情况评定成绩，这个成绩可以认定为课程平时成绩或者是生产实践成绩。

四、结语

大学工科专业教学的实质是培养合格的专业人才。但是应该看到目前的教学方法无法有效激发学生的学习兴趣，理论与实践脱节，满堂灌输的教学方法扼杀学生的思维，无助于培养学生发现问题、解决问题的实际工作能力。本文通过将沙盘模型制作应用于大学工科道路桥梁专业教学实践，探索新的教学模式，用以提高和改善教学质量。文中以道路桥梁专业沙盘模型制作与研究为例，详细介绍了沙盘模型制作的过程、方法以及理论。这种学生亲身参与的体验式教学方法，弥补了以往工科专业课教学表现手段的不足，使抽象的教学内容以实际模型的形式直观全面反映出来，有利于学生提高学习兴趣，掌握基本专业技能，也弥补了目前实践教学基地普遍建设不完善的缺陷。 鉴于工科专业的特殊性和复杂性以及工程反映形式的多样性，建议有条件的院校可以将这一教学方式引入课堂，同时探索体验式教学的新方法和新模式。

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［责任编辑：碧瑶］