“新工科”背景下《土木工程制图》课程教学改革与实践

郭颖 ,熊春宝 ,蔡俊超 ,马建军 *

(1.河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳；2.天津大学 建筑工程学院，天津)

一 引言

新一轮科技与产业革命在全球范围内兴起，新经济蓬勃发展，急需创新型工程人才作为支撑，并对工程科技人才提出更高要求[1]。而“新工科”建设是我国高等工程教育主动应对这一轮科技与产业革命的战略行动，也是国家为应对新经济、新业态的挑战，是服务国家战略、满足产业需求，面向未来发展提出的一项持续深化工程教育改革的重大行动计划[2]。“新工科”旨在树立工程人才培养的“新理念”，落实创新型、综合化、全周期的工程教育理念，培养学生终身学习发展、适应时代要求的关键能力。这对工程教育而言是一个反思教育模式和教育理念的重大新机遇[3]。

《土木工程制图》课程是河南科技大学土木工程专业的专业基础必修课，在本科第一年开课，56个课时，3.5学分。该课是后续相关专业课学习的基础，旨在培养学生的制图和识图的能力，在培养土木工程专业人才方面有重要地位。随着新工科要求的提出，工程领域需要培养具备扎实学科知识并能够将学习的新知识新技术应用于解决实际工程问题的能力和具有良好团队合作能力以及人文素养的新型复合人才。因此，需结合新时代建设特点和建设内容，从新工科视角入手，不断完善教学改革体系，形成新的教学模式，提高教学效果，以实现知识与实践的有机结合，进而推动课程建设。

二 传统教学的问题

《土木工程制图》课程教学质量和效果直接关系到土木专业后续相关专业课程中学生学习的积极性和人才质量培养的成败。如要满足和适应新工科对教学和人才培养的需求，首先需要了解新工科提出的意义和要求，然后结合新工科的要求从《土木工程制图》课程教育中发现问题，再结合新工科的背景寻找合适的解决问题的方法和措施，是一个教育工作者迫切需要解决的问题。当前《土木工程制图》课程存在如下四个问题。

(一) 课时少，任务重

《土木工程制图》是土木工程专业一门非常重要的专业基础必修课，与后续房屋建筑学、工程管理、工程造价、毕业设计以及学生步入工作岗位后各类工作需求相互交叉融合，为后续学生的学习兴趣和学习能力奠定了一定基础，所涉及知识面广泛。学生需要在读懂图的基础上进一步结合规范和标准来进行设计和计算，课本中提供的规范和标准往往已经过时，在上课时还需要对新的规范和标准进行补充。而《土木工程制图》从原本的画法几何和工程制图两门课程分两学期完成慢慢减少成为56课时，在这56个课时中，学生需要学习画法几何和工程制图，这使得学生在短时间内难以完全掌握课本中的知识，出现了明显的课时量少，任务量大的问题，不利于培养学生深入理解和独立思考的能力，此外，该课程在河南科技大学的授课群体是刚进大学的新生，他们大多对大学的课程不甚了解，容易将中学时代的学习方法直接代入，但《土木工程制图》课程对空间想象力和逻辑思维方式要求较高，学生学习觉得较为吃力，这会更一步降低教学进度。

(二) 画法几何部分占比较大

画法几何曾经是作为土木工程制图的分支用一学期来学习，经过一定的压缩，河南科技大学土木工程学院的土木工程制图课中画法几何26课时，占总课时量的46.4%(课程具体安排见表1)。其中包含平面的投影、平面立体和曲面立体的投影等难度较大的课程，学生虽然会对该课程中写写画画的内容有好奇感，但他们还是更习惯中学的学习方式，以写写算算为主，加之对该课程的应用性并不明确，尤其是在画法几何部分，学生不能理解课程的重要性的同时又觉得难度偏大，渐渐对该课程的学习丧失了信心，甚至有可能会对其他相关课程贴上“难”的标签。此外，看幻灯片是现在教学常用的方式，这种方式制约了学生空间思维的开放及对课程知识点的实际理解[4-5]。

表1 《土木工程制图》课程体系模块划分

(三) 教学形式和评价体系单一

传统的课堂普遍是以“老师讲学生听”的模式进行的，整个过程中授课老师基本是“满堂灌”，加之课时量不足，老师大多注重课程是否讲完，是否将所有的知识都“告知”了学生，而并没有关注到学生是否对此感兴趣以及是否听懂。这样造成了如果学生听不懂就会慢慢没有兴趣，越没有兴趣就越不想学的一个恶性循环，甚至还会因为听不懂，不感兴趣导致上课玩手机、睡觉等。由于对基础专业课不感兴趣可能导致了学生对其他专业课的不感兴趣造成学习不是连续的，形成断档，甚至出现“读书无用”的想法。

传统的考核方式大多是以拟定的选择题、简答题、画图题等题干信息进行期末统考，并用平时作业成绩和期末考试成绩作为评判标准，这种评判方式相对单一，缺乏对过程和实际应用的评价，这致使部分学生选择在考试前一周进行突击学习的方式来应付考试，难以发挥学生的主动性。这种考核形式下，虽然一半以上学生可以通过考试，但学生往往只能回答一些特定的问题，不能很好地解决实际问题，有的可能考完试就忘了，到毕业设计时才发现很多内容并不能清晰地表达，对一些规范和要求完全不明白，也不知道需要如何查阅。

(四) 缺乏全局协调

虽然压缩了课时量，但现在河南科技大学的《土木工程制图》主要还是包括画法几何和工程制图两部分，工程制图部分还包含了一些规范学习和制图技巧两部分，学习规范是一个很好与其他专业课程相融合的过程，但由于课时量不足，以及本科第一年尚未接触专业课，没有预先准备，导致以往的教学中，更多的关注点放在了课程本身上，不能将制图课与其它专业课程有效结合，让学生很难体会到该课程的重要性，缺乏课程之间的关联和以工程应用为目的的大局观[6]。新经济的快速发展对工程科技创新人才提出了更高的要求，迫切需要高校培养具有创新能力和跨界整合能力的卓越工程科技人才[7-8]，但如果本课程没有学好，学生的制图和识图能力得不到锻炼，在后续的学习中会埋下很大的隐患。

三 课程改革意义

(一) “新工科”建设需求

“新工科”建设是在“新理念”全周期工程教育中，构建新兴和传统相结合的“新结构”工科体系，寻求“新模式”来进行工程教育人才培养，造就具有国际竞争力的“新质量”工程教育体系，进一步完善具有中国特色的“新体系”工程教育模式，实现我国从工程教育大国走向工程教育强国的目标。从五个新来看，“新工科”中的新是取向更是指引，但不能脱离了工科这个大背景，土木工程专业原本是传统工科专业，但随着智能化、绿色环保等理念不断出现，土木工程也逐步催化成为新型工科，而《土木工程制图》作为土木工程的基础专业必须课在专业领域教育中占有重要地位。

(二) 人才培养的需求

随着国内国际发展的多元化和融合性凸显，在学生就业时将会面临更多的新问题和新挑战，“新工科”建设要求进行全周期的工程教育培养，这就要求学生不能仅仅学了课本的知识，还要求学生能够将知识用于工作当中去。在推进《土木工程制图》学科建设和改革过程中，需构建创新的、实用的专业知识体系，培养强有力社会竞争力的复合型创新人才[9]，以满足新时代复合型创新人才培养的需求。

(三) 学科发展的需求

从2016年“新工科”这一概念提出以来，多所高校都在探寻适合我国实际教学情况的工程教育改革之路。《土木工程制图》作为土木工程专业的基础必修课是为后续相关专业课程打基础的重要课程，关乎于学生是否能看懂专业课中的工程图，是否掌握了工程语言。采用“新理念”和“新模式”对学生进行该课程的学习有助于整个土木工程专业的“新发展”。

四 课程教学改革举措

图1 教学改革举措关系示意图

(一) 授课思想的改革

任何课程教学改革都需要吃透课程本身特征以及教学改革精神和实际意义。如何能够在课时量不断减少，而需要授课内容以及课程思政不断增加的情况下，精准地把握学生需要学习的内容，并让学生有足够的时间和精力对内容进行掌握是一个重要的问题。要求老师需要明确课程的重难点以及与其他课程的衔接，充分明确需要“教什么”“教多少”“如何教”。除了教与学，新工科背景下高校需要培养出具有应用能力的新型复合人才，土木工程应用性极强，而《土木工程制图》又是整个专业的基础课程，更需要从工程实际出发，科学引导学生以“用”促学，以“用”强化实践能力，实现学以致用。

(二) 授课内容的改革

《土木工程制图》课程内容主要是画法几何和工程制图两部分，主要培养学生针对施工图的识图和制图能力。土木工程类的规范经常会有改动造成与课本有些内容不符，虽然如此，但是给学生讲述新规范的同时还可以培养学生查阅规范的能力，应培养学生遇到问题查规范来解决的能力。此外，工程制图是针对各类工程建筑物和构筑物中的平面图、立面图、剖面图等建筑施工图和配筋图、结构详图等结构施工图来进行详细的学习，并达到能够熟练的识图和制图的目的，更适合与后期与其他专业课和工程实际相结合。

工程制图部分还包含了组合体及其立面和剖面图，这部分是基于画法几何的深入，但如果降低画法几何部分的难度，分一定课时量来讲这部分，实用性会更强。而对于画法几何部分的换面法、线面相交等难点虽是从点、线、面投影层层递进而来，但对于本科一年级刚开始转变思维方式的学生而言依然难度不小，应用性也不强。因此，考虑适当弱化画法几何中偏于理论而实际中有不常用的部分，重点结合应用学习组合体视图以及轴测图等能够更好地让学生读懂施工图的同时又不会对该课程产生厌恶感。

(三) 授课形式的改革

传统的教学形式老师将知识“告知”给学生后，学生难以消化，更不要说应用了。课程改革需要以学生为中心，激发学生自主探索和自主学习的能力，从而让学生更多地融入课堂，提高学生的兴趣和积极性，让学生成为课程学习主体，教师充当学习引导和帮扶的角色。在课前给学生布置与下节课相关的内容，让学生通过查阅资料、现场调研的方式提前学习和了解，上课时以学生为主导，根据预先设定的问题情境，引导各组成员完成小组汇报及成果演示，需要学生为大家讲解清楚相应问题是如何得到，并如何应用于工程当中。最后总结阶段，根据各个小组的解决方案进行逐一点评，指出优点和存在的不足，并给出互动环节成绩，具体计算如下：

其中，T2总为T2部分一组学生的总得分，A为课堂互动成绩，N为该组学生人数，T2为课堂互动环节一个学生成绩，该分数可与A不同，由每组学生商讨后自行分配。

针对整个评分体系的得分计算如下：

其中，T为最终成绩，T1为期末考试成绩，T3为课后作业成绩，T4为出勤成绩，1ω为期末考试成绩所占比重，2ω为课堂互动成绩所占比重，ω3为课后作业成绩所占比重，ω4为出勤成绩所占比重。

以半剖面图部分为例来进行教学设计：

图2为半剖面图的教学案例，在上课前，先要求学生理解剖面图的分类和概念。并要求学生提前知道不同的剖面图适用于哪些不同的条件和环境。上课时，首先要求学生对剖面图的概念和方式进行介绍，并回答其在工程中有哪些应用。接着，以图2 (a)为例带让学生学习如何做基础的1-1半剖面图。学生理解之后，让学生来讲如何画出图2 (b)的中的2-2半剖面图。发现学生掌握知识的不足，更加明确哪部分知识学生还没有完全理解，在最后15分钟的时间中，对本节课学习的内容进行总结，并指出学生哪里理解得不到位，深入对该部分进行讲解，在布置课后作业时，有针对性地进行布置。

图2 半剖面图教学案例

现阶段，线上线下混合教学以及翻转课堂等新的教学模型开始逐渐发展，并被高校教师广泛认可和推广。特别是经历了2020年新型冠状病毒肺炎的影响，线上课也在一定程度上得到了认可，采用超星、雨课堂等平台进行网上教学有诸多好处：1.应对了疫情时的教育问题，实现了“停课不停学”；2.学生可以合理利用碎片化时间，提高自主学习能力；3.学生可以通过老师上传的课件反复观看和学习，节约了大量重复性的教学和答疑时间；4.学生还可以在网络平台上与老师进行交流、打卡等活动，通过网络的记录实现了各类问题有据可查；5.线上平台可对学生的学习情况进行统计，有助于老师更好地了解学生的学习情况和不足之处，更有针对性地进行辅导。翻转课堂的理念更接近于研究生甚至博士生的培养方式。开放性的知识资源，畅所欲言的讨论式学习，有利于思想的碰撞和知识的深入理解[10-11]。

图3 改革后教学形式

图4 综合成绩分项组成及比重

五 教学和考核效果

通过开展基“新工科”的《土木工程制图》教学改革，在学生能力培养和考核评估方面取得了良好的效果。

（一） 自主学习能力和课堂氛围显著提升

课堂上采用了学生讲为主，老师进行一定的引导，这要求学生在课前课后能够自主学习，并搞清楚自己要讲的内容才能进一步给自己的同学讲清楚，大大提高了学生自主解决问题的能力。将原本四五个班一起上课改为了小班上课后课堂上互动明显增多，学生自主放下了手机。

（二） 考试成绩有一定的进步

传统的教学模式下，学生成绩不理想，不及格率偏高，约45%，很多学生甚至连概念都不清楚。优秀率很低，每次考试几乎只有三五个成绩为90分以上。通过新形势的教学模式，学生不仅平时的作业完成得更好了，期末考试成绩也有了明显的提高。不及格率明显下降，约22%，优秀率也有一定的提升，约为15%。

总体而言，通过新工科背景下《土木工程制图》的教学改革，辅以任课老师和学生等人员的协同作用，学生的自主学习能力和学习热情、考试成绩等方面得到巨大提升，能够初步实现新工科要求培养的创新型、综合型人才的目标，进而推进课程建设。

六 结语

《土木工程制图》课程是土木工程专业一门非常重要的专业基础必修课，课程学习质量和效果直接影响相关专业课学习兴趣和学习方法。本文结合新工科背景，将从传统《土木工程制图》教学存在的问题、“新工科”背景下教育改革的意义和措施等方面出发，找到教学中存在的不足，并根据新模式、新技术、新理念来解决新工科背景下《土木工程制图》课程的新问题。采用启发和引导的模型，实现课堂中学生为主体，大家共同参与的课堂学习模式，激发学生学习兴趣的同时提高自己探索和解决问题的能力以及团队合作的能力，并得到了良好的效果。