王娟 趙均海 孫珊珊 周媛

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2024.03.017

歡迎按以下格式引用：王娟，趙均海，孫珊珊，等.基于OBE理念的“分段融入式”工程圖學課程探索［J］.高等建筑教育，2024，33（3）：137-143.

修回日期：2021-12-30

基金項目：長安大學實驗教學改革研究項目（20211824）；長安大學國際教育教學改革項目（300108211044）

作者簡介：王娟（1987—），女，長安大學理學院講師，博士，主要從事土木工程研究，（E-mail）wangjuanchd@126.com。

摘要：結(jié)合現(xiàn)代工程圖學課程體系的特點，以畫法幾何與工程制圖課程為載體，從平面圖形、基本體、立體表面交線、組合體，以及建筑工程圖等方面，論述了三維建模軟件Revit與工程圖學課程融合的切入點，提出了基于OBE理念的“分段融入式”工程圖學課程的實施方案。教學過程強調(diào)以學生為中心，通過創(chuàng)新設(shè)計項目引導學生協(xié)同學習，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神和創(chuàng)新精神。并以長安大學為例，詳細介紹了“分段融入式”工程圖學課程的教學實踐，包括教學內(nèi)容、教學安排和實踐效果。

關(guān)鍵詞：工程圖學；分段融入式；成果導向；Revit三維建模；創(chuàng)新設(shè)計

中圖分類號：TB231? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2909（2024）03-0137-07

工程教育專業(yè)認證對引導和促進專業(yè)建設(shè)與教學改革、保障和提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。成果導向教育（OBE）作為一種先進的教育理念，強調(diào)以學生的學習效果引導教學設(shè)計和教學方法［1］，要求學生具備解決復(fù)雜實際工程問題的能力。工程圖學課程作為工程教育的先導課程，在培養(yǎng)學生能力方面發(fā)揮著重要的作用［2］，信息化的發(fā)展和三維軟件的廣泛應(yīng)用使得工程圖學課程的教學體系和內(nèi)容正發(fā)生著深刻的變革，越來越多的高校將三維建模引入工程圖學課程中，結(jié)合現(xiàn)代工程教育專業(yè)認證要求，進行了一系列的課程改革和實踐，取得了豐富的成果。清華大學童秉樞［3］根據(jù)三維建模的引入方式將課程體系總結(jié)為3種模式：主線式、分段式和獨立式。其中，主線式是將三維建模的原理、方法和技能融入教學的全過程，與課程原有教學體系中的傳統(tǒng)工程圖學和二維計算機繪圖內(nèi)容相互支撐。這種模式往往造成學習缺乏系統(tǒng)性，學生的注意力不斷在三者之間跳躍，使學生抓不住重點，條理不清。分段式是將傳統(tǒng)工程圖學、二維計算機繪圖和三維建模設(shè)置在不同學期不同階段集中學習，獨立式是將三者作為獨立的課程開設(shè)，各部分具有獨立性和系統(tǒng)性，便于教學組織，能夠體現(xiàn)三維模型的引入。這種模式往往使得各部分之間的聯(lián)系不夠緊密，無法體現(xiàn)三者之間的關(guān)系。為此，教師常常在教學過程中演示提前做好的三維模型，以直觀地反映三維模型與二維視圖之間的對應(yīng)關(guān)系，學生可產(chǎn)生極大的興趣。但由于未能合理設(shè)置教學安排，這種興趣并沒有在三維軟件的學習上產(chǎn)生促進效果。史艷紅等［4］在比較三種引入方式的基礎(chǔ)上，提出了混合式工程圖學課程的實施方案，建議將三維建模設(shè)置在平面圖形后，使學生較早掌握三維建模的方法，并在后續(xù)傳統(tǒng)教學中融合應(yīng)用。然而，平面圖形和三維建模缺乏聯(lián)系，這種順序設(shè)置與學生的認知習慣不相符。同時，平面圖形部分是工科學生學習工程圖學課程時的第一部分內(nèi)容，若沒有接觸二維計算機繪圖，直接學習三維建模軟件，顯然對于學生存在一定的難度。此外，高校工程圖學課程的學時有限，通過壓縮傳統(tǒng)工程制圖內(nèi)容的部分課時，增加三維建模的課時，僅能介紹三維建模軟件的基礎(chǔ)命令，且容易給學生造成傳統(tǒng)工程制圖是次要內(nèi)容的錯覺。

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)引發(fā)了全球建筑業(yè)的技術(shù)革命，在國內(nèi)外建筑行業(yè)愈來愈受重視［5］，鑒于目前BIM工程技術(shù)人才缺乏，高校的BIM教學改革刻不容緩［6］。周媛等［7］提出將三維建模軟件Revit引入工程制圖課程的教學體系，但并未說明如何將Revit引入課程體系，也未介紹引入Revit后如何進行詳細的課程設(shè)計。

為保證課程體系相對完整、順應(yīng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢，本文基于OBE教學理念，借鑒主線式、分段式和獨立式三種模型的優(yōu)點，提出將Revit三維建模和二維計算機繪圖引入工程圖學課程的“分段融入式”模型，該模型將工程圖學的教學過程分為兩個階段：一是繪圖軟件學習階段；二是融入了二維計算機繪圖和三維建模的工程圖學教學階段，在該階段通過細致整合投影定理、手工繪圖、二維計算機繪圖，以及三維建模等內(nèi)容，建立了現(xiàn)代化工程制圖的教學新體系。

一、“分段融入式”工程圖學課程的實施基礎(chǔ)

（一） 課程內(nèi)容的改革

鑒于當前課程內(nèi)容較多、課時有限和工程設(shè)計的實用性，在教材中適當刪減了理論內(nèi)容，增加了工程圖部分的內(nèi)容，包括以下幾方面：（1）減少畫法幾何點線面部分的學習課時；（2）刪除直線和平面的貫穿點、換面法部分的內(nèi)容，換面法知識在實際中較少應(yīng)用，貫穿點知識在截交線部分提及即可；（3）減少截交線和相貫線部分的內(nèi)容，目前課程此部分內(nèi)容過多，應(yīng)用有限；（4）加強軸測圖部分中徒手繪圖能力的學習課時，徒手繪圖作為技術(shù)人員快速表達設(shè)計意圖的手段，有助于學生記錄瞬間靈感；（5）增加工程圖部分的內(nèi)容。例如，識讀項目施工圖、創(chuàng)新項目以及BIM成圖技術(shù)等，以強化學生的應(yīng)用能力，更好地完成后續(xù)專業(yè)課程的實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的綜合圖學技能。需要注意的是，為避免工程圖學課程成為幾乎沒有理論的“工具課”，影響整個學科的良性發(fā)展，課程的理論部分只刪減了個別冗繁內(nèi)容，刪減后的工程圖學課程的理論性仍遠多于應(yīng)用性［8］。

（二） 三維建模的融入

工程制圖課程是土木類專業(yè)學生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，以往設(shè)計師普遍使用CAD軟件繪制施工圖紙，即利用二維圖形表達建筑形體。由于Revit三維模型具備可視化、信息化、協(xié)同化等優(yōu)點，其應(yīng)用范圍已經(jīng)超過傳統(tǒng)CAD。然而，Revit工程圖建模需要先繪制二維平面圖，直接建立的三維實體模型所生成的二維投影圖不符合國標，修改仍需使用二維軟件，且傳統(tǒng)CAD繪制的二維圖形更容易進行尺寸標注、滿足技術(shù)要求，比三維模型表達得更清楚和準確。因此，短期內(nèi)CAD技術(shù)還不能被Revit完全取代。考慮到課程改革與后續(xù)課程的銜接、現(xiàn)有小型設(shè)計院傳統(tǒng)設(shè)計的需要，工程制圖課程的投影理論和二維工程圖部分依然需要保留［9］，應(yīng)設(shè)法在教學過程中結(jié)合二維圖學教育和三維模型的特點，得到較為優(yōu)質(zhì)的教學效果?？傮w而言，在融合了三維建模的教學內(nèi)容中，投影理論和二維繪圖仍是主要內(nèi)容［10］，強調(diào)以傳統(tǒng)教學為主，培養(yǎng)學生的空間想象能力和思維能力，為學生識讀和繪制工程圖打好基礎(chǔ)，以三維建模為輔，將其作為工具服務(wù)于二維，激發(fā)學生學習工程制圖的積極性，建立學生對工程行業(yè)的直觀認識。

二、基于OBE理念的“分段融入式”工程圖學課程的實施方案

（一） 成果導向設(shè)置模式

空間想象能力和思維能力是圖學素質(zhì)培養(yǎng)的核心，三維設(shè)計正是培養(yǎng)這種能力最直接有效的工具。將三維建模融入工程制圖課程時，必須要注意三維建模的設(shè)置形式、時間和融入點，既要保證投影理論和二維工程圖體系的完整，又要充分發(fā)揮其輔助功能。一是調(diào)動學生學習熱情的同時，不模糊課程重點。二是提高教學效果的同時，考慮學習對象與后續(xù)課程、學科競賽或畢業(yè)工作的相輔相成，滿足基于OBE能力培養(yǎng)的教學理念要求。三是進行教學設(shè)計時，保證三維建模貫穿教學全過程，與傳統(tǒng)工程圖學緊密融合，使其作為工具對傳統(tǒng)圖學教學切實起到促進作用。

畫法幾何與工程制圖課程第一章的主要內(nèi)容為平面圖形的繪制。此部分內(nèi)容與后續(xù)內(nèi)容相對獨立，是手工繪圖和計算機繪圖的基礎(chǔ)，而二維計算機繪圖又是三維計算機建模的基礎(chǔ)。因此，課程內(nèi)容設(shè)置可更加緊密，將傳統(tǒng)CAD二維計算機繪圖設(shè)置在手工繪制平面圖形作業(yè)之后，使得學生充分掌握三部分知識?？紤]有限的課時量和融入目標，可將Revit三維建模設(shè)置為選修課，仍由本系制圖教師負責講授，開課時間安排在CAD二維計算機繪圖完成之后（第4周第2次課），主要介紹軟件的基本操作和建模的方法。三維建模選修課結(jié)束時，傳統(tǒng)工程圖學課程的點線面部分已經(jīng)基本結(jié)束（第7周），進一步開始基本體的投影學習時，便可以自然而然融入三維建模。同時，整個教學過程可清晰地分為兩個階段，即繪圖軟件學習階段和工程圖學教學階段，使學生清楚地認識到手工繪圖、二維計算機繪圖和三維建模分別是工程圖學的三種方法和手段。后續(xù)的學習任務(wù)和教學重點則是充分利用這三種方法掌握和運用相應(yīng)的圖學知識，包括投影理論和二維工程圖，形成明晰的主次關(guān)系。此外，全國大學生成圖大賽通常在7月份舉行，有意向的學生修完選修課后，可以參加課題組教師組織的選拔和集訓。學生既能提升軟件技能，又能增強制圖的學習愿望，更好地學習圖學課程，為就業(yè)增加了技能優(yōu)勢，符合成果導向的教育理念?？傮w而言，該課程設(shè)置模式符合學生的認知規(guī)律，也體現(xiàn)了以學生的全面發(fā)展為中心的教學理念。

（二） 成果導向教學設(shè)計

1.三維建模在基本體中的應(yīng)用

在基本體部分，學生需要掌握空間立體的投影特點，既能用二維投影的方式將空間立體在平面上表達出來，又能根據(jù)二維投影想象出空間立體的形狀。三維建模作為工具在此部分主要發(fā)揮引入作用，教師可以先利用Revit中拉伸命令建立柱狀體、利用旋轉(zhuǎn)命令建立回轉(zhuǎn)體。由于學生已經(jīng)在Rveit選修課中掌握了三維建模的基本方法，便可自然而然地將再現(xiàn)的建模過程理解為舊知識的運用。課上，教師通過多視口設(shè)置引入建立體的二維正投影的三視圖，使學生直觀理解三維立體和三視圖之間的對應(yīng)關(guān)系，加深對投影理論的掌握。課后，學生通過尺規(guī)繪圖和CAD兩種方式完成繪制立體三面正投影的習題，如有問題還可通過自建三維模型反復(fù)觀察對比進行思考。

2.三維建模在截交線和相貫線中的應(yīng)用

工程制圖課程旨在培養(yǎng)學生的空間想象能力和繪圖識圖能力。因此，課程融入三維建模時必須注意切入點，既要展現(xiàn)三維建模的優(yōu)勢，又不能使學生在學習投影理論知識時過于依賴三維建模，影響空間想象能力的培養(yǎng)。三維建模作為工具在截交線和相貫線部分主要起解惑的作用。例如，兩圓柱正交時，在圓柱表面產(chǎn)生的相貫線是兩個空間曲線，隨著小圓柱直徑的不斷增大，相貫線曲線越來越趨向于大圓柱軸線，當兩圓柱直徑等大時，相貫線則變成了兩條相同的平面曲線，即橢圓。學生在學習這部分內(nèi)容時，應(yīng)先通過傳統(tǒng)教學掌握投影的相關(guān)理論和作圖方法，在腦海中想象空間立體和投影之間的對應(yīng)關(guān)系。若在此過程中，學生能夠根據(jù)所學投影知識大致完成三視圖，卻仍無法準確理解該相貫線發(fā)生的形狀質(zhì)變，便可通過三維建模中的基本命令，動態(tài)展示小圓柱直徑不斷增大時相貫線的變化，特別是展示相貫線由空間曲線變?yōu)槠矫鏅E圓時的瞬間變化，可最為直觀地加深學生的印象，增強學生對投影知識的掌握。

3.三維建模在組合體中的應(yīng)用

制圖中組合體部分的讀圖既是重點又是難點，三維建模作為工具在組合體部分主要發(fā)揮分析和驗證的作用。例如，讀圖的形體分析法是將投影線框作為基本體的投影，以此分解復(fù)雜的組合體。課上，教師可分別利用Revit對分析的基本體進行三維建模，進而得到組合體三面正投影對應(yīng)的立體圖，完成讀圖過程的示范，使學生掌握建模的技能，激發(fā)學生制圖的學習興趣。在掌握了組合體投影理論、畫圖方法，以及逐步建立起分析復(fù)雜立體的能力基礎(chǔ)上，先要求學生利用尺規(guī)繪圖，作答知二求三和補漏線等典型例題，接著為了驗證結(jié)果的正確性，利用Revit建立起構(gòu)思好的三維立體模型，對照軟件自動生成的二維投影圖和尺規(guī)結(jié)果。同理，在構(gòu)型練習部分，學生可以大膽假設(shè)，再通過三維建模予以驗證，充分鼓勵和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。此外，因為進行組合體三維建模時，勢必需要各種定形尺寸及定位尺寸，所以在學習組合體尺寸標注時，學生更能理解完整性原則。課后，學生仍然通過尺規(guī)繪圖和CAD兩種方式完成組合體二維投影的習題。新的教學設(shè)計既使學生在學習過程中可以隨時積極地應(yīng)用建模軟件，又體現(xiàn)了三維模型成為讀圖輔助手段的性質(zhì)。還將三維建模與工程圖學進行了緊密融合，對培養(yǎng)學生的空間想象能力和讀圖能力發(fā)揮了重要作用。

4.三維建模在建筑工程圖中的應(yīng)用

此部分實踐性和專業(yè)性較強，學生由于缺乏工程實踐經(jīng)驗，理解存在困難。教師可以在課前先用Revit建立與教材例題一致的工程三維模型，從而輔助讀圖。例如，在建筑平面圖教學中，可利用“剖面框”命令展示房屋水平面剖視圖（平面圖），以介紹建筑平面圖的形成。通過三維模型和二維平面圖的對照分析、動畫漫游，使學生直觀了解房屋的總體布局、平面布置和建筑構(gòu)造等專業(yè)知識，掌握閱讀施工圖的基本方法。利用“創(chuàng)建剖面視圖”命令創(chuàng)建剖面圖，講解剖面圖的形成，內(nèi)外墻、各樓層、樓梯間、休息平臺，以及屋面的構(gòu)造和位置關(guān)系等。通過三維模型反作用于二維圖紙的方式，引導學生建立實物與圖形的對應(yīng)關(guān)系，有助于提高學生對于圖紙的理解能力，拓展學生的空間想象能力。主要的課程任務(wù)則是手工繪制建筑施工圖，繼而進行二維計算機繪圖（CAD繪制建筑施工圖）。

5.創(chuàng)新項目的牽引

隨著傳統(tǒng)工程圖學逐步向現(xiàn)代工程圖學轉(zhuǎn)變，教學模式上強調(diào)培養(yǎng)學生形象思維和創(chuàng)新能力。為貫徹工程圖學課程改革實踐并響應(yīng)教育部“強化工程實踐能力、工程設(shè)計能力與工程創(chuàng)新能力”的卓越工程師教育培養(yǎng)目標，長安大學工程圖學系在建筑工程圖部分增加了部分課時用于創(chuàng)新項目的學習，教師給定設(shè)計題目，學生借助三維設(shè)計軟件分組完成，學生在此過程中體會團隊合作和創(chuàng)新精神。

具體而言，學生自由分組（每組3～5人），利用課外時間查閱相關(guān)資料進行建模設(shè)計，完成項目后，每組選1名代表以PPT的形式進行項目答辯。三維建模實例，如圖1所示。接著，部分學生進一步強化學習建模設(shè)計，并逐步引入“全國大學生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽”和“全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽”等相關(guān)模型進行練習，提升學生自身學習和建模設(shè)計能力。既可使優(yōu)秀學生脫穎而出，帶動和激發(fā)周圍學生的學習熱情，又可發(fā)現(xiàn)教學不足、檢驗教學成果，實現(xiàn)以賽促學、以賽促教、持續(xù)改進的目標。通過課堂學習和課外實踐相結(jié)合，探索有利于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的圖學教學改革，培養(yǎng)更多符合當今企業(yè)需求的圖學人才。

近年來，長安大學工程圖學課程實踐取得了較好的效果。2018—2021年參加“陜西省工程制圖和3D建模大賽”和“全國大學生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽”，佳績連連。其中，在“第十四屆‘高教杯全國大學生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽”中分別獲得了團體一等獎、制圖基礎(chǔ)知識一等獎等榮譽，在“‘天正杯bim創(chuàng)新應(yīng)用大賽”中取得了創(chuàng)新應(yīng)用二等獎和諸多單項獎的好成績，學生的學習熱情更加高漲，真正體現(xiàn)了成果導向教育理念。

由此可見，無論是從課程內(nèi)容的教學組織，還是三維建模在課程各部分的融入方式來看，新的“分段融入式”模型一直以學生的學習需求為重點。三維建模貫穿于教學全過程，教學安排既有融合又考慮不同階段的內(nèi)容設(shè)置，教學環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，教學內(nèi)容重點突出，教學方法清晰獨立。并且，著眼于培養(yǎng)學生的圖學素養(yǎng)，大大拓寬了制圖課程教學的知識面。

三、基于OBE理念的“分段融入式”工程圖學課程的教學實踐

（一） “分段融入式”工程圖學課程的教學安排

長安大學融入了Revit三維建模的畫法幾何與工程制圖課程仍為110課時。其中，第一學期62課時，需完成緒論到軸測投影的講授，第二學期48課時，從建筑形體的表達方法開始講授，具體的教學安排及時間節(jié)點，如圖2所示。

（二） “分段融入式”工程圖學課程的實踐效果

經(jīng)過多年的摸索和實踐，長安大學“分段融入式”工程圖學教學模式已逐步完善，每年有近600名土木類學生參與其中。由于同一教師同時授課的班級之間存在整體分數(shù)差異的情況，本教學體系未針對學生成績簡單對比，更關(guān)注學生反饋的學習效果和作業(yè)質(zhì)量，針對發(fā)現(xiàn)的問題，持續(xù)改進。為了了解學生對“分段融入式”工程圖學課程的主觀評價，進而為教學設(shè)計和方法提供參考，本研究采用匿名方式進行了問卷調(diào)查，題目設(shè)置如表1所示。問卷共發(fā)放102份，收回99份，有效問卷97份，有效率97.98%。

調(diào)查結(jié)果如圖3所示，87.70%的學生支持“分段融入式”教學模式，絕大多數(shù)學生認為融入了三維建模的“分段融入式”制圖教學提高了學習興趣、改善了教學效果，同時加深了學習深度、注重知識的應(yīng)用?？梢姡瑢W生對“分段融入式”工程圖學教學模式的滿意度較高。

四、結(jié)語

基于OBE理念的“分段融入式”工程圖學課程主要通過手工繪圖、二維計算機繪圖、三維建模三種方法掌握相應(yīng)的投影理論和運用工程圖知識。其中，手工繪圖和二維計算機繪圖為主、三維建模為輔，三維建模以選修課的形式被設(shè)置在二維計算機繪圖之后，繼而融入并貫穿于畫圖和讀圖的全過程。“分段融入式”工程圖學課程的教學設(shè)計和安排仍然圍繞傳統(tǒng)圖學投影理論，課堂重點在于培養(yǎng)學生手工繪圖能力。例如，課程將二維計算機繪圖大作業(yè)安排在相應(yīng)手繪大作業(yè)之后?！胺侄稳谌胧健惫こ虉D學教學模式從學生接受知識的角度出發(fā)，合理進行教學安排，使三維建模服務(wù)于二維，發(fā)揮知識引入、疑難解惑、結(jié)果驗證，以及工程實踐的作用。既保證了圖學課程的完整性，又體現(xiàn)了三維建模和工程圖學的有效融合。整個教學過程全面運用工程教育專業(yè)認證的理念，貫徹了成果導向、以學生為中心、持續(xù)改進的要求，加強了實踐繪圖環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了學生獨立思考、空間想象、三維模型設(shè)計、團隊合作，以及創(chuàng)新設(shè)計的能力。為保證工程圖學課程改革的順利進行，高校需從教材和計算機硬件設(shè)施兩方面進行改革，使其與教學內(nèi)容相匹配，滿足三維建模的需要。長安大學針對新教學體系的第三版教材已于2022年投入使用。

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Research on segmental integration engineering drawing curriculum based on OBE

WANG Juana， ZHAO Junhaib， SUN Shanshanb， ZHOU Yuana

（a.College of Science；b.School of Civil Engineering， Changan University， Xian 710061， P.R.China）

Abstract： Based on the characteristics of modern engineering drawing curriculum system， taking descriptive geometry and engineering drawing curriculum in civil engineering as the carrier， this paper discusses the entry points for the integration of Revit 3D modeling software and engineering drawing courses in terms of plane figures， elementary units， intersection of solid surfaces， assemblies and architectural drawings. Guided by OBE， the paper also puts forward implementation scheme of segmental integration engineering drawing curriculum. The teaching process emphasizes student-centered in order to develop students ability of teamwork and innovation via collaborative learning within the innovative design projects. Taking Changan University as an example， the paper introduces in detail the teaching practice of segmented integration engineering drawing course， including teaching content， teaching arrangements， and practical effects.

Key words： engineering drawing; segmental integration; outcome-based; Revit 3D modeling; innovative design

（責任編輯? 代小進）