摘要：文章探討了創(chuàng)新土木工程專業(yè)教學(xué)手段和方法的必要性，提出以土木工程專業(yè)系列教學(xué)實體模型庫、三維數(shù)字教學(xué)模型庫、工程案例庫為基礎(chǔ)的“形象化教學(xué)”新方法，從而提高土木工程專業(yè)學(xué)生的空間想象力。

關(guān)鍵詞：土木工程專業(yè)；形象化教學(xué)；空間想象力

中圖分類號：G6424文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：10052909（2012）06003604一、土木工程專業(yè)開展形象化教學(xué)的必要性

土木工程專業(yè)發(fā)展迅速，各種土木工程結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，內(nèi)容抽象、復(fù)雜的土木工程專業(yè)系列課程教學(xué)難度加大。在實際的土木工程中，無論是房屋結(jié)構(gòu)、道路橋梁結(jié)構(gòu)、港口工程結(jié)構(gòu)以及巖土工程結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)為三維立體形式，而現(xiàn)有的土木工程專業(yè)系列課程教材，多采用節(jié)點二維CAD圖紙、二維圖片等展示教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生僅憑平面圖難以真實、準(zhǔn)確地理解和掌握土木工程結(jié)構(gòu)構(gòu)造的完整信息，但是所有結(jié)構(gòu)概念的形成都依靠工地參觀學(xué)習(xí)也難以實現(xiàn)；因此，教師在課堂上應(yīng)采用一些先進(jìn)教學(xué)方法及手段強化學(xué)生的空間結(jié)構(gòu)概念，使學(xué)生輕松準(zhǔn)確地掌握結(jié)構(gòu)專業(yè)知識。

素質(zhì)教育的深入發(fā)展也給土木工程專業(yè)教學(xué)方法改革提出了新的要求。在土木工程人才培養(yǎng)方案中明確要求土木工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)達(dá)到成為適應(yīng)第一任職崗位需要，懂技術(shù)、會管理、能指揮，能勝任土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、研究、施工和管理工作的高級工程技術(shù)人才的目標(biāo)。從事土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工作的高級工程技術(shù)人才，一方面能夠通過閱讀建筑施工圖了解建筑物或構(gòu)筑物的長、寬、高，造型、外表形狀、內(nèi)部大小，門窗、樓梯位置等信息；通過結(jié)構(gòu)施工圖能掌握屋面、樓面、梁、柱、樓梯、基礎(chǔ)等承重構(gòu)件的構(gòu)造及其構(gòu)配件的位置、大小和功能，即把平面圖形拓展為空間立體的形象，從而在工程實踐中指導(dǎo)施工。另一方面還需達(dá)到更高境界，即在學(xué)習(xí)階段能按照課程設(shè)計任務(wù)書和畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的要求，在工程崗位上按照甲方所提要求完成建筑及結(jié)構(gòu)施工圖的繪制，完成空間圖形的平面化表示。這些能力的培養(yǎng)都離不開學(xué)生的空間想象力?？臻g想象力是人們對客觀事物的空間形式（空間幾何形體）進(jìn)行觀察、分析、認(rèn)知的抽象思維能力。學(xué)習(xí)土木工程專業(yè)有賴于空間想象力的培養(yǎng)。空間想象力有明顯的層次性，教師只有把握規(guī)律，并應(yīng)用于教學(xué)實踐，采取有針對性的教學(xué)方法和手段，才能有效提高學(xué)生的空間想象力。近年來土木工程技術(shù)和實踐的發(fā)展使土木工程專業(yè)課程體系和教學(xué)內(nèi)容發(fā)生了重大改變。如果教學(xué)方法和教學(xué)手段仍沿用傳統(tǒng)模式，只是將黑板板書變成了多媒體課件（電子板書），將很難讓學(xué)生完整了解土木工程專業(yè)最新信息，因此，創(chuàng)新土木工程教學(xué)手段與方法勢在必行。

12高等建筑教育2012年第21卷第6期

陳進(jìn)，等土木工程專業(yè)形象化教學(xué)研究

二、開展形象化教學(xué)手段和方法的探索

（一）展示形象直觀的土木工程專業(yè)系列教學(xué)實體模型，形成結(jié)構(gòu)空間概念

感性認(rèn)識是空間想象力形成和發(fā)展的基礎(chǔ)。比起抽象的語言和平面圖形，具體形象的實際結(jié)構(gòu)能給予學(xué)生最直接最深刻的感性認(rèn)識。但經(jīng)常帶領(lǐng)學(xué)生參觀在建工地，觀察實際結(jié)構(gòu)，也有安全性、經(jīng)濟(jì)性以及教學(xué)進(jìn)度與在建工地進(jìn)程協(xié)調(diào)等問題。如果建立土木工程專業(yè)系列課程模型庫，以縮尺形式展示一些有代表性的建筑結(jié)構(gòu)、建筑構(gòu)造模型，即采用實體三維模型，可有效彌補這方面的不足，達(dá)到較好的教學(xué)效果。實體模型一般分為兩類：演示模型和實訓(xùn)模型。教學(xué)時給學(xué)生展示實體演示模型，分析模型的形體結(jié)構(gòu)，講解形象具體。口述、板書難以表達(dá)清楚的內(nèi)容直接實體展示，使學(xué)生一目了然，加強感性認(rèn)識，形成空間的整體形象，建立空間思維框架，從而突出教學(xué)重點，化解教學(xué)內(nèi)容的難點和疑點，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率。

例如：如果教師只是通過圖1（a）單層廠房排架結(jié)構(gòu)立面圖來講解單層廠房排架結(jié)構(gòu)的組成及受力，對沒有工程經(jīng)驗，剛剛接觸土木工程專業(yè)知識的本科生來講，要在頭腦里形成一定的空間體系概念，確實有一定的難度。而采用圖1（b）單層廠房結(jié)構(gòu)實體模型輔助教學(xué)，學(xué)生立刻就會清楚明白，立體概念很快形成，再理解圖1（a）單層廠房排架結(jié)構(gòu)立面圖就會輕松很多。

實訓(xùn)模型則可以模擬“施工現(xiàn)場”，幫助學(xué)生完成一些工程施工過程，訓(xùn)練學(xué)生的專業(yè)動手能力，并通過這些實際練習(xí)加深其表象感知，在使用時能清晰再現(xiàn)其建筑結(jié)構(gòu)空間形體。實訓(xùn)模型的應(yīng)用目的是將“工程搬進(jìn)課堂”，實現(xiàn)教師在工程環(huán)境中講授工程，學(xué)生在工程環(huán)境中學(xué)習(xí)工程，從而增強學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提高教學(xué)效率和效果。認(rèn)識到實體模型的優(yōu)越性后，在學(xué)院支持下建設(shè)了土木工程專業(yè)系列課程模型庫，即建筑結(jié)構(gòu)模型專修室。模型室配置有鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、道路工程結(jié)構(gòu)、橋梁工程結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)工程結(jié)構(gòu)在內(nèi)的各種教學(xué)模型，今后還將隨課程發(fā)展與需要，添置新的教學(xué)實體模型。這些教學(xué)實體模型為教師模擬現(xiàn)場教學(xué)和學(xué)生模型裝配創(chuàng)造了良好環(huán)境，幫助學(xué)生理解各類結(jié)構(gòu)體系，提高學(xué)生對結(jié)構(gòu)的整體思維能力和空間想象力。

圖1單層廠房排架結(jié)構(gòu)立面圖與實體模型的效果比較

（二）應(yīng)用生動逼真的三維數(shù)字教學(xué)模型，拓寬結(jié)構(gòu)空間思維

提高學(xué)生想象力，開展形象化教學(xué)手段的第二種輔助教學(xué)方法是借助三維數(shù)字手段。三維數(shù)字模型是指在計算機系統(tǒng)中利用圖素來描述空間三維實體，通常用計算機或者其他視頻設(shè)備顯示，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。目前物體的建模方法大體有3種：利用三維軟件建模；通過儀器設(shè)備測量建模；利用圖像或視頻建模。

土木工程結(jié)構(gòu)常用的數(shù)字模型生成軟件有：3DMAX，SoftImage，Maya，ANSYS，AutoCAD等。其共同特點是利用一些基本的幾何元素，如立方體、球體，通過一系列幾何操作，如平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸以及布爾運算等構(gòu)建復(fù)雜的幾何場景。根據(jù)土木工程結(jié)構(gòu)特點，目前已開發(fā)了PKPM，3D3S，XSTELL等專用設(shè)計軟件。利用專業(yè)設(shè)計軟件可以方便快捷地生成土木工程結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型。三維數(shù)字模型的優(yōu)點是立體、直觀、形象（圖2）。

圖2某短肢剪力墻平面設(shè)計圖

和三維數(shù)字模型對比

從圖2某短肢剪力墻平面設(shè)計圖（a）和三維數(shù)字模型（b）的對比，可以直接看出短肢剪力墻三維數(shù)字模型圖比原平面設(shè)計圖更直觀、更形象。

教學(xué)過程中僅依靠平面設(shè)計圖講解種類繁多、形式復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)造，學(xué)生難以理解，應(yīng)用三維數(shù)字模型可有效解決這一問題。應(yīng)用三維數(shù)字模型，可幫助學(xué)生多角度建立土木工程結(jié)構(gòu)的空間概念，以透視法觀察結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造，了解各個構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的理論位置，從而全面理解和掌握結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式、傳力路徑和設(shè)計計算方法。教學(xué)內(nèi)容由抽象、復(fù)雜變得形象、具體。通過三維模型改變在現(xiàn)場進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)的教學(xué)方式，既經(jīng)濟(jì)又不受客觀條件限制，保證了教學(xué)效果。與實體模型相比，三維數(shù)字模型攜帶、使用方便，節(jié)約成本。

但也有人認(rèn)為，三維實體模型、三維數(shù)字模型雖然能直觀展示實際三維結(jié)構(gòu)，但不是三維結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的表達(dá)方式，結(jié)構(gòu)平面圖、立面圖這樣的二維視圖才是真正通用的專業(yè)語言；因此，學(xué)生應(yīng)多學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)平面圖、立面圖。筆者認(rèn)為在土木工程專業(yè)教學(xué)中引入三維圖形，對初步接觸專業(yè)的本科學(xué)生學(xué)習(xí)識圖繪圖都有積極的引導(dǎo)作用。工程結(jié)構(gòu)的三維空間概念建立后，學(xué)生掌握二維視圖的專業(yè)通用語言就會比較順暢，將來在實際工程崗位上也會得心應(yīng)手。

（三）編制“工程案例庫”，開展工程案例教學(xué)，提高結(jié)構(gòu)空間想象力

提高學(xué)生空間想象力，聯(lián)系工程實際開展形象化教學(xué)手段的最佳方式是工程案例教學(xué)法。案例一詞，意為狀態(tài)、情形、事例等，是指某一社會活動中的典型事例［2］。工程案例則是產(chǎn)生于實際工程的典型事例。工程案例教學(xué)法，就是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)的需要，圍繞一個或幾個實際工程問題展開的描述、分析與討論，以提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

工程案例教學(xué)法主要包括工程案例的分析講解、工程案例的討論式學(xué)習(xí)和工程案例的專業(yè)考試三方面。工程案例的分析講解要求教師不僅孤立地介紹單個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的基本理論知識，更應(yīng)介紹完整工程結(jié)構(gòu)，特別是在實際工程背景下如何解決具體問題。這就要求在教學(xué)中對“工程案例”或“工程項目”加以講解；工程案例的討論式學(xué)習(xí)是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中以實際工程案例為分析研究對象，通過案例分析、討論和決策收集相關(guān)信息，提供和評估備選方案，選擇和解釋行動過程，并進(jìn)行交流和評價的學(xué)習(xí)方式。在討論案例時，學(xué)生了解到真正的工程師會面臨的復(fù)雜境地和艱難抉擇，不僅加深了知識理解，而且掌握了應(yīng)用技能，有助于訓(xùn)練和提高學(xué)生在復(fù)雜環(huán)境下解決實際工程問題的能力和決策能力［1］；工程案例的專業(yè)考試是考核學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識的有效手段。中國注冊結(jié)構(gòu)工程師考試分為基礎(chǔ)部分和專業(yè)部分，專業(yè)考試往往采用工程案例的形式，案例為基本結(jié)構(gòu)、基本構(gòu)件的完整設(shè)計，多數(shù)題目取自實際工程，這類題目要求考生具有扎實的基礎(chǔ)知識和綜合分析工程問題、解決工程問題的能力，與傳統(tǒng)理論考試明顯不同。

工程案例教學(xué)還原工程的本來面目，讓學(xué)生走進(jìn)真實工程項目的環(huán)境。采用這種教學(xué)方法，不僅可以活躍課堂學(xué)習(xí)氣氛，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力。案例教學(xué)有利于理論聯(lián)系實際，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，有利于深化教學(xué)改革［2］。運用案例教學(xué)法，首先要解決案例的來源和案例的編制，工程案例可由教師準(zhǔn)備，學(xué)生也可發(fā)揮主觀能動性參與其中。案例可以源于工程實際，也可以是虛構(gòu)的，但應(yīng)是復(fù)雜環(huán)境中真實工程的反映。收集實際工程案例要求教師必須身先士卒，積極參與工程實踐和科研項目，將實際工程項目和科研項目提煉為“教學(xué)案例”。其次要認(rèn)真編制工程案例。工程案例教學(xué)不是簡單地將工程項目的設(shè)計圖紙、檢測報告以及科研項目實驗報告原封不動地展示給學(xué)生，而是要將這些素材根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)進(jìn)度認(rèn)真加以編排，潤色修改，使之符合課堂教學(xué)規(guī)律與特點。

三、結(jié)語

展示形象直觀的土木工程專業(yè)系列教學(xué)實體模型，應(yīng)用生動逼真的三維數(shù)字教學(xué)模型，開展工程案例教學(xué)都能給予學(xué)生直觀的三維形體印象，對學(xué)生形成結(jié)構(gòu)空間概念，拓寬結(jié)構(gòu)空間思維，提高結(jié)構(gòu)空間想象力起到積極作用。這些形象化的教學(xué)新手段和新方法為學(xué)生提供一個多維立體的教學(xué)空間，使原本枯燥、平面、理論的教學(xué)變得生動、立體、實際，提高了學(xué)習(xí)效率，激發(fā)了學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的熱情和興趣。

參考文獻(xiàn)：

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［2］李付亮.高職教育教學(xué)方法與教學(xué)手段改革探討［J］.中國電力教育，2009（11）：68-69.

編輯 周沫