基于认知规律的工程图学形象化教学及其教改实践.doc

基于认知规律的工程图学形象化教学及其教改实践土建类工程图学教学研究与实践摘 要 实践是认知规律中的重要环节，符合认知规律的学习首先应从感知起步。因此，工程教育应具备产生感知的形象化教育手段尤为重要。土建类工程图学研究的是空间形体的投影与表达，其教学内容要求学生具备初浅的工程感性认识等。为提高课程教学质量，必须改革传统教学方法与手段，提升学生的空间思维能力，并努力在教学实践中贴近工程实际，让学生的作业训练更具有工程概念设计的水平，以有利于提高学生的工程素质。 关键词 工程图学，认知规律，感知，实践，形象化，工程，概念设计中图分类号1 引言 工程图学是高等工程教育中一门重要的技术基础课，其课程教学的主要任务是培养学生的空间思维能力、形体与图形间思维的转换能力、设计思想的图形表达能力等，因此其课堂教学历来对教、学双方均有较高的要求，即教师应具备较强的空间到平面、平面到空间的分析与表述能力，而学生又应具备必要的空间思维基础训练。但事实上除了教师水平的提高需要一定时间的积累外，让人更为关注的是入学新生长期习惯于逻辑思维的培养模式，严重缺乏先期空间思维基础训练的状况，何况他们没有多少工程感性认识。加之土建类工程图学传统教学手段难于实现课堂的形象教学，因此，这些不利因素阻碍了学生的求知。20世纪末，联合国教科文组织在首届世界高等教育大会上，围绕高等教育的重大问题进行了讨论并达成了共识：高等教育的根本使命是促进社会的可持续发展与进步。因此，只有加速以提高教学效率及提高学生工程素质为目标的教学研究和改革，搞好高等教育的课程建设，才能适应21世纪国家发展对高素质人才的迫切需要。2 学习的认知规律和土建类工程图学传统教学所面对的问题人类获取知识离不开亲身实践，并只有在实践中遵循反复感知认识研究提升的认知规律才能逐步认识掌握一个新事物。工程图学的教学因其内容的固有特点特别需要形象化教学模式。形象化教学的中心任务是在课堂条件下给学生营造“现场”、“实景”和“实物”等形象化感知，以此引导学生在模拟的“实物”环境中首先进行观察、认识实践，即让学生的感觉系统从对知识对象的感知到注意，由注意到认识、理解，再通过课后作业训练或实习的操作实践，最终提升到对知识的初步掌握。故形象化教学是学生在学习中遵循认知规律所必需的模式。土建类工程图学教学内容主体投影法、建筑形体或建筑物的表达与图样画法，始终围绕投影原理及画法展开。其中除高强度空间思维的投影法基础教学需要空间到平面的双向三维形象化描述外，建筑物的表达与图样画法的教学也需要依靠建筑物或建筑结构的实时展示，以使学生先期了解建筑物相关的各种特定对象后再进一步展开教学。然而，庞大的建筑物或建筑结构不像机械零、部件那样容易实现课堂实物展示，传统教学只能依靠挂图及教师繁琐的语言描述向学生传播教学意图，其结果往往是事倍功半。这种较为抽象式的教学常使学生仍然停留在一知半解之中。另一方面，土建类工程图学的教学还需要学生对专业有一些基础性认识的铺垫，如让学生在深入学习之前能贴近工程实际，初步、形象地认识建筑物不同的承重结构形式及其构建方法、建筑物各种构配件的作用及相对位置等，只有让这些铺垫性基础知识在教学中先行一步，教学才可顺利深入展开。土建类工程图学的最终教学目标应使学生具备初步的工程设计能力，因此教学中需要有贴近工程实际的一些训练。传统教学一方面无法满足学生对上面所说各方面的要求，另一方面训练模式也存在缺陷，故离现代化高等教育有较大差距。综上所述，土建类工程图学传统教学的方法、手段、教学内容、训练模式等存在许多不足，改革是非常必要的。3 现代化教学手段CAI的研究与实践计算机多媒体的模拟和链接技术为土建类工程图学提供了实施崭新的教学方法和手段的必要条件，保证了符合认知规律的形象化教学。31 多媒体的生动模拟技术和超文本超媒体的链接技术形象化教学必须由人的视觉来感知。国际电话电报咨询委员会CCITT把媒体分成5类：感觉媒体、表示媒体、表现媒体、存储媒体、传输媒体。其中感觉、表示媒体属于现代信息类媒体。计算机辅助教学（CAI）就是由计算机集成文本（Text）、图形（Graphics）、图像（Images）、动画（Animation）、声音（Sound）等多种信息类媒体，并作综合处理的教学软件系统。信息媒体中的感觉媒体主要是指作用于人感官的图形、图像、动画等视觉媒体。土建类工程图学教学迫切需要的各种空间问题的演绎；建筑形体表达方法的模拟；建筑形体或建筑物多视角“实物展示”、“现场实景”等完全可借助于CAI软件系统中感觉媒体的三维演示得以实现。其模拟的“现场”教学环境能使学生在感知的“身临其境”中边“看实物”边学习，从而在形象化模拟中获得感知并较快地掌握知识。因此，CAI的多媒体模拟技术极关键地补充了学生在知识认知中的“感知”效应。计算机多媒体超文本超媒体链接技术使CAI系统具有由节点和链组成的网络结构。它不同于传统教学中作为信息的课本、挂图、幻灯、录像等相互间的线性组织结构。这种超级链接可轻而易举地通过多媒体技术的“链”把各特定教学内容主题的“信息块”快速单向或多向链接，从而实现各类信息块间或信息块内部互相瞬间切换或跨跃。它既大大缩短了教学的辅助时间，为学生形象化思维和逻辑思维的连贯性提供了速度条件，又提高了课件教学中教师的自主性和灵活性。32 土建类工程图学现代化教学CAI的形象化教学实践 土建类工程图学CAI系统构建的側重面在CAI的三维动画模拟素材的组织、演绎和信息链接的设计。为了达到较高水平的形象化教学效果，土建类工程图学CAI系统中仅三维动画就制作了80个左右，其中不乏贴近工程实际的三维模拟动画。321 土建类工程图学CAI信息素材的设计、采集CAI课件素材是信息化的文本、图形、图像、动画、声音等。（1）关于文本文本是以文字和各种符号表达的信息形式，在CAI系统中部分担负着对知识的说明或描述作用。土建类工程图学的教学特点是以图为主体，因此CAI系统必须重在各种图的视觉感觉媒体的应用。鉴于此，文本素材的采集与编辑应简捷明了、少而精。在此条件下，为强化文本的教学作用，可以使用粗体、艺术体、警示性色彩等表达或应用文本演示动画，如图1所示。 图1 基础及文本的画面应用（2） 关于图形、图像 图形、图像（视觉感觉媒体）是CAI系统的演示主角之一。对于土建类工程图学中具有标准化和精确性的视图或工程图样，为获得高质量的图形，可使用绘图软件（如AutoCAD）产生二维矢量图作为CAI系统图形素材。如各种建筑平面图（如图2中的底层平面图）、剖面图、立面图、结构布置图、基础平面图等的绘制。也可适当采用扫描图像（须用图像处理软件修缮整理），如建筑祥图、结构详图等。对于一般简单、示意性的图形，也可以直接利用系统写作软件直接绘制、编辑。这些图形、图像通过CAI系统的平面动画和各种演示效果及瞬时穿插完成清晰的展示和有的放矢的重点放大描述。（3） 关于动画动画包括平面动画和三维动画。达到空间模拟效果的三维动画在土建类工程图学CAI系统中具有举足轻重的作用。因此，三维动画素材的采集和编辑质量决定了CAI系统相象化教学的效果。三维动画应能模拟某种要义或充分营造虚拟的“现场教学环境”，以实现课堂形象化教学。 图2 AutoCAD绘制的底层平面图及联接按钮实践中，土建类工程图学CAI系统三维动画素材选材原则是教学难点及贴近工程的环境模拟演绎。如工程形体表达方法的演译，见图3；又如建筑施工图的各种平面图、剖视图的形成、楼梯间各种构配件的作用和位置关系及梯段的平面图画法、建筑物墙梁板的装配位置关系等 ，见图 4、图5、图6 ；再如承重结构形式、条形基础等的三维演示，见图7、图1；等等。 图3小屋组合剖视 图4各种平面图的产生方法 图5顶层平面图的形成 图6楼板吊装（4） 关于声音 声音是听觉感觉媒体，但在CAI系统中只能是配角。声音的使用应恰到好处，只能起到画龙点睛的作用。如让学生关注警示性的教学内容时可使用。过多使用配音解说的CAI系统会严重妨害教师个人教学思想的融入，并抑制教师的讲课能动作用和师生的教学互动。 7承重墙式承重结构 文本、图形、图像、动画的编辑应注重其播放形式的多样化，以减少学生的视觉疲劳。322 土建类工程图学CAI的多向链接除课件主界面中进入各主题的链接和各主题次界面进入各分题的链接外，为适应土建类工程图学教学内容的特点，CAI系统应根据需要包含内部纵向和横向的多向链接。前者实现纵向同分支内教学内容的前后切换互为引用，如图8柱构件结构祥图，图中上面的按钮链接柱下独立基础祥图演示画面（可返回），下面的按钮又是后续内容引用本内容后返回链接所用。又如图2底层平面图，通过图中按钮可 图8 柱结构详图及联接按钮快速切换至结构施工图有关承重结构形式的三维动画演示画面（图7），让学生先期了解相关专业基础知识，以便在理解的基础上正确绘制、阅读平面图。该链接实现横向不同分支关联教学内容间的互为切换。4 教学必须贴近工程实际41 教学内容的合理选择当前，教学部门既身处知识爆炸的情势之中，又面临着国家急需高素质建设人材的形势之下，其肩负的教育任务是艰巨而光荣的。因此，教学的优化改革是唯一选择。除了以上所说的基于认知规律的教学手段、方法的重要改革外，根据工程实际对教学内容的精选也是教学改革的重要环节。工程图学是一门老技术基础课，它的教学课时受到了空前的压缩。在极有限的课时中贴紧工程实际精选教学内容本身就是教改的一个重要环节。在近几年教学实践中作了以下尝试。41 .1 关于画法几何学 画法几何学是工程图学的投影理论基础，为保证这一基础教学，精选了画法几何学中工程图学必备的基本投影理论，如正投影体系；点、线、面及其常见相关问题的正投影；基本体及其常见相关问题的正投影；轴测投影。大刀阔斧删弃了偏离典型工程实际、过于理论性的内容。41 .2 关于标高投影标高投影是绘制土建类工程图样的重要方法与工具之一。教学中除保证其基础理论教学外还保证了贴紧工程实际的典型土建工程标高投影实例的教学，以培养学生解决工程实际的实践能力。41 .3 关于投影制图 投影制图是最贴紧工程实际的有关形体投影及其表达方法的基础教学内容，具有工程图学承上启下的教学桥梁作用。因此，教学中不能过于削弱，它仍然是教学的重点之一。教学中除了循序渐进地教学组合体视图的绘制、阅读及其各种表达方法外，还选用了具有土建形体特征的组合体视图绘制与表达，以解决这种形体的投影难点。41 .4 关于建筑制图土建类工程图学教学的最终目标一方面是培养学生具备一定的空间思维能力和创造思维能力，另一方面是培养学生能正确绘制、阅读土建施工图样并具备工程概念设计能力。建筑制图前的教学内容画法几何学、标高投影、投影制图就是为上述第一个目标服务的，也是学生工程概念设计能力的前提条件。但要实现第二个目标，在建筑制图的学习过程中仅解决学生按国家标准及有关规定绘制、阅读建筑图样是很不够的。如果教学忽略建筑物的工程基础知识，那么学生只能停留在纸上谈兵的水平上，不利于他们毕业时面向社会生产实际，从而拉长了他们成材的社会适应期。因此，在建筑制图教改中通过CAI系统形象化铺垫了许多有关建筑物的工程基础知识，如承重墙式结构及其建造过程；建筑物墙、楼板、各种梁的位置及装配关系；各种典型构件中配筋的形象化构建等。并结合现代建筑的大趋势，用模拟动画补充了一些如框架式建筑结构的说明。这些建筑工程专业基础知识的铺垫，使学生初步了解了专业的一般知识，从而提高了学生绘制图样、阅读图样的能力，并还具备了一定的工程概念设计基础。41 .5 关于计算机绘图 现代工程人员不仅应具有工程设计能力，还应具备计算机绘图的技能。可以说，当今没有计算机绘图能力的新一代工程人员是不可思议的。贴近这样一个时代需求，土建类工程图学的教学必须完成培养学生计算机绘图的基本技能。实践中实施了14至20学时的计算机绘图及其上机实验。学生通过教学能独立用计算机画出一般的建筑施工图，甚至通过高学时（20）学习后还能完成三维建模，进一步提升了空间思维能力。42 教材建设 完成作业是学生在教学活动中重要的教学实践之一。因此，习题集的选用十分重要。传统土建类工程图学习题集建筑制图部分的习题多以抄画的练习模式进行，学生的这种作业往往流于“依样画葫芦”的水平，意义不大。这种模式实际上达不到预期的让学生对知识温故自新的目的。所以，作为教改措施之一的教材建设也十分重要。为此，特编写了具有不同训练模式的画法几何及土木工程制图习题集。该习题集投影制图部分，强化了具有土建形体特征的组合体读图训练；习题集建筑制图部分增加了许多基础训练，且其训练模式打破了传统习题纯粹抄画教材例图的旧模式，采用了学生在读懂或理解各专业图的基础上按规定独立完成补充制图与部分抄画相结合的训练新模式。习题集还增加了概念设计练习题，以有效培养学生简单设计暨绘制工程图样的概念设计能力。5 结束语基于认知规律的工程图学形象化教学和工程图学教学贴近工程实际的教改尝试，给师生的教学带来了可喜的收益。它体现在教师讲课提高了生动性、灵活性和效率；体现于学生在模拟的三维环境下不时为轻松获取知识所流露的惊喜；体现在学生完成作业时更多的思考；体现在提高了学生结合工程实际的初步设计能力，也打开了课堂教学的空间、提高了课堂教学的活跃气氛。无疑，这些教改实践与尝试对提升学生在图学方面的工程素质是有益的。 参 考 文 献1美JR安德森著/杨清张述祖等译 认知心理学，吉林教育出版社，1989.2.2钟玉琢.多媒体技术.北京：清华大学出版社，1999.P265-P312Study of CAI System for Architecture Engineering Graphics teaching reformation based on knowledge rules Wang Yuping Yuan Hao Institute of Graphic Technology, Jiangsu University , Post Code：212013，Zhenjiang,Jiangsu，Abstract: The mankind get knowledge from practice, and just only follow cognition rules in practice we can get knowledg