用SketchUp妙笔绘制传统工科新图景

    高强 李晓庆 柏涛

    摘 ? ?要：针对水利类专业课程教学中存在的不足，主动契合新时期行业发展的新需求以及学生成才就业的内在期望，聚焦地方院校的培养定位，引入建模技术，实现建模技术与专业课程的融合，及大学生竞赛的延伸拓展，构建了基于建模技术支撑下的学生专业培养主线，实践表明学生质量得到显著提高。

    关键词：水利类专业;专业课;建模技术;SketchUp;改革与探索

    中图分类号：G640 ? ? ?文獻标识码：A ? ? ?文章编号：1002-4107（2021）02-0089-02

    一、前言

    随着大数据、人工智能、网络技术以及模拟技术的发展，高等教育的教学理念及教学方式已然发生巨大的变革。这些先进的技术手段将被用于营造师生互动的友好学习环境，呈现更为直观的教学素材以及提供更便利的学习手段和丰富多彩的共享资源库等诸多方面。技术革命为我们实现教育目标带来了手段上的便捷和多元的选择[1]。水利类专业是传统工科专业，专业课在专业人才培养中起着举足轻重的作用，在“水工建筑物”课程中尝试引入建模技术（SketchUp草绘大师软件），继而引发一系列的课程教学探索和改革。

    二、专业课程教学现状分析

    当前教育教学改革的重点之一就是推进“以教师为中心”向“以学生为中心”教学模式的转变[2]，在这个转变过程中教师主要解决两方面的问题：一是“师傅领进门”，即如何培养学生学习知识和专业的兴趣，是实现学生自主学习的前提和基础;二是“个人修行”，即如何培养学生自主学习的意识，并提升自主学习的成效，以实现终身学习。而现实专业课教学中此两方面均缺乏积极的引导和成体系的促进，主要表现在以下三个方面。

    （一）“根深蒂固”的传统教学模式亟待改变

    水利作为传统工科专业，专业领域的新技术、新型式、新材料的研发和市场认可到工程应用不但周期长，而且因工程问题的独特性限制了技术的普适性等特点，造成了专业知识和专业设计理论的更新缓慢，教材体系和内容很难支撑现实的需求和发展。因此“以教师为中心”的教学模式比较普遍。如何借助教育教学新理念和依托新技术实现“以学生为中心”教学模式的转变不仅是水利类专业，也是传统工科专业面临的普遍问题。

    （二）建筑物空间建构能力偏弱是专业学习的隐性障碍

    由于学生的“空间建构”能力相对较弱，造成专业教师授课时往往“言之有物”，而学生却“云里雾里，不知所云”。甚至到了课程设计、毕业设计阶段学生还一直在纠结如何认识和想象建筑物的空间结构和相互空间关系。可想而知，缺乏对建筑物结构的基本认知和想象，水工建筑物的工作方式、设计理论、设计思想就成了空中楼阁，无从落地。建筑物空间建构能力弱项直接影响到工科学生后续课程学习及创新活动[3]，对其职业生涯也将产生重要影响。

    建筑物空间建构能力偏弱，有水利工程及水工建筑物远离人们日常生活，学生感性认识缺乏的因素;更深层次的原因是低年级图学教学内容学习完成后，其延续应用及拓展未充分进行甚至中断，脑科学中所谓的“多用则灵，不用则废”即是如此。因此，在专业课程中延续图学教学的成果，势必会大幅提高学生的工程实践能力和创新能力，继而进一步增强学生的就业竞争力。

    （三）专业学习引导持续力缺乏

    追逐新奇、敢于冒险、不断尝试是大学生的青春特征，在专业领域展现自我是学生心中的美好愿景。专业教师也是尽其所能向学生展现专业领域的高科技、新技术、新材料的信息，期望这些刺激不断冲击学生的大脑并产生积极的反应。学生会在内心涌起学习的冲动，并或多或少地进行初期的探索活动，但由于学生的建模兴趣和探索活动未与专业学习相结合，缺乏持续引导，学生自主学习的成效不高，学生专业获得感体验不足，最终导致绝大多数学生均是以“半途而废”收场。

    三、教学改革探索与成效

    水利类专业作为新疆农业大学的优势专业，围绕着应用型地方院校的培养目标、培养规格及服务面向，持续进行着教育教学的改革和探索[4]。2016年首次在“水工建筑物”课程中引入SketchUp以来，并逐渐应用到后续的专业课及实践教学中。在学生间已形成了自主探索、相互交流、榜样引领的自主学习氛围，并将这种学习模式与影响扩散到更为宽广的领域和范围。

    （一）建模技术与专业课程的融合

    基于建模技术的虚拟空间的游戏，复杂结构及建造过程模拟的视频信息大量进入学生的日常生活，成为工科学生的兴趣点之一。最初“水工建筑物”课程引入

    SketchUp软件的目的就是将学生的兴趣点引导至专业学习，对建筑物结构和构造有更为清晰的认识，更好地理解建筑物的工作条件及工作方式，并提出相应的设计原则和解决方案。如：通过重力坝三维建模，得以理解平面应变问题的概化原理;对在坝体上设置横缝对地基不均匀沉降造成的原因及解决方案将会有更深刻的认识;分离坝段的设置对重力坝细节构造止水系统的作用及布置的认识就可以实现“水到渠成”。

    “水电站”课程进行三维建模从结构认识延伸到了施工领域，不但实现了对尾水管层、水轮机层、发电机层、发电厂房层的分层结构认知，而且充分理解了整个水电站的建造顺序及设计要求。后期还引导学生使用Revit软件探索解决水电站内部管道布设的碰撞问题。

    毕业设计中要求学生借助建模技术来表现设计成果，学生表现出浓厚的兴趣，初期主要是学生自主学习，现已发展成以学生自主学习为主，教师专业指导为辅的学习模式。2020年在毕业设计中应用建模技术的学生比例已达到15%以上，涉及枢纽工程整体建模、复杂结构衔接、建造施工演示、地基开挖及工程量计算等诸多方面。在此过程中学生专业获得感得到满足，对下一届学生产生了专业学习的积极影响。

    （二）建模技术向竞赛活动的延伸

    搭建大学生竞赛平台，引导学生参与竞赛活动。“以赛促学、以赛促练、以赛促创”是当前各高校教学改革热点之一[5]。因此，将学生建模技术的学习也向相关赛事活动进行拓展延伸。在大一阶段进行校级的工程制图大赛，为课堂理论教学的补充与提升;在大二階段举行校级CAD大赛，覆盖全校所有的工科学院学生，为通用技能的锻炼和拓展应用;到大三、大四年级阶段参加全国“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛，为专业工程实践能力的掌握和专业认知。2019年，佳木斯大学学生在建模组竞赛单元获得2个一等奖、3个二等奖，团体第四名（二等奖）的好成绩。大学生竞赛平台丰富了实践教学形式，激发了学生学习的主动性和参与工程实践活动的兴趣，学生通过竞赛对通用技能的掌握和创新能力有显著提高与改善。

    （三）构建学生培养主线

    经过不断教学探索和实践，建模技术的引入在促进学生自主学习方面取得了显著成效，逐渐构建和完善了一条学生学习专业知识的培养主线。即以建模技术为纽带，将前序课程延伸，向后续课程拓展，将相关课程紧密联合成为一个体系，以学生自主学习、教师适度引导的方式贯穿于本科四年教学中，其培养体系框架如下（以“水工建筑物”课程为例）。

    该培养主线分为三个层次。首先，建模技术应用的图学基础知识与技能的准备。即：“画法几何”课程中重点掌握绘图基本原理和技巧，“水利工程制图”面向工程，增加学生感性认识，“水工CAD”课程中强化3D建模的实训。其次，是将图学教学成果与专业结合，通过建模作品的展示激发学生学习兴趣。即在“水工建筑物”课程中引入建模技术（SketchUp软件），改变原来教师课堂讲解的教学方式，让学生将学与用结合，进行各种类型和形式的水工建筑物3D建模，在建模过程中理解和体会建筑物组成、构造以及相互关系。最后，在实践课程中提供展示和应用平台，引导学生进行深层次的专业化学习。即在“水工课程设计”和“水工毕业设计”中，让学生应用CAD（二维）、

    SketchUp（三维）、Revit、Civil3D软件进行工程设计和成果展示，既夯实学生二维平面设计的基本功，又适应工程设计三维化的水利行业新需求。

    在具体的每门课程中，教师可以感受到学生自主学习的内驱力来源于专业学习成效的展现以及专业获得感。学校及教师的首要工作就是要制造情景、营造氛围、打造平台、适时引导、激励保障，这样“以学生为中心”的教学模式就逐渐形成了。

    四、结语

    水利类专业作为传统工科专业，面临新时期的行业发展需求以及学生期望成才的自身要求，借助新兴技术让其重新焕发新活力是教育者破题的路径之一。通过对水利专业课程教学的实践与探索，兴趣引导，激发学生专业学习热情;专业浸润，促进自主学习，收获专业成就感;最终促进了学生学习主体地位的逐步形成，学生的就业竞争力显著增强，从而达到课程教学改革的最终目的。

    参考文献：

    [1]钟秉林，王新凤，方芳.信息科技驱动下的教育变革——机遇、挑战与反思[J].南京师大学报：社会科学版，2019，（5）.

    [2]王建慧，徐高明.推进以学生发展为中心的大学教育变革——《江苏高教》2019年学术研讨会综述[J].江苏高教，2019，（6）.

    [3]陆国栋，孙毅，费少梅，等.面向思维力、表达力、工程力培养的图学教学改革[J].高等工程教育研究，2015，（5）.

    [4]唐新军，苏枋，冯勇，等.适应市场需求的水利与土木工程类专业人才培养模式探讨[J].高等农业教育，2008，（4）.

    [5]龙晓枫，伍健，田志龙，等.竞赛活动对大学生能力提升的影响：来自湖北高校的证据[J].高等工程教育研究，2019，（6）.

    编辑∕李梦迪