BIM技术下工程制图课程的翻转课堂教学模式构建

吴 丹，张智聪

（文山学院 人工智能学院，云南 文山 663099）

工程设计图是工程技术界指导生产、施工以及管理等技术工作的重要技术文件，作为一名从事建筑工程的技术人员，必须掌握工程图样的绘制和识读方法[1]。“工程制图”就是一门为了使建筑土木类学生具备这一技能而开设的重要专业基础课程，其教学目的在于培养学生的空间想象能力、设计表达能力，使学生能够熟练阅读和绘制工程施工图样，为后续专业课程的学习和实践打下基础。

“工程制图”是一门理论知识和实践应用紧密相连的课程，在教学过程中不但要注重学生理论知识的讲解，使学生了解制图的基本原理，同时也需要着力培养学生实际绘制和识读建筑工程施工图纸的能力。因此，通过该课程的教学，要求学生全面掌握空间形体的投影特征和投影规律，能准确绘制建筑物及其构件二维平面图、立面图、剖面图和详图等工程图样，做到表达清晰、标注正确书写规范[2]，同时快速准确进行建筑工程施工图的识读，梳理图纸之间的相互联系，运用空间想象能力在脑海中完成二维到三维的转化。

1 工程制图课程教学现状分析

“工程制图”作为建筑土木类专业一门重要的专业必修课程，采用传统方式进行教学存在弊端，不能满足教学过程中专业人才培养目标，主要表现在以下几个方面：

一是授课内容与工程实际存在一定的偏差。本校“工程制图”教学主要内容包括制图的基本知识与技能、投影基本原理和投影图、建筑工程施工图等部分，其中建筑工程施工图部分，教材中的建筑工程图样常采用结构较为简单的多层建筑（如教学楼、多层住宅、学生公寓等），虽然便于初学者掌握制图识图的要点，可是在难易程度和复杂程度上与目前的实际工程存在差异，这就意味着学生还需要花费时间再一次地深化学习和训练才能熟练进行实际工程施工图的识读，这并不能满足后续专业课程和企业对于学生制图识图能力的需求。

二是单一的多媒体教学模式无法满足教学需要。目前，“工程制图”课程常采用多媒体课件进行教学，虽使得教学效率有所提高，但是教学效果并未达到预期，究其原因在于多媒体课件多采用幻灯片形式呈现，在课堂教学中，教师容易成为幻灯片的放映者，绘图过程演示过快，示范效果不佳，学生没有真正理解或缺乏对于实际绘图的主观体验，导致“能听懂，做不出”的现象[3]。同时，多媒体教学是以教师为主导实施教学，在幻灯片的讲解过程中缺乏师生的良性互动，不利于教师全面掌握学生的学习情况，针对性地进行薄弱环节的强化。

三是学生缺乏相关专业知识造成学习效果不佳。“工程制图”课程常开设于建筑土木类专业学生入学第一年，而新生初踏入专业领域，普遍缺乏专业基础知识，虽然在现实生活中对建筑物不陌生，但是对于建筑组成和建筑构件不具备专业的认识，以至于无法完成二维图纸与建筑实体的对照，不能在脑海中形成建筑物的三维转化。由于课时的限制，授课教师无法将建筑组成和构件一一进行详细讲解，因此造成学生学习过程较为吃力，学习效果不佳。

2 BIM技术辅助教学

BIM（Building Information Modeling）全称建筑信息模型，是以建筑工程项目各项信息数据为基础，通过建立三维建筑模型对建筑物的真实信息进行数字信号的仿真模拟[4]。将BIM 技术运用于“工程制图”的课程教学，对提高教学质量是大有裨益的，有助于解决新生，对建筑组成和构件缺乏了解、不具备专业认知概念的问题。

2.1 BIM三维仿真模型的引入

BIM 构建仿真模型具有良好的交互性，能将建筑物的所有组成部分和各个构件按照建筑物实体清晰表达出来。BIM 的可视化信息技术包括3D、4D和5D,其中3D 技术主要通过三维空间模式构件建筑物仿真模型，包括建筑的整体构造、每个构件的形状和位置、建筑材料的选用以及装饰效果等[5]。通过BIM 的3D 技术构建建筑物仿真模型，可让学生对于建筑物具有较为直观的感性认识，补全二维到三维转化过程中信息的丢失。借助模型旋转、平移、缩放等较为简单的命令以不同视角切换查看建筑模型，可使学生得以了解建筑物的全貌，同时通过隐藏、显示等命令可实现部分构件可见或不可见的切换，有助于学生对于单一构件的观察学习。同时，三维模型的呈现，有助于学生理解建筑物构件与构件之间以及不同专业二维工程图纸之间的逻辑关系，在识图过程中必须将不同专业图纸联系起来进行识读，这一点对于建筑工程识图而言是较为重要的。

2.2 BIM三维模型与二维图纸的对照教学

在文山学院，“工程制图”课程共90 个学时，时间紧教学任务重，因此仅将BIM 三维模型引入作为辅助教学。由教师完成BIM 三维模型的构建，直接让学生接受三维仿真模型，再将三维模型各组成部分和构件按照内容和作用的不同与各专业的二维施工图纸一一对照进行识图训练。通过三维模型反作用于二维图纸的方式，引导学生建立实物与图形的对应关系，有助于提高学生对于图纸的理解能力、强化相关建筑图例的识别记忆，同时拓展学生的空间想象能力。

3 翻转课堂教学方法的融入

翻转课堂模式是指学生利用课前时间对知识点进行自主学习，课堂时间则用于知识的吸收内化[6]。该模式从本质上转变了传统教学中以教师为主导，学生被动接受的模式，可充分调动学生学习自主性，实现个性化教育。

课前学生可以根据自己的学习习惯以及对知识点的掌握程度，灵活地安排学习时间，调整学习进度，完成教师发布的学习任务，进行知识的初步学习和消化，同时根据自身学习情况选择性的查阅相关学习资料，强化自身知识体系中较为薄弱的环节。

课堂时间则用于对课前学习过程中还未解决的问题或模糊不清的知识点与教师和其他同学进行讨论学习，同时针对实践性要求较高的课程，可将课堂时间用于构建理论知识和实践操作的联系，使学生亲自参与实践操作，自动将理论知识运用于实践。通过这一过程的实施，学生和教师的身份都发生了转变，学生由传统课堂教学中知识的被动接受者，转变为了主动提出问题，与他人共同解决问题的研究者和合作者。教师由传统课堂模式中知识的主动传授者，转变为学习的促进者和指导者[7]。

将翻转课堂融入“工程制图”课程教学中，主要为了解决课本中建筑工程图样结构简单，学生仅通过该图样的学习无法满足工程实际需要和后续课程学习的问题。课前学生应根据课本知识和教师准备的学习资料，完成理论知识部分的学习，能识读教材中结构简单的建筑工程图样。课中，教师组织学生以小组讨论等多种方式完成答疑环节，同时提供实际项目工程图纸，组织学生进行实际工程图纸的识读训练，使学生在老师和其他同学的帮助下将识图部分的知识点进一步内化和升华，具备实际工程施工图的识读能力。

4 BIM技术下的翻转课堂教学实施过程设计

教学实施过程设计应包括两个过程：一是教师教学过程设计，二是学生学习过程设计，其结构图见下图1。

4.1 教师教学过程设计

一是课前准备阶段。该阶段教师主要进行学习内容的明确、学习场景的预设和学习材料的准备。主要包括：首次认真梳理教学目标，制定教学大纲，明确教学内容，梳理出知识点中的重点和难点。然后在已有教材的基础上，根据近年行业动态和企业需求，查阅资料，对教材中的知识点进行补充和完善，可适当增加自己对于知识点的理解和识记技巧，帮助学生在自学过程中快速掌握。同时，根据教材中结构简单的建筑施工图纸，完成BIM 三维模型的正确创建以及教学课件的制作和教学视频的录制，作为学生自学过程中的学习材料。在此过程中，教师应考虑多种方式进行知识点的呈现，使得知识点更为直观、生动、有趣，有助于增加学生的学习兴趣，提高教学成效。最后，选定线上教学平台，按照教学大纲，顺序发放教学材料，发布教学任务，督促学生在规定时限内按照教学进度进行自主学习。

图 1 教师教学过程和学生学习过程结构图

二是课堂组织讨论学习阶段。学生通过课前主动学习，基本掌握知识点，初步具备识读结构简单的建筑施工图的能力，紧接着在课堂进行结构较为复杂的实际建筑工程施工图识读训练，将识图知识内化和升华。在这一阶段，教师承担的教学任务包括：一是进行简要的知识点的梳理。可通过课堂提问、小组竞赛或随堂小测验等多种方式进行，既可以检验学生的自学成效，做到心中有数，又可以通过梳理，强化知识点之间的前后联系，帮助学生构建较为完整的知识体系，同时也有利于学生在下一环节的讨论学习中及时调用脑海中的知识点，不易遗忘。二是组织学习小组，提供实际建筑工程施工图纸，进行识读学习和讨论，一方面解决前期自学过程中混淆不清的知识点，另一方面通过讨论学习，进行实际建筑施工图识读训练，提升施工图识读的实践应用能力。最后，教师需关注每个学习小组进度，参与到学习小组中进行讨论，掌握学生的学习情况，引导学生通过互助合作解决讨论学习过程中出现的问题，并就共性问题进行统一的解答。

三是课后总结阶段。教师一方面需要指导学生，根据课堂学习的内容，进行学习笔记的完善，补全自学过程中的混淆不清的知识点或更正理解偏差的基础概念。另一方面，教师需根据学生学习效果和学生反馈，总结自学阶段和课堂讨论阶段存在的问题，在教学方法和教学内容方面进行进一步的补充和完善。

4.2 学生学习过程设计

一是课前自学阶段。融入了翻转课堂的教学模式要求学生在该阶段能积极主动地投入到新知识的自学过程中。学生需下载并登陆线上教学平台，查看教师发布的学生任务和学习材料，进行分析和整理，根据自身基本情况和学习习惯，在规定的学习时限内自主进行学习计划的制定和学习资料的查阅。以教学课件为主，BIM 三维模型和教学视频为辅，完成教师发布的学习任务，认真进行学习笔记的整理，同时找出学习过程中不清楚、不明白的知识点或问题，记录下来，在课堂学习中与教师或同学讨论。

二是课堂知识内化阶段。经过前期的自学阶段，学生带着问题回到课堂。在这一阶段中，首先由教师组织知识点的简要梳理，学生进行知识的回顾和知识点之间联系的建立。紧接着组建学习小组进行讨论学习，学生应首先提出自学阶段出现的问题与组员和教师讨论，在解决这些问题的基础上，根据教师提供的实际建设项目施工图纸，与组员一起进行识图训练。在识读过程中遵循“发现问题—小组讨论—协同解决”这一模式，完成施工图纸识读，以此内化所学知识，提升自身的实践能力和团结协作能力。

三是课后知识巩固阶段。通过课堂讨论学习，使得学生模糊不清、不能理解的知识点逐渐清晰，为了巩固学习效果，学生应在教师的指导下进行学习笔记的完善，将自学阶段不清楚，不明白的知识点进行补充，系统地回顾本次教学过程中的基础知识，注意知识点之间的联系，形成自身的知识体系。

5 BIM技术下的翻转课堂教学实施案例

将BIM 技术与翻转课堂融入“工程制图”课程教学是一种新的尝试。本文以“工程制图”中“建筑施工图”章节为例，进行BIM 技术下的翻转课堂教学实施过程的展示。

（1）课前准备。根据教学设计，该环节教师应明确教学目标、梳理学习内容、准备学习材料。《建筑施工图》是“工程制图”课程的重点章节，通过本章节的学习，应使学生在了解建筑物基本组成和基本构件的基础上，掌握建筑施工图的形成、组成和相关制图规则，掌握建筑施工图的绘制方法与技巧，同时能熟练识读建筑施工图。根据教学目标，将本章节内容分解为三个部分：第一部分是房屋建筑工程图的概述，主要讲解房屋的基本组成和作用、房屋建筑工程图的产生与分类等。第二部分是房屋建筑工程图的有关规定，该部分主要结合国家制图标准进行房屋建筑工程图的制图规则讲解。第三部分是建筑施工图的绘制与识图，该部分是在第一部分和第二部分的基础上进行建筑总平面图、建筑平面图、建筑立面图、建筑剖面图等建筑施工图的识读和绘制。针对以上内容进行学习材料的准备，包括：一是充分利用revit、Hibim 等建模软件，根据教材中较为简单的工程图纸，完成建筑部分BIM 三维模型的建立，用于第一部分建筑物基本组成和基本构件以及第三部分建筑施工图识读的辅助教学；二是将知识点进行整理和补充，完成教学课件的制作；三是通过EV 录幕等软件，进行教学讲解视频的录制；最后通过超星学习通等线上教学平台进行学习任务的发布和学习资料的发放。

学生在课前按照教师安排进入线上教学平台查看学习任务并结合教材和学习资料，观看教学视频，完成该部分学习任务。在自主学习过程中，学生可根据自身情况合理调整学习时间，但需在规定的时限内完成学习任务，避免学习进度滞后。教师可通过查看每位学生的学习任务点完成情况，掌握学生学习进度，督促进度滞后的学生按时完成学习任务。在本章节中，各类建筑施工图的识读既是重点也是难点，学生根据二维图纸无法清晰的在脑海中转化出其对应的三维模型，同时，部分学生不理解工程图纸之间的联系性，不能将图纸联系起来进行识读。此时学生可在学习资料发放处进行BIM 三维模型的下载，结合教师讲解视频的观看，实际进行模型的旋转、移动、剖切、视角切换等操作，自行填补脑海中三维模型的信息缺失，梳理出不同建筑构件之间的关系，了解各类图纸的形成过程，较快熟悉建筑物组成的基本构件，迅速掌握建筑施工图的识读技巧。若空间想象能力较好的同学，可根据自身情况，不借助BIM 三维模型即可完成该部分学习，则无需下载模型，仅进行教学课件和学教学讲解视频观看即可。在自主学习过程中，要求学生在完成学习任务的同时进行知识点的梳理和总结，强化学生对于知识点的识记和理解。当遇到不明白的地方，鼓励学生对教材和课件进行进一步研究，或通过图书、网页等不同渠道进行资料查阅，培养学生独立思考和解决问题的能力。若依旧存在不理解之处，则记录下来带到课堂上进行讨论。

（2）课堂学习。在“建筑施工图”章节的课堂学习中，选取实际工程——某高层住宅的建筑施工图纸进行识图训练。将学生按照5 人一组进行分配，形成学习小组。首先由教师进行知识点的简要梳理和回顾，然后以学习小组讨论，教师参与的形式，进行自主学习阶段遗漏问题的答疑解惑和实际工程建筑施工图纸识图训练。在讨论学习过程中，学习小组可采用不同的方式完成识读训练，如集体讨论、相互问答、组员竞赛等。教师需参与到学习小组的讨论中，引导学生充分利用自主学习过程中所掌握的知识点，自行梳理识图顺序，前后对照完成各类建筑施工制图每个部分的准确识读。对于学生讨论学习过程中遇到的问题，可通过小组交流、教师提示、学生思考等方式进行解答，若存在难度较大的内容，教师则可暂停讨论，统一进行讲解。

（3）课后总结。在课堂教学结束后，教师根据学习小组讨论情况和识图训练中存在的问题，进行整理总结，将总结成果充实到教学材料中，以丰富教学内容。

6 教学效果分析

将BIM 技术与翻转课堂融入“工程制图”课程教学中，能够解决传统教学模式中存在的诸多问题，通过教学改革，有效提高了学生的学习效率，有利于学生自学能力和团结协作能力的培养，为学生后续专业课程的学习以及以后的就业打下了坚实的基础。

“工程制图”课程是建筑土木类学生入门的重要专业基础课，因此有效提高该门课程的教学质量具有重要意义。将BIM 模型引入教学有助于学生在专业基础知识较为欠缺的阶段更好地理解工程图纸，使得学生在自学过程中能够更快的掌握建筑施工图识读的基本知识和识图技巧。翻转课堂的融入不但打破了学生被动学习的模式，同时强调了知识点的内化与升华，解决了学生对于实际施工图纸识读能力较弱的问题。在整个教学实施过程中，不但需要教师在课前查阅大量资料，进行充足的准备，也需要学生充分利用课外时间完成自主学习过程，这就意味着教师和学生均需为每一节课付出更多的时间和精力，同时，也要借助相关建模软件、网络环境、网络平台等确保教学的顺利实施。因此，要真正实现BIM 技术与翻转课堂融入“工程制图”的教学改革，还需学校、教师和学生的积极配合，进行更多探索和研究。