模型制作在大學工科實踐教學中的應用與探索

張天航 李清富 王鵬

［摘要］大學工科教學存在專業理論抽象，內容更新快，實踐性強的特點，到施工現場學習又會產生經濟費用以及時間、安全等問題。本文探索將沙盤仿真模型制作應用于大學工科實踐教學，形成獨特的體驗式教學方法，使同學們在模擬實踐中學習新的知識，使得教學更加直觀，無法用語言文字表達的隨著社會科學技術的進步，教育教學的工具和手段也有了新的變化，教學手段、方法以及教學環境的發展和變革，必然帶動教學思維的擴展，并引起概念性的變革，這是對新技術、新方法的一種簡單適應，也產生出新時代新的思維方式。本文針對傳統大學工科課堂教育中教學手段單一、形式枯燥的特點，探索將模型制作應用于工科課堂教學和實踐教學，直觀的教學方法使一些無法用語言文字表達的過程以動態模擬的形式表達出來，更容易使學生理解，由于需要自己動手更能激發學生的學習興趣，同時避免了到施工現場而產生的經濟費用以及時間、安全問題。

一、大學工科教學的難點分析

大學工科課程的教學存在著這樣一些難點：講解專業理論時抽象枯燥，學生難以理解；內容更新快，更注重實踐性，由于難學難懂，無法提高學生的學習興趣，造成畢業生專業技能的下降。依照目前的“填鴨式”課堂教學方法，在學習中學生并沒有建立起合適的專業模型，一時無法將實踐與理論建立起聯系,思維限于問題表面,不能透過現象看到本質，容易受到條件的干擾，一旦把握不住實質，提煉不出模型，思維過程必然受阻，專業問題難以解決。學生由于沒有專業知識的積累，沒有專業的實踐，缺少程序化的思維演練過程，而教材中的實例往往不能滿足要求，缺乏實踐的過程而單單掌握理論，理論就成為一種無用的記憶。長此以往，學生就只會就題論題，隨意套用公式，這必將形成思維上的枷鎖，越是解決不了越是不愛思考，進入惡性循環的學生當然認知發展緩慢。可見，工科專業教學必須重視從感性上升為理性的過程，即重點抓住圖像、圖景、實際操作的教學過程，這樣才能加強學生的應用理解能力的培養，以便提高和解決實際應用問題的能力。多數工科院校實踐教學基地建設不完善，學生實習也大多是走馬觀花，浮于表面，達不到培養學生工程設計和實踐能力的效果，可見加強實踐性教學是目前課程教學亟待解決的問題。針對這些教學中存在的問題與難點，嘗試在課程中引入模型制作來解決教學中面臨的這些問題。

二、模型制作的教學實踐與應用

模型根據研究對象可以大致分為四類:（1）實體模型；（2）過程模型；（3）條件模型；（4）結構模型。本文研究的仿真沙盤模型屬于第一類和第四類的結合。沙盤模型是根據地形圖或實地地形，按照一定的比例用泥沙、木板等各種材料堆制而成的模型。沙盤模型最初應用在軍事上，常供研究地形、敵情、作戰方案、組織協調動作和實施訓練時使用。現在，沙盤模型在人們的實際生活中隨處可見，例如城市概貌、模擬場景、樓盤模型等等，它能夠直觀表達建筑物相對位置、大小、整體景物之間的關系，具有良好的演示效果。本文將仿真沙盤模型的制作應用到大學道路橋梁與渡河工程專業課程的學習中，將一些復雜的設計過程利用仿真沙盤模型模擬現場，將設計過程動態地表現出來，形成獨特的體驗式教學，使同學們在模擬實踐中更加輕松地學到知識，也會激發同學們的學習興趣。將仿真模型的制作應用到道路橋梁專業的道路、橋梁、隧道、港口等專業方向的認知實習、施工實習和畢業實習中，通過施工現場和仿真模型的雙重教學，使同學們能夠真正鞏固知識和強化技能，提高教學質量。仿真沙盤模型可以使同學們在體驗式教學中自己發現工程勘察、設計、施工等過程中可能出現的問題,從而分析問題、解決問題，提高學習效率，增強學生的動手能力和團隊合作能力。因此，進行模型制作應用于教學的研究是必要的，并具有一定的理論和實踐意義。

（一）制作方案的設計

本次應用研究主要是針對大學工科中的道路橋梁專業課程教學進行的，根據道路橋梁專業不同的課程可以設計不同的沙盤模型制作方案，盡可能包含課程講述過程中涉及的概念。例如突出道路線形設計、路基路面橫斷面、路基形式等內容可以嘗試制作山區公路仿真沙盤模型制作；如果是突出橋梁形式可以考慮T型梁橋仿真沙盤模型制作。山區公路沙盤模型設計內容包括平原區、山嶺區、丘陵區選線工作，道路路基路面設計，山區橋梁設計等，T型梁橋沙盤設計內容包括T型梁橋的配筋設計，T型梁橋上部結構設計和下部結構設計等，這些模型的制作涉及面廣，要求掌握的道橋專業知識較多，難度系數高，可以充分鍛煉學生的動手能力和團隊合作能力，有利于加深學生理解更全面的道橋專業知識點，以下以制作山區公路仿真沙盤模型為例表述模型制作的簡要過程。

（二）制作方案的確定

本次實踐以道路橋梁專業三門主干課程道路勘測設計、路基路面工程、橋梁工程為基礎，通過查閱資料和文獻，經過認真分析，結合交通工程道路技術標準規定，以教師提供的原始地形圖紙為參考，經過設計計算，最終確定制作一條跨越平原、山嶺、丘陵區域的公路仿真模型。基本步驟為首先按所選定山區地形圖，結合山區公路設計標準，紙上選線定線，進行路基、路面、橋涵工程等內容設計，進行山嶺區、微丘區、重丘區、平原區公路的線形布置設計，根據地形考慮橋梁的設置，要求進行橋型選擇和布置，然后進行沙盤模型的制作，模型的制作包括：山嶺區、微丘區、重丘區、平原區公路的制作，道路路基路面設計制作，河流的制作以及橋梁的制作。

（三）模型制作的流程

在模型制作之前，編寫設計方案，畫工藝流程圖，還可以先把效果圖用電腦軟件做出來。模型的材料主要考慮造價和易成型的材料，可采用重量輕、易切割、易鑲嵌、不易變形泡沫材料制作山體，輔助材料有人工膠合板、泡沫板、硬紙板、石膏等。具體制作方法：一是根據垂直比例尺大小確定等高距、材料的厚度，以及基礎等高線。二是等高線的標描、復印與剪裁工作。用彩筆進行標描，對等高線進行綜合取舍，在強力海綿材料上復印等高線時要按由低到高的順序，并標明層數，然后逐層進行沿線切割。三是山體的粘釘工作。用乳膠漆將底層的“梯田”準確粘貼于底盤上，然后逐層進行疊加粘接，層與層之間套合不好的地方要隨時用剪刀或手術刀進行修整。對于河流、湖泊，當用有機玻璃做原料時，先把湖藍色有機玻璃壓在基準起算面底下，用乳膠等粘牢，由此構成地貌雛形。按照平原區、山嶺區、丘陵區公路設計標準，對沙盤模型中平原區、山嶺區、丘陵區的公路線形進行制作，先用陶泥在已經選好的路線上進行鋪設，再用石膏和白乳膠涂抹路面，使路面平整光滑，然后用灰色噴漆對制作好的路面進行顏色渲染，使道路模型更顯逼真。按照丘陵區橋梁設計要求，對沙盤模型中的橋梁進行制作，制作橋梁的材料有切割刀、膠水、木板、銅絲、噴漆等，先用切割刀對木板進行切割，制作出橋梁的橋面板和支座以及橋面板的護欄，然后用銅絲制作橋梁的懸索，然后用噴漆進行渲染，這樣沙盤模型中橋梁的制作就完成了。

三、模型的修整與評定

模型制作初步完成后，對沙盤模型進行修整、美化，然后以調查問卷的形式，讓老師和學生提出沙盤的修改意見，然后按照老師和學生的建議，再次修改后，最終沙盤模型完成。專業任課老師可以根據學生的作品質量，結合設計的標準，團隊的工作情況評定成績，這個成績可以認定為課程平時成績或者是生產實踐成績。

四、結語

大學工科專業教學的實質是培養合格的專業人才。但是應該看到目前的教學方法無法有效激發學生的學習興趣，理論與實踐脫節，滿堂灌輸的教學方法扼殺學生的思維，無助于培養學生發現問題、解決問題的實際工作能力。本文通過將沙盤模型制作應用于大學工科道路橋梁專業教學實踐，探索新的教學模式，用以提高和改善教學質量。文中以道路橋梁專業沙盤模型制作與研究為例，詳細介紹了沙盤模型制作的過程、方法以及理論。這種學生親身參與的體驗式教學方法，彌補了以往工科專業課教學表現手段的不足，使抽象的教學內容以實際模型的形式直觀全面反映出來，有利于學生提高學習興趣，掌握基本專業技能，也彌補了目前實踐教學基地普遍建設不完善的缺陷。 鑒于工科專業的特殊性和復雜性以及工程反映形式的多樣性，建議有條件的院校可以將這一教學方式引入課堂，同時探索體驗式教學的新方法和新模式。

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［責任編輯：碧瑤］