OBE 理念下問題導向教學法探索
——以畫法幾何與工程制圖課程為例

王 娟，周 媛，張建華，孫珊珊

（1.長安大學 理學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061）

工程教育專業認證遵循成果導向、以學生為中心、持續改進3 個基本理念，對促進教學改革，提高工程教育人才培養質量至關重要。成果導向教育（Outcomebased Education，OBE）強調以學生的學習效果引導教學設計和教學方法，要求學生具有解決復雜實際工程問題的能力。以工程制圖課程為例，其作為工程教育的先導課程對學生能力的培養具有重要的作用，教學目標在于使學生掌握工程圖樣的知識和技能，具備現代化設計人才所需的工程素養，并且隨著信息化的發展，工程圖學課程除了要分析解決教學遇到的傳統問題，還需要不斷吸收圖學領域的新技術成果、拓展課程內涵。在教學改革的過程中我們發現，一方面，學生在剛學習本課程時常常對用圖形表達世界充滿向往，但當課程漸入重點內容時卻往往因為缺乏問題分析能力和空間想象能力產生畏難以及程式化套用現成定理的問題；另一方面，面對刻不容緩的BIM（Building Information Modeling）技術的教學應用，學生確實有新鮮感，但是簡單將三維建模的原理和技能整體融入教學的全過程，往往造成傳統工程圖學、二維計算機繪圖和三維建模各部分的學習都缺乏系統性和連貫性，學生的注意力不斷在三者之間跳躍，抓不住重點；而單獨將三維建模內容設置在某一學期某一階段，又會使得各部分之間的聯系不夠緊密，無法體現三者之間的關系。這些問題不僅造成學生在制圖課程的學習效果上大打折扣，更使其在以后的工作中面對復雜工程問題時感到無從下手，從而與我國工程教育專業認證背景相悖，因此教學中應尋求新的教學方法著重培養學生的邏輯思維能力，以及分析解決問題的能力，并注重引入新技術的形式、時間和切入點。筆者在教學實踐中提出了基于OBE 的問題導向式教學法，由教師充當組織者和引導者，將每節課的知識點合理地設置于典型代表問題中，通過問題引導推進課堂教學，引導學生自主探索，使學生在不斷地分析和解決問題的過程中自然而然地得到知識而非傳統的結論灌輸；同時采用分段融入三維建模的模式強化三維建模的工具屬性，既提高了學習興趣也保持了學習專注度，使學生的學習更具主動性，實現培養學生的自學能力和創新能力的教學目標。

本文以畫法幾何與工程制圖課程中“直線與平面、兩平面的相對位置”一章中“直線與平面垂直、兩平面垂直”一節為例，根據問題導向式教學設計的五個環節，詳細介紹教學組織的實施過程。

一、教學過程的組織和實施

（一）課前預習

1.預習內容安排

課前預習在一定程度上確實能夠提高課堂的學習效率，然而現代大學生課業壓力大，可自由支配的時間越來越少。近年已成為高校教學改革重要方向的信息技術與傳統教學深度融合的線上線下混合式的教學模式雖然大大提高了學生的參與度，但由于大部分引用該模式的課程采用的“線上自學、檢驗”和“線上復習、拓展”等環節均需要學生利用課下的時間來完成，如果每門課程都采用類似的教學模式，可想而知，學生最終只會因為沒有足夠的時間而選擇省去這些環節，而所剩的課堂面授環節，又由于教師只進行重點內容的解惑，最終導致學生整整一節課顆粒無收，教學效果甚至還不如過去的傳統教學模式。因此，高校的課程改革應針對不同的課程合理采用適合的教學模式，而非簡單的一刀切，使得教學效果從學生的角度達到整體最優解。長安大學畫法幾何與工程制圖課程采用的問題導向式教學設計中本節課的課前預習環節并不是讓學生花費大量時間去預習課堂內容，而是要求完成以下輔助任務：利用Revit 三維建模在空間求一點K 到已知平面P 的距離。

2.預習內容的可行性

長安大學在2021 年高水平教材修訂項目中已將Revit 三維建模引入了工程圖學課程，采用“分段融入式”模型將教學過程分為兩個階段：第一個階段是繪圖軟件學習階段，第二階段是融入了二維計算機繪圖和三維建模的工程圖學教學階段。明確了課程以手工繪圖和二維計算機繪圖為主、三維建模為輔。三維建模是以選修課的形式被設置在二維計算機繪圖之后，繼而融入并貫穿于畫圖和讀圖的全過程，教學設計和安排仍然圍繞傳統圖學投影理論，將課堂重點放在培養學生手工繪圖能力上，從學生接受知識的角度進行合理的教學安排，使三維建模服務于二維，根據每節課知識點的不同，分別完成知識引入（立體的投影章節）、疑難解惑（截交線和相貫線章節）、結果驗證（組合體的投影章節）和工程實踐（建筑工程圖章節）的四種工具作用，既保證了圖學課程的完整性，又體現了三維建模和工程圖學的有效融合。融入了Revit 三維建模的畫法幾何與工程制圖課程仍為110 課時，其中第一學期62 課時，講到軸測投影，第二學期48 課時，從建筑形體的表達方法開始講起，具體的教學安排及時間節點如圖1 所示。根據三維建模選修課的設置時間安排，在本節課學習之前，學生已經學習了Revit 三維建模的基本命令，可以在很短的時間輕松完成規定的預習任務，為接下來的教學面授環節做好準備。

圖1 “分段融入式”工程圖學課程安排

（二）提出代表問題

本節課前學生已經掌握了點線面的基礎知識，并學習了線面關系中的前兩種關系：平行關系和相交關系，迫切需要通過對第三種關系——垂直關系的學習來解決復雜綜合問題。本節課教學的重點為介紹垂直關系的投影特性及應用。以往的傳統教學過程是直接給出此投影特性（若一直線垂直于一平面，則直線的水平投影必垂直于該平面內水平線的水平投影；直線的正面投影垂直于該平面內正平線的正面投影。反之則同樣成立），接著舉例進行固定方法應用，這種方式的弊端在于學生根本不用思考，只需被動接受定理和方法即可，不僅課堂枯燥，久而久之，這種機械性的記憶方式還會使學生在面對需要獨立探索的復雜綜合問題時卻喪失了思考的能力。為了改變這種現狀，筆者先是在開課前2 分鐘利用多媒體給大家展示我國古代到現代的代表性建筑，例如港珠澳大橋等（如圖2 所示），使學生驚嘆于設計者高超技藝的同時，認識到垂直關系由于兼具安全上的穩定性和視覺上的美感，無論是在房屋建筑還是公路橋梁中都隨處可見，進而圍繞本節課的教學內容拋出與之有關的最直接的問題，即求距離問題。接著，用一個大家日常中的實例將該問題具體化，如：已知預留洞和樓板在設計圖紙中的投影，如何得知洞中心到樓板的距離？為了尋找答案，將此實際問題簡化為問題一：求點到平面的距離。最后，引導學生們帶著這個代表問題一起開始此次課堂教學，產生對未知知識的求知欲。

圖2 港珠澳大橋

（三）引導分析問題

讓大家展示自己課前建立的模型，思考過已知點K如何能求得該點到已知△ABC 所確定平面P 的距離。通過學生的動手操作，很容易分析出應分為3 個作圖步驟：（1）過K 點作平面P 的垂線KM；（2）求垂足N；（3）求KN 的實長。這個過程體現了三維建模在點線面基礎部分幫助理解分析的工具屬性，通過每節課針對不同知識點所采用的不同三維建模工具屬性應用，不僅有利于圖學課程內容的學習，也提高了學生的軟件技能，使有意愿的學生可以順利參加后續成圖大賽，以賽促學、持續改進，增加就業的技能優勢；同時由于該軟件學習被安排在制圖課程之外，也避免了對課程體系的影響。

根據現有知識學生只會前述作圖步驟的后面兩步，即利用線面交點法求垂足N 和利用直角三角形法求KN 的實長，需要解決的關鍵問題則是第1 步過K 點作平面P 的垂線KM，從而引出思考——如何來保證在投影圖中所做直線一定是平面的垂線？此時設置小組討論環節，針對討論結果一“使它垂直平面內兩相交直線即可”引出討論結果二“由于空間垂直兩直線的投影一般不再垂直，因此不能僅由已知△ABC 各邊投影作出這條垂線”。問題到這里陷入膠著，考慮到想要突破一個新知識，我們往往是從已有的舊知識出發，于是老師可帶領大家回顧并提問：在以往的學習內容中是否學過與垂直有關的內容？因為只有“直角定理”（當正交兩直線之一平行于某投影面時，則它們在該投影面上的投影仍反映直角）這一個舊知識與垂直關系有關，因而學生很容易想到該定理，進一步激發出學生的求知欲，明白了想要利用直角定理，首先需要找到與平面有關的兩條投影面平行線——水平線和正平線，就可以通過使這兩條投影面平行線各自反映實長的投影分別垂直于已知直線KM 的同名投影實現所做直線垂直該水平線和正平線，繼而實現KM 垂直于這兩條相交直線（水平線和正平線）確定的平面P。而關于如何做平面內的投影面平行線，學生在前面內容中已經掌握，于是過K 點作平面P的垂線KM 這一步便已經實現，同時由于第二步和第三步都是舊知識，那么課前提出的問題一也便得到了解決，作圖結果如圖3 所示。到這里學生已經跟隨老師的思想完整分析并解決了一道典型的小綜合題目，有了一點成就感，此時由老師趁熱打鐵，指出大家在解決該問題時的第一步作圖過程其實就是我們本節課所要介紹的重要定理——垂直關系的投影特性（分析過程如圖4所示），并強調利用該投影特性，我們不僅可以過已知點得到平面的垂線，還可以很方便地求解有關垂直關系的其他問題，同時舉例說明。

圖3 問題一：求點到平面的距離

圖4 關鍵問題分析

這種問題導向的教學過程，將生硬的投影定理融入到實際問題中，通過和學生分組討論找出關鍵點，引導學生利用舊知識解決新問題，最終歸納出教學內容，使學生可以自然而然地獲取知識，從而實現提升邏輯思維能力以及分析解決復雜工程問題能力的教學目標。課程內容設置由淺入深、著重抓好課堂45 分鐘的高效引導，符合學生認知規律的同時不給學生額外增加課外負擔，也體現了以學生為中心的思想。此外，講授過程中堅持尺規示范、增強榜樣力量，強調養成嚴謹求實、耐心專注的科學素養。

（四）小組互評

為了加深學生的理解并增強課堂的趣味性，設置問題二（例如：已知ab、cd 及a'b'，且AB⊥CD，求a'c'），要求各小組建模分析展示解決問題的方法步驟（如圖5 所示），通過各小組之間相互的交流、質疑和評判，得到正確的作圖方法，并由小組推薦代表在黑板展示尺規作圖的過程，教師則主要負責把控課堂節奏和秩序，這種方式一方面可以使學生積極地參與進來，發揮自主能動性和生生交流的暢通性，鍛煉學生之間團結合作能力的同時，真正使學生成為課堂的主角，也給課堂增添了更好的學習氛圍；另一方面，點線面的綜合問題部分重在培養學生的空間想象能力和分析解決問題的能力，每個學生看待問題的角度不一樣，思維方式也不一樣，由此所得的解題方法也可能不同，通過小組討論、模型展示，學生可以領會到其他同學解決問題的方法，通過比較從而總結出一些相對簡單的方法，也拓寬了思考問題的角度。此外，有了思考的能力、獲得了解決問題的成就感，又有課堂實踐活動增強趣味性，學生學習知識的主動性自然就增強了，學習效果也會事半功倍。

圖5 問題二：建模空間分析

（五）總結并提出思考問題

通過問題一和問題二，以及課堂舉例，進行本節內容總結：解決垂直關系問題的實質，在于牢牢把握平面內的一對投影面平行線，通過平面內的投影面平行線求作平面的垂線應掌握正確的作圖方法即垂直關系的投影特征，使其各自反映實長的投影分別垂直于已知直線的同名投影，從而使得學生在腦海中再次強化知識重點——垂直關系的投影特征。在這個基礎上順勢提出思考問題，比如如何過點作已知平面的的垂面，既可溫習本節內容，又為下節課綜合問題習題課做好了預習（如圖6 所示）。課后教師及時根據學生的小組課堂表現和課后作業情況進行平時成績的評定以及答疑重點的安排，做到持續改進。

圖6 思考題建模空間分析

二、結束語

本文以畫法幾何與工程制圖課程中“直線與平面、兩平面的相對位置”一章中“直線與平面垂直、兩平面垂直”一節內容為例，介紹了基于OBE 的問題導向式課程教學的組織實施過程，對線面關系傳統教學中直接給出作圖方法的單純灌輸知識的模式進行改進，注重在解決問題的過程中學習理論，通過合理設置代表性問題、恰當巧妙地引導分析，培養了學生思考和解決問題的能力。采用“分段融入式”模型在課堂引入三維建模軟件，以順應行業技術發展，在不影響課程重點的前提下，利用其幫助學生進行空間分析，體現其為傳統工程圖學服務的工具屬性（其他章節根據知識點的不同，三維建模的工具屬性也可各不相同，如知識引入、疑難解惑、結果驗證和工程實踐等），培養了三維模型設計、團隊合作和創新設計的能力。整個教學過程考慮了學生由淺入深的認知習慣、利用舊知識解決新問題的思維方法，以及緊張有限的課外時間，符合工程教育專業認證的“成果導向、以學生為中心、持續改進”教育理念。