新工科背景下水利類專業(yè)BIM課程教學(xué)框架與實現(xiàn)路徑

陳正發(fā) 吳學(xué)雷

［摘 要］ 以BIM為代表的工程數(shù)字化技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，這給水利類專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新、課程體系重構(gòu)提出了新要求，迫切需要將BIM課程導(dǎo)入課程體系中，提升水利類專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。目前，很多院校已逐步將BIM課程納入水利類專業(yè)課程體系中，但由于課程建設(shè)起步晚，還存在課程體系不夠健全、師資力量薄弱、實訓(xùn)條件不足等問題。為此，從新工科建設(shè)的要求出發(fā)，從課程目標和學(xué)時擬定、教學(xué)模塊設(shè)置、教學(xué)過程設(shè)計、課程考核和目標達成分析四個方面構(gòu)建水利類專業(yè)BIM課程教學(xué)框架，分析提出課程教學(xué)目標實現(xiàn)的路徑，以期為新時代水利類專業(yè)BIM課程教學(xué)改革提供參考。

［關(guān)鍵詞］ BIM課程；教學(xué)框架；實現(xiàn)路徑；新工科；水利類專業(yè)

［基金項目］ 2021年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“水利工程BIM+GIS設(shè)計協(xié)同創(chuàng)新與實訓(xùn)基地建設(shè)”（202102011050）

［作者簡介］ 陳正發(fā)（1985—），男（彝族），云南硯山人，博士，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院講師，主要從事水土生態(tài)工程、智慧水利研究；吳學(xué)雷（1986—），男，云南鎮(zhèn)雄人，碩士，中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司高級工程師（通信作者），主要從事水利工程信息化研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）21-0033-04［收稿日期］ 2023-01-06

引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，以下簡稱BIM）技術(shù)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，將工程各階段數(shù)據(jù)進行集成和協(xié)同的數(shù)字信息應(yīng)用模型，該技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛［1］。水利類專業(yè)作為“大土木”專業(yè)的組成部分，在國家大力推行“新基建”、強化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的背景下，專業(yè)建設(shè)面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。特別是隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以BIM技術(shù)為代表的工程數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)成為未來水利行業(yè)發(fā)展的必然趨勢［2］。這給水利類專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新、課程體系重構(gòu)提出了新要求。目前，國內(nèi)很多院校已逐步將BIM課程納入水利類專業(yè)必修課程中，但由于課程建設(shè)起步晚，還存在課程體系不健全、師資力量薄弱、實訓(xùn)條件不足等問題［3］。因此，有必要從教育部新工科建設(shè)的要求出發(fā)，針對BIM技術(shù)在水利建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展特點，在教學(xué)實踐和課程改革中探索建立水利類專業(yè)BIM課程教學(xué)框架體系，提出課程教學(xué)目標實現(xiàn)的路徑，為新時代水利類專業(yè)BIM課程教學(xué)改革提供借鑒［1-3］。

一、BIM技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用與發(fā)展

（一）BIM技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，BIM技術(shù)在國外得到了廣泛應(yīng)用。美國是較早啟動BIM研究和應(yīng)用的國家，BIM研究與應(yīng)用都走在了世界前列［4］。早在2003年，美國總務(wù)署（GSA）就推出了全國“3D-4D-BIM”計劃；2006年，美國陸軍工兵部隊（USACE）發(fā)布了為期15年的BIM發(fā)展規(guī)劃，促進了BIM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展［5］。2011年，新加坡國家發(fā)展部建設(shè)局（BCA）發(fā)布了新加坡BIM發(fā)展路線規(guī)劃，明確提出要推動整個建筑業(yè)廣泛使用BIM技術(shù)［4］。北歐國家中的挪威、丹麥、瑞典和芬蘭作為主要BIM軟件廠商所在地，也是全球最先采用基于模型理念開展工程設(shè)計的國家［6］。近年來，美國、日本等發(fā)達國家逐步將BIM技術(shù)融入高校工程類專業(yè)的教學(xué)中，并進行了一系列課程研究和改革［7］。

與發(fā)達國家相比，我國BIM技術(shù)應(yīng)用起步相對較晚，應(yīng)用范圍也比較有局限性，BIM設(shè)計理念還沒有完全貫穿到高等院校工程建設(shè)類專業(yè)中。2003年，中國建筑行業(yè)開始關(guān)注BIM技術(shù)。起初BIM技術(shù)的應(yīng)用主要集中在大型項目，但隨著BIM技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，政府及行業(yè)協(xié)會也逐步重視BIM技術(shù)的應(yīng)用。但是到目前為止，國內(nèi)僅有少部分院校開設(shè)了BIM課程［4］。

水利領(lǐng)域BIM技術(shù)應(yīng)用滯后于土木領(lǐng)域，但近年來也得到了較快發(fā)展。國內(nèi)中國電建所屬昆明院、華東院、成都院等設(shè)計院早在2005年便開始將BIM技術(shù)應(yīng)用于水電站設(shè)計中，并由最早的三維效果展示向數(shù)字化協(xié)同設(shè)計、BIM+GIS協(xié)同設(shè)計、智能建造等方向發(fā)展。BIM技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，推動了水利工程三維協(xié)同設(shè)計、智能建造、智慧運維等技術(shù)的發(fā)展［8］。水利部也在2022年的工作要點中指出，要加快推進BIM等技術(shù)在水利建設(shè)全過程中的應(yīng)用，不斷提高水利工程建設(shè)智慧化水平［9］。當前，國內(nèi)很多高校已逐步將BIM課程作為水利類本科專業(yè)的必修課程，但由于課程建設(shè)起步晚，還沒有形成針對水利類專業(yè)特點的規(guī)范化課程教學(xué)體系。

（二）BIM技術(shù)在水利工程中的發(fā)展方向

1.基于BIM技術(shù)的水利工程協(xié)同設(shè)計。在傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計中，一般沒有統(tǒng)一的信息共享服務(wù)平臺，加之水利工程分部、分項工程較多，往往由于設(shè)計人員信息交流閉塞、協(xié)同性不足而出現(xiàn)設(shè)計效率低下、設(shè)計內(nèi)容更新不及時等問題?；贐IM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計能較好地解決傳統(tǒng)設(shè)計存在的不足，從而保證設(shè)計信息傳遞的及時性和準確性，同時提高工作效率。當前，受各種因素的影響，BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計中的協(xié)同性依然處于起始階段，BIM技術(shù)的優(yōu)勢有待進一步發(fā)揮［10］。

2.基于BIM技術(shù)的水利工程智能建造。水利項目往往具有工程量大、工程建設(shè)周期長、參建單位多等特點，由此容易造成信息交叉、不匹配等問題。智能建造涵蓋建設(shè)工程的設(shè)計、生產(chǎn)和施工三個階段，借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、BIM等先進的信息技術(shù)，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)集成，為全生命周期管理提供支持［11］?；贐IM技術(shù)的智能建造作為未來水利領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，通過整合BIM協(xié)同設(shè)計標準與智能建造流程，可重構(gòu)三維數(shù)字化“設(shè)計—建造”技術(shù)流程，提高各參與方的工作質(zhì)量和效率［12］。

3.BIM+GIS融合的水利工程數(shù)字化管理。BIM技術(shù)的應(yīng)用有效提高了工程設(shè)計、管理的水平，也暴露出一些新問題。例如，無法解決大場景模型創(chuàng)建和展示問題、BIM模型數(shù)據(jù)承載量不高、圖形效果不佳等［13］。GIS作為一種地理數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可對地理空間信息進行描述、采集、處理、存儲、管理、分析和應(yīng)用。GIS與BIM的融合技術(shù)為工程設(shè)計和項目管理提供了一種全新的方法，彌補了單一技術(shù)在項目管理中的不足，形成資源共享和優(yōu)勢互補。

二、水利類專業(yè)BIM課程教學(xué)框架設(shè)計

（一）課程目標和學(xué)時擬定

水利類專業(yè)的BIM課程目標是：掌握水利工程BIM建模的基礎(chǔ)理論和操作技能，能夠熟練應(yīng)用Revit、 Civil 3D等常規(guī)三維設(shè)計軟件開展水利工程建模，并依據(jù)水利工程相關(guān)設(shè)計規(guī)范，初步開展協(xié)同設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。水利工程建設(shè)通常會涉及勘察設(shè)計、施工、竣工和運營階段。因此，BIM課程教學(xué)應(yīng)該面向工程建設(shè)全生命周期，這就決定了BIM課程內(nèi)容繁多。從教學(xué)實踐看，水利類專業(yè)的BIM課程包括理論講授、操作演示和上機實訓(xùn)三部分內(nèi)容，一般要求課程學(xué)時數(shù)不應(yīng)低于32學(xué)時，其中上機實訓(xùn)學(xué)時數(shù)不應(yīng)少于總學(xué)時的60%。

（二）課程教學(xué)模塊設(shè)置

在教學(xué)模塊設(shè)置中，結(jié)合行業(yè)發(fā)展和用人單位對BIM技術(shù)的需求，考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)階段特點，從設(shè)計、施工和運營三個階段設(shè)置BIM課程模塊。一般可設(shè)置水利工程建模與效果展示、水利工程協(xié)同設(shè)計，以及水利工程智慧運維三個模塊。水利工程建模與效果展示模塊包括項目創(chuàng)建、模型建立、視覺效果展示等內(nèi)容，通過該模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠針對水利工程特點，開展水利工程模型建立與三維動態(tài)展示；水利工程協(xié)同設(shè)計模塊包括多專業(yè)協(xié)同設(shè)計、團隊建設(shè)等內(nèi)容，通過該模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠在團隊合作基礎(chǔ)上初步進行多專業(yè)協(xié)同設(shè)計；水利工程智慧運維模塊主要包括任務(wù)清單、日常管理、險情搶護等內(nèi)容，通過該模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠初步應(yīng)用工程三維數(shù)字化模型，開展水利工程智慧化運維管理。

（三）課程教學(xué)過程設(shè)計

水利類專業(yè)課程教學(xué)模式主要包括理論教學(xué)、操作演示和上機實訓(xùn)三個環(huán)節(jié)。理論教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)注重教學(xué)方法，合理地安排BIM課程內(nèi)容，注重案例教學(xué)。在操作演示環(huán)節(jié)，結(jié)合水利工程特點，首先由教師展示BIM建模和協(xié)同設(shè)計的操作方法，讓學(xué)生了解基本的操作步驟。另外，教師也可在課堂中對學(xué)生的作品進行點評，讓學(xué)生認識自身的優(yōu)缺點。在上機實訓(xùn)環(huán)節(jié)，給學(xué)生下達不同類型的課程設(shè)計任務(wù)，由學(xué)生獨立上機操作完成。實訓(xùn)過程中，可進行小組討論，也可以向教師提問，但每位學(xué)生必須獨立完成設(shè)計任務(wù)。在課程教學(xué)中，還應(yīng)注重課程思政融入，從工程倫理、工程師職業(yè)規(guī)范等方面引導(dǎo)學(xué)生樹立專業(yè)工作的使命感和責(zé)任意識，培養(yǎng)具有高尚道德情操和一流技術(shù)水平的卓越工程師。

（四）課程考核及目標達成分析

在課程考核方式上，注重全過程考核與應(yīng)用技能考核相結(jié)合?？己司S度一般包括出勤表現(xiàn)、小組協(xié)作、成果匯報、設(shè)計作品等四個方面。其中，設(shè)計作品的權(quán)重一般大于40%，其他考核維度的權(quán)重可根據(jù)實際情況設(shè)定。出勤表現(xiàn)，重點考核學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度及平時出勤情況；小組協(xié)作，重點考核小組團隊協(xié)作、交流等情況；成果匯報，重點考核匯報思路、問題解決能力、匯報效果等；設(shè)計作品，重點考核作品的規(guī)范性、嚴謹性和展示效果。還可引入工程教育認證的理念，開展課程目標達成度分析，在學(xué)生總評成績的基礎(chǔ)上，進一步計算課程目標達成度分值。BIM課程總目標達成度基準分值可設(shè)置為0.7，如達成度分值大于0.7，表明該課程達成了課程目標，反之則未達成課程目標。課程目標達成度分析中，還應(yīng)注重分析課程教學(xué)過程中存在的不足，并在后續(xù)課程中持續(xù)改進。

三、水利類專業(yè)BIM課程目標實現(xiàn)路徑

（一）重視BIM課程在新型水利人才培養(yǎng)中的關(guān)鍵作用

作為一種新的數(shù)據(jù)化工具，BIM技術(shù)將在水利工程規(guī)劃設(shè)計、施工建造、運維管理等中的應(yīng)用越來越廣泛，并對行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生革命性重塑。高校作為水利人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)單位，應(yīng)高度重視BIM課程在水利創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的關(guān)鍵作用，主動適應(yīng)新工科建設(shè)和行業(yè)變革需求，結(jié)合水利類專業(yè)特點，及時修訂完善人才培養(yǎng)方案，將BIM技術(shù)導(dǎo)入課程體系，發(fā)揮BIM課程在新型水利人才培養(yǎng)中的關(guān)鍵作用。

（二）加強BIM課程師資隊伍建設(shè)

目前，大部分院校不同程度地存在BIM課程師資力量薄弱的問題。為此，高校應(yīng)圍繞行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和人才培養(yǎng)的新要求，不斷加強BIM課程師資隊伍的建設(shè)。各高校可從以下方面加強BIM課程師資隊伍建設(shè)：一是通過與BIM軟件公司、設(shè)計院等專業(yè)單位開展合作，共同建立實訓(xùn)基地，并聘請BIM公司或設(shè)計院的BIM工程師作為授課教師；二是邀請軟件公司、設(shè)計院的BIM領(lǐng)域?qū)＜覍Ρ緦W(xué)校的專職教師進行培訓(xùn)，或通過派遣教師參與企業(yè)BIM研發(fā)科研項目等形式，提高專任教師的BIM技能水平；三是直接從高校或社會招聘BIM技術(shù)高層次人才充實到師資隊伍中來，提升教師隊伍的專業(yè)化水平。

（三）強化BIM課程實訓(xùn)條件建設(shè)

實訓(xùn)條件是開展BIM課程教學(xué)的重要保障。目前很多開設(shè)BIM課程的院校還普遍存在實訓(xùn)條件不足、軟硬件設(shè)施配置滯后等問題，導(dǎo)致課程重理論講授而輕實踐鍛煉，影響了課程目標的達成。針對這些問題，要加大軟硬件設(shè)施投入力度，配齊專用機房和BIM相關(guān)軟件，為學(xué)生開展水利工程BIM實訓(xùn)提供條件。此外，也可加強與BIM專業(yè)公司、設(shè)計院等單位合作，充分利用校內(nèi)外資源打造BIM實訓(xùn)基地，從而提高BIM課程教學(xué)質(zhì)量。

（四）鼓勵學(xué)生強化BIM技術(shù)應(yīng)用

BIM課程作為實踐性較強的課程，學(xué)生對BIM技能的掌握情況是檢驗教學(xué)成效的重要標準。為提升學(xué)生對BIM應(yīng)用技能的掌握程度，除了課程教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容外，還要積極鼓勵學(xué)生利用課余時間不斷摸索BIM技能，持續(xù)提升學(xué)生的BIM技術(shù)應(yīng)用能力?？赏ㄟ^組織學(xué)生參與校內(nèi)BIM設(shè)計比賽、BIM畢業(yè)設(shè)計大賽、全國高校BIM應(yīng)用技能大賽等途徑，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用BIM技術(shù)的熱情，提升學(xué)生應(yīng)用BIM技術(shù)解決水利工程建模、協(xié)同設(shè)計、智慧運維等方面問題的能力。

結(jié)語

為適應(yīng)國家新工科建設(shè)和水利行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展對水利類專業(yè)新型人才培養(yǎng)的需求，在傳統(tǒng)水利專業(yè)課程中導(dǎo)入BIM課程的改革勢在必行。針對BIM技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用特點，本文從課程目標和學(xué)時擬定、教學(xué)模塊設(shè)置、教學(xué)過程設(shè)計、課程考核和目標達成分析等方面構(gòu)建了水利類專業(yè)BIM課程教學(xué)框架體系，并從加強師資隊伍建設(shè)、強化實訓(xùn)條件、鼓勵BIM技術(shù)應(yīng)用等方面提出課程教學(xué)目標的實現(xiàn)路徑，以期為新時代水利類專業(yè)BIM課程改革提供借鑒。

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BIM Course Teaching Framework and Implementation Path of Water Conservancy Major under the Background of ?Emerging Engineering Education

CHEN Zheng-fa1， WU Xue-lei2

（1. College of Water Conservancy， Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan 650201， China;

2. Kunming Engineering Corporation Limited of Powerchina， Kunming， Yunnan 650051， China）

Abstract： The engineering digital technology represented by BIM is more and more widely used in the water conservancy industry， which puts forward new requirements for the innovation of the training mode of water conservancy professionals and the reconstruction of the curriculum system. At present， many colleges and universities have gradually incorporated BIM courses into the curriculum system of water conservancy majors， but there are still problems such as inadequate curriculum system， less qualified teachers， and insufficient training conditions. Therefore， this paper constructs the teaching framework system of BIM course of water conservancy specialty from four aspects， namely， curriculum objectives and class hours， teaching module setting， teaching process design， curriculum assessment and goal achievement analysis， and analyzes and proposes the path to achieve the curriculum teaching objectives， with a view to providing reference for the teaching reform of BIM course of water conservancy specialty in the new era.

Key words： BIM course; teaching framework; implementation path; emerging engineering education; water conservancy major