基于BIM技術的水利工程制圖課程教學改革初探

摘 要：隨著信息化和智能化在水利行業(yè)的應用，BIM技術的教育刻不容緩，高校應積極承擔這一任務，培養(yǎng)掌握BIM技術的水利人才。水利工程制圖課程與BIM技術具有同源性、相近性，要轉變思路將兩者進行融合，從課程教學目標設計、課程內容構建、課程教學設計、教學評價創(chuàng)新、加強師資隊伍建設等方面，推動基于BIM技術的水利工程制圖課程的教學改革。

關鍵詞：BIM;水利工程制圖;數(shù)字化教學

中圖分類號：G4文獻標志碼：A文章編號：2096-0069（2020）05-0044-05

收稿日期：2020-05-12

基金項目： 2019年河南省高等教育教學改革研究與實踐重點項目“基于高職教育高質量發(fā)展的‘三教改革研究與實踐的階段研究成果”（項目編號2019SJGLX639）;2018年黃河水利職業(yè)技術學院青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目“BIM 技術在高職水工專業(yè)教學中的應用”

作者簡介：關莉莉（1981— ），女，河南開封人，碩士，副教授，研究方向為水利工程、計算機繪圖教學和BIM技術。

隨著科學技術的進步，計算機輔助設計由原來二維的CAD繪圖逐漸發(fā)展到協(xié)同合作的BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術。BIM技術理念最早由喬治亞理工大學的Chuck Eastman教授提出。它通過Revit、Tekla、Autodesk Naviswork等一些BIM軟件，首先創(chuàng)建出仿真建筑物構件以及附屬構件和模擬環(huán)境，再通過信息化、數(shù)字化技術作用到建筑物的全生命周期過程。BIM技術最大的優(yōu)勢在于可隨時修改、完善模型，將設計、施工、運維管理等集合到同一個平臺，進行實時修改、實時監(jiān)控，融入真實、仿真的元素，呈現(xiàn)出更加直觀的場景。

當前，BIM技術在建筑、土木工程、給排水、暖通等領域的應用已較為廣泛，但在水利行業(yè)的應用尚處在起步階段。近年來，BIM在大型水利工程建設中也已嶄露頭角，與之相應，一些實力較強的水利設計院、施工單位、建設單位已將BIM技術列入計劃。高等院校是新技術推廣的前沿陣地，將BIM技術嵌入人才培養(yǎng)過程刻不容緩。那么怎樣才能將BIM技術融入水工專業(yè)的教學中呢？本文擬就水利工程制圖課程進行分析。

一、水利工程制圖課程引入BIM技術的可行性

與建筑行業(yè)相比，水利工程中異型建筑物較多，在使用BIM技術時沒有成型的族庫可調用。也就是說， 水利工程項目在BIM技術中可借鑒的資源少，甚至可能每做一個項目都需要從零開始，這成為BIM應用的主要障礙。因此，一些實力較弱的設計院、施工單位難以在項目上使用BIM技術，但這一問題正逐漸緩解。

（一）水利企業(yè)對BIM技術人才需求迫切

近年來，一些大型設計院將BIM技術應用到水利工程中，成效顯著，得到了業(yè)內的一致好評，這將BIM技術在水利行業(yè)的應用推向了新的階段。如黃登水電站施工布置[1]、港珠澳大橋的施工進度管理[2]、引漢濟渭工程三河口水利樞紐勘察設計運維管理[3]等，這些項目已采用BIM技術對工程的設計、施工、運維管理的部分環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，為水利相關企業(yè)提供了借鑒。作為一種新理念，BIM技術在相關水利工程項目的設計、施工、運維中展現(xiàn)的優(yōu)勢也不斷凸顯，讓越來越多的企業(yè)認識到BIM技術的價值所在。對于水利相關企業(yè)來說，目前最迫切的是需要一批能夠掌握和運用BIM技術的水利人才，這為高校水工專業(yè)基于BIM技術的教學改革提供了動力。

（二）水利工程制圖課程與BIM技術具有相近性

BIM技術教學已在一些重點院校展開，尤其是土木建筑類專業(yè)BIM課程的開發(fā)已經(jīng)成熟，這可為水工專業(yè)提供借鑒。但水工專業(yè)BIM技術教學的基礎較弱，將其單獨作為一門課程的條件還不成熟，將BIM技術融入水工專業(yè)相關課程進行教學是目前最為可行的方式。眾所周知，工程制圖是工程界的技術語言，水利工程制圖也是水工專業(yè)的基礎核心課程。從現(xiàn)代水利工程中的應用實踐看，BIM技術同樣具有基礎性地位。此外，BIM技術的基礎也是從圖紙和建模開始的，這與水利工程制圖課程的教學內容具有同源性。因此，筆者認為BIM技術和水利工程制圖課程在現(xiàn)代水利人才的培養(yǎng)中具有相似地位，若能將兩者融為一體，可為培養(yǎng)熟練運用BIM技術的水利人才打下堅實基礎。所以，首先將BIM技術融入水利工程制圖課程，具有較強的可行性。

二、水利工程制圖課程引入BIM技術的必要性

水利工程制圖課程是水工專業(yè)及其專業(yè)群中理論與實踐相結合的基礎核心課程。該課程主要培養(yǎng)學生識讀和繪制工程圖的能力，在此基礎上培養(yǎng)學生使用計算機繪制工程圖的技能，學生在校期間一般需要學習2—3個學期，學習要求較其他基礎課程更高。隨著現(xiàn)代水利技術的發(fā)展和BIM技術的應用，這一課程也迫切需要改革。

（一）教學內容不盡合理

近年來，由于水工專業(yè)教學計劃的修訂，人才培養(yǎng)中增加了實踐環(huán)節(jié)，理論課時相對壓縮，作為專業(yè)基礎核心課的水利工程制圖課程課時也有所減少。這就需要在有限的時間內將重點內容講授給學生，如果按照以往的課程內容授課，顯然是不合理的。此外，目前水利工程制圖課程教學內容陳舊，沒有緊跟信息化技術發(fā)展的步伐，在與行業(yè)、市場信息化繪圖手段對接上明顯滯后，教學內容亟待更新和調整。

（二）教學手段單一

當前水利工程制圖課程一般有兩種授課模式：其一，在多媒體教室上課，實行單一的理論授課為主的模式;其二，在機房上課，采用制圖課程與CAD融合授課模式。在這兩種授課模式中，在線課程、智能課堂等互動式、個性化教學手段使用較少，難以將“教、學、練、做、創(chuàng)”融為一體，在培養(yǎng)學生識圖、繪圖、建模等能力方面存在不足。引入BIM技術后，課程的開設條件要求更高，不但需要手工繪圖設施、計算機操作平臺、BIM技術軟件環(huán)境，還需借助在線課程、智能課堂等進行輔助教學。

（三）教師教學能力有待提升

目前，水利工程制圖課程要求教師具有較好的空間想象能力、正確的識讀工程圖和熟練的CAD技能，但對于BIM 技術等信息化手段在水利工程中的運用則沒有要求，因此教師普遍對BIM技術引入教學的研究不夠，自身的BIM技術掌握水平有限，使得教學與實踐相脫節(jié)。BIM技術等信息化手段在行業(yè)的運用，給制圖課教師帶來了新挑戰(zhàn)。BIM技術涉及的信息量較大，還存在多學科交叉、協(xié)同合作的情況，這就需要教師具有較好的業(yè)務素質、較強的軟件學習能力、豐富的工程實踐經(jīng)驗。

三、BIM將帶來水利工程制圖技術的全面升級

水利工程制圖主要培養(yǎng)學生識圖和繪圖的能力，需要實現(xiàn)從二維圖形到三維圖形的轉變， CAD技術和BIM技術都可以實現(xiàn)這種轉變。但從繪圖和建模邏輯看，BIM技術是對CAD技術的超越。CAD建模是通過圖形功能的交互式形成模型，遵循線框模型、表面模型到實體模型的邏輯，無法匯入相關數(shù)據(jù)，也不能多人協(xié)同作業(yè)。BIM建模具有更強大的存儲功能，不但有結構的基本信息，還有設計者的設計理念，通過模型信息的集成和統(tǒng)計，形成真實表達的視覺效果。BIM技術將二維圖形向三維圖形轉換是嵌入了真實數(shù)據(jù)的轉換，不僅更加直觀、準確，而且可以通過實時編輯實現(xiàn)三維和二維圖形的循環(huán)轉換（見圖1）。這就實現(xiàn)了思維和實體的統(tǒng)一，以BIM技術代替人腦完成了二維與三維的思維轉換。[4]

以常見水工建筑物——水閘的設計繪圖為例，使用CAD 建模工具，可以按照水閘工程圖的二維圖紙，將水閘的上游連接段、閘室段、消力池段、扭曲面段分別建模，再組合到一起形成水閘模型。這種建模方式在實踐中有以下缺點：其一，無法修改。若部分模型創(chuàng)建尺寸有誤，無法實時修正數(shù)據(jù)，只能將這部分模型重新建立，會導致工作量大大增加。其二，不便于觀察。CAD環(huán)境下可查看模型的外觀形狀，但對于水閘內部或是斷面形狀則需要用剖切命令剖開才能查看，剖開后還需回退或是合并才能恢復，操作起來較為麻煩。其三，不可直接出圖。CAD創(chuàng)建模型后不能直接導出施工圖，需要在布局里面進行輪廓的抽取、拼接、繪制圖框標題欄等，出圖過程較為煩瑣。

使用BIM技術創(chuàng)建水閘模型則實現(xiàn)了二維和三維實時編輯轉換：其一，可以實時修改。使用BIM技術創(chuàng)建模型過程中若有錯誤，只需點擊創(chuàng)建錯誤的模型進入修改界面，按照正確的尺寸繪制即可。如水閘上游連接段護坡斷面繪制有誤，可直接點擊模型進入繪制界面，修改完成。其二，便于觀察。用BIM技術創(chuàng)建的水閘模型，在屬性工具欄中只需將剖面框勾選，即可查看各方位的外觀形狀，還可查看建筑物的斷面形狀，如圖2所示。其三，可直接出圖。BIM技術創(chuàng)建的模型只需調用符合要求的圖幅，如水閘可直接調用基本圖幅，將需要的視圖拖拽到圖幅里即可。不僅可以出基本視圖，還可以出剖視圖，如圖3所示閘室段出圖。其四，創(chuàng)建族方便調用。BIM技術可以創(chuàng)建同類型族，如在水閘模型的創(chuàng)建中，上游連接段和消力池段都有支撐板，并且支撐板的特征面均為三角形，就可以將支撐板做成族。族是個自定義的變量模型，隨用隨調，隨時改尺寸，無須重新創(chuàng)建。

四、基于BIM技術的水利工程制圖課程教改策略

正是由于BIM技術的諸多優(yōu)勢，水利行業(yè)對BIM技術人才需求極為迫切。高校必須研判工程一線對BIM技能人才的基本要求，努力將BIM技術融入水利工程制圖課程，推動課程理念的全方位創(chuàng)新，實現(xiàn)該課程在培養(yǎng)水利行業(yè)BIM技能人才中的核心地位。

（一）合理制定課程教學目標

教學目標的制定是課程內容構建的基礎，教學目標既需要緊跟社會對BIM技術的專業(yè)技能需求，也需要充分考慮制圖課程的自身特點和學生的接受能力。在10年來的水利工程制圖教學中，筆者曾不間斷跟蹤水利工程企業(yè)的BIM技術使用情況，同時對制圖課程的改革進行過深入研究。筆者認為，根據(jù)BIM技術實用性特點，教學中必須將理論教學與實際工程項目案例分析聯(lián)系起來，不僅要培養(yǎng)學生的理論知識素養(yǎng)，還要培養(yǎng)學生實踐動手能力、專業(yè)技能等。簡言之，就是通過課程教學培養(yǎng)學生的識讀工程圖能力、三維建模能力、工程實踐能力。

（二）科學構建課程內容

根據(jù)課程教學目標，可將課程內容模塊化，以加強教學的系統(tǒng)性、探索BIM在水利工程項目全生命周期的應用。具體講，根據(jù)BIM課程內容體系模式，采用循序漸進的方法，將制圖建模、設計出圖等過程環(huán)節(jié)融入課程?？蓪⑷谌隑IM技術的水利工程制圖課程分為三個單元：基礎投影、專業(yè)圖識讀、計算機繪圖。首先，基礎投影單元。采用制圖標準與BIM標準相結合的模式，借助BIM技術的三維圖形培養(yǎng)學生空間想象能力，如三視圖的識讀、相貫線和截交線繪制等加入BIM技術模型，可以幫助學生更快速地識讀，提高空間想象能力。其次，專業(yè)圖識讀單元。可借助BIM的仿真技術再加上虛擬的環(huán)境，將水工建筑物構件真實地展示給學生，學生不僅可以從各個角度觀察構件，還可以身臨其境地感受到水工建筑物的真實效果，進而對專業(yè)產(chǎn)生濃厚的興趣。最后，計算機繪圖單元。在CAD中融入BIM技術，二維部分用CAD繪制，三維部分直接用BIM繪制，在認識構件、軟件模型創(chuàng)建、專業(yè)協(xié)作、生產(chǎn)出圖等環(huán)節(jié)中加入BIM元素。綜上所述，將教學內容調整為識圖、建模、專業(yè)開展的形式，形成較為完善的課程內容體系。

（三）著力改進教學設計與方法

將BIM技術融入課程中后，教學設計與方法也要隨之改革。以往水利工程制圖課程教學主要以理論講授為主，實訓環(huán)節(jié)較少，教學效果一般。BIM技術的實踐性更強，既需要大量增加實踐環(huán)節(jié)，也需要借助多元教學平臺和技術手段，以達到培養(yǎng)具有BIM技術人才的目標。為此，教學設計可從四方面改進：其一，信息化條件的互動教學。教學過程中使用智能課堂教學平臺給學生推送預習內容及相關的資料，課堂上用信息化手段進行簽到、測驗、互動提問、頭腦風暴等活動，增強課堂的針對性和互動性。其二，項目化條件下的小組教學。探索符合學生認知規(guī)律的教學模式，以項目為依托將學生分為學習小組，組內討論完成項目化工程圖紙的識讀等內容，學生做到邊學邊練，教師負責總結答疑。其三，在線課程指導下拓展教學。筆者作為國家在線開放課程“工程制圖”的主要負責人，開發(fā)了課程線上互動教學指導平臺，鼓勵學生使用在線課程開展自學，同時引導學有余力的學生參與BIM/CAD協(xié)會培訓、基于BIM技術的水工專業(yè)群實訓項目，實現(xiàn)課上課下、線上線下教學拓展。其四，企業(yè)項目引入的實戰(zhàn)教學。在教學實訓中，將企業(yè)的真實設計項目引入課堂，提供實戰(zhàn)機會，引導學生解決項目設計中的實際問題，提升學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

（四）努力做到教學評價創(chuàng)新

課程不再采用簡單的“筆試+機試”的考試模式，而是采用多元評價模式，構建過程考核為主、課程考試為輔的評價模式。首先，采用教學過程性評價。重點考察學生的學習過程，利用智能課程收集學生課程簽到、參與活動、預習和復習、單元的測驗等，每個單元日?？偨Y、考核，調動學生平時的學習積極性。其次，使用在線課程評價。要求學生參加國家在線開放課程“工程制圖”，考察進行拓展學習情況，如查閱資源、單元自測、課后討論答疑等，形成智能化的學習評價數(shù)據(jù)。最后，鼓勵學生參加有關BIM技術的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、技能競賽、BIM等級考試等，獲得相應成果的學生可認定為課程技能精湛。

（五）深入推進師資隊伍建設

BIM技術融入水利工程制圖課程對授課教師是全新的挑戰(zhàn)，教師不僅需具備較好的三維空間能力、軟件運用能力，還需有一定的工程項目實戰(zhàn)經(jīng)驗，所以，提高教師的業(yè)務水平迫在眉睫。首先，學?？梢酝ㄟ^鼓勵教師參加國內外的培訓、會議等方式，了解BIM技術應用的最新趨勢，掌握基本的BIM技術原理和操作技巧，提高教師團隊的BIM技術水平;其次，為了更好地將BIM技術有機地融入課程中，學?？梢耘c企業(yè)合作開發(fā)水利工程類BIM教材，進行教學方式和方法的研究，提高教學效果;再次，教師可以指導學有余力的學生進行有關BIM技術的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，根據(jù)BIM技術的應用現(xiàn)狀，針對一些尚不具備BIM技術的開發(fā)和應用能力的小型水利工程設計院所，組織學生開展技術服務，進行創(chuàng)業(yè)實踐;最后，針對工程領域BIM技術使用迅速發(fā)展的現(xiàn)狀，鼓勵教師考取有關BIM技術的等級證書，提高教師的BIM使用技能水平。

[1]蘇靜波，李昂.BIM技術在水利工程制圖課程中的應用研究[J].教育現(xiàn)代化，2018（50）：230-231.

[2]周永川，于立軍，彭建偉.基于BIM的港珠澳大橋交通工程施工進度管理系統(tǒng)應用研究[J].公路交通科技，2017（S1）：91-96.

[3]毛擁政，補舒棋，付登輝，等.BIM技術在引漢濟渭工程三河口水利樞紐勘察設計中的應用[J].水利規(guī)劃與設計，2017（9）：158-161.

[4]雷真，錢睿，張力，等.BIM技術在工程制圖課程中的應用[J].創(chuàng)新教育研究，2019，7（1）：80-85.

（責任編輯 孫震華）

Abstract： With the application of informatization and intelligentization in water conservancy industry， the education of BIM technology is of great urgency.Universities should take on this task actively，and cultivate water conservancy personnel to master BIM technology.The curriculum of irrigation works drawing and BIM technology possess the characteristics of homology and similarity.We should change thinking and integrate the two，and promote the teaching reform of irrigation works drawing curriculum based on BIM technology from the following aspects like the design of teaching objectives，the construction of course content，the curriculum design， the innovation of teaching evaluation，and the strengthening of construction of teachers.

Key words： BIM;irrigation works drawing;digital teaching