以能力為導(dǎo)向的BIM技術(shù)在土木工程施工教學(xué)改革中的應(yīng)用研究

宋夢(mèng) 劉允才

[摘 要]為實(shí)現(xiàn)高校應(yīng)用型人才發(fā)展的培養(yǎng)目標(biāo)，以土木工程專業(yè)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程土木工程施工為依托，探索理論知識(shí)、實(shí)踐和能力培養(yǎng)融合的教學(xué)改革模式。首先，以案例教學(xué)為切入點(diǎn)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行構(gòu)建和整合，讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)之后自己反設(shè)計(jì)題目以增強(qiáng)對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，這體現(xiàn)了知識(shí)和能力的并重培養(yǎng)，提高了課堂的趣味性和生動(dòng)性，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的一些問題。其次，教師通過情景法進(jìn)行課堂教學(xué)后，對(duì)課程的工程案例進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，再次通過以能力為導(dǎo)向的BIM技術(shù)對(duì)所選的工程模架進(jìn)行模擬，這可以增強(qiáng)學(xué)生的軟件操作能力和知識(shí)應(yīng)用能力。最終，通過引入項(xiàng)目案例實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與工程實(shí)踐的有效對(duì)接，提升了學(xué)生的工程素養(yǎng)和解決實(shí)際問題的能力，增強(qiáng)了課程的教學(xué)效果，并得到了社會(huì)的認(rèn)可。

[關(guān)鍵詞]案例教學(xué);BIM技術(shù);教學(xué)改革;實(shí)踐能力;應(yīng)用研究

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）12-0077-04

目前，土木工程行業(yè)在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要的地位，這對(duì)土木工程專業(yè)的人才提出了較高的要求，尤其是新工科[1]的提出，對(duì)學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)要求越來越高，但是課堂教學(xué)與實(shí)踐卻存在一定的矛盾。近年來，一級(jí)建造師的考試題也越來越接近實(shí)際工程，尤其是實(shí)操題的考查，這對(duì)沒有從事過一線施工的人員來說存在一定的難度。土木工程施工作為土木工程專業(yè)的一門核心課程，具有涉及面廣、實(shí)踐性強(qiáng)、知識(shí)更新快的特點(diǎn)，以BIM技術(shù)為手段的教學(xué)改革與實(shí)踐能力相結(jié)合對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型人才具有重要的意義。BIM（Building Information Modeling）技術(shù)，是近年來發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的一種新的技術(shù)理念。其通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物的真實(shí)信息，具有信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、可出圖性等特點(diǎn)[2]。

它的核心是將信息化技術(shù)與建筑行業(yè)結(jié)合，以建筑信息模型作為核心貫穿整個(gè)項(xiàng)目。該技術(shù)不是僅僅將以往的二維圖紙、人員管理、資料信息化，而是將這些信息進(jìn)行智能整合，完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、管理各個(gè)環(huán)節(jié)都能夠合理提取、共享和運(yùn)用這些信息[3-4]。運(yùn)用BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以通過三維展示仿真模擬施工的過程，使圖片動(dòng)態(tài)可視化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和運(yùn)用，提高教學(xué)效果。高?？梢源藶槠鯔C(jī)有針對(duì)性地對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才打下一定的基礎(chǔ)。

一、土木工程施工課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

土木工程施工是土木工程專業(yè)的核心課程，在黃河科技學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┍究迫瞬排囵B(yǎng)方案中該門課程開設(shè)于第五學(xué)期，學(xué)時(shí)數(shù)為72，學(xué)分為4，設(shè)有課程設(shè)計(jì)和相應(yīng)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)，與生產(chǎn)密切相關(guān)。土木工程施工的先修課程有土木工程制圖、房屋建筑學(xué)、土木工程材料、理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)，這些課程能為學(xué)生后續(xù)進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)及畢業(yè)后走上設(shè)計(jì)、施工、管理崗位奠定一定的基礎(chǔ)。

近年來，BIM信息技術(shù)發(fā)展迅猛，企業(yè)也在積極推廣，很多高校都參與其中并開設(shè)了相應(yīng)的課程，BIM協(xié)會(huì)以畢業(yè)設(shè)計(jì)大賽或以模塊形式的技能創(chuàng)新大賽在高校中推廣應(yīng)用。在這種背景下，單靠傳統(tǒng)的理論教學(xué)很難滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求。將BIM技術(shù)引入課程教學(xué)中，對(duì)促進(jìn)新技術(shù)在課程中的應(yīng)用，提高學(xué)生的軟件操作能力，培養(yǎng)符合社會(huì)需求的土木工程專業(yè)特色的應(yīng)用型人才有積極的意義[5]。

目前，針對(duì)土木工程施工的教學(xué)改革方法和內(nèi)容改革主要有多媒體教學(xué)、互動(dòng)式教學(xué)、施工組織設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等[6-7]，這些嘗試雖然取得了一定的效果，但沒有能充分發(fā)揮“以學(xué)為主”的主導(dǎo)思想，對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型人才目標(biāo)的實(shí)踐程度不夠。

從現(xiàn)有的教學(xué)模式看，土木工程施工教學(xué)主要存在如下問題。1.教學(xué)內(nèi)容比較陳舊，未體現(xiàn)最新的施工技術(shù)，知識(shí)點(diǎn)瑣碎，系統(tǒng)性較差，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力較大，學(xué)習(xí)效果不夠理想。2.教學(xué)模式相對(duì)比較單一，缺少“以學(xué)為主”的教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，師生互動(dòng)少，上課使用多媒體課件雖然可以傳遞給學(xué)生較大的信息量，但是學(xué)生的接受程度有限，這導(dǎo)致課堂效果大打折扣。3.學(xué)生學(xué)習(xí)BIM軟件的應(yīng)用能力不強(qiáng)，從畢業(yè)設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)反饋的信息來看，學(xué)生對(duì)BIM模型的建立和施工過程模擬不夠熟練，無法滿足工作的要求，需要提高軟件的操作能力。4.理論知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)踐不能有效結(jié)合。應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的綜合能力，這也是工程教育專業(yè)認(rèn)證的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。但目前由于各種因素，學(xué)校無法創(chuàng)造出各種施工過程的真實(shí)場(chǎng)景，學(xué)生對(duì)于一些關(guān)鍵施工技術(shù)學(xué)習(xí)起來比較困難。從往屆的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中可以看出，學(xué)生對(duì)信息的綜合運(yùn)用能力和整合能力有待提高。

二、教學(xué)改革新模式的探討

針對(duì)目前課程的教學(xué)現(xiàn)狀，筆者從以下兩方面對(duì)土木工程施工課程進(jìn)行教學(xué)改革，以培養(yǎng)學(xué)生把知識(shí)轉(zhuǎn)換成能力的本領(lǐng)。一是采用緊密結(jié)合執(zhí)業(yè)資格考試的建造師案例分析為切入點(diǎn)進(jìn)行課堂教學(xué)，使學(xué)生所學(xué)的知識(shí)與工程實(shí)際緊密結(jié)合，以提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的整合能力，真正達(dá)到學(xué)以致用的目的。另外，還可以改善學(xué)生學(xué)習(xí)枯燥的現(xiàn)狀，通過結(jié)合案例真題調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的工程意識(shí)和工程素養(yǎng)。二是采用以BIM技術(shù)為手段的實(shí)際工程模擬進(jìn)行情景法教學(xué)。通過三維模型的模擬展示使課堂更具有吸引力，增加學(xué)生對(duì)軟件學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)軟件的積極性，從而讓學(xué)生體會(huì)到軟件功能的強(qiáng)大和高效，為以后的工作奠定基礎(chǔ)。

三、教學(xué)改革實(shí)施思路及方法

（一）土木工程施工案例教學(xué)模式

在注冊(cè)建造師的考試中，一些案例考到了知識(shí)點(diǎn)的靈活運(yùn)用，可以作為教學(xué)素材引入到課堂上，以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用。在教學(xué)實(shí)施過程中一般遵守如下程序：引入基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)→知識(shí)結(jié)構(gòu)整合→綜合案例的應(yīng)用→運(yùn)用素材進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。下面以施工現(xiàn)場(chǎng)平面的布置為例進(jìn)行說明。（2018年考題）某建筑施工場(chǎng)地，東西長(zhǎng)110米，南北寬70米，擬建的建筑物首層平面80米×40米，地下2層，地上6/20層，檐口高26/68米，建筑面積約48000平方米。施工場(chǎng)地部分臨時(shí)設(shè)施平面布置圖見圖1。圖中布置的臨時(shí)設(shè)施有：現(xiàn)場(chǎng)辦公室，木工加工及堆場(chǎng)，鋼筋加工及堆場(chǎng)，油漆庫(kù)房，塔吊，施工電梯，物料提升機(jī)，混凝土地泵，大門及圍墻，車輛沖洗池（圖中未顯示的設(shè)施均視為符合要求）。寫出圖中臨時(shí)設(shè)施編號(hào)最宜布置的臨時(shí)設(shè)施名稱如⑨大門與圍墻，并簡(jiǎn)單寫出原因。

在采用案例教學(xué)過程中，為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，通常采用讓學(xué)生開動(dòng)腦筋自己設(shè)計(jì)題目對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行考核，這提高了課堂的趣味性和生動(dòng)性。

（二）以BIM技術(shù)為手段的三維模擬情景法教學(xué)應(yīng)用

結(jié)合BIM畢業(yè)設(shè)計(jì)大賽的要求，選擇有代表性的建筑物使用revit軟件進(jìn)行三維建模，讓學(xué)生熟悉建筑物建造的全過程，掌握和施工聯(lián)系緊密的模板腳手架這一模塊進(jìn)行情景法教學(xué)。這可以提高學(xué)生對(duì)BIM軟件的操作能力，加深模板腳手架在工程中的實(shí)際應(yīng)用。最后，以實(shí)際工程項(xiàng)目為依托，主要讓學(xué)生建立模型并模擬模架的設(shè)計(jì)施工過程，強(qiáng)化學(xué)生軟件應(yīng)用的能力和施工技術(shù)方案編制的能力訓(xùn)練。這里主要闡述一下學(xué)生的情景法教學(xué)。

1.模擬前準(zhǔn)備工作

首先，學(xué)生對(duì)模架的理論知識(shí)掌握比較扎實(shí)，熟悉模板腳手架設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，對(duì)模架的設(shè)計(jì)、構(gòu)造、類型、材料等有一定的認(rèn)識(shí)。然后教師選定某典型的工程項(xiàng)目，建立三維模型，在機(jī)房向?qū)W生演示模架搭設(shè)的主要過程，參數(shù)的設(shè)置，主要文件圖形的導(dǎo)出等。應(yīng)組織有教學(xué)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師進(jìn)行具體的指導(dǎo)，以BIM技術(shù)為手段的情景法的實(shí)踐應(yīng)用必須編制詳盡的教學(xué)設(shè)計(jì)方案，包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容及重難點(diǎn)、課時(shí)分配、BIM模架軟件應(yīng)用和鏈接、學(xué)生課下學(xué)習(xí)方法、學(xué)生分組等情況。

2.以實(shí)際工程項(xiàng)目為載體進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)

考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)的繁重，整個(gè)過程以小組模式進(jìn)行。每個(gè)小組選定組長(zhǎng)，分配任務(wù)。教學(xué)實(shí)施過程以模擬前的準(zhǔn)備為先導(dǎo)，注重整個(gè)模架模擬的過程管理，以成績(jī)?cè)u(píng)定的要求為指導(dǎo)思想，引導(dǎo)學(xué)生按照順序?qū)嶒?yàn)操作步驟完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。整個(gè)情景法應(yīng)用于教學(xué)的展開順序?yàn)椋壕哂谢镜膶I(yè)知識(shí)和軟件操作能力儲(chǔ)備→根據(jù)工程項(xiàng)目信息對(duì)建筑物進(jìn)行三維建?！Ｐ臀募g的轉(zhuǎn)換→模架軟件中進(jìn)行模架的搭設(shè)→進(jìn)行合規(guī)性的檢查判斷→高支模的識(shí)別→安全驗(yàn)算→方案書的編制→構(gòu)件節(jié)點(diǎn)詳圖→材料匯總→技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果對(duì)比→提交實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)果。

首先，學(xué)生要具有基本的模架專業(yè)知識(shí)和軟件操作能力。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生所涉及的課程較多，如房屋建筑學(xué)、土木工程材料、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土木工程施工、技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)、模板腳手架技術(shù)規(guī)程等，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程綜合性較強(qiáng)，這鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，提高了學(xué)生的工程安全意識(shí)。在此過程中，可以邀請(qǐng)施工單位的一線技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)講解部分施工過程并提供技術(shù)指導(dǎo)，以增加學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和模架施工新技術(shù)的同步發(fā)展。以分組的形式模擬實(shí)際工程，這不僅實(shí)現(xiàn)了“教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合”的目的，還提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、合作精神。

3.課程案例整體設(shè)計(jì)

（1）以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)為目標(biāo)，基于工程實(shí)際問題探討教學(xué)課程，并基于BIM技術(shù)進(jìn)行模架工程多媒體的課件設(shè)計(jì)。

（2）以實(shí)際的工程案例為切入點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用BIM技術(shù)建立模型，并對(duì)模架搭設(shè)進(jìn)行模擬。這其中包括確定搭設(shè)構(gòu)件的參數(shù)，如進(jìn)行立桿、橫桿、連墻件等的計(jì)算，在模架計(jì)算軟件中建立扣件式腳手架的三維設(shè)計(jì)模型，并進(jìn)行安全驗(yàn)算、材料匯總、節(jié)點(diǎn)詳圖、方案計(jì)算書編制、方案的經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析、專項(xiàng)方案的編制及分析論證等。圖2為部分學(xué)生小組作品成果展示。

（3）考慮到模架體積較大，實(shí)際操作難度大、成本高，運(yùn)用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬施工的情境，不僅可以解決實(shí)操困難，還可以培養(yǎng)學(xué)生綜合分析與解決問題的能力。學(xué)生針對(duì)不同的建筑物情況，可以選擇具體的模架方案，并對(duì)其合理性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行分析，這可以培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題的能力、安全意識(shí)及工程素養(yǎng)。

（4）以培養(yǎng)應(yīng)用型人才與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力為目標(biāo)的參與式教學(xué)。將學(xué)生分成若干小組，針對(duì)不同的工程項(xiàng)目，每組學(xué)生完成各自的模架方案設(shè)計(jì)及相關(guān)方案圖形成果，并論證方案的可行性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，這可以訓(xùn)練學(xué)生知識(shí)綜合運(yùn)用的能力。

四、實(shí)施效果

目前，該教改項(xiàng)目已從學(xué)校2016版培養(yǎng)方案開始實(shí)施，以學(xué)校翻轉(zhuǎn)校園為依托進(jìn)行，以正式課加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和施工組織設(shè)計(jì)的方式在土木工程施工課程中實(shí)施。

1.引入歷年建造師考試的真題進(jìn)行案例教學(xué)，可以增加學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和工程實(shí)踐中的運(yùn)用，為畢業(yè)后學(xué)生參加資格考試奠定良好的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐能力。在平時(shí)授課過程中，采用讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)題目以變化角色的方法掌握重要的知識(shí)點(diǎn)，這提高了課堂的趣味性、生動(dòng)性，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題。

2.采用BIM技術(shù)對(duì)模架進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)化，趣味性強(qiáng)、生動(dòng)直觀，有效減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，提高了學(xué)生的興趣，彌補(bǔ)了模架工程實(shí)際操作過程中體積大、成本高、安全性無法保證的問題。

3.按照課程案例的整體設(shè)計(jì)思路進(jìn)行仿真模擬，使學(xué)生能夠更好地把理論知識(shí)和工程實(shí)際對(duì)接起來，且可在畢業(yè)以后直接應(yīng)用，達(dá)到“所學(xué)即所用的目標(biāo)”，這提高了學(xué)生的工程素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

4.整個(gè)模架的模擬設(shè)計(jì)思路采用分階段、分過程考核的模式，鼓勵(lì)每個(gè)小組做小型的模擬實(shí)驗(yàn)，這樣可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用和掌握，提高學(xué)生對(duì)模架模擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果和主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力。分組完成實(shí)際任務(wù)，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的能力，鍛煉了學(xué)生的實(shí)操能力，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)，這也在一定程度上提高了學(xué)生的科研能力和意識(shí)。

5.通過此次課程教學(xué)改革，在2018年度的品茗杯全國(guó)畢業(yè)設(shè)計(jì)大賽中，兩個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)在模架設(shè)計(jì)模塊中分別了獲得了二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)，這與平時(shí)的課程教改和知識(shí)的運(yùn)用掌握不無聯(lián)系。

五、研究的價(jià)值及意義

土木工程施工教學(xué)改革已在2016級(jí)和2017級(jí)土木工程本科教學(xué)中實(shí)施，案例教學(xué)提升了學(xué)生知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性有所提高，教學(xué)效果較好。以BIM技術(shù)為手段的三維模架模擬情景法實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用，提升了學(xué)生的軟件操作能力和知識(shí)應(yīng)用及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。隨后在總結(jié)教學(xué)改革和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們會(huì)在學(xué)校的道橋?qū)I(yè)中進(jìn)行推廣。

基于BIM技術(shù)的整體課程的教學(xué)改革思路以施工課程的教學(xué)效果為出發(fā)點(diǎn)，以當(dāng)下熱門和應(yīng)用較廣的BIM技術(shù)為手段，以培養(yǎng)土木工程專業(yè)高素養(yǎng)、高技能人才為目標(biāo)，讓學(xué)生學(xué)以致用，并以為國(guó)家建設(shè)服務(wù)為最終落腳點(diǎn)，通過對(duì)課程內(nèi)容體系的整合、重構(gòu)、以變換角色的方法提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和應(yīng)用能力。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了三維模擬，對(duì)工程項(xiàng)目的引入實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與工程實(shí)踐的有效對(duì)接。此項(xiàng)教學(xué)改革的成果提高了土木工程施工課程的教學(xué)效果，畢業(yè)設(shè)計(jì)大賽更加增強(qiáng)了學(xué)生的自信。本課程的教學(xué)改革模式可以為其他課程教學(xué)改革提供參考，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：陳 明]