大數(shù)據(jù)環(huán)境下的BIM技術(shù)學(xué)習(xí)模式研究

賈廷柏，趙家敏，黃楊彬，劉亞基，李何瀟

（云南開放大學(xué)，云南 昆明 650500）

我國擁有世界上最大的建筑、工程和施工（Architecture, Engineering & Construction，簡稱AEC）產(chǎn)業(yè)，在現(xiàn)代的AEC產(chǎn)業(yè)中，建設(shè)信息建模（Building Information Modeling，簡稱BIM）技術(shù)貫穿到建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維、清理等各個階段。BIM技術(shù)是未來建筑行業(yè)必不可少的支撐技術(shù)，同時職業(yè)對BIM技術(shù)提出越來越高的要求。隨著AEC行業(yè)的發(fā)展，將逐漸呈現(xiàn)出智慧化、系統(tǒng)化、綠色化趨勢，并出現(xiàn)適應(yīng)氣候變化的設(shè)施、替代型交通基礎(chǔ)設(shè)施、綜合供水設(shè)施等大型項(xiàng)目[1]，為適應(yīng)這些趨勢， BIM技術(shù)也隨著技術(shù)的發(fā)展高速迭代。由于傳統(tǒng)設(shè)計單位受到條件限制，不能很快適應(yīng)新技術(shù)的更新，傳統(tǒng)的“設(shè)計公司設(shè)計，施工單位施工”模式逐漸不能跟上建設(shè)的要求。在發(fā)達(dá)地區(qū)和優(yōu)質(zhì)建設(shè)項(xiàng)目中逐步采用BIM軟件公司直接與施工單位結(jié)合的模式。這種模式的替代使得行業(yè)對BIM職業(yè)教育提出了更高的要求。

總體來看，目前BIM技術(shù)的潛在人才培養(yǎng)模式主要有三種 ：一是施工企業(yè)的培訓(xùn)；二是軟件企業(yè)的培訓(xùn)；三是在校土建類學(xué)生BIM 相關(guān)課程的學(xué)習(xí)。使用傳統(tǒng)教育技術(shù)支持的三種培訓(xùn)模式存在知識、技能與應(yīng)用脫節(jié)的情況。施工企業(yè)和軟件企業(yè)的培訓(xùn)多數(shù)面對具體項(xiàng)目工程，針對性地進(jìn)行崗位應(yīng)用培訓(xùn)，從業(yè)人員缺乏對BIM全面和基礎(chǔ)知識的了解，使得他們對新項(xiàng)目的適應(yīng)性不強(qiáng)。學(xué)校教育中，由于教材、場地、教師素養(yǎng)等多種條件的限制，使得在校教育的教學(xué)內(nèi)容跟不上職業(yè)需求，知識學(xué)習(xí)過多，技能學(xué)習(xí)不足，學(xué)習(xí)者從知識教育中獲得感不足，使得學(xué)習(xí)成果不能滿足實(shí)際崗位的職業(yè)需求。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)的理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者基于原有的知識經(jīng)驗(yàn)生成意義、建構(gòu)理解的過程。傳統(tǒng)教育支持模式?jīng)]能給予學(xué)習(xí)者足夠的自我建構(gòu)的空間。

本文嘗試基于大數(shù)據(jù)環(huán)境，采用現(xiàn)代教育技術(shù)，融合軟件企業(yè)對BIM應(yīng)用的教學(xué)要求，研究新型混合教學(xué)模式，建立教學(xué)支持服務(wù)框架，結(jié)合BIM技術(shù)的要求，增加技能環(huán)節(jié)的教學(xué)支持服務(wù)，讓學(xué)習(xí)者有充分的機(jī)會構(gòu)建自我的技能和知識體系，使得學(xué)習(xí)者能夠提高工程能力，在大量的實(shí)踐中找到獲得感，架設(shè)學(xué)校教育與應(yīng)用要求的橋梁，以滿足行業(yè)的職業(yè)要求。

一、大數(shù)據(jù)環(huán)境下的開放課程學(xué)習(xí)框架

我國在線高等教育課程發(fā)展階段劃分為三個時期：精品課程時期（2003—2011年）、精品開放課程時期（2011—2015年）和在線開放課程時期（2015年至今）[2]，在線開放課程離不開MOOC平臺的支撐。2012年，美國的頂尖大學(xué)陸續(xù)設(shè)立了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，開設(shè)公開課在網(wǎng)上提供免費(fèi)課程，大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程（Massive Open Online Courses，簡稱MOOC）逐步得到社會和教育領(lǐng)域的認(rèn)可。網(wǎng)易公開課、中國大學(xué)慕課、學(xué)堂在線等一批優(yōu)質(zhì)的MOOC平臺為社會創(chuàng)造了極高的價值。MOOC的應(yīng)用也逐步往專業(yè)化領(lǐng)域擴(kuò)展，如思想政治教育領(lǐng)域的“學(xué)習(xí)強(qiáng)國”等、建筑領(lǐng)域的“建筑云課”等，程序設(shè)計領(lǐng)域的“python123”等。

各種教學(xué)MOOC課程整合多種社交網(wǎng)絡(luò)工具和多種形式的數(shù)字化資源，形成多元化的學(xué)習(xí)工具和豐富的課程資源，使用客觀、自動化的線上評量系統(tǒng)，如隨堂測驗(yàn)、考試等，突破傳統(tǒng)課程時間、空間的限制，突破傳統(tǒng)課程人數(shù)限制，滿足大規(guī)模課程學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)。高速發(fā)展的大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)更是推進(jìn)了MOOC教學(xué)的質(zhì)量，拓寬了應(yīng)用場景。

2013年，小規(guī)模限制性在線課程（Small Private Online Course，簡稱SPOC）概念提出，由規(guī)模在幾十人到幾百人的小規(guī)模學(xué)生在限制性準(zhǔn)入條件下，結(jié)合課堂教學(xué)與在線教學(xué)的混合學(xué)習(xí)模式[2]，采用針對性較強(qiáng)的在線教學(xué)資源（如MOOC），結(jié)合雨課堂、課堂派等教學(xué)平臺，實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。SPOC具有規(guī)模小、針對性強(qiáng)、互動靈活等特點(diǎn)，重新定義了教師的作用，創(chuàng)新了教學(xué)模式, 更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生完整、深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓學(xué)習(xí)者有充分的空間進(jìn)行自我技能體系的構(gòu)建，有利于提高課程的完成率和教學(xué)質(zhì)量。我國高校內(nèi)部支撐體系不完善，缺乏線上與線下的融合發(fā)展[3]，因此SPOC環(huán)境的建設(shè)從課程建設(shè)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和方法、課程考核方式等方面提出的線上線下混合式課程建設(shè)思路，有效地利用線上教學(xué)資源，注重過程性考核的評價方式，有效提升了課程的教學(xué)效果[4]。

采用軟件代理（Software Agent，簡稱SA，人工智能的一種模式）的運(yùn)行機(jī)制，可以建設(shè)不斷自我優(yōu)化的在線學(xué)習(xí)平臺[5]，本文將采用軟件代理的運(yùn)行機(jī)制，結(jié)合MOOC、SPOC、SA的優(yōu)勢，建設(shè)如圖1所示的自我優(yōu)化的開放課程智能學(xué)習(xí)框架。

在圖1中的MOOC是一個不斷補(bǔ)充和更新的數(shù)據(jù)組合，Sensor （感應(yīng)端）采用“爬蟲”、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)從大數(shù)據(jù)環(huán)境中獲取知識及信息輸送到學(xué)習(xí)平臺，后臺把這些知識和信息制造出不斷優(yōu)化的適應(yīng)BIM行業(yè)需求的知識庫和方法庫，Action（執(zhí)行端）為BIM技術(shù)學(xué)習(xí)者推薦或者定制個性化的學(xué)習(xí)策略、材料、案例、實(shí)踐場所等參考信息供學(xué)習(xí)者不斷深化學(xué)習(xí)。在線下，學(xué)?；蚺嘤?xùn)機(jī)構(gòu)根據(jù)課程的實(shí)踐案例建設(shè)SPOC環(huán)境，在學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程中，把過程和案例作為素材，形成優(yōu)化的MOOC集合，供給下一輪次學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)使用，并作為大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源投放到大數(shù)據(jù)環(huán)境中。

圖1 開放課程學(xué)習(xí)框架

二、原型平臺

團(tuán)隊(duì)于2015年開通了微信公眾號，用于輔助教學(xué)， 2019年在本校開課設(shè)的BIM課程實(shí)施中，把教學(xué)視頻上傳到公眾號，進(jìn)行了人為SA構(gòu)架的“MOOC+SPOC”模式原型平臺建設(shè)的嘗試。先后建設(shè)了《建筑制圖》、《建筑CAD》、《BIM技術(shù)》[7]、《3DsMax》等課程的視頻和圖文資源，發(fā)布圖文信息203條，教學(xué)視頻175條，關(guān)注用戶近3000人，通過對后臺數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出以下幾點(diǎn)，作為系統(tǒng)優(yōu)化和建設(shè)依據(jù)：

1.學(xué)習(xí)者很難長時間保持學(xué)習(xí)熱情，視頻資源不宜過長。

2.學(xué)習(xí)支持服務(wù)資源要涵蓋課程的主要知識和技能體系。

3.學(xué)習(xí)者對于課本相關(guān)資源關(guān)注度高，與教材結(jié)合，且知識體系清晰的資源瀏覽量高。

4.案例演示和學(xué)習(xí)成果展示的資源瀏覽量高。

5.面授教學(xué)開展期間（特別是課堂教學(xué)完成后）的瀏覽量高，這說明在教師帶領(lǐng)下的學(xué)習(xí)主動性明顯增加。

三、平臺建設(shè)

平臺的建設(shè)采用原型化設(shè)計方法進(jìn)行建設(shè)，即：先建設(shè)初始原型（prototype），通過運(yùn)行不斷優(yōu)化原型，最終形成滿足需求的平臺。在初始原型包括BIM技術(shù)相關(guān)課程的MOOC課程，建設(shè)完成后，此框架的線上學(xué)習(xí)者可以和其他線上學(xué)習(xí)模式下的學(xué)員一樣，通過看視頻、做練習(xí)、完成大作業(yè)、考試完成課程的學(xué)習(xí)。

SPOC學(xué)習(xí)者在教師的引導(dǎo)下，結(jié)合具體應(yīng)用項(xiàng)目，案例觀看視頻、做練習(xí)、完成大作業(yè)、考試。在此過程中挑選優(yōu)秀學(xué)員，針對沒有預(yù)先考慮到的問題制作視頻和練習(xí)題，補(bǔ)充到平臺的MOOC集中。在團(tuán)隊(duì)的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，被挑選出來的優(yōu)秀學(xué)員不但制作積極性高，而且，在完成MOOC建設(shè)過程，獲得極大成就感，增加了學(xué)習(xí)主動性，并在其他課程學(xué)習(xí)中也取得更好的成績。

通過對北京理工大學(xué)信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)班在python課程學(xué)習(xí)的分析，即使是985高校的優(yōu)選學(xué)員，對學(xué)習(xí)者主動學(xué)習(xí)的預(yù)期也不能太高[6]，根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)心理學(xué)分析，初始狀態(tài)下的線上學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)主動性很難被調(diào)到起來，因此開始階段的平臺優(yōu)化效率將會很低，主要靠SPOC學(xué)習(xí)者推動優(yōu)化，但隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，優(yōu)化效率將不斷提高。

在平臺后端，系統(tǒng)應(yīng)用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)監(jiān)測學(xué)習(xí)者的習(xí)慣，到互聯(lián)網(wǎng)上爬取、挖掘適合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)資料補(bǔ)充到MOOC集合中。在此學(xué)習(xí)框架下運(yùn)行的平臺將不斷優(yōu)化，從而形成智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

四、初始MOOC集建設(shè)

2019年教育部將建筑信息模型（BIM）證書作為首批6個“1+X”職業(yè)技能等級證書之一，要求職業(yè)院校進(jìn)行“課證融通”，以“考證”促進(jìn)BIM教學(xué)。根據(jù)教育部“1+X”BIM證書的要求，BIM技術(shù)的學(xué)習(xí)有三個漸進(jìn)的知識和技能內(nèi)容，包括：建模、專業(yè)應(yīng)用、綜合應(yīng)用[8]。

建設(shè)項(xiàng)目首先需要采用專業(yè)軟件為項(xiàng)目建設(shè)數(shù)字模型，目前的主流軟件有Autodesk、Bentley[9]、CATIA三家公司。國內(nèi)的BIM軟件公司多數(shù)在Autodesk的Revit的框架下生產(chǎn)插件進(jìn)行下一步的專業(yè)應(yīng)用，也有企業(yè)自主開發(fā)模仿Revit的建模軟件。

在數(shù)字模型建設(shè)完成后的專業(yè)應(yīng)用是BIM技術(shù)推動行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，目前的專業(yè)應(yīng)用方向主要包括：建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析計算、造價分析計算、施工組織管理、設(shè)備安裝管理及優(yōu)化等專業(yè)應(yīng)用。由于國內(nèi)規(guī)范和國際規(guī)范有差異，因此目前的主流專業(yè)應(yīng)用多采用Revit框架下的國內(nèi)軟件開展應(yīng)用。Bentley和CATIA的應(yīng)用模塊品質(zhì)高，多在大型項(xiàng)目中由軟件公司的國內(nèi)指定企業(yè)直接與施工企業(yè)完成BIM設(shè)計與實(shí)施。

BIM的綜合應(yīng)用是在專業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)上的綜合應(yīng)用、協(xié)同應(yīng)用。

初始MOOC集將采用教材和MOOC同步建設(shè)的策略，教材的使用也是現(xiàn)階段國內(nèi)各種類型學(xué)習(xí)必不可少的資源，教材對學(xué)生有天生的親近感[10]。團(tuán)隊(duì)已計劃建設(shè)用于BIM課程的教材及教學(xué)資源建設(shè)，初始MOOC集將結(jié)合教育部“1+X”BIM證書的職業(yè)要求進(jìn)行建設(shè)。

系統(tǒng)建設(shè)將根據(jù)“1+X”初級資格證的要求建設(shè)Revit建模的MOOC,根據(jù)Bentley公司的培訓(xùn)要求建設(shè)OBD建模的MOOC。根據(jù)職業(yè)等級證書的要求，與BIM軟件企業(yè)合作建設(shè)“1+X”中級證書要求的學(xué)習(xí)MOOC。與施工企業(yè)合作，針對具體BIM項(xiàng)目建設(shè)符合“1+X”高級證書要求的學(xué)習(xí)MOOC。

五、SPOC環(huán)境

從原型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析也可以看出，案例演示和學(xué)習(xí)成果展示的資源瀏覽量高。因?yàn)?，通過案例演示的學(xué)習(xí)，使得學(xué)習(xí)者能在系列操作后，獲得階段性成就感；而學(xué)習(xí)成果的展示，讓學(xué)習(xí)者感受到愉悅。比起教師的引導(dǎo)作用，這樣的分析結(jié)果應(yīng)用到平臺建設(shè)不能完全達(dá)到預(yù)期的效果，更多的知識關(guān)聯(lián)引導(dǎo)和個性化支持服務(wù)，只能由教師來完成。

學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者自主建設(shè)知識體系的過程，由于人工智能和個性化技術(shù)的提高，支持學(xué)習(xí)者進(jìn)行單項(xiàng)技能的個性學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)很成熟，但要進(jìn)行知識的體系化建設(shè)還需要教師面對面以學(xué)習(xí)者更能接受的方式完成。目前學(xué)習(xí)者在網(wǎng)絡(luò)上搜索資源進(jìn)行主動學(xué)習(xí)的比例還是很低，但在SPOC環(huán)境下，教師能夠應(yīng)用教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，把握學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動向，引導(dǎo)他們利用網(wǎng)絡(luò)資源建構(gòu)完整的知識體系。

在SPOC環(huán)境下，教師將“1+X”BIM各等級證書的要求，采用個性化的手段通過組合教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行教學(xué)，能充分地提高學(xué)習(xí)效率，并對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行記錄，梳理教學(xué)過程中的得失，整理記錄下的過程資料進(jìn)行選擇和編輯，作為案例MOOC補(bǔ)充到MOOC集中，逐步形成可優(yōu)化的專業(yè)型BIM技術(shù)學(xué)習(xí)平臺。

在技術(shù)允許的情況下，平臺將不斷加裝人工智能、大數(shù)據(jù)挖掘、智能推薦模塊，以實(shí)現(xiàn)更高水平的個性化學(xué)習(xí)支持服務(wù)。

六、建筑設(shè)備專業(yè)BIM應(yīng)用案例

由于不同的專業(yè)會呈現(xiàn)不同的學(xué)習(xí)需求，在框架運(yùn)行過程中也將出現(xiàn)不同的教學(xué)狀況，SPOC環(huán)境的建設(shè)也會出現(xiàn)不同形態(tài)，下面以建筑設(shè)備專業(yè)應(yīng)用為例，闡述SPOC環(huán)境建設(shè)以及其在框架中的應(yīng)用。

建筑設(shè)備的BIM的主要價值體現(xiàn)在應(yīng)用軟件完成機(jī)電建模并進(jìn)行碰撞檢查、凈高分析、管線綜合排布、虛擬漫游等BIM技術(shù)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，展開深化設(shè)計，大幅度減少返工，避免工期延誤，并對現(xiàn)場的施工形成有效指導(dǎo)，提高工作效率。

由于沒有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法可借鑒，加之學(xué)習(xí)資源以及建模插件種類繁多，導(dǎo)致學(xué)習(xí)周期長、效果差等問題頻繁出現(xiàn)。因此需要合適的有針對性SPOC環(huán)境，分類整合學(xué)習(xí)資源，提供系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)引導(dǎo)，幫助學(xué)習(xí)者高效掌握建筑設(shè)備的BIM相關(guān)技能。

（一）成立BIM學(xué)習(xí)興趣小組

引導(dǎo)學(xué)習(xí)者成立BIM學(xué)習(xí)興趣小組，結(jié)合MOOC，通過對興趣小組進(jìn)行Revit軟件入門培訓(xùn)，使BIM興趣小組學(xué)員對建模軟件有相應(yīng)的了解，對BIM技術(shù)有更深入地認(rèn)識，確定興趣小組的BIM應(yīng)用規(guī)劃，通過不斷的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，選擇部分項(xiàng)目進(jìn)行試點(diǎn)實(shí)施，通過實(shí)踐打造出專業(yè)的建筑設(shè)備BIM技術(shù)團(tuán)隊(duì)。

（二）組隊(duì)參與各類BIM畢業(yè)設(shè)計大賽團(tuán)隊(duì)

推進(jìn)教學(xué)改革，鼓勵學(xué)習(xí)者參加各類BIM技能競賽，重視培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新實(shí)踐能力，通過以賽促學(xué)的方式提升學(xué)習(xí)者的專業(yè)機(jī)電BIM技能，從而除了學(xué)習(xí)之外，還可以提升他們的就業(yè)層次。組建BIM畢業(yè)設(shè)計大賽團(tuán)隊(duì)是培養(yǎng)和提高在校生專業(yè)技能的有效途徑。通過逐步完成組織單位設(shè)計的任務(wù)單和成果提交，模擬完成具體項(xiàng)目，能夠有效地提高學(xué)習(xí)者的專業(yè)和相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)和操作技能水平。作為SPOC環(huán)境的一部分，這樣的措施一方面提高學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)成果的綜合應(yīng)用，另一方面提升學(xué)習(xí)者知識的組織能力，為制作個性化的MOOC支持提供了素材。

（三）學(xué)習(xí)內(nèi)容與具體教學(xué)實(shí)施

建筑設(shè)備方向的BIM是一個整體的信息模型，是建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生的重要組成部分，能夠連接建設(shè)項(xiàng)目生命期的不同階段的數(shù)據(jù)、過程以及各類資源，是對工程對象的完整描述。在項(xiàng)目的全生命周期中提供可自動計算、查詢、組合拆分的實(shí)時工程數(shù)據(jù)，供建設(shè)項(xiàng)目各協(xié)作方使用。學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程從圖紙分專業(yè)建模開始，經(jīng)歷多個專業(yè)模型合模、碰撞檢測、凈高分析、設(shè)備管線優(yōu)化、三維漫游等后，最后進(jìn)行施工圖紙出圖和相關(guān)文件資料的導(dǎo)出及實(shí)際應(yīng)用。

圖3 電氣設(shè)備模型

1.按圖紙、分專業(yè)完成各機(jī)電設(shè)備BIM模型任務(wù)。演示案例輸入結(jié)果如圖2、3、4、5。

圖2 給排水及消防模型

2.對綜合機(jī)電設(shè)備BIM模型進(jìn)一步深化設(shè)計及優(yōu)化。其碰撞檢測結(jié)果分析如圖6所示。

圖6 碰撞檢測結(jié)果分析

（四）教學(xué)與行業(yè)深度融合

學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成果應(yīng)用到實(shí)際場景，因此需要聘請行業(yè)專家到學(xué)校有針對性地講授軟件操作，提高學(xué)習(xí)效果。用實(shí)際工程案例給學(xué)習(xí)者介紹，并提出學(xué)習(xí)建議。這樣對學(xué)習(xí)者進(jìn)行針對性培養(yǎng)，也促使學(xué)生通過相關(guān)課程學(xué)習(xí)進(jìn)行實(shí)踐操作，在畢業(yè)后能輕松運(yùn)用各類BIM軟件完成建筑設(shè)備建模及深化設(shè)計的任務(wù)，獲得社會的更高程度認(rèn)可。

圖4 暖通設(shè)備模型

圖5 機(jī)電設(shè)備綜合模型

七、結(jié)語

本文研究基于大數(shù)據(jù)環(huán)境的BIM技術(shù)學(xué)習(xí)模式，在教學(xué)中建設(shè)了原型化平臺，結(jié)合線下教學(xué)，構(gòu)建了“MOOC+SPOC+SA”的混合教學(xué)模式，以及能夠自我優(yōu)化的運(yùn)行機(jī)制，用“1+X”BIM證書的作為教學(xué)的目標(biāo)規(guī)范。該學(xué)習(xí)模式的運(yùn)用符合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)規(guī)律，適應(yīng)BIM技術(shù)日益變化的行業(yè)需求，經(jīng)過個性化解構(gòu)后，也可作為操作范式在其他行業(yè)的教學(xué)中推廣應(yīng)用。