智慧水務背景下基于BIM技術應用的課程體系建構及應用

摘 要：相對于傳統(tǒng)的教學，智慧水務背景下的給排水專業(yè)教學已經(jīng)發(fā)生了很大的改變，其將BIM真實工程案例模塊化并植入課程教學中，重構課程體系，開展崗課賽證融通的課程教學，并通過校企合作共同開發(fā)課程資源、進行師資培訓、共建實訓基地及保障機制，以適應智慧水務行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展要求，提高教師教學能力和學生技能水平。

關鍵詞：智慧水務；BIM技術；課程體系；教學實踐

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）21-0092-05

2014年8月，國家八部委印發(fā)了《關于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》，要求大幅提升水務等公用基礎設施的智能化水平。自此，國內(nèi)學者在智慧水廠的協(xié)同設計、施工與運維等的智慧化管理、管控平臺搭建、綜合管廊的參數(shù)化設計及全生命周期管理、水資源管理、供排水安全等方面進行深入研究，推動建設水務系統(tǒng)管理信息平臺，提升城市水務的安全保障和管理能力。水務行業(yè)和企業(yè)需要建立信息化人才梯隊，為建設和維護智慧水務信息化系統(tǒng)提供可靠的人力支持，滿足業(yè)務發(fā)展需要。因此，在國家智慧城市與智慧水務建設以及新工科建設的背景下，培養(yǎng)既精通給排水專業(yè)技術又能熟練運用現(xiàn)代信息技術進行水務的相關基礎設施建模，涉水數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集、存儲、分析及運用的復合型水務技術技能人才成為一件迫切的事情。

一、BIM技術在智慧水務中應用及其在給排水課程中應用的情況

（一）BIM技術在智慧水務中的應用情況

建筑信息模型（Building Information Modeling，又稱建筑信息模擬，簡稱BIM）技術是基于計算機輔助設計（CAD）等技術發(fā)展而來的一種多維建筑模型信息集成管理技術。它利用數(shù)字智能化模型對建設項目的設計、建造等過程進行管理和優(yōu)化，是實6zo1H2HWER6ghZrK8hj3NA==現(xiàn)智慧化設計、建造和運維等全生命周期管理的關鍵技術。BIM技術已越來越多地被集成應用于智慧城市建設，其中包括智慧水務系統(tǒng)的建設。在給排水系統(tǒng)設計和優(yōu)化方面，使用BIM技術，可以對給排水系統(tǒng)進行全面的建模和分析，包括管道布置、液流模擬、水力計算等，并優(yōu)化系統(tǒng)設計，以確保系統(tǒng)的可靠性和效率；在水務系統(tǒng)建設方面，基于BIM模型和實時數(shù)據(jù)采集可構建數(shù)字孿生水務系統(tǒng)，對水質(zhì)、水量、水壓等參數(shù)進行監(jiān)測和管理，提升對水務系統(tǒng)運行情況的分析和預測能力；在智能供水和排水管理方面，結合BIM技術、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)智能供水和排水管理，包括遠程監(jiān)控、泄洪預警、漏水檢測等，實現(xiàn)供水和排水系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和高效率；在施工與維護管理方面，利用BIM技術，在施工階段進行施工過程模擬和沖突檢測，可提升施工效率和質(zhì)量控制能力。同時，在運維階段，通過BIM模型的更新和管理，可實現(xiàn)設備維護、故障排除等管理工作的便捷性和精確性。BIM技術雖然在智慧水務領域中的應用領域逐漸增大，但與其他行業(yè)相比，智慧水務領域仍處于發(fā)展初期，還有較多的挑戰(zhàn)。目前，智慧水務建設急需掌握BIM技術的給排水工程技術專業(yè)（簡稱給排水專業(yè)，其課程簡稱給排水課程）人才，高職給排水專業(yè)應積極響應行業(yè)需求，要基于BIM技術應用調(diào)整人才培養(yǎng)方案。

（二）BIM技術在給排水課程中應用的情況

目前，國內(nèi)大多數(shù)高職院校還沒有將BIM技術理念植入并貫穿于整個專業(yè)的課程體系，很多高職院校僅將BIM技術用于社會培訓，還沒有應用于專業(yè)人才培養(yǎng)的全過程。近年來，高職院校的工程造價專業(yè)運用BIM技術的比較多，但主要還是以工程量計算、工程量清單編制與計價為主。廣西區(qū)內(nèi)高職院校開設的給排水專業(yè)中，目前仍未見有將BIM技術融入課程項目化教學和學生技能培養(yǎng)的案例。具體來說，給排水三維模型建立、碰撞檢查、優(yōu)化設計、施工過程模擬、工程變更和簽證等動態(tài)管理的教學中都還沒有發(fā)現(xiàn)運用BIM技術的案例。但在建筑給排水工程課程中，目前已有相關應用，主要原因是因為BIM技術在建筑行業(yè)已經(jīng)得到較廣泛的應用。BIM技術可以三維形式將整個給排水系統(tǒng)呈現(xiàn)，包括管道布置、設備安裝等，使學生能夠更好地理解系統(tǒng)的結構、功能和運行原理，幫助學生在建模和分析過程中發(fā)現(xiàn)并解決潛在的設計和施工問題，提前預測系統(tǒng)在運行過程中可能遇到的問題，并優(yōu)化設計方案，以提高工程效率、減少成本和風險。因此高職給排水專業(yè)課程要基于BIM技術應用進行改革以適應社會發(fā)展需要。

（三）將BIM技術融入給排水課程教學遇到的困難

高職院校在將BIM技術融入給排水工程技術專業(yè)課程中也遇到一些困難。一是具有運用BIM技術進行工程建設經(jīng)歷的師資力量不足，導致難以推進BIM技術融入課程設計及實施；二是缺乏與給排水工程相關的BIM教材和教學資源，使教師難以找到適合的教材和案例來支持教學，從而限制了課程改革的深度和廣度；三是BIM技術需要功能強大的計算機設備和專業(yè)軟件的支持，目前設備老舊無法滿足BIM技術要求；四是實踐機會有限，給排水工程作為一個實踐性較強的學科，校內(nèi)沒有足夠的真實項目和實訓條件來支撐學生運用BIM技術解決工程問題，部分課程內(nèi)容與行業(yè)需求脫節(jié)，導致學生在畢業(yè)后面臨與實際工作要求不匹配的情況；五是BIM技術在給排水工程專業(yè)中的教學評估和認證體系尚不完善，缺乏統(tǒng)一的標準和指導，使得課程的質(zhì)量和水平難以得到有效的評估和保證。

二、重構基于BIM技術應用的給排水課程體系

（一）開設BIM類新課程

首先，開設新課程。開設BIM技術應用技術基礎課程，教會學生運用BIM技術相關軟件，比如Rvite建模、Navisworks施工模擬等軟件，并熟悉掌握操作技術。其次，開設PLC自動控制基礎、給排水工程運維管理、城鎮(zhèn)智慧水務應用與發(fā)展課程。這是基于數(shù)字化智慧管理大背景的需要，開設這些課程以培養(yǎng)給排水專業(yè)從業(yè)人員智慧水務系統(tǒng)建設所需的現(xiàn)代信息技術應用能力，實現(xiàn)從傳統(tǒng)的給排水專業(yè)側重工程設計和建設人才培養(yǎng)向數(shù)字化智慧管理人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)高效運維管理技術型人才。

（二）在原有課程中融入BIM技術

在原有課程中融入BIM技術、植入BIM真實工程案例模塊。在水處理技術課程的構筑物工藝結構的認知中融入基于BIM技術的水處理構筑物的參數(shù)化建模案例，在EPANET管網(wǎng)建模和平差計算中融入基于給排水管道基礎知識的軟件應用知識，在給排水管道工程課程理論教學與實訓中融入軟件技術的學習和操作訓練內(nèi)容，在水泵與泵站課程的水泵的構造與性能章節(jié)中植入基于BIM技術的各類水泵參數(shù)化模型，在建筑給排水工程課程中植入基于BIM技術的給排水管道的碰撞檢測模塊，在給排水工程施工技術和給排水工程施工組織與項目管理等課程中植入基于BIM技術的各種建筑、管道、構筑物的施工模擬模塊，將BIM技術融入給排水課程中。

在重構高職給排水專業(yè)課程體系中，學校要基于給排水工程建設邏輯把各門課程串聯(lián)起來形成一個課程循環(huán)體系。一方面，在人才培養(yǎng)中融入BIM技術理念，并將之貫穿于整個教學周期；另一方面，改變各門課程各自為戰(zhàn)、知識零散、缺乏關聯(lián)性的現(xiàn)狀，避免部分課程內(nèi)容重復的現(xiàn)象。學校要研究建立基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的數(shù)字化學習環(huán)境，建設基于BIM技術的給排水工程項目實例教學模式，用一個完整的真實項目把各門課程串聯(lián)起來。比如，從項目研究立項、設計、招投標、施工到運行維護，把工程制圖與CAD、BIM技術應用基礎、水處理工程、建筑給排水工程、給排水工程施工、安裝工程預算、給排水施工組織等課程串聯(lián)起來開展項目化教學，以便更好地培養(yǎng)出具有BIM技術能力的給排水專業(yè)人才。

三、建立基于BIM技術應用的給排水課程教學保障機制

為保障基于BIM技術應用的高職給排水專業(yè)課程教學得到有效實施，校企行三方要緊密合作、相互支持，建立“四同”保障機制。第一，開發(fā)教學資源。校企共同開發(fā)、收集或購買與給排水工程相關的BIM教學案例和實踐項目，如電子書、教學視頻、在線教程等，為學生提供學習資源和教材。第二，提高師資技術能力。校企共同組織和舉辦BIM專項的師資培訓及研討會、工作坊等，使教師了解BIM技術應用的最新發(fā)展，并掌握其應用方法；通過企業(yè)實踐等方式，使教師能夠熟練運用BIM技術的各種軟件，并將其應用于給排水課程教材資源開發(fā)、課程教學設計和實訓項目中；通過參與實際工程項目，收集BIM項目案例，并將之融入課程教學中，有效地引導學生進行實踐和創(chuàng)新。第三，共建實訓基地。一是校企共同研發(fā)支持BIM技術相關應用軟件的實訓設備，建設BIM技術實訓室，供學生開展實訓活動；二是校企合作建立實習基地，為學生提供實習和項目合作建設、研發(fā)的機會，使學生能進入實際工程工作環(huán)境參與工程建設與項目研發(fā)，提升學生的實踐能力。第四，評估與反饋。建立有效的評估與反饋機制，定期對課程教學進行評估和調(diào)整。一是學生評價與反饋，可以通過匿名問卷調(diào)查、小組討論或面談等方式了解學生對課程內(nèi)容、教學方法和教學資源的意見，并聽取他們的建議；二是教師評估，讓參與課程改革和實踐的教師進行自我評估，收集他們對課程設計、教學實施和教學資源的評價和反饋意見；三是專家評估，邀請相關領域的專家從教學設計、教材選擇、教學資源配置等方面給予評價，聽取他們對課程改革的專業(yè)意見和建議，以及改進的指導意見；四是畢業(yè)生評價與反饋，對畢業(yè)生進行追蹤調(diào)查，了解他們在工作中運用BIM技術的情況，聽取他們對課程改革的評價、對課程改進的建議，了解他們在實際工作中面臨的挑戰(zhàn)。學校定期或不定期地收集在校生、教師、專家、畢業(yè)生的評價和反饋，為進一步完善課程體系提供重要的依據(jù)和指導，確保課程的質(zhì)量和適應性。

四、基于BIM技術應用的給排水課程教學實踐

現(xiàn)以真實案例作為教學載體闡述基于BIM技術串聯(lián)各門課程開展教學活動的具體方法，即根據(jù)各門課程間的相關性，按照崗課賽證融通的教學思路建立融通教學模式、開展教學活動（如圖1所示），以滿足給排水高級技術技能人才培養(yǎng)要求。

選擇學校所在工業(yè)園區(qū)的自來水廠真實案例為載體，將BIM技術植入給排水課程體系中開展教學活動（如圖2所示，見下頁）。學校通過校企合作模式，邀請該廠技術人員共同修訂人才培養(yǎng)方案，重構課程體系，參與實訓項目的開發(fā)和實訓教材的編寫。按照BIM技術全生命周期的建設與管理流程，把對應內(nèi)容設計成前后關聯(lián)的教學模塊。例如，在水處理技術課程中，使用水廠的設計參數(shù)進行工藝池體的計算，并將計算數(shù)據(jù)融入BIM應用技術基礎課程中進行參數(shù)化建模，然后植入給排水施工模擬實訓課程中，通過施工方案設計及應用施工模擬軟件進行模擬驗證；將工藝設計關聯(lián)至PLC自動控制基礎課程及其程序設計實訓，進行自動控制設計。這樣，基于BIM技術重構的給排水課程體系就形成一個教學循環(huán)，使學生在完成三年的給排水專業(yè)學習過程中，既經(jīng)歷一個真實BIM項目的全生命周期智慧化建設與管理過程，又完成了該過程所需的知識學習與技術技能訓練。

五、基于BIM技術應用構建的課程體系的教學實踐效果

給排水專業(yè)根據(jù)學校人才培養(yǎng)方案，以年為循環(huán)周期，進行完整的課程閉環(huán)改革和創(chuàng)新（行業(yè)調(diào)研—人才培養(yǎng)方案修訂—課程標準修訂—課程改革—教學實施—教學效果反饋）。在這個過程中，以線上線下結合的方式進行教師BIM技術能力的提升培訓；收集大量的BIM素材和案例并制作教學資源包，結合“1+X”污水處理職業(yè)技能等級證書培訓與考核、水處理技術的全國職業(yè)院校技能大賽項目、水務企業(yè)職工培訓和技能競賽的綜合需求，進行了基于BIM技術應用的實訓室升級改造，實施課程體系改革。

（一）學生技術技能水平得到提高

學校啟動“學歷證書+若干職業(yè)技能等級證書”制度試點工作后，為給排水專業(yè)選擇與專業(yè)適配度較高的“1+X”污水處理證書進行試點建設。師生組成設計小組，運用BIM技術進行有限空間實訓平臺的參數(shù)化建模和設計，僅3個月便完成了方案申報和設計施工。同時對證書相關課程進行了課證融通的教學改革，如在水處理技術課程中，各工藝的運行維護操作是BIM技術全生命周期管理中后期的一個環(huán)節(jié)，也是“1+X”污水處理證書考核的一個模塊，因此在實訓環(huán)節(jié)，使用水處理仿真軟件，在模擬環(huán)境中進行工藝的開停車、設備檢修和工廠巡檢等運維操作。實施基于BIM技術的課證融通課程改革后，給排水專業(yè)“1+X”污水處理證書的考證通過率逐年提升。

課程體系改革中的賽課融通，實現(xiàn)了以賽促教改、以賽促課改的目標。我們將課程內(nèi)容與比賽訓練對接，統(tǒng)一課賽實訓平臺，在課程學習中讓學生利用Revit軟件對平臺進行復刻建模，根據(jù)任務書要求的工藝，設計平臺管道系統(tǒng)，在模型上進行模擬安裝，檢查管線碰撞后再進行實物操作，學生得到有效訓練的同時也節(jié)省了實訓耗材。學生參加全國職業(yè)院校技能大賽水環(huán)境監(jiān)測與治理、水處理技術賽項并獲得一等、二等獎項。

學生以研究助理角色參與教師校企合作、產(chǎn)教融合等研究項目。例如，在混凝和過濾中試設備的研發(fā)中，協(xié)助教師利用BIM技術完成設備的建模和實物的制作，獲得“一種活動式過濾試驗裝置”實用新型專利，培養(yǎng)了學生BIM技術應用能力和創(chuàng)新思維。

（二）教師BIM應用能力得到提升

教師是課程改革和實施的主體，其BIM技術水平直接影響課程的教學質(zhì)量。通過BIM應用技術提升培訓、BIM相關軟件基礎操作課程培訓、BIM課程設計和資源開發(fā)研討等，為教師提供系統(tǒng)學習和實踐的機會。學校鼓勵教師參與實際的BIM項目，促進與建筑、土木工程等相關專業(yè)的合作；創(chuàng)建和積累一批適用于給排水工程領域的BIM教學案例和教材（包括實際項目案例、模型庫、操作指南等），幫助教師更好地教授BIM技術知識；鼓勵教師積極參加BIM技術相關學術交流會議、行業(yè)論壇等，與同行和專業(yè)人士進行交流與合作，獲知最新的行業(yè)動態(tài)和技術發(fā)展趨勢，并與行業(yè)專家、技術人員分享經(jīng)驗和觀點；組建給排水BIM技術應用教學團隊，建立共享資源和協(xié)作機制，使團隊合作形成集體智慧；讓教師之間相互學習、借鑒，提高團隊的BIM技術應用水平；建立定期的監(jiān)測和評估機制，了解教師在BIM技術應用方面的情況。根據(jù)評估結果，及時調(diào)整培訓計劃和內(nèi)容，持續(xù)提升教師的BIM技術應用能力。

經(jīng)過一段時間的培訓和實踐，給排水BIM技術應用團隊的教師已具備較高BIM技術應用能力，能夠利用BIM技術進行給排水專業(yè)課程體系的構建及教學設計，將先進的理念和技術引入課程建設中，使課程內(nèi)容更加貼近行業(yè)發(fā)展的要求，提高學生的學習興趣和BIM技術應用水平。教師還能夠利用BIM技術進行教學資源的開發(fā)與整合，為學生提供豐富的學習資源。同時，教師利用BIM技術開展校企合作項目，為地方水務企業(yè)開展技術服務，如管網(wǎng)測繪和建模預測，搭建平臺導入數(shù)字化信息，助推企業(yè)水務智慧化運維管理，推動給排水課程建設的實際應用和社會服務功能的發(fā)揮。

總而言之，學校要推動BIM技術在給排水專業(yè)課程教學中的應用，積極引入先進的教學資源和平臺，為學生提供更多實踐機會。同時，要加強師資隊伍建設，培養(yǎng)更多掌握BIM技術的教師，并通過持續(xù)的教師培訓和交流，安排教師到工程項目中進行實踐鍛煉，積累BIM技術實際工程應用經(jīng)驗，保持其在技術應用方面的領先優(yōu)勢。學校要不斷加強校企合作，與企業(yè)建立長期穩(wěn)定的合作關系，建立產(chǎn)學研緊密結合的良好機制，使學生能夠接觸真實的工程案例，獲得實踐經(jīng)驗。給排水專業(yè)教師應繼續(xù)深化與相關學科的交叉融合，拓寬給排水專業(yè)學生的視野，培養(yǎng)其跨學科的綜合能力。

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注：本文系2022年度廣西職業(yè)教育教學改革研究項目“職業(yè)教育幫扶鄉(xiāng)村振興下的縣域中職提升其服務發(fā)展水平的探索與實踐”（GXGZJG2022B103）的研究成果。

（責編 盧建龍）