以能力为导向的BIM技术在土木工程施工教学改革中的应用研究

　　[摘要]为实现高校应用型人才发展的培养目标，以土木工程专业实践性较强的课程土木工程施工为依托，探索理论知识、实践和能力培养融合的教学改革模式。首先，以案例教学为切入点对所学知识进行构建和整合，让学生通过学习之后自己反设计题目以增强对重要知识点的理解和掌握，这体现了知识和能力的并重培养，提高了课堂的趣味性和生动性，解决了传统教学中存在的一些问题。其次，教师通过情景法进行课堂教学后，对课程的工程案例进行整体设计，再次通过以能力为导向的BIM技术对所选的工程模架进行模拟，这可以增强学生的软件操作能力和知识应用能力。最终，通过引入项目案例实现了教学与工程实践的有效对接，提升了学生的工程素养和解决实际问题的能力，增强了课程的教学效果，并得到了社会的认可。

　　[关键词]案例教学；BIM技术；教学改革；实践能力；应用研究

　　[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2020）12-0077-04

　　目前，土木工程行业在我国社会经济发展中占有重要的地位，这对土木工程专业的人才提出了较高的要求，尤其是新工科[1]的提出，对学生应用能力的培养要求越来越高，但是课堂教学与实践却存在一定的矛盾。近年来，一级建造师的考试题也越来越接近实际工程，尤其是实操题的考查，这对没有从事过一线施工的人员来说存在一定的难度。土木工程施工作为土木工程专业的一门核心课程，具有涉及面广、实践性强、知识更新快的特点，以BIM技术为手段的教学改革与实践能力相结合对于培养应用型人才具有重要的意义。BIM（BuildingInformationModeling）技术，是近年来发展较快、应用较广的一种新的技术理念。其通过数字信息仿真模拟建筑物的真实信息，具有信息一致性、可视化、协调性、可出图性等特点[2]。

　　它的核心是将信息化技术与建筑行业结合，以建筑信息模型作为核心贯穿整个项目。该技术不是仅仅将以往的二维图纸、人员管理、资料信息化，而是将这些信息进行智能整合，完成项目的设计、施工、管理各个环节都能够合理提取、共享和運用这些信息[3-4]。运用BIM技术的优势在于可以通过三维展示仿真模拟施工的过程，使图片动态可视化，激发学生的学习兴趣，加深学生对知识点的理解和运用，提高教学效果。高校可以此为契机有针对性地对学生进行培养，为培养应用型人才打下一定的基础。

　　一、土木工程施工课程教学现状及存在的问题

　　土木工程施工是土木工程专业的核心课程，在黄河科技学院（以下简称“我校”）本科人才培养方案中该门课程开设于第五学期，学时数为72，学分为4，设有课程设计和相应的生产实习，与生产密切相关。土木工程施工的先修课程有土木工程制图、房屋建筑学、土木工程材料、理论力学、材料力学、结构力学，这些课程能为学生后续进行毕业设计及毕业后走上设计、施工、管理岗位奠定一定的基础。

　　近年来，BIM信息技术发展迅猛，企业也在积极推广，很多高校都参与其中并开设了相应的课程，BIM协会以毕业设计大赛或以模块形式的技能创新大赛在高校中推广应用。在这种背景下，单靠传统的理论教学很难满足社会对应用型人才的需求。将BIM技术引入课程教学中，对促进新技术在课程中的应用，提高学生的软件操作能力，培养符合社会需求的土木工程专业特色的应用型人才有积极的意义[5]。

　　目前，针对土木工程施工的教学改革方法和内容改革主要有多媒体教学、互动式教学、施工组织设计和生产实习等[6-7]，这些尝试虽然取得了一定的效果，但没有能充分发挥“以学为主”的主导思想，对于培养应用型人才目标的实践程度不够。

　　从现有的教学模式看，土木工程施工教学主要存在如下问题。1.教学内容比较陈旧，未体现最新的施工技术，知识点琐碎，系统性较差，导致学生的学习压力较大，学习效果不够理想。2.教学模式相对比较单一，缺少“以学为主”的教学设计环节，师生互动少，上课使用多媒体课件虽然可以传递给学生较大的信息量，但是学生的接受程度有限，这导致课堂效果大打折扣。3.学生学习BIM软件的应用能力不强，从毕业设计和课程设计反馈的信息来看，学生对BIM模型的建立和施工过程模拟不够熟练，无法满足工作的要求，需要提高软件的操作能力。4.理论知识点与工程实践不能有效结合。应用型人才培养的目标在于培养学生的动手能力、发现问题和解决问题的综合能力，这也是工程教育专业认证的一个标准。但目前由于各种因素，学校无法创造出各种施工过程的真实场景，学生对于一些关键施工技术学习起来比较困难。从往届的课程设计和毕业设计中可以看出，学生对信息的综合运用能力和整合能力有待提高。

　　二、教学改革新模式的探讨

　　针对目前课程的教学现状，笔者从以下两方面对土木工程施工课程进行教学改革，以培养学生把知识转换成能力的本领。一是采用紧密结合执业资格考试的建造师案例分析为切入点进行课堂教学，使学生所学的知识与工程实际紧密结合，以提高学生对知识的整合能力，真正达到学以致用的目的。另外，还可以改善学生学习枯燥的现状，通过结合案例真题调动学生学习的积极性，提高学生的工程意识和工程素养。二是采用以BIM技术为手段的实际工程模拟进行情景法教学。通过三维模型的模拟展示使课堂更具有吸引力，增加学生对软件学习的兴趣，调动学生学习软件的积极性，从而让学生体会到软件功能的强大和高效，为以后的工作奠定基础。

　　三、教学改革实施思路及方法

　　（一）土木工程施工案例教学模式

　　在注册建造师的考试中，一些案例考到了知识点的灵活运用，可以作为教学素材引入到课堂上，以加深学生对知识点的理解和应用。在教学实施过程中一般遵守如下程序：引入基础知识点→知识结构整合→综合案例的应用→运用素材进行实践教学。下面以施工现场平面的布置为例进行说明。（2018年考题）某建筑施工场地，东西长110米，南北宽70米，拟建的建筑物首层平面80米×40米，地下2层，地上6/20层，檐口高26/68米，建筑面积约48000平方米。施工场地部分临时设施平面布置图见图1。图中布置的临时设施有：现场办公室，木工加工及堆场，钢筋加工及堆场，油漆库房，塔吊，施工电梯，物料提升机，混凝土地泵，大门及围墙，车辆冲洗池（图中未显示的设施均视为符合要求）。写出图中临时设施编号最宜布置的临时设施名称如⑨大门与围墙，并简单写出原因。

　　在采用案例教学过程中，为了加强学生对重要知识点的理解和掌握，通常采用让学生开动脑筋自己设计题目对所学知识进行考核，这提高了课堂的趣味性和生动性。

　　（二）以BIM技术为手段的三维模拟情景法教学应用

　　结合BIM毕业设计大赛的要求，选择有代表性的建筑物使用revit软件进行三维建模，让学生熟悉建筑物建造的全过程，掌握和施工联系紧密的模板脚手架这一模块进行情景法教学。这可以提高学生对BIM软件的操作能力，加深模板脚手架在工程中的实际应用。最后，以实际工程项目为依托，主要让学生建立模型并模拟模架的设计施工过程，强化学生软件应用的能力和施工技术方案编制的能力训练。这里主要阐述一下学生的情景法教学。

　　1.模拟前准备工作

　　首先，学生对模架的理论知识掌握比较扎实，熟悉模板脚手架设计和施工规范，对模架的设计、构造、类型、材料等有一定的认识。然后教师选定某典型的工程项目，建立三维模型，在机房向学生演示模架搭设的主要过程，参数的设置，主要文件图形的导出等。应组织有教学及实践经验的教师进行具体的指导，以BIM技术为手段的情景法的实践应用必须编制详尽的教学设计方案，包括教学目标、教学内容及重难点、课时分配、BIM模架软件应用和链接、学生课下学习方法、学生分组等情况。

　　2.以实际工程项目为载体进行实战

　　考虑到学生学习任务的繁重，整个过程以小组模式进行。每个小组选定组长，分配任务。教学实施过程以模拟前的准备为先导，注重整个模架模拟的过程管理，以成绩评定的要求为指导思想，引导学生按照顺序实验操作步骤完成实验任务。整个情景法应用于教学的展开顺序为：具有基本的专业知识和软件操作能力储备→根据工程项目信息对建筑物进行三维建模→模型文件之间的转换→模架软件中进行模架的搭设→进行合规性的检查判断→高支模的识别→安全验算→方案书的编制→构件节点详图→材料汇总→技术经济效果对比→提交实验项目的结果。

　　首先，学生要具有基本的模架专业知识和软件操作能力。在整个实验教学过程中，学生所涉及的课程较多，如房屋建筑学、土木工程材料、结构力学、土木工程施工、技术经济学、模板脚手架技术规程等，整个实验过程综合性较强，这锻炼了学生的动手操作能力，提高了学生的工程安全意识。在此过程中，可以邀请施工单位的一线技术人员进行现场讲解部分施工过程并提供技术指导，以增加学生对课堂理论知识的理解，实现教学内容和模架施工新技术的同步发展。以分组的形式模拟实际工程，这不仅实现了“教学与工程实践相结合”的目的，还提高了学生的团队意识、合作精神。

　　3.课程案例整体设计

　　（1）以培养学生自主学习和研究性学习为目标，基于工程实际问题探讨教学课程，并基于BIM技术进行模架工程多媒体的课件设计。

　　（2）以实际的工程案例为切入点，指导学生运用BIM技术建立模型，并对模架搭设进行模拟。这其中包括确定搭设构件的参数，如进行立杆、横杆、连墙件等的计算，在模架计算软件中建立扣件式脚手架的三维设计模型，并进行安全验算、材料汇总、节点详图、方案计算书编制、方案的经济对比分析、专项方案的编制及分析论证等。图2为部分学生小组作品成果展示。

　　（3）考虑到模架体积较大，实际操作难度大、成本高，运用BIM技术设计虚拟施工的情境，不仅可以解决实操困难，还可以培养学生综合分析与解决问题的能力。学生针对不同的建筑物情况，可以选择具体的模架方案，并对其合理性及技术经济效果进行分析，这可以培养学生综合分析问题的能力、安全意识及工程素养。

　　（4）以培养应用型人才与团队协作能力为目标的参与式教学。将学生分成若干小组，针对不同的工程项目，每组学生完成各自的模架方案设计及相关方案图形成果，并论证方案的可行性和技术经济效果，这可以训练学生知识综合运用的能力。

　　四、实施效果

　　目前，該教改项目已从学校2016版培养方案开始实施，以学校翻转校园为依托进行，以正式课加实验学时和施工组织设计的方式在土木工程施工课程中实施。

　　1.引入历年建造师考试的真题进行案例教学，可以增加学生对知识的理解和工程实践中的运用，为毕业后学生参加资格考试奠定良好的理论基础和实践能力。在平时授课过程中，采用让学生自己设计题目以变化角色的方法掌握重要的知识点，这提高了课堂的趣味性、生动性，解决了传统教学中存在的问题。

　　2.采用BIM技术对模架进行模拟，实现了人机交互、三维可视化、虚拟现实化，趣味性强、生动直观，有效减轻了学生学习的负担，提高了学生的兴趣，弥补了模架工程实际操作过程中体积大、成本高、安全性无法保证的问题。

　　3.按照课程案例的整体设计思路进行仿真模拟，使学生能够更好地把理论知识和工程实际对接起来，且可在毕业以后直接应用，达到“所学即所用的目标”，这提高了学生的工程素养，培养了学生分析问题和解决问题的能力。

　　4.整个模架的模拟设计思路采用分阶段、分过程考核的模式，鼓励每个小组做小型的模拟实验，这样可以加深学生对知识的应用和掌握，提高学生对模架模拟实验的学习效果和主动学习的能力。分组完成实际任务，激发了学生自主学习和探索的能力，锻炼了学生的实操能力，培养了学生团队合作的意识，这也在一定程度上提高了学生的科研能力和意识。

　　5.通过此次课程教学改革，在2018年度的品茗杯全国毕业设计大赛中，两个学生团队在模架设计模块中分别了获得了二等奖和三等奖，这与平时的课程教改和知识的运用掌握不无联系。

　　五、研究的价值及意义

　　土木工程施工教学改革已在2016级和2017级土木工程本科教学中实施，案例教学提升了学生知识的综合应用能力，学生的学习兴趣和积极性有所提高，教学效果较好。以BIM技术为手段的三维模架模拟情景法实践教学应用，提升了学生的软件操作能力和知识应用及团队协作能力。随后在总结教学改革和实践经验的基础上，我们会在学校的道桥专业中进行推广。

　　基于BIM技术的整体课程的教学改革思路以施工课程的教学效果为出发点，以当下热门和应用较广的BIM技术为手段，以培养土木工程专业高素养、高技能人才为目标，让学生学以致用，并以为国家建设服务为最终落脚点，通过对课程内容体系的整合、重构、以变换角色的方法提高了学生对知识的掌握和应用能力。通过BIM技术的应用实现了三维模拟，对工程项目的引入实现了教学与工程实践的有效对接。此项教学改革的成果提高了土木工程施工课程的教学效果，毕业设计大赛更加增强了学生的自信。本课程的教学改革模式可以为其他课程教学改革提供参考，具有一定的推广应用价值。