专业认证背景下土木工程专业BIM课程体系建设现状与建议

许 福 屠梦成 李强伟 张艺源

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)

引言

建筑信息模型(BIM，Building Information Modeling)是计算机辅助设计技术出现后建设工程领域又一重要的技术创新。BIM利用数字化技术表达建设项目几何、物理和功能信息以支持工程项目全生命期设计、建造、运行、维护的技术、方法和过程。BIM对整个工程建设领域带来了前所未有的冲击和影响。

2011年发布的《2011-2015建筑业信息发展纲要》中明确把BIM作为支撑行业产业升级的核心技术重点发展； 2012年国家启动BIM标准体系建设，包括统一标准、基础标准、执行标准在内的7部标准开始编制； 2014年7月，《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》提出推进BIM在工程设计、施工和运行维护阶段全过程的应用； 2015年6月《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》明确了BIM发展目标和各方的重要工作，极大地促进了BIM的发展； 2016年8月发布的《2016-2020建筑业信息化发展纲要》提出，全面提高建筑业信息化水平，着力增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用能力，建筑业数字化、网络化、智能化取得突破性进展，初步建成一体化行业监管和服务平台，数据资源利用水平和信息服务能力明显提升，形成一批具有较强信息技术创新能力、信息化应用达到国际先进水平的建筑企业和具有关键自主知识产权的建筑业信息技术企业； 2017年2月，国务院办公厅印发《关于促进建筑业持续健康发展的意见》，意见指出加快推进BIM技术在规划、勘察、设计、施工和运营维护全过程的集成应用。截至目前，《建筑工程信息模型应用统一标准》(GB/T 51212- 2016)《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》(GB/T 51269- 2017)《建筑工程设计信息模型交付标准》(GB/T 51301-2018)等相关国家和行业标准相继发布，《建筑信息模型存储标准》即将出台。BIM在工程建设领域的重要角色已经充分体现，从业者掌握BIM已是大势所趋。

土木工程专业现有的课程体系中，与计算机技术有关的大部分课程如计算机图形学或CAD绘图、计算机辅助结构设计、工程管理等虽然在人才培养特别是实践环节发挥了重要作用，但市场对于BIM人才的需求，已经使得无BIM课程体系难以满足行业进步对于人才培养的需求。近年来，全国大部分应用型本科、专科、高职等性质的学校已经相继针对学生学习BIM的操作技能和基本应用开设了相应的理论和实践课程[1]。已有研究探索了BIM在工程管理[2]、建筑环境与能源应用工程[3]等相关专业中的课程体系和人才培养模式； 另一方面，在土木工程相关专业课程中嵌入BIM[4]或考虑以BIM作为辅助教学手段[5]的研究也为土木工程专业BIM人才培养提供了较好的借鉴和参考。

研究型、教研型和研教型高校和上述学校人才培养目标存在差异，特别是和应用型大学、高等专科院校的区别明显。作为培养高级土木工程专业技术人员的部分重点本科学校，在土木工程专业认证大背景及产出导向教育(Outcome-Based Education， OBE)要求下，工程教育国际化对应的学生培养目标、毕业要求与课程体系密切相关，基于行业对人才BIM能力和素养的需求，相关的师资队伍和支持条件及其支撑的对应课程体系建设亟待加强，因而针对这部分高校的BIM课程体系建设是当前土木工程专业人才培养面临的紧迫问题。

本文梳理了国内外重点高校土木工程专业BIM相关课程的建设现状，重点介绍了美国相关高校及国内通过土木工程专业工程教育专业认证的高校最新的专业培养方案中BIM相关课程的开设情况，并总结了存在的问题，提出了相应的课程体系建设解决方案建议。

1 国内外高校土木工程专业BIM相关课程开设现状

1.1 国外高校

各国政府和相关建设行业非常重视BIM的应用价值。美国高校在BIM教育方面起步较早，主要通过开设BIM相关课程、在硕士博士培养中设置BIM研究方向和举办BIM学生竞赛等方式培养BIM人才[6]。2010年的学术调查数据结果显示，美国超过70%的高校已经将BIM以各种方式融入课程中，没有设置BIM相关课程的受访者中88%计划增设BIM课程，其中97%会于不久即将BIM纳入其课程中[7]。

为进一步了解美国高校土木工程专业BIM相关课程的现状，本文调研了9所美国代表性高校2020、2021学年(春、夏、秋学期)的已开设和拟开设的土木工程专业课程体系，这9所高校土木工程专业BIM课程名称、内容及相应的学分(units)如表1所示。

通过对表1的调查结果可以看到，目前各学校土木工程专业课程体系中BIM的开设方式、学分设置以及课程内容各有不同。斯坦福大学、南加州大学、内布拉斯加大学林肯分校和加州大学伯克利分校的BIM课程开设情况较为全面，所开设的课程和学分较多，课程体系基本涵盖了从BIM基本概念、基础建模、参数化建模及其应用等方面的内容，一方面注重学生的基本知识获取，同时考虑了课程的实践教学环节，BIM课程内容贯穿整个学习过程，从基础到高级课程，从理论到实践教学，形成了较为完备的BIM人才培养课程体系； 麻省理工学院、卡内基梅隆大学的BIM课程相对集中，因而课时和学分也较高，从课程设置和授课内容来看，基本也涵盖了从BIM基本理论、建模到项目实践的全过程； 佐治亚理工学院、伊利诺伊大学厄本那香槟分校、德克萨斯大学奥斯汀分校的课时和学分安排相对较少，课程内容除了基本建模软件介绍，更加侧重于学生BIM理论和建模能力及在某些方面具体应用BIM的能力培养。

尽管上述针对美国高校土木工程专业BIM课程开设情况的调研只涉及了9所高校，但是具有一定的代表性，各高校均强调BIM建模的基本方法和理论，在此基础上，不同高校对于BIM在土木工程领域不同环节的具体应用及应用深度的培养各有不同的侧重点。

1.2 国内高校

表2收集整理了国内26所通过土木工程专业认证的重点高校土木工程专业BIM及相关课程的开设情况。统计情况包括培养方案制定年度、与BIM尤其是工程图学相关的课程和学分及建议开设学期、BIM紧密课程学分、开设学期、课程性质、授课方式、毕业要求总学分和首次通过专业认证的时间。

总结表2的课程建设情况可以归纳以下特点：

表1 部分美国高校BIM相关课程开设情况

表2 国内通过工程专业认证的部分高校土木工程专业BIM及相关课程开设情况

首先，各大高校土木工程专业基本保留了传统土木工程培养方案中的制图类基础课程(画法几何、工程图学等)及计算机辅助设计类专业基础课程(土木工程制图、CAD等)。

其次，培养方案中，26所高校均开出了BIM类课程； 开设2门及2门以上BIM类课程的高校为4所，仅占15.4%； BIM类课程的学分总量区间为1-4学分，其中以2学分为主，BIM类课程学分约占毕业要求总学分的1%～2%； 11所高校的BIM课程开设方式为理论+上机方式，其余15所高校的BIM课程以课堂理论授课为主。

此外，BIM类课程的开设学期通常集中在大三、大四学年，一般学生已经先修了制图类、设计类课程，部分高校基本完成了施工类、管理类课程。相对于必修的制图类基础课程和计算机辅助涉及类专业基础课的开设门数(基本为2门及以上)和学分(3-9学分，以4-5学分为主)，BIM类课程的受重视程度明显有一定差距。

2 BIM课程体系建设现状总结及分析和讨论

2.1 现状总结

通过对国内外35所高校BIM课程体系的调研可以看到，相对于美国的部分高校而言，国内通过工程专业认证的各大高校最新的专业培养方案中，对于BIM课程的建设重视程度和开课积极性不高，量化角度看主要体现在对课程性质的确定(选修、必修)及课程学分权重的设置，如图1所示。

图1 国内26所高校BIM课程性质(a)和BIM与制图/CAD类课程学分对比(b)

由图1(a)可见，尽管26所高校均开出了BIM课程，但22所高校以选修的方式开出，仅有4所高校为必修方式，其中还包括南京工业大学将土木工程图学与BIM基础课合并开出的情况。根据笔者经验，方向选修课如果在较晚学期开出，则学生选课的积极性不高。如笔者所在湘潭大学土木工程与力学学院土木工程专业开设“建筑信息模型BIM概论”选修课程，选课学期为第7学期，2017级土木工程学生总人数为242人，最终该门课程选修人数仅40人，选课学生比例仅为16.5%。通过对学生进行问卷调查和课后访谈，学生反映未选修课程最多的两个原因为“选修课学分已修满”和“选修课不重要”。图1(b)为BIM类课程与制图/CAD类课程学分分布图，从图中的课时分布结果来看，目前各大高校对于学生的制图能力培训主要仍以传统的画法几何、土木工程制图、CAD等为主，一方面这类课程一般在一、二年级作为必修开设，同时配合大量的课后习题以及上机实际操作训练提升学生的二维制图、识图能力。

2.2 分析及讨论

综合前述文献综述及调研结果可知，当前国内BIM人才培养现状有以下几个特点及BIM课程开出时存在的困难：

(1)高职、专科、应用型本科院校土木工程、建筑学、工程管理等专业BIM教学开展情况较好，且多以实训为主，部分高校甚至是以实际工程项目为主，侧重于各类软件的实际操作学习、建模及模型应用等，而其他本科类院校(研究型、教研性或研教型)BIM课程体系的建设情况和人才培养模式相对滞后。

(2)通过了土木工程专业认证的大部分高校的BIM课程授课形式以理论讲授为主，缺乏实践机会和实战平台，少部分有上机操作学习的高校也仅限于部分基础建模软件如Revit等的操作，学习目的性不明确，缺乏系统性。

(3)尽管大部分高校在实践教学所需的机房建设投入较大，但针对BIM课程的软硬件投入相对较少。部分应用型本科、专科、高职类院校建设了包含VR等在内的实训平台，投入了大量的人力、物力和财力用于学生培养，而其他高校因评价指标体系的侧重点不同，加之基于BIM的科学研究大多为技术问题，且涉及多学科交叉，需要教师投入较多的时间和精力进行学习，而这部分工作往往很难得到评价指标导向的高水平、前沿性科学研究成果，这也使得软硬件投入不足、BIM师资建设落后，难以满足基本教学条件要求。

(4)BIM课程体系建设的标准不明确，也较难统一，目前的土木工程专业国家教学指导委员会尚未明确BIM对于学生培养定位的作用，因而难以像其他传统课程一样形成有一定共识的培养目标和培养标准。

(5)BIM是涵盖工程全生命期的复杂的多维数据信息模型、信息集成、协同工作以及可视化等理论和技术的综合体，学生掌握BIM需要首先了解大量的基础专业知识、专业课程知识工程管理知识及信息化知识，学生初期培养的难度较大，效果也不会很明显。因此，BIM教学不能照搬传统CAD的教学模式，它既不是某个设计软件所能代表的，也不是某种单一技术所能代表的[8]。

3 专业认证背景下土木工程专业BIM课程体系建设的建议

《华盛顿协议》是一项工程教育本科专业认证的国际互认协议，旨在建立共同认可的工程教育认证体系，实现各国工程教育水准的实质等效，促进工程教育质量的共同提高，为工程师资格国际互认奠定基础。在这一大背景下，国内高校土木工程专业的BIM课程体系建设一方面应有针对性地安排相应课程并进行教学活动安排以支撑毕业要求，达到培养目标，体现OBE的基本理念； 同时，可参考国外尤其是BIM课程体系建设和教学活动开展较早的美国高校，以期符合专业认证的最根本的需求，即工程教育水准的实质等效。为此，笔者拟基于土木工程专业人才培养目标及OBE理念，就课程教学内容和课程开设方式两方面对专业认证背景下土木工程专业的BIM课程体系建设提出建议。

3.1 课程教学内容

通过对上述调研的国内26所高校土木工程专业培养目标，可以梳理出几个关键词，即：“基础理论”、“专业知识”、“实践能力”、“创新能力”、“组织协调”、“团队”(概括为宏观层面的知识、能力、素质等)和“策划”、“勘察”、“设计”、“施工”、“管理”、“运维”(概括为具体层面的对应工程全生命期的职业技能和实践能力)。尽管在专业认证背景下的培养目标为学生毕业5年左右应达成的能力，但学生在校学习的课程体系和教学过程和教学内容应能支撑毕业时的达成度，实现学业—就业的良好对接进而为培养目标的实现打下基础。另一方面可以看到，培养目标中无论是宏观层面还是具体层面所涉及的关键词，都可与BIM的教学内容有较好的对应，如参数化建模、基于BIM的工程全生命期数字化管理等，因而，各高校可根据各自的培养目标，针对性地选择设置BIM的教学内容并将具体的知识点与毕业能力要求进行矩阵对应，以支撑相应的培养目标对应点。同时，应注意土木工程专业认证背景下土木工程专业BIM人才培养目标与应用型本科、专科、高职等院校的区别，明确人才能力培养不能仅仅停留在BIM软件操作、建模能力这两个环节，而更应该注重BIM信息的应用、BIM项目管理、BIM专业集成能力[6]以及BIM新技术、新方法的介绍和终身学习、持续改进的机制，才能真正较好地支撑毕业要求及培养目标。基于上述对专业认证背景下培养目标的分析，参考国外高校及国内部分高校的培养方案，建议BIM课程所涉及的教学内容应涵盖以下几方面的内容：

(1)BIM概论：基本概念、内涵及BIM产生、发展过程和特点；

(2)BIM标准：IFC、IFD、IDM的意义和内涵及国际、国内相关BIM标准；

(3)BIM工具：BIM参数化建模、支持平台、软件的介绍和建模基本操作；

(4)BIM应用：信息集成、信息交互、协同设计的基本概念和应用； BIM在工程项目全生命期各阶段在各专业中的具体应用体现方式和实现；

(5)BIM价值：BIM对工程项目各参与方的价值分析与体现；

(6)BIM综合：基于真实项目的BIM综合应用；

(7)BIM未来：持续跟进行业最新发展动态，培育终身学习的方法和态度。

3.2 课程开设方式

已有研究中对BIM的课程体系建设提出了一些诸如植入式[9， 10]开新课[11]等相应的课程设置方式，并进行了相应的教学实践，也取得了较好的教学效果。本文综合文献中的部分建议，结合美国高校BIM课程开设情况和国内26所高校BIM课程体系建设情况，总结以下三类课程开始方式，并分析各自的优点和局限性，以期为各高校的BIM课程体系建设和改进提供参考。

(1)植入式

植入式是指将BIM的授课内容融合入已经开设的成熟的主干课程中，以成熟课程带动新型内容，建议的植入方式和授课方式安排如表3所示。

表3 植入式BIM课程安排建议

不难发现，植入式课程体系设置中，BIM主线清晰，循序渐进，对原培养方案影响不大，学生理论和实训结合，有利于提高BIM和专业理论综合素质； 学习方式较为灵活，学习目的明确； 教学方式多样化，有利于提高学生学习积极性。同时，学生BIM能力与市场接轨，符合人才培养OBE理念，因而对毕业目标和培养目标有较好的支撑作用。然而，植入式存在一定的难度，包括教材和参考资料、专业及专业方向各课程的连续性、连贯性及课程要求难统一； 对任课教师要求提高，对涉及的公共课和专业课之间的专业协同性、不同专业方向间的协调及专业要求要求较高； 对学生课堂学习能力、学习积极性、自主学习能力的要求高； 对软、硬件条件要求高。由此可见，尽管植入式有诸多优点，但组织难度较大，对学校的培养条件要求高。建议对师资充裕、专业全面的综合性重点高校可以结合自身条件及培养目标和毕业要求进行相应的探索和实践。

(2)替换式

替换式是指将原有课程体系中相应的课程，尤其是制图类、软件学习类的课程替换为BIM相关课程。主要包括将计算机绘图软件类课程替换为BIM建模课程，将诸如结构设计软件应用、工程概预算软件应用等课程替换为相应的BIM结构正向设计和协同设计及BIM5D等课程。

这种方式BIM课程相对较为集中，便于教学安排； 同时教材选择方便，涉及调整的授课教师少； 培养方案调整幅度不大； 学生理论和实训结合，有助于提高BIM和专业理论综合素质； 学生学习难度相对而言不大。同样地，替换式对任课教师要求高； 同时因涉及专业方向不多，不利于学生全面掌握BIM在全专业中的应用； 学生偏向于软件操作，相对于其他类型高校土木工程专业学生的市场竞争优势不大。

(3)必修新课式

从前述对国内高校BIM课程体系建设现状的调研结果可见，目前各大高校以选修式设置BIM课程的方式较多，这种方式的弊端是学生对选修课积极性不高，且一般选修课的课时较少，难以支撑毕业要求，因而培养的人才与市场和行业需求有一定距离。必修式新课式的建议是在6、7学期分别开设“BIM概论与初级建模”(2学分，16课时理论+16课时上机)、“BIM综合应用”(2学分，4课时理论+28课时上机)两门必修课程，总学分为4，总课时为64。这种方式与斯坦福大学、南加州大学及福州大学的课程设置相似。这种课程设置方式BIM课程集中，因而便于教材选择和教学安排； 同样地，所涉及的授课老师少，对原有培养方案影响小，学生的重视程度会大幅提升，学生学习目标明确，学习时间集中，学习进度快，有利于提高BIM理论和专业知识的结合及学生综合素质培养。当然，这种方式对于任课教师的要求最高； 此外，因为涉及专业多，跨度大，所以对学生所掌握的基本理论和知识结构要求高； 尽管设置为必修课，但因为考虑到必要的选修课而将BIM课程开设的学期靠后，所以学生学习组织难度较大。针对上述问题，一方面可以通过学工协助加强学生的学习组织和课堂考勤考核，另一方面可以考虑适当安排实务部门的专家结合学校老师进行团队授课，并可以考虑MOOC、翻转课堂等先进的教学手段，以提高教学质量，提升学生的学习积极性。

4 结论

本文调研了9所美国典型高校土木工程专业最新的开课计划，对相关的BIM课程内容及开设方式进行了梳理总结； 调研了26所国内通过工程专业认证的高校土木工程专业BIM相关及紧密课程体系建设现状，总结了国内高校BIM课程设置的特点及存在的问题。参考美国高校课程先进经验，结合土木工程专业认证OBE理念，提出了土木工程专业认证背景下BIM课程教学内容，并建议国内各高校视自身特点将土木工程专业BIM课程以植入式、替换式和必修新课式三种方式开设，同时分析了三种方式的优点和局限性，对存在的局限性提出了相应的建议解决方案。