基于“顶石课程”理念的BIM课程建设

2021-06-15张挺许莉范冰辉王志滨钟旭盼

高教学刊 2021年1期

张挺　许莉　范冰辉　王志滨　钟旭盼

摘要：目前，BIM课程建设中存在许多问题，如模型的案例项目较为简易且与实际相差较大;项目之间衔接不完善，对项目的模型未成体系;BIM课程培养方案主要目的是让学生学会相关软件，往往忽略了学生的兴趣培养等;目前这类课程的开设重点集中在一流院校，并把对BIM应用的研究重点放在研究生上;课程设计相互间联系不够紧密，课程设计一般不考虑工程的复杂多变等问题。基于顶石课程理念，在实践教学环节引入BIM技术、在毕业设计方面对BIM技术做要求以及基于顶石课程的BIM课程设置，把BIM技术融入到实践教学中，练习BIM的实际操作，在毕业设计开设BIM方向，既可以让学生了解关于BIM的理论技术，掌握BIM技术的基本应用，在以后就业中使学生更能满足用人单位的需求，也可以提高实践教学质量，实践教学中存在的一些不足能够得到解决。

关键词：顶石课程;BIM课程建设;实践教学;毕业设计;多学科学习;工学结合

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）01-0070-04

Abstract： There are many problems in the construction of BIM courses： the simple case project of the model; the imperfect connection between the projects， the unsystematic model of the project， the ignorance of the cultivation of students' interests， etc.; at present， the opening of such courses focuses on first-class colleges and universities and focus on the research of BIM application to graduate students; curriculum design is not closely related to each other， and generally does not consider the complexity of engineering and other issues. Based on the concept of top stone course， BIM Technology is introduced into practice teaching， the requirements for BIM Technology in graduation design and the BIM curriculum based on top stone course. BIM Technology is integrated into practice teaching， practice the actual operation of BIM， and the direction of BIM in graduation design can not only let students understand the theory and technology of BIM， but also master the basic application of BIM Technology. In the future， In the future employment， students can better meet the needs of employers and improve the quality of practical teaching. Some shortcomings in practical teaching can be solved.

Keywords： Capstone course; BIM course construction; practical teaching; graduation project; multidisciplinary learning; work-integrated learning

一、顶石课程的内涵

“顶石”是指在建造拱桥、拱廊等建筑物时而在建筑物顶端架设的石头，能够增强整体结构，所以顶石的搭建意味着工程的顺利完成。顶石课程，是建筑的“顶石”术语与心理学“顶峰体验”概念的巧妙结合。“顶石课程”引申到本科的教育领域中，相当于为了让本科毕业生培养整合、分析和总结本科所学知识的能力而专门开设的相关课程，增强了学生对本科知识的整体表达。

顶石课程的四个主要功能有：1. 完结：顶石课程的教育对象是毕业生，这是他们本科阶段的最后部分课程。2. 整合：顶石课程要求学生把本科学习的知识整合成一个整体，理清楚课程之间的脉络及联系，明白课程学习不是完成学习任务，而是为了一个有意义的整体而累积。3. 反思：对以前学习过的课程进行回顾和应用，既能加深对学科知识和技能的深刻认识，又能反思自己在现阶段的不足和学习过程中存在的问题。4. 过渡：顶石课程是把知识转化到实际应用，设计和完成自己的學习成果，这为毕业生以后步入社会、进入职场锻炼能力。

顶石课程既贯穿于基础课程和核心课程，又是基于他们的基础之上，本科教育的课程体系是由基础课程、核心课程和顶石课程共同构成，因此顶石课程在课程体系的尖端位置毋庸置疑。顶石课程的尖端地位要求学生的整体能力和自信心水平处于一个新的高度，完成新高度顶石课程的成就感，称之为本科教育的“顶峰体验”。

二、BIM技术及课程现状

建筑信息化模型（BIM）技术，能够对全球建筑行业产生巨大影响和改变土木工程的构建方式，是学习建筑学、土木工程及其他工程学科的行之有效工具。BIM技术能够将建筑物的真实信息用数字技术模拟出来，它能够反映出工程全寿命周期中的全部信息，包括各阶段的工程信息、资源信息等。BIM技术连续、即时高效地提供高品质、可靠度高的有关项目设计草案、设计成型方案、施工进度、质量、成本控制信息的特点让它具有降低工程成本、实现项目的精细化管理、确保工程高效有序完成的优势。BIM技术经常被用在施工前期，以无死角、全方位模拟施工现场的方式，来预测后期施工时的潜在问题，这样能够采取合理的措施进行规避。

目前对于BIM的深入研究和BIM技术中国化方面取得了令人满意的成绩，能够发现经过系统学习BIM软件的同学在建模能力和实践能力上都有明显的提升。但从整个土木的课程体系上来分析，还没有充分发挥BIM技术的优势能力，表现如下：

1. 有些高校在虚拟沙盘、协同平台、集成化建筑设计、可视化沟通平台和造价体系等方面付出了很多的努力，但还是存在模拟的项目单一、简单、不真实，比如一个钢架或一座小桥这样一系列问题。简单的项目没能展现BIM处理大批量冲突数据时的明显优势，没有充分发挥它的强大功能，学生也没能感受到复杂的实际工程。

2. 部分高校开设BIM课程的目的是让学生简单学会使用BIM软件，而实际上软件是起辅助作用的操作工具，宝贵的本科时间只是用来学习软件操作太枯燥、收益也低、教学效果不明显。

3. 目前BIM应用范围狭窄，模拟未形成完整体系，项目间衔接程度低。学习与实际脱离会让学生迷惘，导致学生学习目的不明确。

4. 重视BIM技术专业人才培养的院校集中在一些一流学校，且BIM技术对本科生的培养缺乏，只注重对研究生的培养;有些高职院校重点培养的BIM人才只具有单一技术;多数本科院校虽然认识到重要性，但教学课程体系没有建立、对BIM的研究少，所以BIM没有融入到学生的培养计划中。

注重BIM技术在土木工程专业中的作用，在BIM课程建设中引入“顶石课程”的理念，可以在教学过程中有效、系统的传授BIM技术的理论知识和实践技能，也能高效为土木行业培养高新技术BIM人才。但是如何将“顶石课程”理念引入到现有的BIM课程体系中，如何调整学生培养计划和制定实际可行的教学方案？这是当前土木专业教育工作者需要探究的一个重要问题。

三、基于“顶石课程”理念的BIM课程设计与实施

（一）顶石课程的实施方法

1. 工学结合

顶石课程工学结合方法的主要教学手段是学生参与实践、实习，让学生在一个给定的或模拟的专业背景下，参与工作的日常规划、执行和管理，面对工作的潜在难题和挑战。工学结合的顶石课程持续时间长，学生要参与到实践中完成岗位对应的任务，承担对应的责任。课程旨在培养学生的工作技能和经验，与社会接轨，为学生进入职业生涯做准备。课程既有利于企业进行人才选拔和创造商业价值，也为学生提供学习和求职平台，学生和企业在课程结束后可以进行双向选择，学生与合作企业的良好互动促进了校企合作的持续发展，形成顶石课程的良性循环。

2. 多学科学习

多学科学习的方式有不同专业学生共同完成一个跨学科项目或某一专业的学生学习和运用多学科知识完成专业项目。多学科学习顶石课程通过搭建一个能够与专业相关人士交流的平台，把专业各环节潜在问题进行讨论和总结，让学生从全貌认识专业，这样学生可以结合自己已经习得的专业知识和专业之外的背景知识，得出自己的认识。多学科学习拓宽了学生掌握技能的领域和知识架构，也培养了学生知识迁移的能力，满足了社会对拥有多元学科背景知识人才的需求，旨在培养学生理解多学科知识的能力，提升将来进入职场的就业竞争力。

（二）基于“顶石课程”的BIM课程设置方面

研究发现在已有学生培养方案下设置基于“顶石课程”的BIM课程主要有如下困难：82%的高校没有余地设置其他课程;66.7%的高校在加入额外必修课和选修课后，8学期毕业制不可能仍然实行;86.7%的高校教师面临着开展一门新课程的时间和资源问题;53.3%的高校没有BIM材料和课本可供学生使用。

基于“顶石课程”的BIM课程分为理论教育和实践教育两部分进行设置，这两部分不是彼此独立，可以相互搭、补充。其中实践教育有专业课目对应的课程设计或专业实习、毕业实习、毕业设计等。开展BIM教学的形式主要如表1。

结合教学形式表设置一套合理的BIM课程体系人才培养方案如表2所示。该课程体系重视BIM基础知识和BIM软件学习，也鼓励学生将专业知识体系与BIM技术尝试融合，让他们能使用BIM软件建立三维模型，掌握3D技术。

以下为一些细部要求或者辅助方法：

1. 建立BIM综合实训平台相关专业的需求，就需要构建能够融合BIM技术的综合性的为了满足上述BIM课程体系中相关课程开展实践教学的实训平台，该平台可实现建筑结构设计、施工虚拟仿真、招投标，既满足土木工程专业如工程造价、工程管理等其标模拟、工程项目管理模拟等各类实训。

2. 对师资力量加强BIM培训。由于BIM相关技术涉及软件较多，能够在工程的全生命周期多方面应用，且侧重于实践，因此加强对现有教师的培养是很有必要的。通过邀请BIM行业的人才举办讲座，鼓励教师参加BIM技术探究，从而让教师积极主动去学习BIM技術，了解BIM行业动态和前沿。其次可以开展校企合作，让教师在企业的实际工程中锻炼，提高BIM技术解决实际工程问题的能力，让老师教育学生时能给到精准的指导，让BIM技术的教学工作更有效进行，教学效果也会很显著。

3. 鼓励学生自行组建兴趣小组去参加BIM技能大赛。如学校或企业等举办的BIM设计大赛、BIM软件大赛等。

（三）顶石课程中实践教学环节引入BIM技术

现有些院校设置有关BIM课程只是让学生会使用BIM有关的软件，学生不知这样做的意义，教学效果很不理想。为了能够更熟练的操作BIM相关软件，可以将BIM融入到相关课程及实践教学中，所以在BIM课程建设中引入实践环节。

一个完整的工程项目包含全方面的内容，所以实践教学环节引入BIM技术是一个庞大的系统工程，具有显著的实际意义。深入剖析目前土木工程学科的实习、设计等实践教学环节，整合研究土木学科实践体系，并且对教学思路有针对性地进行革新，建立联系平台，具体思路如下：

1. 首先，教学素材是基础，开发关于BIM技术的教学素材，对大一新生将BIM软件知识进行普及和将实习认知预备就绪。用BIM技术制作展现现场施工全过程的画面，带动学生的积极性，让他们参与到动画制作及分享动画成果。这样学生能够身临其境地感受土木施工，解决了“学土木有什么用？以后能够做些什么？”这些萦绕于心的疑惑。带着自己的感官认识，在以后的实习和工作，可以事半功倍。

2. 建立CAVE沉浸式展示系统和VR系统实验室。CAVE沉浸式展示系统由投影仪和视频融合系统组成，以实现裸眼3D的效果。激励学生用BIM技术将二维图纸转化成三维实体，然后通过视频渲染、视频融合技术完成具有裸眼3D效果的作品。通过展示优秀学生成果，可以让学生更好地感受现场施工的实际操作流程。也可以根据教学需求，开发装配式VR系统或者钢筋拉伸等VR系统，然后让学生感受VR操作流程。让他们在学习基础专业知识的同时，对土木能有更好的感知，激发他们的学习兴趣在虚拟施工进行中和完成后，由实践老师带领学习小组去现实工地分多次勘察，让学生不断根据现实施工完善自己的虚拟施工流程，对自己存在疑问之处有深刻认识，提高学习效率、总结实际施工经验和技术要点。

（四）BIM技术毕业设计方面

基于“顶石课程”理念的BIM课程建设，旨在整合本科知识，反思学科认识和技能认识，完成好毕业设计以更好地过渡到社会中，毕业设计是顶石课程最重要的实践环节，在毕业设计的过程中多加锤炼，达到综合应用及系统的总结学生在本科阶段学到的所有专业知识的目的，高校的教学质量可以用毕业设计成果质量的高低来显现出来，也反映了顶石课程的质量。发现在毕业设计完成过程中存在如下一些问题：比如毕设选题比较简单且重复率高，导致最终存在大量类似的设计成果，抄袭情况也比较严重;选择的设计题目和工程实际差别也较大，并且不同专业的单独确定选题，这让学生协作交流能力被限制了，学生知识面没有得到扩展等。

基于BIM技术，在毕业设计课题选择时就有很大的自由空间，可以选择综合体项目或者大型综合性的工程项目。工程项目一般有设计、施工、造价预算这三个进展阶段。

1. 基于BIM的设计阶段

一是土建初步建模。设计满足建筑需求的模型。二是土建深化建模。设计能满足结构需求的模型。三是机电建模，将各个楼层的各种专业设备如给排水、空调、风管等建模，综合各层各专业的管线，完成能用三维数值变现效果的模型。四是BIM审图。用BIM审图软件将设计的土建模型和机电模型将两种模型合并，实现将各个楼层里面的真实情景在审图软件中表达出来。

2. 基于BIM的施工阶段

一是计划施工网络建模。创建用于施工模拟及实时控制的网络计划技术管理模型。二是布置施工现场建模。应用软件生成直观的三维施工场地布置数值模型，并自动生成临水、临电方案及临建工程量。三是管理施工过程建模。把进度、预算、资源、施工组织等信息集成到BIM模型，进行施工过程模拟，即时、高效显示施工过程中资源消耗、成本核算、计量、进度等数据，极大提升决策和沟通效率。四是碰撞分析。在BIM审图中导入各方面维度的三维模型，利用BIM技术检查现场管线等碰撞，尽量减少返工现象，把参考信息给实际问题达到降本增效。

3. BIM技术应用三维模型到工程造价阶段，通过建立图形算量模型可以提高造价计算效率。

基于BIM技术的毕业设计是顶石课程设置的重要环节，也是高校推进BIM教育的重要方式，随着BIM技术发展和人才增多，将来可作为毕业设计的一种主要形式。

四、结束语

BIM技术是实现建筑信息化管理的基础，应用于工程中能够即时提供数据、产生经济效益、提高生产效率等，这先进的管理技术值得推广。高校承担的重任是培养BIM人才，满足社会对BIM人才的需求。高校基于“顶石课程”理念的BIM课程建设，通过调整人才培养计划，在BIM课程设置方面做出完善、实践教学环节引入BIM技术并进行创新尝试、在毕业设计方面对BIM技术做要求，既可以让学生对BIM理论加深了解，掌握和应用BIM技术，让学生在以后就业中能更好满足用人单位的需求，也可以提高实践教学质量，實践教学中存在的一些不足能够得到解决，推动我国的建筑业发展。

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基金项目：2018年福州大学一流本科教学改革建设项目“构建本科教学水平综合评估体系提升教师教学水平”、“土木工程多方位多层次BIM教学体系建设”（校教〔2018〕58号）