工程教育背景下BIM技术在“工程制图与CAD”课程中的应用与研究

2024-04-24凌茹

太原城市职业技术学院学报 2024年2期

■凌茹

（安徽水利水电职业技术学院建筑工程学院，安徽合肥 231603）

我国工程教育认证的基本理念主要是以学生为主，围绕培养全体学生达到毕业的要求进行教学资源分配，将学生对工作的满意度和用人企业对学生的专业能力的认可度作为评价的重要参考依据。其次是专业课程设计与学生学完课程后的成效为导向，根据用人单位及老师对毕业生专业能力的评价，综合整理后完成专业基础课程教育成效的评估，并通过学生和企业的反馈持续改进课程设计，使职业教育更有针对性，适用性，质量更高，同时也使学生、学校以及用人企业三方均达到既定目标。因此，如何改革和创新工程教育认证理念下的传统教学过程是当前高等工程教育面临的巨大挑战[1]。因此，无论是专业课程的教学方法还是评价标准，都必须保持与课程相对应的能力目标，然而传统的教学方法在某些方面无法支持新的教学目标，本文以“工程制图与CAD”课程为例，采用BIM技术与实践案例相结合的创新方法进行课程设计与教学。

一、“工程制图与CAD”课程教学现状

从学情角度分析，高职学生不同于本科学生，他们对理论知识的学习缺乏兴趣，喜欢具有形象化、生动、实用等特点的事物，爱动手操作，尤其是利用电脑操作。山西职业技术学院樊旭宏老师对高职土建专业三个年级的642 名学生做过调查，其中63.4%的学生认为“建筑工程制图”课程设计单调、枯燥，不易懂，无法寓教于乐和激发学生无限兴趣，感兴趣的学生不超过15.3%，教材选用和实训教学未能有效融合是造成这种情况的主要原因[2]。

基于企业对土建类专业人才的需求制定专业人才培养方案，学院在大一第一学期开设此课程，虽然已开设多年，教学效果总体表现良好，但在教学过程中仍存在一些问题，主要表现为学生读不懂图纸、操作时眼高手低、团队意识不强、空间想象能力困难等。学生自学技能不高，多数为被动式听课，学习积极性良莠不齐，造成学生学习效果不尽如人意。

根据“工程制图与CAD”课程的主要任务是培养阅读和绘制专业图，其中核心技能之一是准确读懂施工图纸，并把对客观事物的认知和自身的想象力转化为实物。运用任务驱动和混合式教学方法，借助信息化手段，融入BIM 模型、结合实战演练等环节，使课程理论与实践更好结合，课程通俗易懂，寓教于乐，激发学生无限兴趣，使学生从被动式的学习变为主动式的学习，使学生很好地吸收课堂所学内容，并能够逐步解决在实际项目中遇到的难题。

二、BIM技术与“工程制图与CAD”课程结合特点

建筑信息模型(BuildingInformationModeling，简称BIM)技术，是一种基于计算机数据化技术构建虚拟的建筑工程信息模型，BIM技术不仅可以创建3D 模型，还可以提供全面动态的信息库，此外，BIM软件建立的模型将建筑的整体和局部形状以三维立体的形式展现出来，可以对模型进行优化处理，同时可以出局部的构件二维平面图[3]。BIM创建的3D 模型在课堂教学中展示，可以让学生看到建筑的空间组合方式，帮助学生直观地理解和掌握学习内容，特别是学生在学习相贯体的内容时，很多形体的相贯使学生很难想象具体的形状，从而使学生产生畏难情绪，失去学习的动力，如果直观地展示模型，会使学生学习难度大大降低，教学效率提高，同时也会调动学生的学习热情，激发学生的主动性。

将建筑施工平面图通过BIM软件生成三维模型，可以直观清晰地反映出建筑施工平面图的空间布局，传统的“工程制图与CAD”课程在教学过程中，通常是用PPT或者是模型来展示立体图，使用传统方式展示空间立体图虽然可以达到授课效果，但是此方法有一定局限性，比如，面对不同的建筑图纸，我们并没有那么多的实体模型，只能通过有限的模型来学习，并不能达到举一反三的效果，为此通过BIM 技术辅助相关专业课程的教学，可以达到事半功倍的效果，静态的平面图与动态的三维模型相结合，能在充分发挥学生主观能动性和潜能的同时，创造新颖愉悦的学习氛围，激发学生的学习兴趣，空间思维能力得以培养，比如，建筑工程施工技术课程，各工序在施工过程中的紧前和紧后时间上的逻辑关系排列是否合理，直接关系到整个施工工期，施工过程很难用实体模型来展示，因此，传统授课方式会遇到瓶颈，通过三维模型可以充分反映设计对象的优化工作过程，大大提高建筑设计的成功率，建筑结构配件之间的位置关系是否合理可以通过旋转模型或者任意位置剖切来观察，有效提高复杂建筑产品的设计成功率。BIM技术可以解决复杂的绘图和空间想象问题，实现建筑物的虚拟设计、动态设计和优化设计，因此，BIM技术在培养学生运用三维建模技术进行创意设计和表达能力的同时，可以解决“工程制图与CAD”课程中复杂的空间思维和几何抽象问题,为高职院校“工程制图与CAD”课程教学改革提供了新的方法和途径。

三、基于BIM技术的“工程制图与CAD”教学设计

2019 年大连大学建筑工程学院的杨永伟、周家康等人在对土木工程及相关专业的学生进行调研，其中学生主要是近两年学过“工程制图与CAD”和“房屋建筑学”课程，在受访的531 人中对三维空间的认知维度，建筑环境与能源应用专业占56.41%，土木工程专业占68.75%，建筑管理专业占67.16%的学生希望通过BIM模型直观感受建筑三维空间，弥补空间的不足[4]，“工程制图与CAD”课程作为土木工程相关专业的基础课，起着承上启下的作用，如果学生空间想象力不足，就不能准确读懂建筑施工图，会导致很多理论知识处于模棱两可状态，只能知其然不能知其所以然。可见，将BIM技术应用在“工程制图与CAD”教学设计中是迫切需要的。

结合土建类专业的教学特点和多年的教学经验，设计了基于BIM技术与实践相结合的“工程制图与CAD”课程教学设计方案，如图1 所示。

图1 基于BIM技术与实践相结合的“工程制图与CAD”课程教学设计

（一）整合知识点，优化授课内容

“工程制图与CAD”课程根据人们的认知规律，按照由浅入深循序渐进的教学内容可以分为工程制图和CAD 两部分，其中工程制图部分是由手工绘图为主，CAD 为计算机绘图；而工程制图部分又可以分为画法几何和制图识图，在这里可以将画法几何部分的内容结合后续课程和人才培养方案来进行整合，比如，告诉学绘图工具的使用及简单几何的画图步骤即可；制图识图部分的内容主要让学生掌握制图中的标准和规范以及基本体的正投影基础和投影特性；CAD 软件绘图部分主要要求学生绘制专业施工图；教师需要根据教学计划提前安排教学内容，合理安排教学时间，以“工程制图与CAD”这门课为例，将教学内容以任务驱动的方式分成5 个知识单元和1 个练习单元，具体内容及对应要求指标见附表1。

附表1 课程教学内容与学时分配

相贯线和组合体内容需要学生根据已有的知识想象出空间图形，再通过投影规律画出其三视图，其中难点是需要准确想象出其空间组合位置，并通过位置关系判断可见性，借助BIM建模软件建立教学模型图可以提高读图和绘图效率。

对于建筑施工图内容则是通过Revit 软件建立三维模型，Revit 建立的模型不仅可以对建筑图形进行放大、切割、旋转等处理，还可以创建动画效果，其中，建筑剖面图对于初学者来说比较难理解，因为，建筑剖面图是利用假象的剖切平面或者曲面去切建筑物，切的过程中会切到一些构件，而在投影的时候不仅要画出剖切到的构件还要画出看见的部分，此时的Revit 软件正好可以弥补学生在这方面的空白，同时软件自带多窗口显示，图纸之间保持着智能的关联性。

（二）引入案例，进行分组教学

作为专业基础课的“工程制图与CAD”课程，考虑到后续课程的教学，在完成工程制图模块的内容后，即进入CAD绘图，工程制图主要是介绍单个几何体，CAD绘图则是介绍建筑施工图，由于整个课程体系是为本专业服务的，所以在本课程中必须引入专业图纸，而识读和绘制专业图纸才是学习“工程制图与CAD”课程的最终目的。

从简单几何体到复杂多变的建筑施工图，是质的飞越，也是考察学生综合素质的体现[5]。为了帮助学生能够更好理解，结合BIM 技术引入实际案例工程，从学生日常生活中经常可见的建筑物入手，教学案例选择宿舍楼、教学楼或者图书馆等，学生对于身边的建筑物比较熟悉，其建筑平面图容易在脑海中形成三维立体图，再以BIM技术作为辅助，通过Revit 软件建立模型展示给学生，通过对比脑海中的三维图与模型图，可以找到其中的差距，便于后面的图纸在读的过程中防止发生同样的错误，反复练习可以提高学生读图的准确性及速度。

采用常见的建筑类型教学楼案例项目与学生日常生活、学习环境密切相关，方便学生观察、知悉其现实中的空间位置关系，通过结合BIM 技术，可以帮助我们在建筑还没有实施之前就可以建好模型，达到事前预控制，也能帮助学生掌握如何将平面图形成三维立体图。

四、基于BIM 技术与实践相结合的“工程制图与CAD”课程的教学评价

针对21 年级和22 年级建筑工程专业四个班学生总共200 人进行一次问卷调查，结果如图2、图3 所示，受访学生中85.6%的受访者认为BIM技术在“工程制图与CAD”课程教学中的应用对于学习有帮助，10%的受访者表示都可以，还有4.4%表示放弃。其中，42%的学生认为BIM技术对学习工程制图最大的帮助是能直接生成三维模型，并且可以任意旋转和剖切，降低读图难度；有45%的学生认为将BIM技术融入专业课，有助于今后就业，其他学生认为结合了BIM的教学过程更能激发学习兴趣。