基于BIM技术的水利工程制图课程教学改革初探

摘 要：随着信息化和智能化在水利行业的应用，BIM技术的教育刻不容缓，高校应积极承担这一任务，培养掌握BIM技术的水利人才。水利工程制图课程与BIM技术具有同源性、相近性，要转变思路将两者进行融合，从课程教学目标设计、课程内容构建、课程教学设计、教学评价创新、加强师资队伍建设等方面，推动基于BIM技术的水利工程制图课程的教学改革。

关键词：BIM;水利工程制图;数字化教学

中图分类号：G4文献标志码：A文章编号：2096-0069（2020）05-0044-05

收稿日期：2020-05-12

基金项目： 2019年河南省高等教育教学改革研究与实践重点项目“基于高职教育高质量发展的‘三教改革研究与实践的阶段研究成果”（项目编号2019SJGLX639）;2018年黄河水利职业技术学院青年骨干教师培养计划项目“BIM 技术在高职水工专业教学中的应用”

作者简介：关莉莉（1981— ），女，河南开封人，硕士，副教授，研究方向为水利工程、计算机绘图教学和BIM技术。

随着科学技术的进步，计算机辅助设计由原来二维的CAD绘图逐渐发展到协同合作的BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术。BIM技术理念最早由乔治亚理工大学的Chuck Eastman教授提出。它通过Revit、Tekla、Autodesk Naviswork等一些BIM软件，首先创建出仿真建筑物构件以及附属构件和模拟环境，再通过信息化、数字化技术作用到建筑物的全生命周期过程。BIM技术最大的优势在于可随时修改、完善模型，将设计、施工、运维管理等集合到同一个平台，进行实时修改、实时监控，融入真实、仿真的元素，呈现出更加直观的场景。

当前，BIM技术在建筑、土木工程、给排水、暖通等领域的应用已较为广泛，但在水利行业的应用尚处在起步阶段。近年来，BIM在大型水利工程建设中也已崭露头角，与之相应，一些实力较强的水利设计院、施工单位、建设单位已将BIM技术列入计划。高等院校是新技术推广的前沿阵地，将BIM技术嵌入人才培养过程刻不容缓。那么怎样才能将BIM技术融入水工专业的教学中呢？本文拟就水利工程制图课程进行分析。

一、水利工程制图课程引入BIM技术的可行性

与建筑行业相比，水利工程中异型建筑物较多，在使用BIM技术时没有成型的族库可调用。也就是说， 水利工程项目在BIM技术中可借鉴的资源少，甚至可能每做一个项目都需要从零开始，这成为BIM应用的主要障碍。因此，一些实力较弱的设计院、施工单位难以在项目上使用BIM技术，但这一问题正逐渐缓解。

（一）水利企业对BIM技术人才需求迫切

近年来，一些大型设计院将BIM技术应用到水利工程中，成效显著，得到了业内的一致好评，这将BIM技术在水利行业的应用推向了新的阶段。如黄登水电站施工布置[1]、港珠澳大桥的施工进度管理[2]、引汉济渭工程三河口水利枢纽勘察设计运维管理[3]等，这些项目已采用BIM技术对工程的设计、施工、运维管理的部分环节进行优化，为水利相关企业提供了借鉴。作为一种新理念，BIM技术在相关水利工程项目的设计、施工、运维中展现的优势也不断凸显，让越来越多的企业认识到BIM技术的价值所在。对于水利相关企业来说，目前最迫切的是需要一批能够掌握和运用BIM技术的水利人才，这为高校水工专业基于BIM技术的教学改革提供了动力。

（二）水利工程制图课程与BIM技术具有相近性

BIM技术教学已在一些重点院校展开，尤其是土木建筑类专业BIM课程的开发已经成熟，这可为水工专业提供借鉴。但水工专业BIM技术教学的基础较弱，将其单独作为一门课程的条件还不成熟，将BIM技术融入水工专业相关课程进行教学是目前最为可行的方式。众所周知，工程制图是工程界的技术语言，水利工程制图也是水工专业的基础核心课程。从现代水利工程中的应用实践看，BIM技术同样具有基础性地位。此外，BIM技术的基础也是从图纸和建模开始的，这与水利工程制图课程的教学内容具有同源性。因此，笔者认为BIM技术和水利工程制图课程在现代水利人才的培养中具有相似地位，若能将两者融为一体，可为培养熟练运用BIM技术的水利人才打下坚实基础。所以，首先将BIM技术融入水利工程制图课程，具有较强的可行性。

二、水利工程制图课程引入BIM技术的必要性

水利工程制图课程是水工专业及其专业群中理论与实践相结合的基础核心课程。该课程主要培养学生识读和绘制工程图的能力，在此基础上培养学生使用计算机绘制工程图的技能，学生在校期间一般需要学习2—3个学期，学习要求较其他基础课程更高。随着现代水利技术的发展和BIM技术的应用，这一课程也迫切需要改革。

（一）教学内容不尽合理

近年来，由于水工专业教学计划的修订，人才培养中增加了实践环节，理论课时相对压缩，作为专业基础核心课的水利工程制图课程课时也有所减少。这就需要在有限的时间内将重点内容讲授给学生，如果按照以往的课程内容授课，显然是不合理的。此外，目前水利工程制圖课程教学内容陈旧，没有紧跟信息化技术发展的步伐，在与行业、市场信息化绘图手段对接上明显滞后，教学内容亟待更新和调整。

（二）教学手段单一

当前水利工程制图课程一般有两种授课模式：其一，在多媒体教室上课，实行单一的理论授课为主的模式;其二，在机房上课，采用制图课程与CAD融合授课模式。在这两种授课模式中，在线课程、智能课堂等互动式、个性化教学手段使用较少，难以将“教、学、练、做、创”融为一体，在培养学生识图、绘图、建模等能力方面存在不足。引入BIM技术后，课程的开设条件要求更高，不但需要手工绘图设施、计算机操作平台、BIM技术软件环境，还需借助在线课程、智能课堂等进行辅助教学。

（三）教师教学能力有待提升

目前，水利工程制图课程要求教师具有较好的空间想象能力、正确的识读工程图和熟练的CAD技能，但对于BIM 技术等信息化手段在水利工程中的运用则没有要求，因此教师普遍对BIM技術引入教学的研究不够，自身的BIM技术掌握水平有限，使得教学与实践相脱节。BIM技术等信息化手段在行业的运用，给制图课教师带来了新挑战。BIM技术涉及的信息量较大，还存在多学科交叉、协同合作的情况，这就需要教师具有较好的业务素质、较强的软件学习能力、丰富的工程实践经验。

三、BIM将带来水利工程制图技术的全面升级

水利工程制图主要培养学生识图和绘图的能力，需要实现从二维图形到三维图形的转变， CAD技术和BIM技术都可以实现这种转变。但从绘图和建模逻辑看，BIM技术是对CAD技术的超越。CAD建模是通过图形功能的交互式形成模型，遵循线框模型、表面模型到实体模型的逻辑，无法汇入相关数据，也不能多人协同作业。BIM建模具有更强大的存储功能，不但有结构的基本信息，还有设计者的设计理念，通过模型信息的集成和统计，形成真实表达的视觉效果。BIM技术将二维图形向三维图形转换是嵌入了真实数据的转换，不仅更加直观、准确，而且可以通过实时编辑实现三维和二维图形的循环转换（见图1）。这就实现了思维和实体的统一，以BIM技术代替人脑完成了二维与三维的思维转换。[4]

以常见水工建筑物——水闸的设计绘图为例，使用CAD 建模工具，可以按照水闸工程图的二维图纸，将水闸的上游连接段、闸室段、消力池段、扭曲面段分别建模，再组合到一起形成水闸模型。这种建模方式在实践中有以下缺点：其一，无法修改。若部分模型创建尺寸有误，无法实时修正数据，只能将这部分模型重新建立，会导致工作量大大增加。其二，不便于观察。CAD环境下可查看模型的外观形状，但对于水闸内部或是断面形状则需要用剖切命令剖开才能查看，剖开后还需回退或是合并才能恢复，操作起来较为麻烦。其三，不可直接出图。CAD创建模型后不能直接导出施工图，需要在布局里面进行轮廓的抽取、拼接、绘制图框标题栏等，出图过程较为烦琐。

使用BIM技术创建水闸模型则实现了二维和三维实时编辑转换：其一，可以实时修改。使用BIM技术创建模型过程中若有错误，只需点击创建错误的模型进入修改界面，按照正确的尺寸绘制即可。如水闸上游连接段护坡断面绘制有误，可直接点击模型进入绘制界面，修改完成。其二，便于观察。用BIM技术创建的水闸模型，在属性工具栏中只需将剖面框勾选，即可查看各方位的外观形状，还可查看建筑物的断面形状，如图2所示。其三，可直接出图。BIM技术创建的模型只需调用符合要求的图幅，如水闸可直接调用基本图幅，将需要的视图拖拽到图幅里即可。不仅可以出基本视图，还可以出剖视图，如图3所示闸室段出图。其四，创建族方便调用。BIM技术可以创建同类型族，如在水闸模型的创建中，上游连接段和消力池段都有支撑板，并且支撑板的特征面均为三角形，就可以将支撑板做成族。族是个自定义的变量模型，随用随调，随时改尺寸，无须重新创建。

四、基于BIM技术的水利工程制图课程教改策略

正是由于BIM技术的诸多优势，水利行业对BIM技术人才需求极为迫切。高校必须研判工程一线对BIM技能人才的基本要求，努力将BIM技术融入水利工程制图课程，推动课程理念的全方位创新，实现该课程在培养水利行业BIM技能人才中的核心地位。

（一）合理制定课程教学目标

教学目标的制定是课程内容构建的基础，教学目标既需要紧跟社会对BIM技术的专业技能需求，也需要充分考虑制图课程的自身特点和学生的接受能力。在10年来的水利工程制图教学中，笔者曾不间断跟踪水利工程企业的BIM技术使用情况，同时对制图课程的改革进行过深入研究。笔者认为，根据BIM技术实用性特点，教学中必须将理论教学与实际工程项目案例分析联系起来，不仅要培养学生的理论知识素养，还要培养学生实践动手能力、专业技能等。简言之，就是通过课程教学培养学生的识读工程图能力、三维建模能力、工程实践能力。

（二）科学构建课程内容

根据课程教学目标，可将课程内容模块化，以加强教学的系统性、探索BIM在水利工程项目全生命周期的应用。具体讲，根据BIM课程内容体系模式，采用循序渐进的方法，将制图建模、设计出图等过程环节融入课程。可将融入BIM技术的水利工程制图课程分为三个单元：基础投影、专业图识读、计算机绘图。首先，基础投影单元。采用制图标准与BIM标准相结合的模式，借助BIM技术的三维图形培养学生空间想象能力，如三视图的识读、相贯线和截交线绘制等加入BIM技术模型，可以帮助学生更快速地识读，提高空间想象能力。其次，专业图识读单元。可借助BIM的仿真技术再加上虚拟的环境，将水工建筑物构件真实地展示给学生，学生不仅可以从各个角度观察构件，还可以身临其境地感受到水工建筑物的真实效果，进而对专业产生浓厚的兴趣。最后，计算机绘图单元。在CAD中融入BIM技术，二维部分用CAD绘制，三维部分直接用BIM绘制，在认识构件、软件模型创建、专业协作、生产出图等环节中加入BIM元素。综上所述，将教学内容调整为识图、建模、专业开展的形式，形成较为完善的课程内容体系。

（三）着力改进教学设计与方法

将BIM技术融入课程中后，教学设计与方法也要随之改革。以往水利工程制图课程教学主要以理论讲授为主，实训环节较少，教学效果一般。BIM技术的实践性更强，既需要大量增加实践环节，也需要借助多元教学平台和技术手段，以达到培养具有BIM技术人才的目标。为此，教学设计可从四方面改进：其一，信息化条件的互动教学。教学过程中使用智能课堂教学平台给学生推送预习内容及相关的资料，课堂上用信息化手段进行签到、测验、互动提问、头脑风暴等活动，增强课堂的针对性和互动性。其二，项目化条件下的小组教学。探索符合学生认知规律的教学模式，以项目为依托将学生分为学习小组，组内讨论完成项目化工程图纸的识读等内容，学生做到边学边练，教师负责总结答疑。其三，在线课程指导下拓展教学。笔者作为国家在线开放课程“工程制图”的主要负责人，开发了课程线上互动教学指导平台，鼓励学生使用在线课程开展自学，同时引导学有余力的学生参与BIM/CAD协会培训、基于BIM技术的水工专业群实训项目，实现课上课下、线上线下教学拓展。其四，企业项目引入的实战教学。在教学实训中，将企业的真实设计项目引入课堂，提供实战机会，引导学生解决项目设计中的实际问题，提升学生的创新创业能力。

（四）努力做到教學评价创新

课程不再采用简单的“笔试+机试”的考试模式，而是采用多元评价模式，构建过程考核为主、课程考试为辅的评价模式。首先，采用教学过程性评价。重点考察学生的学习过程，利用智能课程收集学生课程签到、参与活动、预习和复习、单元的测验等，每个单元日常总结、考核，调动学生平时的学习积极性。其次，使用在线课程评价。要求学生参加国家在线开放课程“工程制图”，考察进行拓展学习情况，如查阅资源、单元自测、课后讨论答疑等，形成智能化的学习评价数据。最后，鼓励学生参加有关BIM技术的创新创业项目、技能竞赛、BIM等级考试等，获得相应成果的学生可认定为课程技能精湛。

（五）深入推进师资队伍建设

BIM技术融入水利工程制图课程对授课教师是全新的挑战，教师不仅需具备较好的三维空间能力、软件运用能力，还需有一定的工程项目实战经验，所以，提高教师的业务水平迫在眉睫。首先，学校可以通过鼓励教师参加国内外的培训、会议等方式，了解BIM技术应用的最新趋势，掌握基本的BIM技术原理和操作技巧，提高教师团队的BIM技术水平;其次，为了更好地将BIM技术有机地融入课程中，学校可以与企业合作开发水利工程类BIM教材，进行教学方式和方法的研究，提高教学效果;再次，教师可以指导学有余力的学生进行有关BIM技术的创新创业活动，根据BIM技术的应用现状，针对一些尚不具备BIM技术的开发和应用能力的小型水利工程设计院所，组织学生开展技术服务，进行创业实践;最后，针对工程领域BIM技术使用迅速发展的现状，鼓励教师考取有关BIM技术的等级证书，提高教师的BIM使用技能水平。

[1]苏静波，李昂.BIM技术在水利工程制图课程中的应用研究[J].教育现代化，2018（50）：230-231.

[2]周永川，于立军，彭建伟.基于BIM的港珠澳大桥交通工程施工进度管理系统应用研究[J].公路交通科技，2017（S1）：91-96.

[3]毛拥政，补舒棋，付登辉，等.BIM技术在引汉济渭工程三河口水利枢纽勘察设计中的应用[J].水利规划与设计，2017（9）：158-161.

[4]雷真，钱睿，张力，等.BIM技术在工程制图课程中的应用[J].创新教育研究，2019，7（1）：80-85.

（责任编辑 孙震华）

Abstract： With the application of informatization and intelligentization in water conservancy industry， the education of BIM technology is of great urgency.Universities should take on this task actively，and cultivate water conservancy personnel to master BIM technology.The curriculum of irrigation works drawing and BIM technology possess the characteristics of homology and similarity.We should change thinking and integrate the two，and promote the teaching reform of irrigation works drawing curriculum based on BIM technology from the following aspects like the design of teaching objectives，the construction of course content，the curriculum design， the innovation of teaching evaluation，and the strengthening of construction of teachers.

Key words： BIM;irrigation works drawing;digital teaching