基于BIM的土木工程课程体系及教学方法改革

(三峡大学 土木与建筑学院，宜昌 443002)

引言

建筑信息模型(BIM)在近十年迅速发展，其发展推动了整个土木建筑行业新的变革[1]。BIM技术在项目设计、施工及后期管养阶段的应用将有利于提升项目质量、缩短工期和降低建造成本[2]。我国政府十分重视BIM的推广应用，从战略高度部署BIM发展纲要、积极推动BIM国家标准的制定[3]。如同CAD，BIM将成为土木建筑行业高效安全发展的重要手段，然而当前行业企业对BIM技术人才需求旺盛与BIM人才紧缺的矛盾日益突出，以往高校培养的人才基本不具备BIM知识背景。自2004年我国首个BIM实验室成立以来，发展缓慢，直到2010年清华大学才首次提出我国建筑信息模型标准框架，2011年，首个由高校牵头的BIM工程中心在华中科技大学成立，之后BIM才在各高校逐步得到重视和推广。2012年中国图学学会面向高校学生开展BIM技能等级考试，随后各类全国性BIM大赛如火如荼进行，这些举措促进了高校学生对BIM学习的热情[4]。然而由于BIM是一门新技术，很多高校人才培养方案中并没有涉及BIM相关课程，且BIM技术具有综合性和系统性，很难通过开设一门课程便掌握BIM技术，这与土木工程专业课程的学习方式存在一定差异。因此肩负人才培养重任的高校如何顺应市场需求，从土木工程人才培养方案的修订、土木工程教学体系改革及BIM技术教学方式方法改进等方面开展研究，真正培养出一批具有较强BIM素养的专业技术人才，这是一个值得探讨的课题。

1 融入BIM的土木工程专业人才培养方案

人才培养方案是高校实施人才培养的基本依据，人才培养方案总是针对新条件下出现的新问题、新挑战并结合各校自身特点不断修订和完善[5]。实行“大类招生”和“压缩学分”是新时期土木工程人才培养的新要求，即在“宽口径”的模式下尽量减少理论课程教学时间，让学生有更多自主学习时间[6]。在此基础上，我校根据对其它高校调研及行业、企业专家的建议，计划将BIM融入到土木工程专业人才培养方案，为实现上述目标，我校于2017年进行了人才培养方案的修订工作。

我校“土木工程”专业实行大类招生，为克服大类招生广而不专的问题，在土木工程下分三个专业方向，即建筑工程、道路与桥梁工程、岩土与地下工程。在学院引导下，学生在大二下学期根据个人意愿实现专业方向分流。在“压缩学分”方面，由于土木工程课程范围广、课程难度大、对理论知识及专业技术能力要求高等特点，如何在压缩学分时不减少课程内容，保证学生知识体系的完整性，我校实行按“知识点”重组课程，减少课程间重复内容，优化理论课程与实践课程之间的搭配和衔接，最终将最低课程教学总分数控制在170学分。在“大类招生”和“少学分”的限制下，在压缩其它课程的情况下增加BIM相关课程，在综合考虑课程设置的合理性后，在新版培养方案中增设了《BIM技术基础》专业必修课和《BIM技术应用》专业选修课两门课程，其中《BIM技术基础》主要讲授BIM基本概念、发展历程、标准和软件，以及BIM在建设项目的基本应用等内容，使学生能较系统、全面地掌握BIM的基本理论与方法，该课程适合土木工程各专业方向。《BIM技术应用》结合各专业方向，讲授项目不同阶段如何应用BIM技术为项目服务，以经典应用案例为依托，通过项目实训来培养学生综合应用能力，该课程要针对土木工程不同专业方向进行案例设计和项目实训。同时新方案还鼓励教师尽快掌握BIM相关技术，将BIM作为一种辅助性手段应用于课堂专业课程的教学中； 鼓励学生多参加BIM设计大赛，通过比赛强化学生实战能力，培养学生BIM技术综合应用能力。

新方案特色在于突出了BIM在教学中的地位，在压缩传统专业课程学分的基础上增设了BIM相关课程，从BIM基础到BIM应用分阶段分层次提高学生的BIM综合应用能力。新方案还十分强调BIM技术在教学中的作用，利用BIM技术开发优质教学资源，以改善传统教学信息量不足、可视化不强等弊端。

2 基于BIM技术辅助教学的土木工程课程体系

我校除了增设BIM相关课程外，还鼓励教师在专业核心课程、拓展课程以及实践教学环节中利用BIM技术进行教学设计。利用BIM强大的三维可视化功能，制作精美的教学课件和视频动画，一方面可以改进教学手段，更加形象直观地展示关键技术问题，另一方面也可以提高学生学习效率及学习热情，克服了BIM技术在土木工程教学中“引入难”的问题。

为了更好地授课，教师积极参加学校组织的各种BIM技术学习培训，并尝试在专业课程教学中引入BIM技术作为辅助教学手段，重新进行教学设计并梳理授课内容。例如在《土木工程概论》教学中，采用BIM制作各类工程结构的三维立体模型，建立模型库，形象地向学生展示各类土木工程结构，学生可以十分容易地从总体上把握土木工程各类结构分类及特点； 在《画法几何》《土木工程制图》课程教学中，传统的方法是让学生根据三视图来空间想象实际结构的组成，空间想象力偏弱的学生学习该课程感觉很吃力，可采用BIM技术进行三维建模，通过辅助的三维模型能清晰展示各部分的组成，帮助学生加深对结构构件位置关系的理解； 在《钢结构设计原理》《混凝土结构》《桥梁工程》《房屋建筑学》等课程教学中，其学习难点往往是对结构细部构造不清楚，因此用BIM技术重点建立细部构造模型库，这对辅助学生加深对土木工程结构细部构造的理解大有裨益。在《工程项目管理》《土木工程施工》等课程教学中，利用BIM建立施工过程动态模型，对施工场景进行模拟，以帮助学生掌握土木工程施工工法，同时引导学生实现从施工进度、质量、建设成本等方面进行的精细化项目管理[7]。

图1 与BIM相关的课程体系

在实践教学环节中，BIM技术具有与生俱来的优越性，利用BIM技术可以构建高度仿真的虚拟工程环境，学生可在虚拟仿真实验室观看整个项目的建造过程，了解复杂结构的细部构造； 另一方面，学生在现场参观实际工程项目后，也可在虚拟仿真实验室自己动手创建BIM模型以重现实际工程项目，以培养学生利用BIM技术进行工程实践的综合能力。BIM技术服务于实践教学有利于克服现场实习的片面性、场地的局限性及实习经费的不足，其提供的超真实、可靠、经济、安全的实习环境是现场实习所不具备的[8]。将虚拟仿真与现场实习实践有机结合起来，可以有效解决实践条件不足、实习经费不足、安全难以保障等问题，对于提升土木工程专业学生的综合实践能力和创新能力有着重要作用。

基于BIM技术辅助的土木工程教学体系不仅提高了教师的教学水平，而且让学生在掌握专业知识时潜移默化地熟悉BIM技术的应用，提高了土木工程专业课程教学效果，也克服了BIM技术在教学中“引入难”的问题。我校在土木工程专业课程教学中，增加BIM教学内容的课程体系如图1所示。

图1中与BIM相关的课程体系有效实施的关键是积极探索能与BIM技术有效融合的教学内容。任课教师应结合各课程特点基于BIM技术开发丰富多彩的可视化教学资源，如在《桥梁工程》教学中，可在预制装配式结构、预应力体系、悬臂施工法、各桥型总体构造及细部构造等方面采用BIM技术开发教学资源，在课堂教学中应用，将复杂抽象的结构构造简化为学生喜闻乐见的可视化模型，提高了教学效果和学习兴趣，有效改善目前教学手段单一、落后的局面[9]。

将BIM技术作为辅助教学手段应用于专业课程教学中取得了良好的教学效果，一方面解决了传统教学模式中存在的枯燥乏味、复杂问题难以形象描述等问题；另一方面通过展示利用BIM技术开发的教学资源，让学生了解BIM技术的强大功能及在土木工程各领域中的应用，提高了学生学习BIM的热情，培养了学生应用BIM技术解决工程问题的意识和素养。

3 分层次、分阶段BIM技术教学方法

通过土木工程课程体系及培养方案的改革，BIM技术按循序渐进的原则分两个层次融入到专业课程学习中。专业任课教师在教学层次上结合BIM技术制作形象、直观、信息量丰富的课件及三维模型，一方面改善了教学效果，另一方面让学生对BIM的强大功能有初步了解，从而激发了学习BIM的热情。学生在课程学习层次上要按照人才培养方案深入、系统地学习BIM课程知识，从基础理论学习逐渐向设计、实践及综合应用环节过渡。

BIM 教学可分三阶段进行，即基础学习阶段、提高阶段及项目实训阶段。在第五学期开设《BIM 技术基础》必修课程，通过讲授BIM的基本原理及相关软件，使学生掌握BIM的基本概念和软件的操作方法，并能利用BIM软件建立简单的模型。第六学期开设《BIM 技术应用》选修课程，分别针对房屋建筑工程、道路桥梁工程、岩土与地下工程等不同专业方向开设，旨在结合专业方向强化学生的综合应用能力。针对BIM学习兴趣浓厚或将BIM作为未来职业发展方向的学生，计划加入成本管理、项目管理、造价管理知识以培养知识面更广、综合能力更强的高端BIM人才[10]。在此基础上，在毕业实习及毕业设计环节增加BIM技术的项目实训，针对实际项目，在项目规划、方案设计、细部构造、施工工法及项目管理等方面采用BIM技术完成预定任务。如图2所示。

图2 分层次分阶段BIM教学法

在我校土木工程专业教学改革中，为培养具有扎实的BIM知识背景的专业人才，形成了两层次、三阶段BIM教学法。通过在各专业课程中融入BIM技术和开设专门的BIM课程两个层次将BIM贯穿专业学习的始终； 在不同学期分三阶段开设从BIM基础到项目实训的课程，通过系统专门的BIM训练，以期培养一批综合应用能力强的BIM人才，满足用人单位对BIM人才的需求。

4 结语

培养具有BIM知识背景的土木工程专业人才已迫在眉睫，我校顺应市场需求对人才培养方案进行了修订，在“压缩学分”情况下增设BIM相关课程。从人才培养方案、BIM课程体系、BIM教学方法等方面积极探索和实践，以期培养BIM基础扎实、实践应用能力强的土木工程技术人才。鼓励教师利用BIM技术辅助教学，开展分层次、分阶段的BIM教学方法，积极开展BIM技能认证等举措，有力地激发了学生的学习热情，学生的BIM应用水平大幅度提高，获得用人单位广泛认可，整体效果良好。