大数据环境下的BIM技术学习模式研究

贾廷柏，赵家敏，黄杨彬，刘亚基，李何潇

（云南开放大学，云南 昆明 650500）

我国拥有世界上最大的建筑、工程和施工（Architecture, Engineering & Construction，简称AEC）产业，在现代的AEC产业中，建设信息建模（Building Information Modeling，简称BIM）技术贯穿到建设项目的规划、设计、施工、运维、清理等各个阶段。BIM技术是未来建筑行业必不可少的支撑技术，同时职业对BIM技术提出越来越高的要求。随着AEC行业的发展，将逐渐呈现出智慧化、系统化、绿色化趋势，并出现适应气候变化的设施、替代型交通基础设施、综合供水设施等大型项目[1]，为适应这些趋势， BIM技术也随着技术的发展高速迭代。由于传统设计单位受到条件限制，不能很快适应新技术的更新，传统的“设计公司设计，施工单位施工”模式逐渐不能跟上建设的要求。在发达地区和优质建设项目中逐步采用BIM软件公司直接与施工单位结合的模式。这种模式的替代使得行业对BIM职业教育提出了更高的要求。

总体来看，目前BIM技术的潜在人才培养模式主要有三种 ：一是施工企业的培训；二是软件企业的培训；三是在校土建类学生BIM 相关课程的学习。使用传统教育技术支持的三种培训模式存在知识、技能与应用脱节的情况。施工企业和软件企业的培训多数面对具体项目工程，针对性地进行岗位应用培训，从业人员缺乏对BIM全面和基础知识的了解，使得他们对新项目的适应性不强。学校教育中，由于教材、场地、教师素养等多种条件的限制，使得在校教育的教学内容跟不上职业需求，知识学习过多，技能学习不足，学习者从知识教育中获得感不足，使得学习成果不能满足实际岗位的职业需求。建构主义学习的理论认为学习是学习者基于原有的知识经验生成意义、建构理解的过程。传统教育支持模式没能给予学习者足够的自我建构的空间。

本文尝试基于大数据环境，采用现代教育技术，融合软件企业对BIM应用的教学要求，研究新型混合教学模式，建立教学支持服务框架，结合BIM技术的要求，增加技能环节的教学支持服务，让学习者有充分的机会构建自我的技能和知识体系，使得学习者能够提高工程能力，在大量的实践中找到获得感，架设学校教育与应用要求的桥梁，以满足行业的职业要求。

一、大数据环境下的开放课程学习框架

我国在线高等教育课程发展阶段划分为三个时期：精品课程时期（2003—2011年）、精品开放课程时期（2011—2015年）和在线开放课程时期（2015年至今）[2]，在线开放课程离不开MOOC平台的支撑。2012年，美国的顶尖大学陆续设立了网络学习平台，开设公开课在网上提供免费课程，大型开放式网络课程（Massive Open Online Courses，简称MOOC）逐步得到社会和教育领域的认可。网易公开课、中国大学慕课、学堂在线等一批优质的MOOC平台为社会创造了极高的价值。MOOC的应用也逐步往专业化领域扩展，如思想政治教育领域的“学习强国”等、建筑领域的“建筑云课”等，程序设计领域的“python123”等。

各种教学MOOC课程整合多种社交网络工具和多种形式的数字化资源，形成多元化的学习工具和丰富的课程资源，使用客观、自动化的线上评量系统，如随堂测验、考试等，突破传统课程时间、空间的限制，突破传统课程人数限制，满足大规模课程学习者学习。高速发展的大数据和人工智能技术更是推进了MOOC教学的质量，拓宽了应用场景。

2013年，小规模限制性在线课程（Small Private Online Course，简称SPOC）概念提出，由规模在几十人到几百人的小规模学生在限制性准入条件下，结合课堂教学与在线教学的混合学习模式[2]，采用针对性较强的在线教学资源（如MOOC），结合雨课堂、课堂派等教学平台，实施翻转课堂教学。SPOC具有规模小、针对性强、互动灵活等特点，重新定义了教师的作用，创新了教学模式, 更加强调学生完整、深入的学习体验，让学习者有充分的空间进行自我技能体系的构建，有利于提高课程的完成率和教学质量。我国高校内部支撑体系不完善，缺乏线上与线下的融合发展[3]，因此SPOC环境的建设从课程建设目标、教学内容和方法、课程考核方式等方面提出的线上线下混合式课程建设思路，有效地利用线上教学资源，注重过程性考核的评价方式，有效提升了课程的教学效果[4]。

采用软件代理（Software Agent，简称SA，人工智能的一种模式）的运行机制，可以建设不断自我优化的在线学习平台[5]，本文将采用软件代理的运行机制，结合MOOC、SPOC、SA的优势，建设如图1所示的自我优化的开放课程智能学习框架。

在图1中的MOOC是一个不断补充和更新的数据组合，Sensor （感应端）采用“爬虫”、数据挖掘等技术从大数据环境中获取知识及信息输送到学习平台，后台把这些知识和信息制造出不断优化的适应BIM行业需求的知识库和方法库，Action（执行端）为BIM技术学习者推荐或者定制个性化的学习策略、材料、案例、实践场所等参考信息供学习者不断深化学习。在线下，学校或培训机构根据课程的实践案例建设SPOC环境，在学习者的学习过程中，把过程和案例作为素材，形成优化的MOOC集合，供给下一轮次学习者学习使用，并作为大数据的数据源投放到大数据环境中。

图1 开放课程学习框架

二、原型平台

团队于2015年开通了微信公众号，用于辅助教学， 2019年在本校开课设的BIM课程实施中，把教学视频上传到公众号，进行了人为SA构架的“MOOC+SPOC”模式原型平台建设的尝试。先后建设了《建筑制图》、《建筑CAD》、《BIM技术》[7]、《3DsMax》等课程的视频和图文资源，发布图文信息203条，教学视频175条，关注用户近3000人，通过对后台数据的分析，总结出以下几点，作为系统优化和建设依据：

1.学习者很难长时间保持学习热情，视频资源不宜过长。

2.学习支持服务资源要涵盖课程的主要知识和技能体系。

3.学习者对于课本相关资源关注度高，与教材结合，且知识体系清晰的资源浏览量高。

4.案例演示和学习成果展示的资源浏览量高。

5.面授教学开展期间（特别是课堂教学完成后）的浏览量高，这说明在教师带领下的学习主动性明显增加。

三、平台建设

平台的建设采用原型化设计方法进行建设，即：先建设初始原型（prototype），通过运行不断优化原型，最终形成满足需求的平台。在初始原型包括BIM技术相关课程的MOOC课程，建设完成后，此框架的线上学习者可以和其他线上学习模式下的学员一样，通过看视频、做练习、完成大作业、考试完成课程的学习。

SPOC学习者在教师的引导下，结合具体应用项目，案例观看视频、做练习、完成大作业、考试。在此过程中挑选优秀学员，针对没有预先考虑到的问题制作视频和练习题，补充到平台的MOOC集中。在团队的教学过程中发现，被挑选出来的优秀学员不但制作积极性高，而且，在完成MOOC建设过程，获得极大成就感，增加了学习主动性，并在其他课程学习中也取得更好的成绩。

通过对北京理工大学信息学院实验班在python课程学习的分析，即使是985高校的优选学员，对学习者主动学习的预期也不能太高[6]，根据教学经验和学习心理学分析，初始状态下的线上学习者学习主动性很难被调到起来，因此开始阶段的平台优化效率将会很低，主要靠SPOC学习者推动优化，但随着系统的运行，优化效率将不断提高。

在平台后端，系统应用大数据和人工智能技术监测学习者的习惯，到互联网上爬取、挖掘适合学习者的学习资料补充到MOOC集合中。在此学习框架下运行的平台将不断优化，从而形成智能学习系统。

四、初始MOOC集建设

2019年教育部将建筑信息模型（BIM）证书作为首批6个“1+X”职业技能等级证书之一，要求职业院校进行“课证融通”，以“考证”促进BIM教学。根据教育部“1+X”BIM证书的要求，BIM技术的学习有三个渐进的知识和技能内容，包括：建模、专业应用、综合应用[8]。

建设项目首先需要采用专业软件为项目建设数字模型，目前的主流软件有Autodesk、Bentley[9]、CATIA三家公司。国内的BIM软件公司多数在Autodesk的Revit的框架下生产插件进行下一步的专业应用，也有企业自主开发模仿Revit的建模软件。

在数字模型建设完成后的专业应用是BIM技术推动行业发展的关键，目前的专业应用方向主要包括：建筑设计、结构分析计算、造价分析计算、施工组织管理、设备安装管理及优化等专业应用。由于国内规范和国际规范有差异，因此目前的主流专业应用多采用Revit框架下的国内软件开展应用。Bentley和CATIA的应用模块品质高，多在大型项目中由软件公司的国内指定企业直接与施工企业完成BIM设计与实施。

BIM的综合应用是在专业应用基础上的综合应用、协同应用。

初始MOOC集将采用教材和MOOC同步建设的策略，教材的使用也是现阶段国内各种类型学习必不可少的资源，教材对学生有天生的亲近感[10]。团队已计划建设用于BIM课程的教材及教学资源建设，初始MOOC集将结合教育部“1+X”BIM证书的职业要求进行建设。

系统建设将根据“1+X”初级资格证的要求建设Revit建模的MOOC,根据Bentley公司的培训要求建设OBD建模的MOOC。根据职业等级证书的要求，与BIM软件企业合作建设“1+X”中级证书要求的学习MOOC。与施工企业合作，针对具体BIM项目建设符合“1+X”高级证书要求的学习MOOC。

五、SPOC环境

从原型系统的数据分析也可以看出，案例演示和学习成果展示的资源浏览量高。因为，通过案例演示的学习，使得学习者能在系列操作后，获得阶段性成就感；而学习成果的展示，让学习者感受到愉悦。比起教师的引导作用，这样的分析结果应用到平台建设不能完全达到预期的效果，更多的知识关联引导和个性化支持服务，只能由教师来完成。

学习是学习者自主建设知识体系的过程，由于人工智能和个性化技术的提高，支持学习者进行单项技能的个性学习技术已经很成熟，但要进行知识的体系化建设还需要教师面对面以学习者更能接受的方式完成。目前学习者在网络上搜索资源进行主动学习的比例还是很低，但在SPOC环境下，教师能够应用教学经验，把握学习者的学习动向，引导他们利用网络资源建构完整的知识体系。

在SPOC环境下，教师将“1+X”BIM各等级证书的要求，采用个性化的手段通过组合教学和翻转课堂进行教学，能充分地提高学习效率，并对学习过程进行记录，梳理教学过程中的得失，整理记录下的过程资料进行选择和编辑，作为案例MOOC补充到MOOC集中，逐步形成可优化的专业型BIM技术学习平台。

在技术允许的情况下，平台将不断加装人工智能、大数据挖掘、智能推荐模块，以实现更高水平的个性化学习支持服务。

六、建筑设备专业BIM应用案例

由于不同的专业会呈现不同的学习需求，在框架运行过程中也将出现不同的教学状况，SPOC环境的建设也会出现不同形态，下面以建筑设备专业应用为例，阐述SPOC环境建设以及其在框架中的应用。

建筑设备的BIM的主要价值体现在应用软件完成机电建模并进行碰撞检查、净高分析、管线综合排布、虚拟漫游等BIM技术应用，发现问题并解决问题，展开深化设计，大幅度减少返工，避免工期延误，并对现场的施工形成有效指导，提高工作效率。

由于没有系统的学习方法可借鉴，加之学习资源以及建模插件种类繁多，导致学习周期长、效果差等问题频繁出现。因此需要合适的有针对性SPOC环境，分类整合学习资源，提供系统化的学习引导，帮助学习者高效掌握建筑设备的BIM相关技能。

（一）成立BIM学习兴趣小组

引导学习者成立BIM学习兴趣小组，结合MOOC，通过对兴趣小组进行Revit软件入门培训，使BIM兴趣小组学员对建模软件有相应的了解，对BIM技术有更深入地认识，确定兴趣小组的BIM应用规划，通过不断的培训和学习，选择部分项目进行试点实施，通过实践打造出专业的建筑设备BIM技术团队。

（二）组队参与各类BIM毕业设计大赛团队

推进教学改革，鼓励学习者参加各类BIM技能竞赛，重视培养学习者的创新实践能力，通过以赛促学的方式提升学习者的专业机电BIM技能，从而除了学习之外，还可以提升他们的就业层次。组建BIM毕业设计大赛团队是培养和提高在校生专业技能的有效途径。通过逐步完成组织单位设计的任务单和成果提交，模拟完成具体项目，能够有效地提高学习者的专业和相关软件的学习和操作技能水平。作为SPOC环境的一部分，这样的措施一方面提高学习者学习成果的综合应用，另一方面提升学习者知识的组织能力，为制作个性化的MOOC支持提供了素材。

（三）学习内容与具体教学实施

建筑设备方向的BIM是一个整体的信息模型，是建设项目数字孪生的重要组成部分，能够连接建设项目生命期的不同阶段的数据、过程以及各类资源，是对工程对象的完整描述。在项目的全生命周期中提供可自动计算、查询、组合拆分的实时工程数据，供建设项目各协作方使用。学习者的学习过程从图纸分专业建模开始，经历多个专业模型合模、碰撞检测、净高分析、设备管线优化、三维漫游等后，最后进行施工图纸出图和相关文件资料的导出及实际应用。

图3 电气设备模型

1.按图纸、分专业完成各机电设备BIM模型任务。演示案例输入结果如图2、3、4、5。

图2 给排水及消防模型

2.对综合机电设备BIM模型进一步深化设计及优化。其碰撞检测结果分析如图6所示。

图6 碰撞检测结果分析

（四）教学与行业深度融合

学习者的学习成果应用到实际场景，因此需要聘请行业专家到学校有针对性地讲授软件操作，提高学习效果。用实际工程案例给学习者介绍，并提出学习建议。这样对学习者进行针对性培养，也促使学生通过相关课程学习进行实践操作，在毕业后能轻松运用各类BIM软件完成建筑设备建模及深化设计的任务，获得社会的更高程度认可。

图4 暖通设备模型

图5 机电设备综合模型

七、结语

本文研究基于大数据环境的BIM技术学习模式，在教学中建设了原型化平台，结合线下教学，构建了“MOOC+SPOC+SA”的混合教学模式，以及能够自我优化的运行机制，用“1+X”BIM证书的作为教学的目标规范。该学习模式的运用符合学习者的学习规律，适应BIM技术日益变化的行业需求，经过个性化解构后，也可作为操作范式在其他行业的教学中推广应用。