产出导向的GeoBIM培养目标分析与达成

陈松，李筱艳，蒋甫玉

（河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京）

一 背景

GeoBIM，即三维地学建模3D Geoscience Modeling与建筑信息管理Building Information Management的结合。三维地学建模于上世纪末于石油勘探部门的工程实践中提出[1]，是计算机、智能科学等在地学领域的实践、探索，是地质勘探信息搜集处理、三维可视化、信息管理、三维地学分析等一系列工作的统称。近年来，随着BIM在建筑、水利、交通等行业成为热点，地质勘察成果纳入工程全生命周期管理已呈大势所趋[2]，并为地质体正向建模与地质工程正向设计提供了舞台，敦促行业进行信息化升级和改造，催生了一类典型的多学科融合的新工科培养领域。三维地学建模理论、方法与建筑信息管理相融合，诞生了GeoBIM相关的应用[3]，形成了一类新的就业领域和学科领域，相关的规范规程陆续颁布实施。诸多设计、生产单位在2018年后设立了岩土BIM部门，并在软件研发、实践应用等领域不断探索[4-5]。与之不相匹配的是，高校缺少相关的能力培养、实践训练，与之相关的理论和应用或缺少系统集合，或分散于跨度较大的诸多课程之中，或由大学生创新创业训练及各类技能大赛驱动呈短期突击的形态，难以满足该领域的现状、发展需求，也不符合当前开展新工科教育的理念。认识和重新评估相关的培养、教学目标，并针对性地设置毕业要求和课程目标、开展达成度评价，是服务于GeoBIM这一新兴就业领域人才培养需要的当务之急。

二 培养目标分析

2017年以来，我国推进了新工科建设。普遍的认知是，需要加强学科融合，通过多渠道合作联动培养以满足对创新型复合人才的需求。另一方面，工程专业认证将工科专业培养目标概括为“工程知识、问题分析与表达、设计/解决方案、工程与社会、工具与技术、职业操守与规范、个人与团队、项目管理以及终生学习”等12个大项，我国在2006年以来，由教育部主导推动了工程专业认证的新一轮实践，目前，地质工程专业领域参加认证的已经过半。为了细分层次并与本专业人才培养定位相适应，各个高校的相关专业纷纷提出了自己的毕业要求分项指标，以河海大学地质工程专业为例，按基础、应用等不同主题将毕业要求进一步分解为28项[6]，明确当前的本科专业人才培养目标为“培养基础厚、专业宽、创新能力强、发展后劲足的高级专业技术人才”，其中，通过构建“基础实践→专业实践→工程实践→研究实践” 四级递进式工程实践能力培养途径，侧重环境治理、灾害治理、信息化领域的创新能力培养。

支撑GeoBIM能力的，包括地质资料入库及管理能力、三维插值处理及制图能力、必要的地质历史和作用推演能力。其中，三维插值处理及制图有赖于软件的支持和实践锻炼，必要的地质历史和地质作用推演能力则在表达特殊地质体、开展多尺度、多源信息融合和质量控制过程中起着重要的作用。这些能力的培养，既迎合三维地学建模的生产需要、流程需要[7]，也能够有效地组织学生的理论知识体系，从产出的角度倒逼其梳理术语、概念，在可视化的过程中逐步降低地质信息本身固有的离散性，提高依据属性信息开展模型推测的准确性、代表性，形成勘察项目管理和工程地质条件分析的综合能力。作为一个新兴的学科，新的研究和实践成果的不断补充也使其保留一定的外展延拓性，如近两年随着数据积累和经验的积累，不断地有开展多专业协作设计的呼声，从而拓展GeoBIM延伸至项目的全生命周期之中，数字城市、透明城市、韧性城市等都涵盖了GeoBIM作为体系中的一环。同时，源于能力的综合性，GeoBIM对学习者有一定的基础要求，包括计算机应用能力、工程制图与数据库管理能力、构造地质分析与专题图测绘和制图的能力、工程勘察项目组织与资料整编的能力等，从勘察方案编制、勘察工作实施、勘察成果整理的产业流程链而言，更偏向于后段，即勘察成果整理。为此，从人才培养需求和就业导向考虑，三维地学建模与信息管理课程培养目标应主要着眼于“问题分析与表达”“工具与技术”“项目管理”方面的素养，并重点承担相应指标点中偏于应用的层面，如表1所示。

“运用合适的理论和工具，遵循工程项目管理和实施的要求开展地质条件的有效表达并开展分析”，应当是这门课程需要实现的培养目标。而鉴于GeoBIM在产业链条上的位置，其具有侧重资料处理、现场实作（野外勘察）环节少的特点，毕业要求中的工程知识、设计/解决方案、工程与社会、终生学习等非其重点肩负的培养点。生产实践中，个人与团队之间协作的情形比较多，但更关注跨专业的协作、与前期资料收集及后端设计的交流与合作，重于室内资料整理而轻于外业协同，因此，教学目标上，问题分析与表达方面、多学科协作的要求要高于团队协作，故而，不将团队协作作为在校期间课程教学的重点目标。此外，虽然业界已经提出了地质工程正向设计的理念，但在教育教学领域，由于难以制定符合共性的目标，正向设计仍维持于正向建模阶段，即逐步收集勘察、地质测绘成果，采用推演、搭建的方式建立模型，而非由现场勾绘、推测图形的数字化回溯模型，学生重在认知和熟悉地质建模的前期数据准备、几何模型构建、属性建模等，而模型产出并应用于设计实践的部分需要在具体的工程实践中加以强化。职业操守与规范，则适合纳入课程思政的目标中。

此外，如表1中5.2的内容所述，技术在使用的过程中，需要理解其限制，并遵循必要的工程哲学和伦理。工程实践的不断深入与总结，将经验提炼为准则可以孕育出深厚的工程哲学[8]。GeoBIM所服务的工程勘察行业，其工程哲学[9]包括“工程需要良好的地质条件”“工程地质问题的产生源于工程地质条件不满足工程需要”“地质问题会导致或加剧工程问题”“地质问题的分析要与工程分析同时开展”“工程勘察是在权衡代表性和有效性的条件下开展的”“工程问题的查明和分析过程有递进性”“考虑研究对象的离散性需要择重点开展工作并对地质条件做适度概化”等。这些哲学蕴含着丰富的工程精神，包括求真务实、定性与定量密切结合、循序渐进、系统分析、兼顾适用性和可靠性、兼顾技术可行性和经济合理性等。地质信息具有显著的离散性、多尺度、多源、多Z值属性、随时间演化、海量性等特征，使其有别于侧重重现或复刻地质模型的地质测绘制图，需要有一定的理论基础和分析能力，更需要领悟上述的工程哲学并在实践中加以应用。

表1 课程承担毕业要求指标点分解

三 教学安排与达成度评价机制

从目前教学实践分析，由于计算机应用在我国教育中的普及，GeoBIM开课实践基础厚实、但理论基础相对薄弱，对学习者在地质构造、岩土体分类及其力学特征、工程勘探等方面的知识储备要求较高，对工程背景知识和区域地质条件的认知要求较高，领悟前述工程哲学需要积累必要的工程背景知识和掌握完备的地质分析基础，因此，GeoBIM更多地作为高年级实践环节开出。时间节点上，可选的集中于三年级下～四年级上，以便在第一学年完成计算机基础、制图基础的学习，第二学年开设矿物岩石、构造地质、地史古生物等专业基础，接续第三学年土力学、岩石力学、水文地质基础、工程物探与钻探等内容，并行于工程勘察或生产实习环节开出。

课程形式上，排除大类理论基础课、专业基础课、通识课，在专业主干课、实践教育课等类别中选择。考虑到其培养目标的达成以明确的产出目标作为要求，并为了应对新工科教育潮流做好以基地、联合实验室为特征的产教结合，选择实践教育课的形式更为合适，从而可以集中资源、协调企业与单位在软硬件方面提供支持，在短期内提高教、学效率。河海大学地质工程专业2020版的人才培养方案和教学计划中，将GeoBIM作为主干内容开设于“地质工程制图与建模”实践教育课中，为期2周、集中进行。

目前，围绕培养目标及毕业要求的达成，教学目标落实于如下四点：1）了解矢量制图的理论和方法，掌握工程形体及地物的表达方式和工程图样的绘制方法，学会使用平面矢量绘图软件绘制、标识工程图样，开展图样定制化输出与分发。2）了解地质平面图、剖面图等专业图件绘制的规范要求，掌握相应信息收集、整理的方法，掌握绘图软件选择原则及主要制图流程，熟悉图件分区着色、花纹填充等标识方法。3）了解三维地质建模的关键理论与方法，掌握属性建模的信息准备、信息加工方法，学会数字化、插值加密等必要的建模操作，学会利用相关软件进行地质测绘与勘察信息的管理、空间分析与地学统计。4）拓展在工程勘察、建设与管理、防灾减灾与环境保护等领域的管理、信息化及地质正向设计能力，重点拓展应用GeoBIM解决实践难题的能力。教学目标上，延伸三维地学建模与二维地质制图之间的关联，让学习从二维起步最终拓展到小组合作的三维空间，同时，考虑到了建模信息来源的多样化，兼顾物探、钻探、遥感、实验、观测等多源信息的融合，使建模过程自几何建模丰富到“几何+属性建模”，强化多学科协作背景下有效表达信息的课程属性。各个环节的时长安排如表2所示，第一阶段采用个人学习和考核的方式，其余阶段采用团队协作并考核的方式，其中，第二阶段三维属性建模囊括地层、构造、岩溶或储层的构建，第三阶段开展危岩体、不稳定地质体的辨识与体积计算和稳定性分析。软件选择上，除了平面矢量制图考虑到了通用性和数据共享的需要选择欧特克公司产品，其余环节均以国产软件和自编程序作为基础。

表2 课程教学内容及时长安排

与课程教学目标匹配的育人目标为：1）培养学生社会责任感、执业操守与知识产权保护意识，通过学科发展历程、国内外进展、当前专业热点等的介绍，激发其责任担当意识；2）培养创新思维和奉献精神，推动形成崇尚精品、恪尽职守、务实肯干、注重诚信的优良作风和职业操守。考虑到GeoBIM信息处理过程中会遇到的多源多、尺度信息融合的难题，着重强调遵从实践调查成果，对现场收集资料的不易心怀敬意与敬畏，在开展建模操作和成果应用的过程中，理解本专业在整个全生命周期设计与工程管理中的重要地位，对“隐蔽工程”（如钻探编录）中的瑕疵绝不忽视，对各类异常积极分析，为真实表达地质体实际状态而兢兢业业地开展工作。同时，鼓励立足国产工业软件，做好尊重知识产权和保密原则下的研发与创新。

两年一度的高校地质技能大赛给学习效果提供了检验机会，校内开展的“思远道-绘制我的家乡创意比赛”则给同学提供了展示创意的平台，生产实习及毕业设计环节给同学提供了基于所学开展专题工作的机会。配合虚拟仿真实验平台、慕课建设构建线上资源，由中电建华东勘测设计研究院、加华地学(武汉)数字技术有限公司等通过提供软件、案例介入教学。目前，已经建立了江苏省级优质虚拟仿真实验课程1项，建立企业参与的共建实验室1个、实习基地2个，持续组织同学参与水利、交通领域BIM建模竞赛，丰富了教学资源、教学方式和激励机制。

考核及达成度评价层面，教学目标的1～3点较易开展，目标4与育人目标，则采用小组协作过程中学生互评、毕业生问卷调查的方式开展。教师对学生达成情况的评价是接收反馈并改进的重要基础，为了避免主观性，通过建设网络慕课资源、虚拟仿真实验资源，将浏览学习、按步骤操作完成基本模型构建这两个易于在离线的情况下“蒙混过关”的环节设置具体的时长、步骤考核要求，从而提升客观评价达成情况的能力。企业适度参与到教学过程中，一方面提高了企业的知名度，一方面高校拓宽了学生精准就业和精准反馈生产应用现状的渠道，便于更针对性地做好持续改进工作。学业结束后反馈，给予了课程设置改进的具体目标，如小组协作从之前的5人调整为3～4人，保证了小组内分工的清晰和运转效率。

四 结语

GeoBIM由于本身的庞杂性和专业性，需要聚焦培养目标，同时，合理安排教学周期以体现出教学内容的继承性和前瞻性。作为新从业领域且偏重实践的一门学科，课程需做到融理论与实践于一体、融工程哲学与思政于一体。实践过程中，秉持“厚基础、重实践、善创新”的人才培养目标，采用实践教育的方式进行课程形式组织，遴选热点案例，集中时间在有限的学习阶段内激发同学学校效率，使其深刻领悟教学内容的内涵，可以避开实践过程中单兵作战的挫折感、避免教学方法时效性滞后的缺点，从而更好地应对新工科背景下对专业人才的需求。而资源的多样保证了教学形式的多样，从而为分阶段推进考核提供了基础。