海洋空间资源开发工程BIM技术的递进式教学模式探索

杨洁 张蔚 陈美香 王瑞彩

［摘 要］为适应信息化时代的快速发展，河海大学针对海洋空间资源开发工程BIM技术进行了“课程教学—课程设计—毕业设计”递进式教学模式的实践。通过与海洋资源开发和防护工程相结合，提高了学生触类旁通、解决实际工程问题的能力；灵活的课题布置方式培养了学生的发散思维方式和自由探索能力。思政元素的融入将可持续发展的生态理念有效植入，并提升了学生的行业認同感和民族自豪感。递进式教学模式既提升了传统工程技术类课程的维度，也为BIM技术贯穿专业全过程培养的可行性探索提供了借鉴。

［关键词］河海大学；海洋资源开发技术专业；递进式教学模式；思政融入；BIM技术；毕业设计

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）01-0069-05

党的十九大明确提出了“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”的战略部署，标志着我国正向海洋强国的方向迈进，亟需海洋资源开发和利用的专业人才[1]。河海大学积极响应国家建设海洋强国战略需求，依托港口海岸与近海工程学院筹建申报了海洋资源开发技术本科专业，于2018年顺利获批。该专业以建设中国特色、世界水平的一流本科教育为目标，遵循“育人为本、德育为先、能力为重、全面发展”的育人理念，坚持以社会和行业发展对人才素质的需求为导向，以培养创新能力强、具有国际视野、适应社会经济发展需要的海洋资源开发技术专业高素质复合型人才为己任。为对标国家及地方政府对BIM（Building Information Modeling）技术的大力引导[2-5]和海洋资源开发、管理领域对BIM人才的迫切需求，专业专门开设了海洋空间资源开发工程BIM技术课程及配套的课程设计，旨在培养学生从事海洋海岸资源开发（如新能源开发、油气开采和海上风电等）和海岸防护工程（如减灾规划和防灾设施提标）等工作的基础技能。为了更好地达成培养目标，课程教学在思政元素融入、教学环节设计、教学手段安排等方面做了精心策划和充分实践。本文对相应的实践活动及效果做了系统总结，以期不断完善教学方案，提升教学效果。

一、BIM技术的发展背景

BIM技术是基于数字技术的三维可视化参数模型，以开放、共享的模型和数据库为工程项目全生命周期提供可靠的管理和决策依据，旨在促进项目各参与方有效协同和技术创新，实现全环节的动态管理。该技术与工程建设的信息化、产业化息息相关，于2000年前后在全球迅速发展壮大，极大提升了相关行业的生产力水平，促进了创新性建造工艺的发明和应用，并加快了与虚拟现实（VR，Virtual Reality）、人工智能（AI，Artificial Intelligence）、云计算和5G等新技术的联合应用[6]。BIM技术作为一种新兴技术，是新时代技术变革和社会发展的产物，与国家可持续发展、信息化发展的规划高度吻合[5]。BIM技术在助力中国水利土建工程新技术突破、促进生产力提升、提高共建“一带一路”国家的基建工程援建能力等方面具有重要作用，这对推进我国国家进步、实现中华民族伟大复兴具有深远意义。

二、BIM技术课程递进式教学模式构建

海洋空间资源开发工程BIM技术课程及其课程设计是海洋资源开发技术专业的重要教学和实践环节之一，开设在本科四年级的秋季学期。由于毕业设计设置在次年的春季学期，课程组进行了递进式教学模式的尝试，主要涵盖“课程教学—课程设计—毕业设计”三方面的连贯性教学内容。课程教学理论基础与软件实践并重，课程设计和毕业设计通过逐步加强与专业课内容的结合提升实践应用能力。同时，考虑到立德树人在当前高等教育中的实际需要，在教学环节中有效融入思政元素。

（一）教学内容设置

作为以实践为主导的课程，教学环节的设计特别注意了专业的针对性。BIM软件如Revit等在出现和发展的早期普遍应用于建筑、结构等专业，在海岸工程、水利工程等专业应用较少，能直接使用的对象库、族等模块文件较为有限，而针对海洋资源开发技术专业相关的应用实例和专门性的教材基本是空白。课程组在制定海洋空间资源开发工程BIM技术教学内容时，将BIM技术充分与本专业在海岸资源开发、防灾减灾及生态环境保护与修复方面的相关工程相结合，不断完善并扩充可供学生课内外练习的案例，尝试将BIM技术应用到本专业的本科毕业设计中，与时俱进地提高海洋资源开发技术专业人才培养与国家发展方略的契合程度。

（二）教学环节设计

1. 课程教学环节

BIM技术的理论教学需聚焦于其意义、应用优势及未来发展方向，旨在使学生掌握全生命周期工程理念及BIM技术在各工程阶段的应用方式，是课程教学不可或缺的一部分。因此，首先，海洋空间资源开发工程BIM技术授课的基础理论和软件建模两部分教学内容三七分配；其次，BIM软件随着BIM技术的迅速发展层出不穷，讲解全部软件是不现实也是不必要的。本课程通过重点教授一到两个主流建模软件的使用方法，使学生掌握建模核心思想，培养学生触类旁通、举一反三的学习能力。

在具体的课程教学实践中，理论部分结合海洋资源开发技术专业的工程案例讲授BIM相关的理念及在工程各阶段的应用。在软件教学环节，与本专业教学培养大纲中水利工程制图课程相衔接，建模软件选择Autodesk同系列的Revit和Civil3D软件，并鼓励学生充分利用网络资源自学其他软件作为补充。教学方法采用“课堂讲授引导+学生案例分享”的综合形式，鼓励和引导学生通过课下调研和课上分享的方式展示和分享调研成果。课程实践环节选择体量不大、结构简单的项目，以学生独立完成的形式为主。通过闭卷考试和课程大作业的形式分别考查学生的理论知识和建模实践能力。

2. 课程设计环节

海洋空间资源开发工程BIM技术课程设计一般在理论课程结束2～3周后开展，为课堂教授内容的综合实践环节，布置的建模课题提高一定的复杂度，并与海洋资源开发、海岸带防护和防灾减灾等方面的工程关联更为紧密。该环节以个人形式来完成，综合评价每名学生的学习效果和动手实践能力。通过本环节的教学实践，丰富和改进可用于海洋资源开发技术专业的样板、族等素材，并选取一些优秀的课程设计成果作为后续教学案例的补充。

3. 毕业设计环节

毕业设计是毕业生走向工作岗位前非常重要的一项综合实践环节。由于海洋资源开发技术专业还未形成完善的毕设题库，毕业设计的题目主要参照港口航道与海岸工程专业的涉海毕业设计进行布置。“防波堤设计”是毕业设计的重要方向之一[7]，主要内容包括港口防波堤平面布置和断面设计比选，根据断面设计的难易程度，可灵活增减设计水位推求、港前波要素推算等内容，是对专业课知识很好的综合训练。在此基础上，增加BIM建模要求，即针对最终比选的防波堤平面布置方案和断面型式进行三维建模和渲染。

三、教学内容的思政融入

BIM是体现新时代技术变革的技术之一，与国家发展方向和时代风向标紧密契合，在课程教学过程中融入思政元素并与成熟的建造技术深度结合是非常必要的。结合课程授课环节，思政教学案例紧密围绕BIM理论和技术的具体内容，采用案例教学为主的方法形成层层递进、环环相扣的思政点，在整个教学环节中融入贯穿。具体可以从下面三个方面进行实践。

（一）不畏攻坚克难，践行工匠精神

以上海世博馆、中国尊等工程为实例，介绍设计师如何利用BIM技术克服困难，实现复杂的造型和结构设计方案。以港珠澳大桥、上海中心大厦为实例，讲解工程师们如何精益求精、优化施工工艺方案，提升施工速度和质量并实现节能环保。从火神山医院[8]、上海中心大厦引入介绍建筑工业化在国内外的发展情况，让学生了解BIM与相关新技术的未来發展趋势和联合应用前景。

（二）打造绿色建筑，助力生态文明

通过张家港生态村、天津文体中心等工程中的绿色理念和节能措施，引入绿色建筑的概念，CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真、声光模拟、能耗模拟等具体应用，以及环保节能措施。通过介绍我国在能源和环境问题上的政策导向及相关法律法规[9]，使学生了解绿色建筑理念在环境和生态等方面的社会和经济效益，践行绿色生态理念。

（三）研发自主软件，占领技术高地

在讲授国内外BIM主流软件优缺点及应用情况时，着重讲解我国PKPM、广联达BIM5D、鲁班等软件在深化设计、施工管理、运营等方面的应用实例，特别是与我国政策、国情适配，适应我国设计院和建筑行业工作模式的情况；介绍我国软件助力重大工程项目攻坚克难、攻克“卡脖子”技术难题的情况，以及在“一带一路”港口援建等项目中所发挥的积极作用，培养学生在自主研发和科技创新方面的自信心和行动力。

四、教学结果展示与评价

（一）课程教学效果

在2022—2023学年秋季学期开设的相应课程中，课堂上通过三维模型、动画和视频的方式分享了诸如港珠澳大桥通关大楼地下公用设施网络碰撞冲突、施工进度管理，火神山医院和世博馆中国馆利用装配式工艺、BIM协同设计实现超紧工期完工，上海中心大厦在设计和施工中解决异形建筑强度、绿色环保节能技术、复杂管线优化等方面的应用等案例。对这些重大或标志性工程项目的介绍大大增强了学生的民族自信心，激发了其将来成为建设美好国家工程建造者的自豪感。课程实践的目的是使学生通过实操掌握Revit软件各个模块的基础功能。基于Revit本身的建筑属性，选用了民用建筑楼的建模任务，使学生充分练习了Revit中标高、柱网、门、窗和楼板等图元的建模方式，楼层视图等模型的查看和交互方式，以及参数化族的创建等操作。从教学实践效果来看，海洋资源开发技术专业19级27名学生均能掌握Revit软件各图元的建模方法，但同时也存在细节处理不完善（如扶手的连接设置）等问题。

（二）课程设计结果展示

与课程教学中的实践环节不同，从课程设计开始，建模目标采用海洋资源开发、海岸带防护和防灾减灾相关的工程型式。本次课程设计实践内容为复坡斜坡式海堤，要求学生根据海堤断面的图纸进行实体建模，断面护面、垫层等材质根据需要进行参数化创建，同时对断面图进行尺寸标注并出图（如表1所示）。为了提升海堤建模的元素丰富性与增强学生灵活处理复杂问题的能力，除了以上必选内容外，此轮教学环节中还在课程设计题目设置上尝试增加了自选模块。具体地，学生可自由选择完成至少一项自选模块，教师根据完成数量和质量予以赋分；涉及的自选模块大于一项时有可能出现溢分，如此设计的原因是鼓励学生在完成情况不完美时进行多方面的建模尝试。同时，与思政教学点中绿色生态理念相衔接，自选模块一的海堤生态化改造措施正与国家建造人与自然和谐社会理念相一致，使学生通过相应练习对我国各海岸生态海堤的发展现状有所了解。

根据本轮教学活动实践的结果（见表2）来看，自选内容中选做1个模块的共14人，选做2个模块的共8人，选做3个模块的则有4人，即有将近一半的人选做了2个及以上模块的内容。结果表明，“必选+自由自选”的模式极大地调动了学生自由发挥的积极性，对于培养学生的发散思维、灵活解决问题的能力大有裨益。同时，在进行相应海堤断面的生态改造、扭工字块的参数化建族及说明书撰写的过程中，需进行一定的文献和规范的查阅，也同步增强了学生阅读文献、数据分析等科研能力。

（三）毕业设计结果展示

此次毕业设计题目为“浙江省苍南县中墩渔港防波堤设计”。根据当地水深和波况等条件，通过绕射计算、结构稳定性验算、地基沉降等计算，最终选用复式斜坡堤断面型式的单突堤布置。在以上传统毕业设计工作的基础上，本次毕业设计内容进行了BIM建模。基于断面结构具体尺寸，针对扭王字块与防波堤结构自建参数化族模型，各构件材质依照真实施工材料材质创建。沿防波堤轴线方向，堤身分别采用拉伸、旋转及放样融合等命令创建。考虑结构的稳定性，护面块体采用交错、勾连的方式放置在堤身港外侧与堤头两侧，图1即为堤身、堤头段断面形式及实际结构三维示意图，扭王字块根据相应规范[10]的密度要求进行布置。

BIM模型渲染与漫游可以更加全面、真实地展示工程的全貌，当施工工艺复杂时，还可以提升设计方与施工方之间的沟通效率并利于优化施工工艺。因此，为还原更真实的斜坡堤立体结构及其在不同设计水位下的真实使用情景，毕业设计中还对比了分别采用Revit和Lumion软件进行渲染的效果（见图2）。本次毕业设计采用了Revit to Lumion Bridge插件以dae文件格式导入模型，可以更好地保留Revit软件中的材质参数，同时Lumion中海水的波面效果更为真实，添加船舶等交通工具进一步增强了视觉沉浸的效果，总体优于Revit。

（四）教学效果评价

BIM理论和建模软件的演示教学加深了学生对BIM技术在工程建设各环节应用的理解，通过与海岸防护等工程相结合，复杂度和专业度逐步提升的课程设计和毕业设计的实践题目极大提高了学生动手实践、项目管理和解决复杂问题的能力。递进式教学模式的实施，使学生初具了基于BIM技术的规划、设计、施工和运维等工程全生命周期中的信息共享和协作的理念，提升了学生在信息共享、灵活解决实践问题等方面的能力，同时也形成并逐步完善了适用于本专业的教学资料库。

课程中思政内容的融入，培养了学生的全球化视野，使之能够对相关创新技术的历史变革及未来发展趋势准确把握，增强团队合作和国际竞争力；增强了学生学习新知识、掌握新本领的自觉性和紧迫感；培养了学生脚踏实地、艰苦奋斗的精神，提升了学生的行业认同感和民族自豪感，有利于培养具有担当的海洋工程人才；使学生初具了绿色、环保、可持续发展的工程建设理念，从细微点滴之处践行社会主义生态文明建设。

针对此轮教学的各环节实践，本文总结了在后续教学中可以改进的地方。目前培养方案中大四上学期仍有18.25个学分（其中5.5学分选修）的课程，而半数以上学生还有考研的压力，因此在课程设计题目的设置上做了一定简化，如海堤底部未考虑地形的起伏变化，并将在以后的教学中对题目进行进一步打磨完善，使其综合性增强，并可逐步增加海上油井平台、人工岛等新课题，逐渐扩充课题库。同时，本轮教学中原计划在课程设计布置（原安排在2023年元旦过后的一个教学周）时邀请相应行业单位的BIM工程师开展一次BIM案例讲座，但由于2022年底的突发疫情情况，课程设计被迫延期，讲座未能开展，此项教学环节将在下一轮教学活动中执行。毕业设计课题方面，今后可做进一步深化探索：以个人方式完成的毕业设计课题可以适当减少结构设计的工作量，而选择性增加BIM在能耗分析、造价分析中的应用，增加BIM技术应用的深度；在学校培养模式允许的情况下，可尝试以多人或多专业协作的方式进行复杂度较高的BIM建模，以拓展BIM技术应用的广度。我国设计院多为综合性技术单位，若能实施多人多专业协作的毕业设计方式，相信对于培养能进行二次开发的具有一定科研能力的复合型BIM技术人员大有裨益。

五、结语

海洋空间资源开发工程BIM“技术课程—课程设计—毕业设计”的递进式教学模式作为新开专业和新开课程的教学模式的探索，是培养具有BIM技术的海洋资源开发技术专业高层次人才的基础，使学生真正做到懂BIM和用BIM，也是后续专业建设中不断将BIM技术融入工程经济、工程管理等专业课程的先行尝试，可为推动本专业BIM技术人才的全过程培养提供参考。多层次教学活动的实践避免了相关课程成为纯软件建模教学的BIM课程并改善了本专业教学案例较少的现状。将BIM课程延伸到毕业设计当中，不仅提升了毕业设计内容的维度，也为BIM技术人才的全过程培养提供了有益参考。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 吴亚平. “海洋强国战略”背景下本科人才培养模式改革探讨[J]. 科技与创新，2020（19）：100-101.

[2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.住房城乡建设部关于印发2016－2020年建筑业信息化发展纲要的通知[EB/OL].（2016-09-19）[2023-06-10].https：//www.mohurd.gov.cn/gongkai/zhengce/zhengcefilelib/201609/20160919_228929.html.

[3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部，发展改革委，科技部，等. 住房和城乡建设部等部门关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见[R]. 2020.

[4］ 中国建设报.“十四五”住房和城乡建设科技发展规划印发[EB/OL].（2022-03-16）[2023-06-10].https：//www.mohurd.gov.cn/xinwen/gzdt/202203/20220316_765150.html.

[5］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.住房和城乡建设部关于印发“十四五”建筑业发展规划的通知[EB/OL].（2022-01-19）[2023-06-10].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-01/27/content_5670687.htm.

[6］ 张玉琢， 马洁， 陈慧铭. BIM应用与建模基础[M]. 大连： 大连理工出版社，2019.

[7］ 魯子爱. 港口航道与海岸工程专业毕业设计指南[M]. 北京： 中国水利水电出版社，2000.

[8] 王琼. “大国工匠精神”融入工程估价课程思政教学改革的研究[J]. 产业与科技论坛，2022，21（13）：133-134.

[9] 中华人民共和国住房和城乡建设部.绿色建筑评价标准GB/T 50378-2019[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[10] 中华人民共和国交通运输部. 防波堤与护岸设计规范JTS 154-2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

［责任编辑：雷 艳］