摘 要:隨著信息化和智能化在水利行業(yè)的應(yīng)用,BIM技術(shù)的教育刻不容緩,高校應(yīng)積極承擔(dān)這一任務(wù),培養(yǎng)掌握BIM技術(shù)的水利人才。水利工程制圖課程與BIM技術(shù)具有同源性、相近性,要轉(zhuǎn)變思路將兩者進(jìn)行融合,從課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)、課程內(nèi)容構(gòu)建、課程教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)評(píng)價(jià)創(chuàng)新、加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)等方面,推動(dòng)基于BIM技術(shù)的水利工程制圖課程的教學(xué)改革。
關(guān)鍵詞:BIM;水利工程制圖;數(shù)字化教學(xué)
中圖分類號(hào):G4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):2096-0069(2020)05-0044-05
收稿日期:2020-05-12
基金項(xiàng)目: 2019年河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐重點(diǎn)項(xiàng)目“基于高職教育高質(zhì)量發(fā)展的‘三教改革研究與實(shí)踐的階段研究成果”(項(xiàng)目編號(hào)2019SJGLX639);2018年黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目“BIM 技術(shù)在高職水工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用”
作者簡(jiǎn)介:關(guān)莉莉(1981— ),女,河南開封人,碩士,副教授,研究方向?yàn)樗こ?、?jì)算機(jī)繪圖教學(xué)和BIM技術(shù)。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)由原來二維的CAD繪圖逐漸發(fā)展到協(xié)同合作的BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)技術(shù)。BIM技術(shù)理念最早由喬治亞理工大學(xué)的Chuck Eastman教授提出。它通過Revit、Tekla、Autodesk Naviswork等一些BIM軟件,首先創(chuàng)建出仿真建筑物構(gòu)件以及附屬構(gòu)件和模擬環(huán)境,再通過信息化、數(shù)字化技術(shù)作用到建筑物的全生命周期過程。BIM技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于可隨時(shí)修改、完善模型,將設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維管理等集合到同一個(gè)平臺(tái),進(jìn)行實(shí)時(shí)修改、實(shí)時(shí)監(jiān)控,融入真實(shí)、仿真的元素,呈現(xiàn)出更加直觀的場(chǎng)景。
當(dāng)前,BIM技術(shù)在建筑、土木工程、給排水、暖通等領(lǐng)域的應(yīng)用已較為廣泛,但在水利行業(yè)的應(yīng)用尚處在起步階段。近年來,BIM在大型水利工程建設(shè)中也已嶄露頭角,與之相應(yīng),一些實(shí)力較強(qiáng)的水利設(shè)計(jì)院、施工單位、建設(shè)單位已將BIM技術(shù)列入計(jì)劃。高等院校是新技術(shù)推廣的前沿陣地,將BIM技術(shù)嵌入人才培養(yǎng)過程刻不容緩。那么怎樣才能將BIM技術(shù)融入水工專業(yè)的教學(xué)中呢?本文擬就水利工程制圖課程進(jìn)行分析。
一、水利工程制圖課程引入BIM技術(shù)的可行性
與建筑行業(yè)相比,水利工程中異型建筑物較多,在使用BIM技術(shù)時(shí)沒有成型的族庫可調(diào)用。也就是說, 水利工程項(xiàng)目在BIM技術(shù)中可借鑒的資源少,甚至可能每做一個(gè)項(xiàng)目都需要從零開始,這成為BIM應(yīng)用的主要障礙。因此,一些實(shí)力較弱的設(shè)計(jì)院、施工單位難以在項(xiàng)目上使用BIM技術(shù),但這一問題正逐漸緩解。
(一)水利企業(yè)對(duì)BIM技術(shù)人才需求迫切
近年來,一些大型設(shè)計(jì)院將BIM技術(shù)應(yīng)用到水利工程中,成效顯著,得到了業(yè)內(nèi)的一致好評(píng),這將BIM技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用推向了新的階段。如黃登水電站施工布置[1]、港珠澳大橋的施工進(jìn)度管理[2]、引漢濟(jì)渭工程三河口水利樞紐勘察設(shè)計(jì)運(yùn)維管理[3]等,這些項(xiàng)目已采用BIM技術(shù)對(duì)工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維管理的部分環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化,為水利相關(guān)企業(yè)提供了借鑒。作為一種新理念,BIM技術(shù)在相關(guān)水利工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維中展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)也不斷凸顯,讓越來越多的企業(yè)認(rèn)識(shí)到BIM技術(shù)的價(jià)值所在。對(duì)于水利相關(guān)企業(yè)來說,目前最迫切的是需要一批能夠掌握和運(yùn)用BIM技術(shù)的水利人才,這為高校水工專業(yè)基于BIM技術(shù)的教學(xué)改革提供了動(dòng)力。
(二)水利工程制圖課程與BIM技術(shù)具有相近性
BIM技術(shù)教學(xué)已在一些重點(diǎn)院校展開,尤其是土木建筑類專業(yè)BIM課程的開發(fā)已經(jīng)成熟,這可為水工專業(yè)提供借鑒。但水工專業(yè)BIM技術(shù)教學(xué)的基礎(chǔ)較弱,將其單獨(dú)作為一門課程的條件還不成熟,將BIM技術(shù)融入水工專業(yè)相關(guān)課程進(jìn)行教學(xué)是目前最為可行的方式。眾所周知,工程制圖是工程界的技術(shù)語言,水利工程制圖也是水工專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程。從現(xiàn)代水利工程中的應(yīng)用實(shí)踐看,BIM技術(shù)同樣具有基礎(chǔ)性地位。此外,BIM技術(shù)的基礎(chǔ)也是從圖紙和建模開始的,這與水利工程制圖課程的教學(xué)內(nèi)容具有同源性。因此,筆者認(rèn)為BIM技術(shù)和水利工程制圖課程在現(xiàn)代水利人才的培養(yǎng)中具有相似地位,若能將兩者融為一體,可為培養(yǎng)熟練運(yùn)用BIM技術(shù)的水利人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。所以,首先將BIM技術(shù)融入水利工程制圖課程,具有較強(qiáng)的可行性。
二、水利工程制圖課程引入BIM技術(shù)的必要性
水利工程制圖課程是水工專業(yè)及其專業(yè)群中理論與實(shí)踐相結(jié)合的基礎(chǔ)核心課程。該課程主要培養(yǎng)學(xué)生識(shí)讀和繪制工程圖的能力,在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)繪制工程圖的技能,學(xué)生在校期間一般需要學(xué)習(xí)2—3個(gè)學(xué)期,學(xué)習(xí)要求較其他基礎(chǔ)課程更高。隨著現(xiàn)代水利技術(shù)的發(fā)展和BIM技術(shù)的應(yīng)用,這一課程也迫切需要改革。
(一)教學(xué)內(nèi)容不盡合理
近年來,由于水工專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的修訂,人才培養(yǎng)中增加了實(shí)踐環(huán)節(jié),理論課時(shí)相對(duì)壓縮,作為專業(yè)基礎(chǔ)核心課的水利工程制圖課程課時(shí)也有所減少。這就需要在有限的時(shí)間內(nèi)將重點(diǎn)內(nèi)容講授給學(xué)生,如果按照以往的課程內(nèi)容授課,顯然是不合理的。此外,目前水利工程制圖課程教學(xué)內(nèi)容陳舊,沒有緊跟信息化技術(shù)發(fā)展的步伐,在與行業(yè)、市場(chǎng)信息化繪圖手段對(duì)接上明顯滯后,教學(xué)內(nèi)容亟待更新和調(diào)整。
(二)教學(xué)手段單一
當(dāng)前水利工程制圖課程一般有兩種授課模式:其一,在多媒體教室上課,實(shí)行單一的理論授課為主的模式;其二,在機(jī)房上課,采用制圖課程與CAD融合授課模式。在這兩種授課模式中,在線課程、智能課堂等互動(dòng)式、個(gè)性化教學(xué)手段使用較少,難以將“教、學(xué)、練、做、創(chuàng)”融為一體,在培養(yǎng)學(xué)生識(shí)圖、繪圖、建模等能力方面存在不足。引入BIM技術(shù)后,課程的開設(shè)條件要求更高,不但需要手工繪圖設(shè)施、計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)、BIM技術(shù)軟件環(huán)境,還需借助在線課程、智能課堂等進(jìn)行輔助教學(xué)。
(三)教師教學(xué)能力有待提升
目前,水利工程制圖課程要求教師具有較好的空間想象能力、正確的識(shí)讀工程圖和熟練的CAD技能,但對(duì)于BIM 技術(shù)等信息化手段在水利工程中的運(yùn)用則沒有要求,因此教師普遍對(duì)BIM技術(shù)引入教學(xué)的研究不夠,自身的BIM技術(shù)掌握水平有限,使得教學(xué)與實(shí)踐相脫節(jié)。BIM技術(shù)等信息化手段在行業(yè)的運(yùn)用,給制圖課教師帶來了新挑戰(zhàn)。BIM技術(shù)涉及的信息量較大,還存在多學(xué)科交叉、協(xié)同合作的情況,這就需要教師具有較好的業(yè)務(wù)素質(zhì)、較強(qiáng)的軟件學(xué)習(xí)能力、豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
三、BIM將帶來水利工程制圖技術(shù)的全面升級(jí)
水利工程制圖主要培養(yǎng)學(xué)生識(shí)圖和繪圖的能力,需要實(shí)現(xiàn)從二維圖形到三維圖形的轉(zhuǎn)變, CAD技術(shù)和BIM技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變。但從繪圖和建模邏輯看,BIM技術(shù)是對(duì)CAD技術(shù)的超越。CAD建模是通過圖形功能的交互式形成模型,遵循線框模型、表面模型到實(shí)體模型的邏輯,無法匯入相關(guān)數(shù)據(jù),也不能多人協(xié)同作業(yè)。BIM建模具有更強(qiáng)大的存儲(chǔ)功能,不但有結(jié)構(gòu)的基本信息,還有設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念,通過模型信息的集成和統(tǒng)計(jì),形成真實(shí)表達(dá)的視覺效果。BIM技術(shù)將二維圖形向三維圖形轉(zhuǎn)換是嵌入了真實(shí)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,不僅更加直觀、準(zhǔn)確,而且可以通過實(shí)時(shí)編輯實(shí)現(xiàn)三維和二維圖形的循環(huán)轉(zhuǎn)換(見圖1)。這就實(shí)現(xiàn)了思維和實(shí)體的統(tǒng)一,以BIM技術(shù)代替人腦完成了二維與三維的思維轉(zhuǎn)換。[4]
以常見水工建筑物——水閘的設(shè)計(jì)繪圖為例,使用CAD 建模工具,可以按照水閘工程圖的二維圖紙,將水閘的上游連接段、閘室段、消力池段、扭曲面段分別建模,再組合到一起形成水閘模型。這種建模方式在實(shí)踐中有以下缺點(diǎn):其一,無法修改。若部分模型創(chuàng)建尺寸有誤,無法實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù),只能將這部分模型重新建立,會(huì)導(dǎo)致工作量大大增加。其二,不便于觀察。CAD環(huán)境下可查看模型的外觀形狀,但對(duì)于水閘內(nèi)部或是斷面形狀則需要用剖切命令剖開才能查看,剖開后還需回退或是合并才能恢復(fù),操作起來較為麻煩。其三,不可直接出圖。CAD創(chuàng)建模型后不能直接導(dǎo)出施工圖,需要在布局里面進(jìn)行輪廓的抽取、拼接、繪制圖框標(biāo)題欄等,出圖過程較為煩瑣。
使用BIM技術(shù)創(chuàng)建水閘模型則實(shí)現(xiàn)了二維和三維實(shí)時(shí)編輯轉(zhuǎn)換:其一,可以實(shí)時(shí)修改。使用BIM技術(shù)創(chuàng)建模型過程中若有錯(cuò)誤,只需點(diǎn)擊創(chuàng)建錯(cuò)誤的模型進(jìn)入修改界面,按照正確的尺寸繪制即可。如水閘上游連接段護(hù)坡斷面繪制有誤,可直接點(diǎn)擊模型進(jìn)入繪制界面,修改完成。其二,便于觀察。用BIM技術(shù)創(chuàng)建的水閘模型,在屬性工具欄中只需將剖面框勾選,即可查看各方位的外觀形狀,還可查看建筑物的斷面形狀,如圖2所示。其三,可直接出圖。BIM技術(shù)創(chuàng)建的模型只需調(diào)用符合要求的圖幅,如水閘可直接調(diào)用基本圖幅,將需要的視圖拖拽到圖幅里即可。不僅可以出基本視圖,還可以出剖視圖,如圖3所示閘室段出圖。其四,創(chuàng)建族方便調(diào)用。BIM技術(shù)可以創(chuàng)建同類型族,如在水閘模型的創(chuàng)建中,上游連接段和消力池段都有支撐板,并且支撐板的特征面均為三角形,就可以將支撐板做成族。族是個(gè)自定義的變量模型,隨用隨調(diào),隨時(shí)改尺寸,無須重新創(chuàng)建。
四、基于BIM技術(shù)的水利工程制圖課程教改策略
正是由于BIM技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì),水利行業(yè)對(duì)BIM技術(shù)人才需求極為迫切。高校必須研判工程一線對(duì)BIM技能人才的基本要求,努力將BIM技術(shù)融入水利工程制圖課程,推動(dòng)課程理念的全方位創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)該課程在培養(yǎng)水利行業(yè)BIM技能人才中的核心地位。
(一)合理制定課程教學(xué)目標(biāo)
教學(xué)目標(biāo)的制定是課程內(nèi)容構(gòu)建的基礎(chǔ),教學(xué)目標(biāo)既需要緊跟社會(huì)對(duì)BIM技術(shù)的專業(yè)技能需求,也需要充分考慮制圖課程的自身特點(diǎn)和學(xué)生的接受能力。在10年來的水利工程制圖教學(xué)中,筆者曾不間斷跟蹤水利工程企業(yè)的BIM技術(shù)使用情況,同時(shí)對(duì)制圖課程的改革進(jìn)行過深入研究。筆者認(rèn)為,根據(jù)BIM技術(shù)實(shí)用性特點(diǎn),教學(xué)中必須將理論教學(xué)與實(shí)際工程項(xiàng)目案例分析聯(lián)系起來,不僅要培養(yǎng)學(xué)生的理論知識(shí)素養(yǎng),還要培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、專業(yè)技能等。簡(jiǎn)言之,就是通過課程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的識(shí)讀工程圖能力、三維建模能力、工程實(shí)踐能力。
(二)科學(xué)構(gòu)建課程內(nèi)容
根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo),可將課程內(nèi)容模塊化,以加強(qiáng)教學(xué)的系統(tǒng)性、探索BIM在水利工程項(xiàng)目全生命周期的應(yīng)用。具體講,根據(jù)BIM課程內(nèi)容體系模式,采用循序漸進(jìn)的方法,將制圖建模、設(shè)計(jì)出圖等過程環(huán)節(jié)融入課程??蓪⑷谌隑IM技術(shù)的水利工程制圖課程分為三個(gè)單元:基礎(chǔ)投影、專業(yè)圖識(shí)讀、計(jì)算機(jī)繪圖。首先,基礎(chǔ)投影單元。采用制圖標(biāo)準(zhǔn)與BIM標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的模式,借助BIM技術(shù)的三維圖形培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力,如三視圖的識(shí)讀、相貫線和截交線繪制等加入BIM技術(shù)模型,可以幫助學(xué)生更快速地識(shí)讀,提高空間想象能力。其次,專業(yè)圖識(shí)讀單元??山柚鶥IM的仿真技術(shù)再加上虛擬的環(huán)境,將水工建筑物構(gòu)件真實(shí)地展示給學(xué)生,學(xué)生不僅可以從各個(gè)角度觀察構(gòu)件,還可以身臨其境地感受到水工建筑物的真實(shí)效果,進(jìn)而對(duì)專業(yè)產(chǎn)生濃厚的興趣。最后,計(jì)算機(jī)繪圖單元。在CAD中融入BIM技術(shù),二維部分用CAD繪制,三維部分直接用BIM繪制,在認(rèn)識(shí)構(gòu)件、軟件模型創(chuàng)建、專業(yè)協(xié)作、生產(chǎn)出圖等環(huán)節(jié)中加入BIM元素。綜上所述,將教學(xué)內(nèi)容調(diào)整為識(shí)圖、建模、專業(yè)開展的形式,形成較為完善的課程內(nèi)容體系。
(三)著力改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)與方法
將BIM技術(shù)融入課程中后,教學(xué)設(shè)計(jì)與方法也要隨之改革。以往水利工程制圖課程教學(xué)主要以理論講授為主,實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)較少,教學(xué)效果一般。BIM技術(shù)的實(shí)踐性更強(qiáng),既需要大量增加實(shí)踐環(huán)節(jié),也需要借助多元教學(xué)平臺(tái)和技術(shù)手段,以達(dá)到培養(yǎng)具有BIM技術(shù)人才的目標(biāo)。為此,教學(xué)設(shè)計(jì)可從四方面改進(jìn):其一,信息化條件的互動(dòng)教學(xué)。教學(xué)過程中使用智能課堂教學(xué)平臺(tái)給學(xué)生推送預(yù)習(xí)內(nèi)容及相關(guān)的資料,課堂上用信息化手段進(jìn)行簽到、測(cè)驗(yàn)、互動(dòng)提問、頭腦風(fēng)暴等活動(dòng),增強(qiáng)課堂的針對(duì)性和互動(dòng)性。其二,項(xiàng)目化條件下的小組教學(xué)。探索符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)模式,以項(xiàng)目為依托將學(xué)生分為學(xué)習(xí)小組,組內(nèi)討論完成項(xiàng)目化工程圖紙的識(shí)讀等內(nèi)容,學(xué)生做到邊學(xué)邊練,教師負(fù)責(zé)總結(jié)答疑。其三,在線課程指導(dǎo)下拓展教學(xué)。筆者作為國(guó)家在線開放課程“工程制圖”的主要負(fù)責(zé)人,開發(fā)了課程線上互動(dòng)教學(xué)指導(dǎo)平臺(tái),鼓勵(lì)學(xué)生使用在線課程開展自學(xué),同時(shí)引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生參與BIM/CAD協(xié)會(huì)培訓(xùn)、基于BIM技術(shù)的水工專業(yè)群實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)課上課下、線上線下教學(xué)拓展。其四,企業(yè)項(xiàng)目引入的實(shí)戰(zhàn)教學(xué)。在教學(xué)實(shí)訓(xùn)中,將企業(yè)的真實(shí)設(shè)計(jì)項(xiàng)目引入課堂,提供實(shí)戰(zhàn)機(jī)會(huì),引導(dǎo)學(xué)生解決項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的實(shí)際問題,提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。
(四)努力做到教學(xué)評(píng)價(jià)創(chuàng)新
課程不再采用簡(jiǎn)單的“筆試+機(jī)試”的考試模式,而是采用多元評(píng)價(jià)模式,構(gòu)建過程考核為主、課程考試為輔的評(píng)價(jià)模式。首先,采用教學(xué)過程性評(píng)價(jià)。重點(diǎn)考察學(xué)生的學(xué)習(xí)過程,利用智能課程收集學(xué)生課程簽到、參與活動(dòng)、預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)、單元的測(cè)驗(yàn)等,每個(gè)單元日??偨Y(jié)、考核,調(diào)動(dòng)學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)積極性。其次,使用在線課程評(píng)價(jià)。要求學(xué)生參加國(guó)家在線開放課程“工程制圖”,考察進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)情況,如查閱資源、單元自測(cè)、課后討論答疑等,形成智能化的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。最后,鼓勵(lì)學(xué)生參加有關(guān)BIM技術(shù)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、技能競(jìng)賽、BIM等級(jí)考試等,獲得相應(yīng)成果的學(xué)生可認(rèn)定為課程技能精湛。
(五)深入推進(jìn)師資隊(duì)伍建設(shè)
BIM技術(shù)融入水利工程制圖課程對(duì)授課教師是全新的挑戰(zhàn),教師不僅需具備較好的三維空間能力、軟件運(yùn)用能力,還需有一定的工程項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn),所以,提高教師的業(yè)務(wù)水平迫在眉睫。首先,學(xué)??梢酝ㄟ^鼓勵(lì)教師參加國(guó)內(nèi)外的培訓(xùn)、會(huì)議等方式,了解BIM技術(shù)應(yīng)用的最新趨勢(shì),掌握基本的BIM技術(shù)原理和操作技巧,提高教師團(tuán)隊(duì)的BIM技術(shù)水平;其次,為了更好地將BIM技術(shù)有機(jī)地融入課程中,學(xué)??梢耘c企業(yè)合作開發(fā)水利工程類BIM教材,進(jìn)行教學(xué)方式和方法的研究,提高教學(xué)效果;再次,教師可以指導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行有關(guān)BIM技術(shù)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng),根據(jù)BIM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,針對(duì)一些尚不具備BIM技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用能力的小型水利工程設(shè)計(jì)院所,組織學(xué)生開展技術(shù)服務(wù),進(jìn)行創(chuàng)業(yè)實(shí)踐;最后,針對(duì)工程領(lǐng)域BIM技術(shù)使用迅速發(fā)展的現(xiàn)狀,鼓勵(lì)教師考取有關(guān)BIM技術(shù)的等級(jí)證書,提高教師的BIM使用技能水平。
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(責(zé)任編輯 孫震華)
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