楊心蕊 趙園園

摘 要：針對高校BIM技術(shù)在課程教學(xué)過程中缺乏評價機制問題，建立基于AHP和熵權(quán)法的BIM教學(xué)評價模型。該模型以定量分析與定性分析為主，既充分考慮專家豐富經(jīng)驗，又通過客觀排序賦予指標(biāo)真實權(quán)重。運用該模型對《建筑工程造價管理》課程教學(xué)進(jìn)行綜合實例分析，得出整體指標(biāo)重要程度以及不同課堂得分排名，結(jié)果表明，此方法具有較好實用性。最后，結(jié)合模型分析提出相應(yīng)解決策略以改善BIM教學(xué)現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：BIM;教學(xué)評價;層次分析法;熵權(quán)法

中圖分類號：D9???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.16723198.2022.17.079

0 前言

建筑信息模型（Building Information Modeling）簡稱BIM，是建筑行業(yè)內(nèi)一項新興技術(shù)，憑借其可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性和可出圖性方面的特點廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、建造和數(shù)據(jù)管理等場景下。BIM核心原理為建立虛擬三維空間，融合建筑所需整體信息和細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，貫徹項目從策劃到運行再到維護(hù)的生命全周期，能夠幫助工程操作人員對種種建筑情況做出正確反應(yīng)和高效策略，真正做到提高生產(chǎn)效率和降低時間成本。

在新政策形勢下，鑒于BIM技術(shù)在建筑業(yè)的成熟發(fā)展，近年來越來越多高校也在探索BIM技術(shù)于專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的建設(shè)，通過開設(shè)相關(guān)軟件操作專業(yè)課程、成立協(xié)會和舉辦比賽等方式來提高學(xué)生BIM工程應(yīng)用能力。但是就目前高校開展BIM教學(xué)課程來說，很難評價出本類課程最后質(zhì)量好壞和教學(xué)效果優(yōu)差。其中造成評價困難的原因主要歸納為三方面：教師本身水平，BIM高校教師并非專業(yè)軟件操縱人員，專業(yè)性不足，并且很多直接是從學(xué)校畢業(yè)就進(jìn)入高校教學(xué)，缺乏實際工作經(jīng)驗;高校實驗室或?qū)嵺`中心軟硬件條件，無法最大滿足學(xué)生學(xué)習(xí)和技術(shù)運用需求，如運行BIM軟件時出現(xiàn)死機或運行緩慢;學(xué)生本身學(xué)習(xí)情況，如前置基礎(chǔ)知識掌握情況很大程度上也決定了最終課程的學(xué)習(xí)效果。因此，對BIM開設(shè)課程的教學(xué)評價需結(jié)合多方面考慮。郭亮等學(xué)者結(jié)合層次分析法確定權(quán)重和粗糙集篩選特征對BIM技術(shù)教學(xué)效果進(jìn)行評價;林珍偉等學(xué)者提出基于OBE-CDIO理念的土木專業(yè)BIM教學(xué)思考，為應(yīng)用型本科院校教學(xué)提供了思路;肖啟艷等學(xué)者綜合課程性質(zhì)提出基于SPOC的項目驅(qū)動式教學(xué)模式來研究BIM在建筑教學(xué)方面的應(yīng)用;甄鐵麗學(xué)者建立融合BIM建模和“1+X”BIM職業(yè)等級證書課程，對課程教學(xué)進(jìn)行實證探索。綜上，眾多學(xué)者已經(jīng)對BIM技術(shù)在高校內(nèi)教學(xué)形式做出了大量研究，但鮮有對BIM技術(shù)課程教學(xué)效果的評價方案。

BIM教學(xué)評價是一個存在大量模糊性的復(fù)雜系統(tǒng)，難以定量描述其中各指標(biāo)對整體影響程度，而層次分析法（AHP）能夠通過分析復(fù)雜系統(tǒng)中所含指標(biāo)互相之間聯(lián)系，將復(fù)雜問題分解劃分為多層次，結(jié)合定量分析和定性分析對系統(tǒng)做出評價。對于BIM評價中有關(guān)指標(biāo)權(quán)重確定具有較強人為主觀性，且各評價指標(biāo)之間也存在差異，熵權(quán)法是一種客觀評價方法，主要原理是根據(jù)不同指標(biāo)之間大小差異來確定權(quán)重，指標(biāo)變異程度越小，所包含的信息量越少，則對于權(quán)重也越低。因此，本文構(gòu)建基于層次分析法和熵權(quán)法的BIM教學(xué)評價體系。

1 基于層次分析法和熵權(quán)法綜合評價機制

1.1 BIM教學(xué)評價體系建立

建立科學(xué)合理的指標(biāo)評價體系是BIM教學(xué)評價的首要任務(wù)，評價體系應(yīng)該秉持科學(xué)合理、全面客觀的原則。對目標(biāo)層BIM課程教學(xué)評價進(jìn)行劃分，分解為3個一級指標(biāo)及對應(yīng)下屬4個二級指標(biāo)。課程教師水平中包括專業(yè)知識水平即授課教師對相關(guān)理論知識的掌握程度、教學(xué)實踐水平即教師實際上課發(fā)揮水平、交流溝通水平即教師于學(xué)生之間溝通能力、軟件操作水平即教師是否掌握多種BIM軟件及其熟練程度;課堂軟硬件條件包括課堂使用軟件即BIM軟件是否為目前高校和企業(yè)常用版本、電腦基礎(chǔ)配置即電腦運行BIM軟件及操作是否有卡頓或者死機現(xiàn)象、多媒體現(xiàn)代化即課堂是否配備投影設(shè)施及專用實踐平臺、基礎(chǔ)研究設(shè)施即滿足學(xué)生和老師科研學(xué)習(xí)的設(shè)備需求;學(xué)生技能考察包括掌握基礎(chǔ)知識即學(xué)生對工程制圖等專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)能力、熟練操作軟件即學(xué)生經(jīng)過老師指導(dǎo)后能熟練操作軟件達(dá)到的層次、課堂課后作業(yè)即學(xué)生在課上及課后乃至畢業(yè)設(shè)計中運用軟件實踐的完成情況、比賽科研能力即學(xué)生參加相關(guān)BIM競賽或借助BIM技術(shù)進(jìn)行科研研究的能力。

根據(jù)以上描述，通過建立多級遞進(jìn)層次分布結(jié)構(gòu)圖直觀展示指標(biāo)評價體系，如圖1所示。

1.2 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法（AHP）是美國運籌學(xué)家薩蒂提出的關(guān)于能夠應(yīng)用于多目標(biāo)復(fù)雜問題的層次權(quán)重決策評價方法。該方法結(jié)合定性分析與定量分析，從決策者的視角經(jīng)驗綜合衡量各指標(biāo)間相對重要程度，從而計算出每個方案決策指標(biāo)權(quán)重，能夠有效解決難以普遍用定量方法評價的問題。層次分析法步驟如下：

（1）建立層次結(jié)構(gòu)體系。將評價目標(biāo)、決策準(zhǔn)則和選取指標(biāo)按照從屬關(guān)系劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和因素層。目標(biāo)層為評價目的、需要解決的問題即U;準(zhǔn)則層為評價準(zhǔn)則即{U1，U2，U3};因素層是評價時需要考慮的實際指標(biāo)即{U11，U12，…，Umn}。

（2）構(gòu)造判斷矩陣。層次分析法中廣泛使用一致矩陣法來構(gòu)造判斷矩陣，即避免整體因素一起比較，選擇不同兩兩因素互相比較。采用統(tǒng)一相對尺度1-9標(biāo)度法反映各自重要性，最大減少不同性質(zhì)指標(biāo)之間難以對比的困難。具體1-9標(biāo)度法數(shù)值大小如表1所示。

（3）層次單排序及其一致性檢驗。計算兩兩判斷矩陣最大特征值λmax及其歸一化后（使向量中各元素之和為1）特征向量W，W中元素代表同一層次中指標(biāo)對上一層指標(biāo)相對程度的權(quán)重大小。定義一致性指標(biāo)CI。

當(dāng)CI計算為0時，代表指標(biāo)之間具有完全一致性;當(dāng)CI接近0時，指標(biāo)之間有較滿意一致性;而CI越大，不一致性越嚴(yán)重。

為衡量CI具體數(shù)值大小，定義隨機一致性指標(biāo)RI：

一般認(rèn)為當(dāng)CR<0.1時，構(gòu)建判斷矩陣不一致性在可承受范圍內(nèi)，有較好一致性，因此通過一致性檢驗，其歸一化后特征向量W可被用為指標(biāo)權(quán)重向量;否則要重新調(diào)整各元素數(shù)值來構(gòu)建新判斷矩陣。

（4）層次總排序及其一致性檢驗。計算并排序某一層次所有指標(biāo)對上一層次指標(biāo)重要性權(quán)重數(shù)值大小，由最高層到最低層，將所有前一步結(jié)果組合得到層次總排序。假設(shè)準(zhǔn)則層m個指標(biāo)因素U1，U2，…，Um對目標(biāo)層排序為a1，a2，…，am。因素層中對An指標(biāo)因素單排序后通過一致性檢驗，得到單排序一致性指標(biāo)CIn，其隨機一致性指標(biāo)為RIn。定義層次總排序一致性比率CR：

CR=∑mn=1CInan∑mn=1RInan（4）

當(dāng)CR<0.1時，即可認(rèn)為層次總排序有較好一致性，通過一致性檢驗。

1.3 熵權(quán)法確定權(quán)重

熵為物理概念，主要是用來度量系統(tǒng)混亂度的變量，熵值越大代表體系越混亂（包含信息越少），熵值越小代表體系越有序（包含信息越多）。信息熵總結(jié)了部分熵的理論，從宏觀上描述微觀狀態(tài)下系統(tǒng)信息量大小。根據(jù)信息熵原理來評價指標(biāo)，可以采用熵值來判斷權(quán)重大小及離散程度，熵值越大，因素離散程度越明顯，影響評價總目標(biāo)分配權(quán)重也越大;若某指標(biāo)熵值相等，表示該因素在整個評價機制中沒有影響。熵權(quán)法步驟如下：

（1）指標(biāo)正向化。由于存在不同質(zhì)和量綱的指標(biāo)數(shù)據(jù)，并且正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)代表的含義也不同：正向指標(biāo)越大越好、負(fù)向指標(biāo)越低越好。因此需要進(jìn)行同質(zhì)化，將所有指標(biāo)轉(zhuǎn)化為極大型指標(biāo)。由n個評價對象m個評價指標(biāo)構(gòu)成的正向化矩陣如下：

X=x11x12…x1mx21x22…x2mxn1xn2…xnm（5）

（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。指標(biāo)之間仍然存在著量綱的不同而無法混合運算，需要進(jìn)行歸一化將不同指標(biāo)同量綱化，由于上述已經(jīng)將指標(biāo)正向化，此處標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

x′ij=xij-minx1j，x2j，…，xnjmaxx1j，x2j，…，xnj-minx1j，x2j，…，xnj

（6）

（3）計算每個指標(biāo)所占權(quán)重。將第j項指標(biāo)中第i個對象所占權(quán)重視為信息熵計算中的概率值。在此基礎(chǔ)上整體計算得出概率矩陣P，矩陣中每個指標(biāo)元素計算公式如下：

pij=x′ij∑ni=1x′ij（j=1，2，...，m）（7）

（4）計算信息熵。對每個指標(biāo)計算其對應(yīng)信息熵即不確定度，并標(biāo)準(zhǔn)化得到每個指標(biāo)具體熵權(quán)數(shù)值，計算公式如下：

ej=-1lnn∑ni=1pijlnpij（8）

其中k=1lnn>0，ej>0。ej越大，信息熵越大，則代表包含信息量越少。

（5）計算權(quán)重系數(shù)。引入信息效用值dj：

dj=1-ej（9）

若信息效用值越小，表明該項指標(biāo)越重要。

整體信息效用值歸一化得到各指標(biāo)具體熵權(quán)大?。?/p>

wj=dj∑mj=1dj（10）

（6）計算綜合得分。熵權(quán)大小權(quán)重整合計算公式如下：

si=∑mj=1wj·pij（11）

1.4 綜合評價模型構(gòu)建

結(jié)合層次分析法與熵權(quán)法構(gòu)建BIM教學(xué)評價體系，考慮準(zhǔn)則層具有較少一級指標(biāo)且通常固定不變，選用層次分析法確定一級指標(biāo)權(quán)重;因素層有較多二級指標(biāo)且變換性、調(diào)整性強，選用熵權(quán)法確定二級指標(biāo)權(quán)重。最后綜合準(zhǔn)則層和因素層各權(quán)重得出目標(biāo)層評價結(jié)果，具體流體如圖2所示。

圖2 基于層次分析法和熵權(quán)法BIM教學(xué)評價流程圖

2 實例分析

以本?！督ㄖこ淘靸r管理》課程結(jié)合BIM技術(shù)教學(xué)為例，運用上述評價模型計算指標(biāo)權(quán)重并評價課程教學(xué)效果。

2.1 層次分析法確定一級指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)構(gòu)建多級指標(biāo)體系內(nèi)容制作調(diào)查問卷，由于涉及特定專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域，內(nèi)容具有專業(yè)性和針對性，因此本文發(fā)放調(diào)查問卷對象主要為土木工程學(xué)院教研室主任、專業(yè)課程教授教師和工程實踐指導(dǎo)教師，通過實踐經(jīng)驗綜合專家打分法構(gòu)建判斷矩陣。從由高到低順序構(gòu)建判斷矩陣進(jìn)行計算并確保每位專家判斷矩陣都能通過一致性檢驗?，F(xiàn)選取其中某一位專家的判斷矩陣為例說明，如表3所示。

計算判斷矩陣歸一化后指標(biāo)權(quán)重為（0.3874，0.1692，0.4434），這里表示指標(biāo)重要程度排序為U3>U1>U2。其中最大特征值λmax為3.0183，一致性指標(biāo)CI為0.0091，一致性比率CR=0.0176<0.10，因此這位專家判斷矩陣一致性通過檢驗，最終取所有專家指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行算數(shù)平均值作為總體一級指標(biāo)權(quán)重。

2.2 熵權(quán)法確定二級指標(biāo)權(quán)重

對于同一課程《建筑工程造價管理》，根據(jù)一學(xué)年整體教學(xué)情況，分別對7位不同教師授課班級就二級指標(biāo)具體情況進(jìn)行問卷調(diào)查。問卷發(fā)放對象為授課教師、聽課教師和上課學(xué)生，主要進(jìn)行對每項指標(biāo)打分，滿分為100，所有指標(biāo)均為正向指標(biāo)，最終也取各項指標(biāo)打分平均值作為指標(biāo)實際得分。以一級指標(biāo)課程教師水平下4項二級指標(biāo)為例說明計算過程，原始評價得分情況如表4所示。

對指標(biāo)評價矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其歸一化在[0，1]區(qū)間內(nèi)，得到下一步計算所需熵權(quán)矩陣，具體數(shù)值大小如表5所示。

根據(jù)公式計算得出一級指標(biāo)課程教師水平下4項二級指標(biāo)權(quán)重W為（03117，02046，02019，02817），在僅有這4項二級指標(biāo)因素影響下，課堂綜合得分S分別為（173724，134917，113050，158871，168531，121860，129047）。其余兩項一級指標(biāo)下二級指標(biāo)權(quán)重也類似求出。

2.3 綜合一級指標(biāo)和二級指標(biāo)權(quán)重

基于層次分析法計算一級指標(biāo)權(quán)重和熵權(quán)法計算二級指標(biāo)權(quán)重，得出綜合BIM教學(xué)評價總權(quán)重，如表6所示。

通過對整體權(quán)重表排序和整合可以發(fā)現(xiàn)，一級指標(biāo)中課程教師水平和學(xué)生技能考察兩項指標(biāo)權(quán)重較大且互相差距不大，課堂軟硬件條件指標(biāo)權(quán)重較小;對應(yīng)各自二級指標(biāo)來說，分別為教師專業(yè)知識水平和軟件操作水平占比大，教室電腦基礎(chǔ)配置和課堂多媒體現(xiàn)代化占比大以及學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識和熟練操作軟件程度占比大。

綜合標(biāo)準(zhǔn)化后判斷矩陣和信息熵權(quán)重系數(shù)計算，得出7位不同教師BIM課堂各項指標(biāo)和最終綜合得分，如表7所示。

3 BIM教學(xué)探索新方向

利用層次分析法和熵權(quán)法對具體實例進(jìn)行分析評價后，可以得出一級指標(biāo)和二級指標(biāo)重要性程度及相對關(guān)系。高校培養(yǎng)具有BIM技能的高素質(zhì)學(xué)生能夠推動高校、企業(yè)甚至城市未來的發(fā)展，也是作為在整個社會推行BIM應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵步驟?，F(xiàn)就針對目前高校BIM教學(xué)存在問題，結(jié)合實踐工作經(jīng)驗及上述權(quán)重分析提出以下幾點建議。

（1）BIM技術(shù)融入專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)。對于土木專業(yè)學(xué)生來說，大學(xué)期間囊括有《工程制圖》《工程項目管理》《建筑設(shè)備》和《結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》等等涉及從識圖到選材到施工一系列建筑步驟的專業(yè)課程，但往往傳統(tǒng)教學(xué)方式仍然是教師依據(jù)課本結(jié)合黑板繪制草圖進(jìn)行通講，對于一些抽象復(fù)雜概念和實體，通常借助PPT動畫播放等一些形式進(jìn)行演示，達(dá)不到簡明易懂效果，也無法使學(xué)生切身體會到建筑學(xué)本身樂趣。因此在前期專業(yè)基礎(chǔ)課程中就需要融入BIM理念進(jìn)行教學(xué)，不僅能夠提前幫助學(xué)生了解到后期學(xué)習(xí)內(nèi)容，掌握核心技能，對將來所從事工作有深入了解;也能加深學(xué)生對目前所學(xué)課程的認(rèn)知并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，構(gòu)造出有創(chuàng)意性的模型。具體可以在課程講授過程中穿插BIM軟件操作技巧、三維建模及工程出圖等內(nèi)容，如根據(jù)圖紙信息想象空間三維模型、三維模型投影成平面圖紙和建筑材料選取與校核等一系列操作。本文選取BIM專業(yè)三維建模軟件Revit操作配合《建筑工程造價管理》課程上課演示情況，運行界面如圖3所示。

（2）加強校企合作，共享優(yōu)秀資源。企業(yè)與高校合作取長補短，一方面高校教師掌握BIM實踐經(jīng)驗并不如企業(yè)技術(shù)人員豐富，并且教授內(nèi)容大部分局限于理論部分，很少涉及現(xiàn)實真實案例。引入企業(yè)專業(yè)BIM工程師協(xié)助指導(dǎo)，能很大程度上拉近學(xué)生與實際作業(yè)現(xiàn)場的距離感，講解理論深處細(xì)節(jié)，提前獲得實習(xí)經(jīng)驗。甚至能夠與授課教師合作，成立課題小組，通過整合資源研究實際項目課題。另一方面盡管高校開設(shè)有學(xué)科或?qū)嶒炇覍ｍ椊ㄔO(shè)經(jīng)費，但面對日新月異的BIM技術(shù)軟硬件需求很難做到同步更新，即使購置了最新配置軟硬件，經(jīng)過使用一段時間，仍可能出現(xiàn)緩慢或死機現(xiàn)象。因此加強校企合作能夠減輕高校資金投入壓力，最大程度掃清學(xué)生學(xué)習(xí)BIM技術(shù)的客觀障礙。反過來優(yōu)秀學(xué)生將來畢業(yè)后也可能進(jìn)入企業(yè)成為技術(shù)人員，為企業(yè)建設(shè)添磚加瓦。

（3）完善BIM教學(xué)目標(biāo)，提高學(xué)生綜合能力。BIM教學(xué)最終目標(biāo)是關(guān)乎學(xué)生技能知識是否達(dá)標(biāo)的重要步驟，結(jié)合建筑業(yè)發(fā)展過程中BIM有越來越明顯上分趨勢，高校需要嚴(yán)格把控學(xué)生BIM教學(xué)和考核目標(biāo)和完成情況。高校教學(xué)目標(biāo)不僅要保證平時作業(yè)過關(guān)和期末考核通過，還需專注于學(xué)生通識專業(yè)技能的掌握，基于此最終目標(biāo)考核可以設(shè)置為是否獲得BIM職業(yè)資格證書及具體資格等級。在平時高校和學(xué)院建設(shè)中，多組織相關(guān)競賽，鼓勵學(xué)生參加省級、國家級BIM技能挑戰(zhàn)比賽，鞏固加強軟件操作及工程思維能力。教師在授課過程中可以多引用競賽中的實際題目講解課程知識，圍繞真實案例增強課堂趣味，甚至在指導(dǎo)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計階段多鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生多使用BIM技術(shù)解決問題，提高學(xué)生綜合能力，具體BIM教學(xué)目標(biāo)改善情況如圖4所示。

4 結(jié)語

本文從模型方法和機制角度，探索高校BIM教學(xué)評價方法，建立了基于AHP和熵權(quán)法BIM課程教學(xué)綜合評價體系。相比傳統(tǒng)評價方法有兩大優(yōu)點：①化定性分析為定性分析與定量分析相結(jié)合，降低評價中人為主觀性，提高專業(yè)性;②克服了傳統(tǒng)評價忽略指標(biāo)重要程度差異性，導(dǎo)致評價結(jié)果不客觀問題。同時，運用此評價模型對《建筑工程造價管理》課程進(jìn)行驗證，選取了能夠代表課程教學(xué)效果的3個一級指標(biāo)及相應(yīng)12個二級指標(biāo)，驗證效果良好。最后，根據(jù)評價結(jié)果及過程分析，對高校BIM課程教學(xué)提出三方面解決策略：即將BIM技術(shù)融入專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)、加強校企合作，共享優(yōu)秀資源和完善BIM教學(xué)目標(biāo)，以保證學(xué)生綜合能力有所提高，對今后BIM技術(shù)課程教學(xué)評價提供一定的指導(dǎo)意義。

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