解詠平,賈 磊,王倩倩,白文婷
河北地質(zhì)大學(xué) 城市地質(zhì)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050031
土木工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)是對課堂教學(xué)的一個延伸,它是土木工程專業(yè)課堂教學(xué)活動的重要組成部分,是提高學(xué)生理論與實(shí)踐技術(shù)綜合能力、感受工程現(xiàn)場的一個有效方式。通過這樣的實(shí)踐,可以使學(xué)生更好地將所掌握的書本知識直接運(yùn)用到實(shí)際工程中,同時也可以培養(yǎng)他們運(yùn)用所掌握的知識來處理實(shí)際問題的能力,更是培養(yǎng)學(xué)生對職業(yè)規(guī)劃、社會責(zé)任、團(tuán)隊(duì)精神教育的最好教學(xué)方式。
為主動地應(yīng)對新一輪信息技術(shù)革命和行業(yè)變化帶來的挑戰(zhàn),服務(wù)于國家戰(zhàn)略和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,新工科建設(shè)在我國各大高等學(xué)府不斷推行,對土木工程畢業(yè)生的要求也越來越高,傳統(tǒng)的工程實(shí)踐教學(xué)已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的需要,因此急需對實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行革新。而“BIM”( Building Information Modeling )技術(shù)給我們在實(shí)踐性教學(xué)的各個環(huán)節(jié)提供了一種有利的平臺,本研究課題組正是順應(yīng)了國家和人類社會進(jìn)步的需要,將BIM技術(shù)融入到實(shí)踐教學(xué)中。
土木工程專業(yè)是我國工科院校重要學(xué)術(shù)專業(yè)之一,因其具有基礎(chǔ)性、實(shí)用性、廣泛性等特點(diǎn),因此,只有和工程理論實(shí)踐密切結(jié)合,才能夠培養(yǎng)和涌現(xiàn)出一批應(yīng)用性強(qiáng)的專業(yè)人才。目前,大部分院校主要從實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)以及實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)三部分來滿足實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),各自特點(diǎn)如下:
目前,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程主要內(nèi)容包括土木工程的材料與力學(xué)實(shí)驗(yàn)、土動力學(xué)實(shí)驗(yàn)、巖石工程的材料實(shí)驗(yàn)、土木工程的勘察實(shí)驗(yàn)、混凝土構(gòu)件實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)課程雖然逐步形成了獨(dú)立的課程體系,但這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大都是基本的,且以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主,與創(chuàng)新、實(shí)踐能力的新工科人才培養(yǎng)還有一定差距。為此,一些高校也開始了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容,對于實(shí)驗(yàn)課程也進(jìn)行了教學(xué)改革,從時間、空間、儀器及其內(nèi)容三個方面建立了開放式的實(shí)驗(yàn)室,逐步建立了綜合實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)等課程[1],采用了由學(xué)生自主設(shè)計(jì)、老師輔導(dǎo)的課程模型,以培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新與科研能力。
課程設(shè)計(jì)教學(xué)是在專業(yè)相關(guān)的各門專業(yè)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中或研究課程結(jié)束后,結(jié)合相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容并針對實(shí)際的建筑工程管理問題而具體進(jìn)行教學(xué)安排的一個綜合實(shí)踐性課程教學(xué)研究環(huán)節(jié),以目前我國土木建筑工程專業(yè)相關(guān)各門專業(yè)課程為其案例,主要專業(yè)課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容主要有高層房屋建筑工程科學(xué)管理課程設(shè)計(jì)、鋼筋混凝土建筑框架結(jié)構(gòu)科學(xué)課程設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)科學(xué)課程設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)建筑工程管理課程設(shè)計(jì)、土木建筑工程施工建設(shè)項(xiàng)目工程組織管理課程設(shè)計(jì)等。每個課程設(shè)計(jì)安排大約1周的時間。
土木工程是培養(yǎng)工程師的搖籃,是一門基礎(chǔ)理論和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè),各高等學(xué)校根據(jù)自己的人才培養(yǎng)目標(biāo)合理配置教學(xué)資源,以便讓學(xué)生有大量的時間和精力去積極參與工程實(shí)踐,其中包括一年級認(rèn)識實(shí)習(xí)、二年級教學(xué)實(shí)習(xí)、三年級生產(chǎn)實(shí)習(xí)以及四年級的畢業(yè)實(shí)習(xí)。從而確保了在培養(yǎng)人才過程中,使學(xué)生逐步具有工程師的專業(yè)工程素質(zhì)。另外,為了保障實(shí)習(xí)質(zhì)量及學(xué)生實(shí)習(xí)安全,各學(xué)校根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)習(xí)大綱,完善了實(shí)習(xí)內(nèi)容,并制定了實(shí)習(xí)質(zhì)量保障措施和實(shí)習(xí)安全保障措施[2]。
土木工程專業(yè)的課程特點(diǎn)是理論性強(qiáng),但對學(xué)生的實(shí)踐能力要求更強(qiáng)。目前,土木工程專業(yè)人才的教學(xué)形式主要實(shí)行“以理論教學(xué)為主,以實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)為輔”的傳統(tǒng)教學(xué)模式,為了達(dá)到這一要求,學(xué)校積極建立校外實(shí)習(xí)基地,但由于實(shí)習(xí)時間較短,大多數(shù)實(shí)習(xí)基地僅著重培養(yǎng)學(xué)生在某一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí),并沒有讓學(xué)生深入到工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等全過程環(huán)節(jié),學(xué)生對土木工程專業(yè)與項(xiàng)目整體并沒有全面深入的了解和認(rèn)識。因此,課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)聯(lián)系不夠緊密,二者之間存在脫節(jié)的情況,可見,土木工程專業(yè)教學(xué)中存在如下幾方面問題:
由于土木工程專業(yè)課的理論性太強(qiáng),學(xué)生們難以掌握和理解,學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中存在著一定的盲目性,致使他們不清楚所學(xué)的專業(yè)知識可以做什么或者怎么用,以及畢業(yè)后參加工作出現(xiàn)不會應(yīng)用專業(yè)知識的現(xiàn)象。
土木工程的課程設(shè)計(jì)主要目標(biāo)就是為了學(xué)生在實(shí)踐中綜合掌握所學(xué)的基礎(chǔ)理論和相關(guān)專業(yè)知識,使他們在實(shí)踐中具有獨(dú)立地分析和解決一般土木工程技術(shù)方面存在的問題。傳統(tǒng)教學(xué)中每門課程的設(shè)計(jì)都是相互獨(dú)立的,如建筑科學(xué)課程設(shè)計(jì)、鋼筋混凝土教學(xué)課程設(shè)計(jì)及建筑施工組織課程設(shè)計(jì)等均是每門教學(xué)科單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì),而實(shí)際工程中,這些工作是相互關(guān)聯(lián)的。這就直接導(dǎo)致學(xué)生對于一門專業(yè)課的學(xué)習(xí)缺少連續(xù)性、系統(tǒng)化和整體性的知識訓(xùn)練,不能正確地深入理解每一門專業(yè)課程設(shè)計(jì)的前因后果,工程設(shè)計(jì)整體觀模糊。
土木工程專業(yè)實(shí)習(xí)工作是本專業(yè)的一個較大難題,主要體現(xiàn)在:一是實(shí)習(xí)的學(xué)生數(shù)量多,而實(shí)習(xí)單位可安排的人數(shù)較少;二是實(shí)習(xí)時間較短,與土木工程的生產(chǎn)周期并沒有很好地相適應(yīng),而大部分土木工程專業(yè)進(jìn)行4周左右實(shí)習(xí);三是由于實(shí)習(xí)單位出于安全和管理等考慮,不愿意安排學(xué)生去現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)習(xí),而是讓學(xué)生去現(xiàn)場的辦公室查閱所有的圖紙和材料。因此,多數(shù)土木工程專業(yè)實(shí)習(xí)效果不佳。
目前,大多數(shù)院校的土木工程專業(yè)畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的時間為16周,2周畢業(yè)實(shí)習(xí),14周的畢業(yè)設(shè)計(jì),要求每個學(xué)生獨(dú)立地完成一個土木工程項(xiàng)目的所有設(shè)計(jì)工作,而同一設(shè)計(jì)組的同學(xué)的內(nèi)容相差不大。大部分學(xué)生對所學(xué)專業(yè)課程之間沒有良好的連續(xù)性和系統(tǒng)性關(guān)聯(lián),因此,多借助于網(wǎng)上畢業(yè)設(shè)計(jì)模板,而學(xué)生所下載模板本身有可能存在錯誤,使得學(xué)生在做畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中,盲目套模板,不知其所以然。
上述方面的問題是目前多數(shù)高校土木工程專業(yè)教學(xué)中存在的共性問題,解決這些問題對于土木工程專業(yè)教學(xué)與發(fā)展具有重要意義與實(shí)際價值。
“BIM”是指建筑信息模型(Building Information Modeling),它是一種基于建筑行業(yè)的信息化解決方案,是繼CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))技術(shù)后進(jìn)一步出現(xiàn)的在建設(shè)領(lǐng)域又一重要計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),主要涉及的內(nèi)容包括:從二維平面設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)向三維立體乃至更多維施工、預(yù)算等的設(shè)計(jì);由單純的線條畫圖逐漸轉(zhuǎn)變到含有不同信息的構(gòu)件布置,例如結(jié)構(gòu)計(jì)算、造價、施工組織等;從各產(chǎn)品行業(yè)、各工種單獨(dú)負(fù)責(zé)完成的項(xiàng)目,再到各產(chǎn)品行業(yè)、各工種之間的協(xié)同共享完成的項(xiàng)目;由單一的設(shè)計(jì)交付,逐漸轉(zhuǎn)到了對于建筑物的全壽命周期的支持。 BIM帶來的是整個建筑和土木工程行業(yè)的巨大技術(shù)性沖擊,同時也對站在建筑行業(yè)前沿的高等院校進(jìn)行科學(xué)技術(shù)教育與科學(xué)研究工作提供了嶄新的契機(jī),并對其提出了新的需要[3]。
BIM信息技術(shù)的不斷出現(xiàn)為當(dāng)前我國土木工程及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐以及教學(xué)研究提供了一條新思路,BIM本身其實(shí)就是一個包含了建筑生命周期,包括整個工程建筑的整體規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、經(jīng)營、改造、拆除等全過程中所有信息的大型數(shù)據(jù)庫,因此,可以利用BIM技術(shù)與土木工程專業(yè)課程結(jié)合,讓學(xué)生更形象地了解和掌握建筑物規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工等各個階段與課程相關(guān)的知識點(diǎn)[4]。
2010年,鐘揚(yáng)成為中組部選派的第六批援藏干部,擔(dān)任西藏大學(xué)理學(xué)院副院長。他曾在全校大會上放下豪言:“如果西藏大學(xué)拿不到博士學(xué)位點(diǎn),我決不離開。”那時,西藏大學(xué)在理工醫(yī)學(xué)科連一個碩士點(diǎn)都沒有。
近年來,歐美等發(fā)達(dá)國家和其他發(fā)達(dá)地區(qū)的許多公立高等學(xué)府和一些地方普通高等院校已將BIM的教育理念引入人才培養(yǎng)體系中,進(jìn)行了課程教學(xué)改革和實(shí)施,取得了很好的效果。例如:在美國,70%的高校已經(jīng)將學(xué)習(xí)BIM融入人才培養(yǎng)方案中,科羅拉多州大學(xué)的施工管理系,在本科入學(xué)第一年就開設(shè)了BIM建模課程[5],通過學(xué)習(xí)BIM建模技術(shù)學(xué)習(xí)可以有效提高在校學(xué)生的三維識圖能力與掌握BIM建模水平。在中國,高校對BIM技術(shù)也有深入研究。2009年,清華大學(xué)軟件學(xué)院BIM標(biāo)準(zhǔn)研究課題組正式啟動;2013年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國內(nèi)高校中首次開設(shè)“BIM 技術(shù)應(yīng)用”短課程;天津大學(xué)、四川大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、武漢大學(xué)等院校在本科培養(yǎng)方案中也相繼開設(shè)了BIM的相關(guān)課程,主要向?qū)W生介紹BIM理論或軟件中的基本概念。另外,國內(nèi)一些重點(diǎn)院校成立BIM中心,如:2011年清華大學(xué)BIM研究中心、華中科技大學(xué)BIM研究中心,2015年上海交通大學(xué)BIM研究中心等,隨后,一些地方院校開始籌劃成立BIM中心、BIM實(shí)驗(yàn)室,并以其作為平臺,吸收本科生和研究生進(jìn)入中心,承擔(dān)建模、軟件開發(fā)等工作,以強(qiáng)化對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。
綜上所述,近年來,我國高校積極響應(yīng)市場號召,逐步加快開展BIM技術(shù)的應(yīng)用研究,學(xué)生的實(shí)踐能力明顯得到提升,但從整個課程體系上分析,BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工、管理等方面的優(yōu)勢并未完全發(fā)揮,仍然存在以下幾個問題:
(1)模擬項(xiàng)目簡單
BIM技術(shù)的優(yōu)勢之一是可以處理大批量數(shù)據(jù)產(chǎn)生的沖突,然而在實(shí)際教學(xué)中,大多模擬單層房屋、小型鋼架等簡單項(xiàng)目,不能讓學(xué)生感受到BIM技術(shù)處理復(fù)雜工程的強(qiáng)大與優(yōu)勢,部分學(xué)生便失去了學(xué)習(xí)BIM的興趣。
(2)模擬內(nèi)容單一
從目前來看,大多數(shù)高校通過“以賽促教”的方式提高學(xué)生的水平,然而一些BIM比賽側(cè)重于建筑的不同類別,比如模板腳手架模擬、施工過程模擬、編制項(xiàng)目投標(biāo)文件、機(jī)電設(shè)計(jì)與管線綜合等土木行業(yè)的小分支,并沒有形成完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維的全過程管理,因此,學(xué)生模擬的內(nèi)容比較單一。
(3)與專業(yè)課程脫節(jié)
大多高校開設(shè)BIM課程,僅僅為了讓學(xué)生學(xué)會BIM軟件,并未將BIM融入到混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土木工程施工組織等專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)過程中,因此部分學(xué)生僅學(xué)會了軟件操作而不會實(shí)際應(yīng)用,教學(xué)效果并沒有達(dá)到理想狀態(tài)。
(4)BIM 師資不足
在建筑行業(yè)中,隨著人們對BIM技術(shù)的深入了解以及BIM技術(shù)的不斷推廣,社會上對BIM人才的需求量也越來越大,因此,需要高校有一定數(shù)量的BIM教學(xué)人才,以實(shí)現(xiàn)BIM教學(xué)目的[6]。但是,近年來,各高校引進(jìn)人才都是以博士為主,大多數(shù)博士從事傳統(tǒng)方向的研究,研究BIM技術(shù)且進(jìn)入高校成為教師的博士更少。同時,現(xiàn)有教師愿意放棄原有研究方向而轉(zhuǎn)到BIM方向的人數(shù)同樣很少。
近年來,為了順利地將BIM技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于我校土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中,課題組對土木工程專業(yè)的實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的問題和難點(diǎn)進(jìn)行了較深入的剖析,從課程建設(shè)、目標(biāo)體系等幾個方面著手,進(jìn)行了一系列的探索和研究,具體方法如下:
在各領(lǐng)域逐步進(jìn)入現(xiàn)代信息化的大背景下,作為我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的建筑行業(yè)也已經(jīng)開始遭受著現(xiàn)代信息化的沖擊,建筑行業(yè)現(xiàn)代信息化的人才匱乏,機(jī)遇和挑戰(zhàn)日益迫切。土木工程專業(yè)的大學(xué)生作為當(dāng)代我國建筑行業(yè)的一股新生動力,在其進(jìn)入本行業(yè)前需要熟練掌握本專業(yè)的信息技術(shù),為有效推動企業(yè)的信息化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,提升個人業(yè)務(wù)素質(zhì)做好了充足的準(zhǔn)備;同時,提升我國土木工程專業(yè)的信息化和應(yīng)用能力,也是當(dāng)前地方高校縮短與全國重點(diǎn)院校差距的一種手段[7]。隨著建筑信息化的發(fā)展,對地方高校土木工程專業(yè)的培養(yǎng)也提出了新的要求與標(biāo)準(zhǔn)。為此,重新修訂培養(yǎng)方案,為本科生開設(shè)了“BIM建模技術(shù)”課程,普及BIM軟件知識,重點(diǎn)講授各個階段BIM技術(shù)的應(yīng)用。
(1)使學(xué)生能夠在實(shí)踐中不斷獲取豐富知識,開闊視野,加深對理論知識的深入理解和準(zhǔn)確把握。
(2)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、職業(yè)資格證書等兩方面的基本技能和專業(yè)技能。
(3)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐情感和實(shí)踐觀念,培養(yǎng)良好的公德、責(zé)任意識和團(tuán)隊(duì)意識。
(4)創(chuàng)建以工程能力為核心,以BIM應(yīng)用能力為重點(diǎn)的教學(xué)質(zhì)量保障體系,培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。
為進(jìn)一步提高在校大學(xué)生對于土木工程及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)知識、工程實(shí)踐的能力及 BIM技術(shù)應(yīng)用能力,開拓和培養(yǎng)建設(shè)工程高素質(zhì)、復(fù)合型、應(yīng)用型人才,展示廣大青年畢業(yè)生的自主創(chuàng)新思維、實(shí)際操作能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。同時,充分調(diào)動廣大學(xué)校和老師的主體積極性,以賽促學(xué)、以賽促教、以賽促改、以賽促建,積極組織并指導(dǎo)廣大學(xué)生們參加了各類競賽。因各種BIM比賽的側(cè)重點(diǎn)不盡相同[8],因此每次競爭中我們都會鼓勵盡量多的老師和同學(xué)報名參加,鼓勵各組隊(duì)員之間相互溝通、相互交流,以便掌握建模中遇到的問題以及解決的辦法,盡可能使大家都能得到鍛煉。
BIM技術(shù)研究協(xié)會的宗旨是將對BIM技術(shù)感興趣和有其專業(yè)特長的同學(xué)組織在一起,培養(yǎng)學(xué)生勤奮學(xué)習(xí),求真務(wù)實(shí)的科學(xué)作風(fēng),把參加專業(yè)活動和職業(yè)技能比賽等活動作為主要興趣,推動更多的學(xué)生進(jìn)行BIM技術(shù)研究和實(shí)訓(xùn),積極引導(dǎo)和推廣BIM新方向,讓更多的學(xué)生認(rèn)識和了解并充分利用BIM,逐步養(yǎng)成以BIM的思維解決工程中可能會碰到的困難和問題,增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競爭力,促進(jìn)學(xué)生的綜合職業(yè)技能水平的提升。
與BIM專業(yè)公司簽訂了校企合作協(xié)議,學(xué)生可以通過寒暑假或課余時間到BIM公司進(jìn)行實(shí)習(xí)。一方面,BIM專業(yè)公司為我們提供了能夠充分滿足本專業(yè)課程教學(xué)需求的、資深的BIM技術(shù)專業(yè)教師,解決了學(xué)校BIM師資隊(duì)伍力量的薄弱的問題。另一方面,通過參與公司的實(shí)際項(xiàng)目,學(xué)生早日得到了實(shí)操培訓(xùn),增強(qiáng)了學(xué)生的專業(yè)技能。
將BIM的設(shè)計(jì)理念運(yùn)用到建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)工程課程設(shè)計(jì),土木工程施工組織課程設(shè)計(jì)、房屋建筑學(xué)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),讓學(xué)生在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時使用Revit軟件建模,使用建好的模型,體驗(yàn)協(xié)同工作模式。這樣有利于學(xué)生將離散化的知識點(diǎn)進(jìn)行整理,從而評判自己的設(shè)計(jì)是否合理。
專業(yè)學(xué)習(xí)的最后階段是畢業(yè)設(shè)計(jì),我們允許學(xué)生用BIM 進(jìn)行設(shè)計(jì)。土木專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要考察建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工管理等方面的內(nèi)容。通過BIM 技術(shù)在這些方面的應(yīng)用,學(xué)生學(xué)會了在項(xiàng)目中系統(tǒng)地應(yīng)用BIM 技術(shù),為下一步順利進(jìn)入工作崗位打下良好基礎(chǔ)。
一個國家的發(fā)展需要科技的不斷進(jìn)步,正是BIM技術(shù)利用科學(xué)的思維理念讓建筑變得更信息化,在土木工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入BIM技術(shù),能夠感受到學(xué)生的積極性明顯提高,對建筑物有了更直觀的認(rèn)識,增強(qiáng)了專業(yè)信息化技能,提高了專業(yè)競爭性,更進(jìn)一步了解了土木工程專業(yè)發(fā)展前景和方向。