智能建造專業(yè)新型數(shù)字化教學(xué)模式研究

劉占省，白文燕，杜修力

(北京工業(yè)大學(xué) 城建學(xué)部；城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

當(dāng)前，中國建筑行業(yè)正處于深化改革、轉(zhuǎn)型升級(jí)以及科技創(chuàng)新跨越并行相協(xié)調(diào)的重大發(fā)展時(shí)期。傳統(tǒng)建造技術(shù)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)一直是國內(nèi)外廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)，各國也都已提出了與之相應(yīng)的行業(yè)和產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展前景，如建筑工業(yè)化、中國制造 2025、德國的“工業(yè) 4.0”、美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等。中國信息化建造的進(jìn)程逐漸由手工化、機(jī)械化向智能化、智慧化的階段發(fā)展。然而，由于我國建造業(yè)起步較晚，建造智能化進(jìn)程緩慢，在基礎(chǔ)理論、軟硬件、人才儲(chǔ)備等方面，仍與國外有著較大的差距。為了盡快縮短我國與國外的技術(shù)差異，推動(dòng)我國建造業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代智能化的快速發(fā)展，國家相繼出臺(tái)了相關(guān)政策。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出，將全面提高建設(shè)工程行業(yè)的信息化水平，著手提高大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、BIM 信息技術(shù)的綜合集成應(yīng)用能力。

智能建造專業(yè)的設(shè)立充分符合建筑業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的時(shí)代需求，是我國大力推進(jìn)"新工科"建設(shè)，培養(yǎng)我國智能建造的科技人才，支撐我國邁向科技強(qiáng)國的重要舉措。目前，同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、北京建筑大學(xué)等紛紛開設(shè)智能建造專業(yè)，以培養(yǎng)一批智能建造工程師，從而推進(jìn)智慧城市發(fā)展和智能建造新技術(shù)的應(yīng)用。對(duì)于高校的智能建造人才培養(yǎng)目標(biāo)如何順應(yīng)未來土木建筑領(lǐng)域新時(shí)代發(fā)展，如何將傳統(tǒng)的建筑技術(shù)學(xué)系與最新智能化建造新技術(shù)元素融為一體，搭建一個(gè)以學(xué)生為本，全面而又適合個(gè)性化發(fā)展的多維立體化建筑技術(shù)培養(yǎng)體系，是我國高校土木建筑類相關(guān)專業(yè)課程教育需要解決的，同時(shí)關(guān)乎到提高大學(xué)生建筑技術(shù)培養(yǎng)水平和質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵性問題。

人才培養(yǎng)的最終落腳點(diǎn)在教學(xué)，需要通過 “教什么”來確定 “學(xué)什么”，教學(xué)直接影響學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)質(zhì)量。隨著新工科教育改革，傳統(tǒng)教學(xué)方法已經(jīng)無法滿足當(dāng)今人才培養(yǎng)的需求。為適應(yīng)當(dāng)下需求，北京工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)開展智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)數(shù)字化教育的實(shí)踐探索，以新型智能建造教學(xué)平臺(tái)為基礎(chǔ)，依托學(xué)科特點(diǎn)和專業(yè)優(yōu)勢，將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于智能建造課程教學(xué)中。

一、智能建造專業(yè)概述

(一)專業(yè)設(shè)立

智能建造專業(yè)，是以土木工程專業(yè)為基礎(chǔ)，面向國家策略需求和建筑業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型，融合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、電子信息及其自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、工程管理等專業(yè)發(fā)展而成的新興復(fù)合型工科專業(yè)。自2018年同濟(jì)大學(xué)首次設(shè)立智能建造專業(yè)以來，東南大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等國內(nèi)多所院校陸續(xù)設(shè)立了智能建造專業(yè)。截至2021年2月，我國已有20多所高等院校開設(shè)了智能建造專業(yè)(表1—表3)。

表1 2018年普通高等學(xué)校智能建造專業(yè)獲批結(jié)果

表2 2019年普通高等學(xué)校智能建造專業(yè)獲批結(jié)果

表3 2020年普通高等學(xué)校智能建造專業(yè)獲批結(jié)果

北京工業(yè)大學(xué)依托城建學(xué)部于2019年申請(qǐng)成立智能建造專業(yè)，并獲得了教育部批準(zhǔn)。北京工業(yè)大學(xué)自獲批開設(shè)智能建造專業(yè)以來，推行產(chǎn)學(xué)研教育實(shí)踐、校企共同培育模式，致力于培育基礎(chǔ)理論扎實(shí)、專業(yè)知識(shí)面廣、實(shí)際操作能力強(qiáng)、科學(xué)與現(xiàn)代人文素養(yǎng)深厚，并掌握智能化建造相關(guān)原則及基本方法，具有可持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力的復(fù)合型工程技術(shù)創(chuàng)新人才。為呈現(xiàn)建筑行業(yè)前沿智能建造技術(shù)，積極打造科研創(chuàng)新平臺(tái)，搭建智能建造實(shí)驗(yàn)室，不斷提升學(xué)生認(rèn)知水平。

(二)智能建造人才培養(yǎng)目標(biāo)

北京工業(yè)大學(xué)智能建造專業(yè)緊密圍繞國家對(duì)該領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的迫切需求，結(jié)合北京市科技創(chuàng)新中心建設(shè)目標(biāo)，面向建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，以土木工程專業(yè)為基礎(chǔ)，融合電子信息及其自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)科學(xué)工程等專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)一批掌握土木工程項(xiàng)目中的智能設(shè)計(jì)、智能施工、智能管理等技術(shù)的復(fù)合型創(chuàng)新人才，為國家京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展建設(shè)提供了有力的技術(shù)支撐。人才培養(yǎng)目標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)自然科學(xué)方法及邏輯思維能力：熟練掌握數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理等自然科學(xué)的理論基礎(chǔ)知識(shí)；熟悉人工智能、信息科學(xué)、工程技術(shù)、環(huán)境科學(xué)等相關(guān)的科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)；了解當(dāng)代科學(xué)和信息技術(shù)不斷進(jìn)步及其未來發(fā)展的主要趨勢與發(fā)展前景。在此知識(shí)基礎(chǔ)上，熟練掌握基本的自然科學(xué)思維方法，具備基本的邏輯思維能力，能夠運(yùn)用以上知識(shí)及方法解決實(shí)際問題。

(2)專業(yè)知識(shí)與技術(shù)水平：熟悉智能建造等相關(guān)知識(shí)，基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，專業(yè)知識(shí)深厚；掌握解決建筑工程實(shí)際存在問題的理論與方法，并參加全面的建筑工程理論與實(shí)踐培訓(xùn)，具備解決復(fù)雜建筑工程中存在的問題與管理的基本能力。

(3)基本身心素質(zhì)：具備良好的個(gè)人修養(yǎng)及基本職業(yè)道德；有責(zé)任擔(dān)當(dāng)，具有將所學(xué)的智能建造相關(guān)知識(shí)貢獻(xiàn)社會(huì)的意識(shí)和價(jià)值取向。

(4)表達(dá)與溝通能力：具有口頭和書面表達(dá)能力，能夠在團(tuán)隊(duì)中與人合作，發(fā)揮有效作用。

(5)學(xué)習(xí)能力：具備終身學(xué)習(xí)智能建造相關(guān)技術(shù)的能力，借助繼續(xù)教育或者其他途徑不斷提高自己的個(gè)人能力，了解和緊隨相關(guān)學(xué)科發(fā)展。

(三)專業(yè)集群課程體系

北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部打造了智能建造專業(yè)集群課程體系。基于通識(shí)教育理念，逐步加強(qiáng)對(duì)數(shù)理基本能力的培養(yǎng)，打造一個(gè)交叉式的學(xué)科和信息技術(shù)新元素的模塊化教育課程，并將其融入傳統(tǒng)的學(xué)科知識(shí)體系中；逐步建立“人工智能+”人才培養(yǎng)模式，開發(fā)“數(shù)字+設(shè)計(jì)”“BIM+建造”“綠色+建筑”等適應(yīng)行業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型發(fā)展的特色課程；不斷推進(jìn)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新，從而培養(yǎng)具備解決問題能力、滿足智能建造行業(yè)需要的人才隊(duì)伍。

智能建造專業(yè)的教育課程體系以土木工程課程為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)械工程、電子信息工程、工程管理等課程，培養(yǎng)學(xué)生的智能設(shè)計(jì)、智能施工和智能管理能力，學(xué)生畢業(yè)后主要從事智能建造領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、施工和管理等方面的技術(shù)工作。課程的主要特色如圖1所示。

圖1 智能建造專業(yè)集群課程體系建設(shè)

(1)專業(yè)基礎(chǔ)方面，強(qiáng)化力學(xué)、電學(xué)、土木工程、機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、工程管理等基礎(chǔ)知識(shí)，要求學(xué)生掌握建筑智能建造相關(guān)設(shè)計(jì)方法和工具，開設(shè)智能建造導(dǎo)論、機(jī)械原理、自動(dòng)控制原理、運(yùn)籌學(xué)等課程。

(2)核心課程中融入智能建造新思維和新技術(shù)，開設(shè)課程包括智能測繪、圖形學(xué)與虛擬設(shè)計(jì)、智能機(jī)械與機(jī)器人、土木工程智能施工、建筑環(huán)境智能化系統(tǒng)等。

(3)實(shí)踐環(huán)節(jié)重視項(xiàng)目化課程建設(shè)，綜合培養(yǎng)學(xué)生“智能設(shè)計(jì)、智能施工與智能管理”的能力，課程包括智能建造實(shí)驗(yàn)、BIM技術(shù)應(yīng)用課程設(shè)計(jì)、裝配式結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)、智能施工課程設(shè)計(jì)、智能化管理課程設(shè)計(jì)、智能建造全過程課程設(shè)計(jì)等。

二、智能建造數(shù)字化教學(xué)平臺(tái)

(一)教學(xué)平臺(tái)

北京工業(yè)大學(xué)籌建了新型教學(xué)平臺(tái)，平臺(tái)的建立采用五星教學(xué)原理，立足于學(xué)習(xí)過程，以“面向完整任務(wù)”為教學(xué)核心，包括兩層相互聯(lián)系的循環(huán)圈，內(nèi)外層循環(huán)圈共同指導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)的情境中科學(xué)且循序漸進(jìn)地自主學(xué)習(xí)，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果好、效率高和主動(dòng)性強(qiáng)的預(yù)期目標(biāo)。該方法可改善網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、多媒體教學(xué)或E-learning等在線教學(xué)只注重信息呈現(xiàn)，忽視有效教學(xué)特征的問題。

教學(xué)平臺(tái)在五星教學(xué)原理指導(dǎo)下，按照“以學(xué)生為中心、促進(jìn)自主學(xué)習(xí)、提升綜合能力”的思路，緊密對(duì)接建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，并對(duì)從業(yè)人員提出新要求，將最新理論、技術(shù)、規(guī)范、方式方法及新版軟件操作及時(shí)引入課堂，以完整項(xiàng)目任務(wù)的實(shí)施過程作為教學(xué)主體內(nèi)容；遵循職業(yè)成長規(guī)律，按照由簡單到復(fù)雜、由基礎(chǔ)到核心的方式將項(xiàng)目任務(wù)合理序化為若干相對(duì)獨(dú)立又有銜接的工作任務(wù)。同時(shí)，將崗位工作要求和思政教育等內(nèi)容有機(jī)融入平時(shí)課堂，并利用信息化技術(shù)手段將課程標(biāo)準(zhǔn)、微課視頻、動(dòng)畫演示、模型展示、PPT、教學(xué)設(shè)計(jì)、高階訓(xùn)練任務(wù)及討論等課程資源嵌入教學(xué)任務(wù)中，配合訓(xùn)練基地等相關(guān)軟硬件設(shè)備，使課堂學(xué)習(xí)為學(xué)生高階能力發(fā)展提供有效支撐。

新型教學(xué)平臺(tái)研究與開發(fā)的基本設(shè)計(jì)思路與步驟：第一步，深入相關(guān)企業(yè)調(diào)研，了解該專業(yè)崗位對(duì)從業(yè)人員的技術(shù)應(yīng)用能力要求，同時(shí)，根據(jù)專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)人才培養(yǎng)方案確定本專業(yè)教學(xué)目標(biāo); 第二步，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和崗位要求確定教學(xué)框架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)梳理教學(xué)過程中涉及的專業(yè)知識(shí)點(diǎn)和職業(yè)技能點(diǎn)，遴選典型的企業(yè)真實(shí)項(xiàng)目，對(duì)接智慧建筑施工的全過程，遵循專業(yè)人才成長規(guī)律和認(rèn)知規(guī)律，序化課程中的專業(yè)知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn); 第三步，根據(jù)各知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)的特征，設(shè)計(jì)其在教學(xué)中的表現(xiàn)形式，確定重難點(diǎn)，設(shè)計(jì)微課視頻、訓(xùn)練基地等課程資源，以及思政元素呈現(xiàn)方式; 第四步，制作教學(xué)所需視頻、模型等嵌入到課堂學(xué)習(xí)中，并根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)更新。圖2為新型教學(xué)平臺(tái)建設(shè)路徑圖。

圖2 新型教學(xué)平臺(tái)建設(shè)路徑

(二)數(shù)字化教學(xué)

智能建造是在傳統(tǒng)土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)上，融合了大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)發(fā)展而來的新興學(xué)科，涵蓋整個(gè)建筑的生命周期(工廠化構(gòu)件的制作、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維等)，涉及多個(gè)子體系(建筑體系、結(jié)構(gòu)體系、施工裝備體系、運(yùn)維和管理體系等)。

北京工業(yè)大學(xué)采用“三位一體”與“四個(gè)目標(biāo)”相結(jié)合的理念，進(jìn)行智能建造專業(yè)數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)虛擬操作、數(shù)字化全媒體方式、仿真模擬的一體化，使教學(xué)形式立體化。建設(shè)方案以教學(xué)為核心，在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上配備服務(wù)平臺(tái)，嵌入數(shù)字孿生技術(shù)的BIM建設(shè)項(xiàng)目智能管理數(shù)字化平臺(tái)，建筑虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)二合一訓(xùn)練基地這三項(xiàng)內(nèi)容作為輔助教學(xué)的數(shù)字化手段，結(jié)合數(shù)字孿生原理形成一套完整的智能建造專業(yè)數(shù)字化解決方案，其結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 智能建造專業(yè)數(shù)字化建設(shè)

本文以裝配式建筑BIM技術(shù)應(yīng)用課程教學(xué)為例，介紹智能建造專業(yè)數(shù)字化建設(shè)的具體內(nèi)容。

1.理論層面：全媒體教材服務(wù)體系

在教材基礎(chǔ)上配備新型數(shù)字資源，即打造“教材+服務(wù)平臺(tái)”的模式。擬選配資源有：教學(xué)動(dòng)畫、微課視頻、習(xí)題與答案、VR和AR展示、模型文件等。每一章節(jié)的知識(shí)節(jié)點(diǎn)、項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)、案例節(jié)點(diǎn)、課后習(xí)題等內(nèi)容都設(shè)有專門的二維碼，學(xué)生通過掃描二維碼可進(jìn)入相應(yīng)的服務(wù)平臺(tái)觀看相關(guān)工藝的施工動(dòng)畫，如：裝配式建筑套筒灌漿、現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)鋼筋綁扎、疊合樓板吊裝等相關(guān)工藝流程動(dòng)畫。也可以進(jìn)入微課視頻，重新學(xué)習(xí)在授課過程中自己沒有明白的知識(shí)點(diǎn)；可以在服務(wù)平臺(tái)中找到每一道題目的解析，并配有相關(guān)題目進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，其中還包含了歷年期末考試題、國家相關(guān)職業(yè)資格證考試試題、國家相關(guān)競賽考試試題等內(nèi)容。學(xué)生還可以通過佩戴VR設(shè)備進(jìn)入教材涉及的案例中進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)，通過VR設(shè)備觀看裝配式建筑部品、部件的生產(chǎn)過程，觀摩具體部品部件的安裝過程等。服務(wù)平臺(tái)提供的資源還包括：建筑行業(yè)相關(guān)政策方針、改革措施，國內(nèi)外工程典型案例、先進(jìn)的技術(shù)手段、新工藝、新方法等資訊信息，建筑行業(yè)最新的數(shù)字化、智能化軟硬件設(shè)備介紹等。最終實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”的立體化全媒體教材理念。

思想政治教育工作是一項(xiàng)十分重要的工作，它是人才培養(yǎng)的具體體現(xiàn)，更是抓好立德樹人工作的關(guān)鍵。為此，將思政教育的相關(guān)內(nèi)容有機(jī)地融入服務(wù)平臺(tái)中，具體內(nèi)容如下：(1)服務(wù)平臺(tái)中會(huì)不間斷更新相關(guān)資訊、時(shí)政要聞、實(shí)播中國、快閃、黨史、軍事等信息，信息展示形式為微信朋友圈的模式，學(xué)生可以對(duì)自己感興趣的內(nèi)容進(jìn)行點(diǎn)贊或評(píng)論提問，服務(wù)平臺(tái)中會(huì)設(shè)有專人進(jìn)行解讀，并定期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，把瀏覽量較高的內(nèi)容作為重點(diǎn)宣傳內(nèi)容；(2)智能黨建VR體驗(yàn)，服務(wù)平臺(tái)中包含各類黨建的體驗(yàn)場景，學(xué)生通過佩戴VR設(shè)備，即可進(jìn)入到虛擬場景中進(jìn)行VR黨建體驗(yàn)；(3)學(xué)生在服務(wù)平臺(tái)中進(jìn)行思政方面學(xué)習(xí)、體驗(yàn)的過程，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行記錄，并作為思政課程的平時(shí)成績計(jì)入到總成績中；(4)平臺(tái)還會(huì)設(shè)置一些黨政學(xué)習(xí)展示任務(wù)，學(xué)生以小組為單位接受任務(wù)，選擇自己感興趣的黨政內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)準(zhǔn)備，在課上的前10分鐘進(jìn)行學(xué)習(xí)成果展示。

2.軟件層面：虛擬模型(即嵌入數(shù)字孿生技術(shù)的建設(shè)項(xiàng)目智能管理數(shù)字化平臺(tái))

嵌入數(shù)字孿生技術(shù)的建設(shè)項(xiàng)目智能管理數(shù)字化平臺(tái)(以下簡稱管理平臺(tái))是模擬裝配式建筑全過程的模擬平臺(tái)，它結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。該平臺(tái)作為教學(xué)過程中的重要虛擬仿真輔助工具，其目的是將教學(xué)過程中涉及的方案、方法、組織計(jì)劃、現(xiàn)場布置等內(nèi)容在平臺(tái)中進(jìn)行仿真模擬，平臺(tái)會(huì)根據(jù)相關(guān)內(nèi)容給出結(jié)果，讓學(xué)生體驗(yàn)各類方案、方法的具體應(yīng)用過程與應(yīng)用價(jià)值，提前積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生根據(jù)平臺(tái)給出的結(jié)果進(jìn)行方案調(diào)整與修訂，真正意義上實(shí)現(xiàn)與實(shí)際內(nèi)容的銜接。該平臺(tái)可從工程建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維方面提供一套完整的教學(xué)方案，讓學(xué)生全面了解工程建設(shè)的全過程；平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各個(gè)階段成果相互轉(zhuǎn)換，讓每個(gè)階段聯(lián)通，通過這樣的形式讓學(xué)生形成相對(duì)完整的知識(shí)框架，避免出現(xiàn)知識(shí)斷層現(xiàn)象。每個(gè)階段生成的數(shù)字模型與成果，都可上傳到服務(wù)平臺(tái)上，形成個(gè)人數(shù)據(jù)庫，并實(shí)現(xiàn)與教材內(nèi)容對(duì)應(yīng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中結(jié)合自己所建的模型、擬定的方式方法、具體的操作步驟，加深了印象；還可通過編輯器導(dǎo)出相應(yīng)成果(如：模型、構(gòu)件、工藝等)，導(dǎo)出成果可對(duì)接VR、3D 打印等設(shè)備，學(xué)生可以通過該方式對(duì)自己繪制的模型進(jìn)行VR漫游體驗(yàn)，并通過3D打印機(jī)將自己所建立的模型在現(xiàn)實(shí)中呈現(xiàn)出來，真正意義上達(dá)到了虛擬與現(xiàn)實(shí)互相交融。在每個(gè)學(xué)習(xí)階段都配備有物聯(lián)網(wǎng)編輯器，學(xué)生可以根據(jù)自己的愛好對(duì)其進(jìn)行簡單的編程與邏輯搭接，就像搭積木一樣簡單易操作，無需掌握太多編程基礎(chǔ)知識(shí)，就可以完成此類操作。嵌入數(shù)字孿生技術(shù)的建設(shè)項(xiàng)目智能管理數(shù)字化平臺(tái)框架圖如圖4所示。

圖4 嵌入數(shù)字孿生技術(shù)的建設(shè)項(xiàng)目智能管理數(shù)字化平臺(tái)框架

3.硬件層面：物理對(duì)象(即建筑虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)二合一訓(xùn)練基地)

建筑虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)二合一訓(xùn)練基地(以下簡稱訓(xùn)練基地)是集裝配式建筑智慧學(xué)習(xí)工場演示區(qū)、裝配式構(gòu)件智能建造工法演義區(qū)、裝配式施工員培訓(xùn)工藝演習(xí)區(qū)等六大區(qū)域模塊為一體的綜合性實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)二合一訓(xùn)練基地，作為教學(xué)內(nèi)容的重要實(shí)踐場所，該訓(xùn)練基地的作用是將教學(xué)過程中提到的工藝、工法等相關(guān)內(nèi)容在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行實(shí)際操作模擬，學(xué)生可以體驗(yàn)課堂中所提到的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程、預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸過程，親自參與預(yù)制構(gòu)件的安裝，讓教學(xué)形式更加立體多樣，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力。該訓(xùn)練基地各個(gè)模塊的功能分別為以下6個(gè)部分。(1)區(qū)域模塊一：裝配式建筑智慧學(xué)習(xí)工場演示區(qū)，其中，包括裝配式建筑政策宣傳區(qū)、裝配式建筑節(jié)點(diǎn)與構(gòu)造展示區(qū)、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)區(qū)、裝配式施工展示區(qū)等，可滿足40～50名學(xué)生在此區(qū)域內(nèi)開展裝配式建筑相關(guān)課程的教學(xué)需求；(2)區(qū)域模塊二：裝配式構(gòu)件智能建造工法演義區(qū)，通過建造一座實(shí)體工法樓和實(shí)體的生產(chǎn)模臺(tái)，讓學(xué)生體驗(yàn)裝配式建筑中相關(guān)工法的實(shí)施過程和構(gòu)件的生產(chǎn)過程，工法樓和生產(chǎn)模具都配有特定二維碼，通過移動(dòng)終端掃描知識(shí)點(diǎn)，可在服務(wù)平臺(tái)中展示相關(guān)信息化知識(shí)，并可通過VR、AR等設(shè)備進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)；(3)區(qū)域模塊三：裝配式施工員培訓(xùn)工藝演習(xí)區(qū)，在演習(xí)區(qū)中通過定制相關(guān)的輕質(zhì)構(gòu)件或?qū)嵱?xùn)道具，開展裝配式構(gòu)件吊裝、套筒灌漿、接縫施膠等實(shí)訓(xùn)內(nèi)容；(4)區(qū)域模塊四：物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)備模擬仿真區(qū)，其功能為無線傳輸、lora技術(shù)、智能傳感器的使用與實(shí)操；(5)區(qū)域模塊五：數(shù)字孿生與智慧管理平臺(tái)類模擬仿真區(qū)，其功能為數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用、GIS技術(shù)應(yīng)用、管理駕駛艙、綜合管理平臺(tái)等；(6)區(qū)域模塊六：智能監(jiān)測與運(yùn)輸設(shè)備模擬仿真區(qū)，其功能為健康監(jiān)測系統(tǒng)體驗(yàn)、智慧化運(yùn)輸體驗(yàn)、智慧化管理體驗(yàn)等。該訓(xùn)練基地的實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與課堂教學(xué)內(nèi)容一一對(duì)應(yīng)，并通過結(jié)合全媒體教材服務(wù)體系、虛擬仿真模型等方法對(duì)其進(jìn)行迭代、交互和優(yōu)化，使得教學(xué)形式呈現(xiàn)出空間化；在掌握相關(guān)理論知識(shí)的同時(shí)，可以對(duì)教材上的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)際體驗(yàn)操作，二者同步進(jìn)行，最終形成個(gè)人的成果數(shù)據(jù)庫，讓學(xué)生獲得一種成就感，使人才培養(yǎng)更加科學(xué)、完善。裝配式建筑虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)二合一訓(xùn)練基地框架如圖5所示。

圖5 裝配式建筑虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)二合一訓(xùn)練基地

四、教學(xué)成效

采用數(shù)字化教學(xué)，可以最大限度地引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和實(shí)踐，調(diào)動(dòng)學(xué)生悟道、問道、尋道的積極性，形成學(xué)生主動(dòng)求是、求真、求業(yè)的價(jià)值觀思想，在這一教育過程中可以提升學(xué)生的思考和積極性，使學(xué)生更多地參與到課程教學(xué)中。教師與學(xué)生充分利用人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段和方法，建立交流學(xué)習(xí)的平臺(tái)，將學(xué)術(shù)討論貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，為廣大師生共同探討、互動(dòng)營造了積極的學(xué)術(shù)氛圍，學(xué)生的主動(dòng)性、參與性也得以提高。教學(xué)模式從以教師為主體的課堂學(xué)習(xí)改革轉(zhuǎn)化為以學(xué)生為主體的整體性綜合運(yùn)用學(xué)習(xí)。此外，在現(xiàn)代教學(xué)手段和方法的幫助下，教師個(gè)性化教學(xué)方法也成為可能，通過開展必要的課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)踐指導(dǎo)，使學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)際操作能力得到提高。

注重鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合工程項(xiàng)目的啟發(fā)式創(chuàng)新，鼓勵(lì)學(xué)生參加各類全國技術(shù)創(chuàng)新大賽，從2019年至今，我校學(xué)生參加優(yōu)路杯全國BIM技術(shù)大賽獲得過金獎(jiǎng)；參加第八屆龍圖杯全國BIM大賽獲得過團(tuán)體一等獎(jiǎng)；參加物聯(lián)杯IoT+BIM設(shè)計(jì)運(yùn)維大賽獲得過一等獎(jiǎng)等，共計(jì)獲得各類國家級(jí)大學(xué)生比賽獎(jiǎng)項(xiàng)10余項(xiàng)。

在智能建造科研成果方面，學(xué)校開發(fā)了BIM模型管理系統(tǒng)和評(píng)論展示系統(tǒng)，在深化設(shè)計(jì)、虛擬裝配及三維交底等方面進(jìn)行了深度應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了微觀、中觀和宏觀的多元層次化管理。創(chuàng)建了B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程可視化平臺(tái)及云端服務(wù)平臺(tái)，滿足了建筑工程信息化和智能化管理的要求。研究成果達(dá)到了國際先進(jìn)水平，成功應(yīng)用到北京新機(jī)場、FAST、冬奧體育場館等項(xiàng)目，獲得了北京市科技獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、華夏建設(shè)科技獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

在工程實(shí)際應(yīng)用方面，學(xué)校承擔(dān)了北京大興機(jī)場、北京市政服務(wù)中心、 500米FAST射電望遠(yuǎn)鏡、哈爾濱火車站房、冬奧會(huì)冰上項(xiàng)目訓(xùn)練館、京杭運(yùn)河樞紐港擴(kuò)容提升工程、西安350米國瑞·西安金融中心超高層等百余項(xiàng)大型工程項(xiàng)目的智能建造及BIM技術(shù)咨詢。目前正在為北京副中心交通樞紐、冬奧會(huì)雪車雪橇項(xiàng)目、亞運(yùn)會(huì)水上運(yùn)動(dòng)中心、雄安大型安置房、深圳地鐵16號(hào)線5-7工區(qū)、西安浐灞生態(tài)區(qū)灞河隧道項(xiàng)目等工程的智能建造、BIM及智慧工地建設(shè)咨詢服務(wù)。

五、結(jié)語

智能建造專業(yè)是以土木工程專業(yè)為基礎(chǔ)，融合多個(gè)學(xué)科內(nèi)容發(fā)展而成的新興復(fù)合型工科專業(yè)，智能建造專業(yè)的設(shè)立為建筑產(chǎn)業(yè)的改革發(fā)展和傳統(tǒng)土木學(xué)科的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了技術(shù)和人才支撐。基于智能建造教學(xué)平臺(tái)，開展智能建造專業(yè)數(shù)字化建設(shè)，搭建虛擬操作、數(shù)字化全媒體方式、仿真模擬的一體化教學(xué)體系，既創(chuàng)新教學(xué)方式、豐富教育資源，又解決專業(yè)人才培養(yǎng)的模式老化問題，真正將智能建造人才培養(yǎng)目標(biāo)落到實(shí)處。實(shí)踐證明，新型教學(xué)模式效果顯著，培養(yǎng)了一批智能建造專業(yè)創(chuàng)新型人才，為國家和京津冀區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供有力的人才支撐。