海洋空間資源開發工程BIM技術的遞進式教學模式探索

楊潔 張蔚 陳美香 王瑞彩

［摘 要］為適應信息化時代的快速發展，河海大學針對海洋空間資源開發工程BIM技術進行了“課程教學—課程設計—畢業設計”遞進式教學模式的實踐。通過與海洋資源開發和防護工程相結合，提高了學生觸類旁通、解決實際工程問題的能力；靈活的課題布置方式培養了學生的發散思維方式和自由探索能力。思政元素的融入將可持續發展的生態理念有效植入，并提升了學生的行業認同感和民族自豪感。遞進式教學模式既提升了傳統工程技術類課程的維度，也為BIM技術貫穿專業全過程培養的可行性探索提供了借鑒。

［關鍵詞］河海大學；海洋資源開發技術專業；遞進式教學模式；思政融入；BIM技術；畢業設計

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）01-0069-05

黨的十九大明確提出了“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國”的戰略部署，標志著我國正向海洋強國的方向邁進，亟需海洋資源開發和利用的專業人才[1]。河海大學積極響應國家建設海洋強國戰略需求，依托港口海岸與近海工程學院籌建申報了海洋資源開發技術本科專業，于2018年順利獲批。該專業以建設中國特色、世界水平的一流本科教育為目標，遵循“育人為本、德育為先、能力為重、全面發展”的育人理念，堅持以社會和行業發展對人才素質的需求為導向，以培養創新能力強、具有國際視野、適應社會經濟發展需要的海洋資源開發技術專業高素質復合型人才為己任。為對標國家及地方政府對BIM（Building Information Modeling）技術的大力引導[2-5]和海洋資源開發、管理領域對BIM人才的迫切需求，專業專門開設了海洋空間資源開發工程BIM技術課程及配套的課程設計，旨在培養學生從事海洋海岸資源開發（如新能源開發、油氣開采和海上風電等）和海岸防護工程（如減災規劃和防災設施提標）等工作的基礎技能。為了更好地達成培養目標，課程教學在思政元素融入、教學環節設計、教學手段安排等方面做了精心策劃和充分實踐。本文對相應的實踐活動及效果做了系統總結，以期不斷完善教學方案，提升教學效果。

一、BIM技術的發展背景

BIM技術是基于數字技術的三維可視化參數模型，以開放、共享的模型和數據庫為工程項目全生命周期提供可靠的管理和決策依據，旨在促進項目各參與方有效協同和技術創新，實現全環節的動態管理。該技術與工程建設的信息化、產業化息息相關，于2000年前后在全球迅速發展壯大，極大提升了相關行業的生產力水平，促進了創新性建造工藝的發明和應用，并加快了與虛擬現實（VR，Virtual Reality）、人工智能（AI，Artificial Intelligence）、云計算和5G等新技術的聯合應用[6]。BIM技術作為一種新興技術，是新時代技術變革和社會發展的產物，與國家可持續發展、信息化發展的規劃高度吻合[5]。BIM技術在助力中國水利土建工程新技術突破、促進生產力提升、提高共建“一帶一路”國家的基建工程援建能力等方面具有重要作用，這對推進我國國家進步、實現中華民族偉大復興具有深遠意義。

二、BIM技術課程遞進式教學模式構建

海洋空間資源開發工程BIM技術課程及其課程設計是海洋資源開發技術專業的重要教學和實踐環節之一，開設在本科四年級的秋季學期。由于畢業設計設置在次年的春季學期，課程組進行了遞進式教學模式的嘗試，主要涵蓋“課程教學—課程設計—畢業設計”三方面的連貫性教學內容。課程教學理論基礎與軟件實踐并重，課程設計和畢業設計通過逐步加強與專業課內容的結合提升實踐應用能力。同時，考慮到立德樹人在當前高等教育中的實際需要，在教學環節中有效融入思政元素。

（一）教學內容設置

作為以實踐為主導的課程，教學環節的設計特別注意了專業的針對性。BIM軟件如Revit等在出現和發展的早期普遍應用于建筑、結構等專業，在海岸工程、水利工程等專業應用較少，能直接使用的對象庫、族等模塊文件較為有限，而針對海洋資源開發技術專業相關的應用實例和專門性的教材基本是空白。課程組在制定海洋空間資源開發工程BIM技術教學內容時，將BIM技術充分與本專業在海岸資源開發、防災減災及生態環境保護與修復方面的相關工程相結合，不斷完善并擴充可供學生課內外練習的案例，嘗試將BIM技術應用到本專業的本科畢業設計中，與時俱進地提高海洋資源開發技術專業人才培養與國家發展方略的契合程度。

（二）教學環節設計

1. 課程教學環節

BIM技術的理論教學需聚焦于其意義、應用優勢及未來發展方向，旨在使學生掌握全生命周期工程理念及BIM技術在各工程階段的應用方式，是課程教學不可或缺的一部分。因此，首先，海洋空間資源開發工程BIM技術授課的基礎理論和軟件建模兩部分教學內容三七分配；其次，BIM軟件隨著BIM技術的迅速發展層出不窮，講解全部軟件是不現實也是不必要的。本課程通過重點教授一到兩個主流建模軟件的使用方法，使學生掌握建模核心思想，培養學生觸類旁通、舉一反三的學習能力。

在具體的課程教學實踐中，理論部分結合海洋資源開發技術專業的工程案例講授BIM相關的理念及在工程各階段的應用。在軟件教學環節，與本專業教學培養大綱中水利工程制圖課程相銜接，建模軟件選擇Autodesk同系列的Revit和Civil3D軟件，并鼓勵學生充分利用網絡資源自學其他軟件作為補充。教學方法采用“課堂講授引導+學生案例分享”的綜合形式，鼓勵和引導學生通過課下調研和課上分享的方式展示和分享調研成果。課程實踐環節選擇體量不大、結構簡單的項目，以學生獨立完成的形式為主。通過閉卷考試和課程大作業的形式分別考查學生的理論知識和建模實踐能力。

2. 課程設計環節

海洋空間資源開發工程BIM技術課程設計一般在理論課程結束2～3周后開展，為課堂教授內容的綜合實踐環節，布置的建模課題提高一定的復雜度，并與海洋資源開發、海岸帶防護和防災減災等方面的工程關聯更為緊密。該環節以個人形式來完成，綜合評價每名學生的學習效果和動手實踐能力。通過本環節的教學實踐，豐富和改進可用于海洋資源開發技術專業的樣板、族等素材，并選取一些優秀的課程設計成果作為后續教學案例的補充。

3. 畢業設計環節

畢業設計是畢業生走向工作崗位前非常重要的一項綜合實踐環節。由于海洋資源開發技術專業還未形成完善的畢設題庫，畢業設計的題目主要參照港口航道與海岸工程專業的涉海畢業設計進行布置。“防波堤設計”是畢業設計的重要方向之一[7]，主要內容包括港口防波堤平面布置和斷面設計比選，根據斷面設計的難易程度，可靈活增減設計水位推求、港前波要素推算等內容，是對專業課知識很好的綜合訓練。在此基礎上，增加BIM建模要求，即針對最終比選的防波堤平面布置方案和斷面型式進行三維建模和渲染。

三、教學內容的思政融入

BIM是體現新時代技術變革的技術之一，與國家發展方向和時代風向標緊密契合，在課程教學過程中融入思政元素并與成熟的建造技術深度結合是非常必要的。結合課程授課環節，思政教學案例緊密圍繞BIM理論和技術的具體內容，采用案例教學為主的方法形成層層遞進、環環相扣的思政點，在整個教學環節中融入貫穿。具體可以從下面三個方面進行實踐。

（一）不畏攻堅克難，踐行工匠精神

以上海世博館、中國尊等工程為實例，介紹設計師如何利用BIM技術克服困難，實現復雜的造型和結構設計方案。以港珠澳大橋、上海中心大廈為實例，講解工程師們如何精益求精、優化施工工藝方案，提升施工速度和質量并實現節能環保。從火神山醫院[8]、上海中心大廈引入介紹建筑工業化在國內外的發展情況，讓學生了解BIM與相關新技術的未來發展趨勢和聯合應用前景。

（二）打造綠色建筑，助力生態文明

通過張家港生態村、天津文體中心等工程中的綠色理念和節能措施，引入綠色建筑的概念，CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真、聲光模擬、能耗模擬等具體應用，以及環保節能措施。通過介紹我國在能源和環境問題上的政策導向及相關法律法規[9]，使學生了解綠色建筑理念在環境和生態等方面的社會和經濟效益，踐行綠色生態理念。

（三）研發自主軟件，占領技術高地

在講授國內外BIM主流軟件優缺點及應用情況時，著重講解我國PKPM、廣聯達BIM5D、魯班等軟件在深化設計、施工管理、運營等方面的應用實例，特別是與我國政策、國情適配，適應我國設計院和建筑行業工作模式的情況；介紹我國軟件助力重大工程項目攻堅克難、攻克“卡脖子”技術難題的情況，以及在“一帶一路”港口援建等項目中所發揮的積極作用，培養學生在自主研發和科技創新方面的自信心和行動力。

四、教學結果展示與評價

（一）課程教學效果

在2022—2023學年秋季學期開設的相應課程中，課堂上通過三維模型、動畫和視頻的方式分享了諸如港珠澳大橋通關大樓地下公用設施網絡碰撞沖突、施工進度管理，火神山醫院和世博館中國館利用裝配式工藝、BIM協同設計實現超緊工期完工，上海中心大廈在設計和施工中解決異形建筑強度、綠色環保節能技術、復雜管線優化等方面的應用等案例。對這些重大或標志性工程項目的介紹大大增強了學生的民族自信心，激發了其將來成為建設美好國家工程建造者的自豪感。課程實踐的目的是使學生通過實操掌握Revit軟件各個模塊的基礎功能。基于Revit本身的建筑屬性，選用了民用建筑樓的建模任務，使學生充分練習了Revit中標高、柱網、門、窗和樓板等圖元的建模方式，樓層視圖等模型的查看和交互方式，以及參數化族的創建等操作。從教學實踐效果來看，海洋資源開發技術專業19級27名學生均能掌握Revit軟件各圖元的建模方法，但同時也存在細節處理不完善（如扶手的連接設置）等問題。

（二）課程設計結果展示

與課程教學中的實踐環節不同，從課程設計開始，建模目標采用海洋資源開發、海岸帶防護和防災減災相關的工程型式。本次課程設計實踐內容為復坡斜坡式海堤，要求學生根據海堤斷面的圖紙進行實體建模，斷面護面、墊層等材質根據需要進行參數化創建，同時對斷面圖進行尺寸標注并出圖（如表1所示）。為了提升海堤建模的元素豐富性與增強學生靈活處理復雜問題的能力，除了以上必選內容外，此輪教學環節中還在課程設計題目設置上嘗試增加了自選模塊。具體地，學生可自由選擇完成至少一項自選模塊，教師根據完成數量和質量予以賦分；涉及的自選模塊大于一項時有可能出現溢分，如此設計的原因是鼓勵學生在完成情況不完美時進行多方面的建模嘗試。同時，與思政教學點中綠色生態理念相銜接，自選模塊一的海堤生態化改造措施正與國家建造人與自然和諧社會理念相一致，使學生通過相應練習對我國各海岸生態海堤的發展現狀有所了解。

根據本輪教學活動實踐的結果（見表2）來看，自選內容中選做1個模塊的共14人，選做2個模塊的共8人，選做3個模塊的則有4人，即有將近一半的人選做了2個及以上模塊的內容。結果表明，“必選+自由自選”的模式極大地調動了學生自由發揮的積極性，對于培養學生的發散思維、靈活解決問題的能力大有裨益。同時，在進行相應海堤斷面的生態改造、扭工字塊的參數化建族及說明書撰寫的過程中，需進行一定的文獻和規范的查閱，也同步增強了學生閱讀文獻、數據分析等科研能力。

（三）畢業設計結果展示

此次畢業設計題目為“浙江省蒼南縣中墩漁港防波堤設計”。根據當地水深和波況等條件，通過繞射計算、結構穩定性驗算、地基沉降等計算，最終選用復式斜坡堤斷面型式的單突堤布置。在以上傳統畢業設計工作的基礎上，本次畢業設計內容進行了BIM建模。基于斷面結構具體尺寸，針對扭王字塊與防波堤結構自建參數化族模型，各構件材質依照真實施工材料材質創建。沿防波堤軸線方向，堤身分別采用拉伸、旋轉及放樣融合等命令創建。考慮結構的穩定性，護面塊體采用交錯、勾連的方式放置在堤身港外側與堤頭兩側，圖1即為堤身、堤頭段斷面形式及實際結構三維示意圖，扭王字塊根據相應規范[10]的密度要求進行布置。

BIM模型渲染與漫游可以更加全面、真實地展示工程的全貌，當施工工藝復雜時，還可以提升設計方與施工方之間的溝通效率并利于優化施工工藝。因此，為還原更真實的斜坡堤立體結構及其在不同設計水位下的真實使用情景，畢業設計中還對比了分別采用Revit和Lumion軟件進行渲染的效果（見圖2）。本次畢業設計采用了Revit to Lumion Bridge插件以dae文件格式導入模型，可以更好地保留Revit軟件中的材質參數，同時Lumion中海水的波面效果更為真實，添加船舶等交通工具進一步增強了視覺沉浸的效果，總體優于Revit。

（四）教學效果評價

BIM理論和建模軟件的演示教學加深了學生對BIM技術在工程建設各環節應用的理解，通過與海岸防護等工程相結合，復雜度和專業度逐步提升的課程設計和畢業設計的實踐題目極大提高了學生動手實踐、項目管理和解決復雜問題的能力。遞進式教學模式的實施，使學生初具了基于BIM技術的規劃、設計、施工和運維等工程全生命周期中的信息共享和協作的理念，提升了學生在信息共享、靈活解決實踐問題等方面的能力，同時也形成并逐步完善了適用于本專業的教學資料庫。

課程中思政內容的融入，培養了學生的全球化視野，使之能夠對相關創新技術的歷史變革及未來發展趨勢準確把握，增強團隊合作和國際競爭力；增強了學生學習新知識、掌握新本領的自覺性和緊迫感；培養了學生腳踏實地、艱苦奮斗的精神，提升了學生的行業認同感和民族自豪感，有利于培養具有擔當的海洋工程人才；使學生初具了綠色、環保、可持續發展的工程建設理念，從細微點滴之處踐行社會主義生態文明建設。

針對此輪教學的各環節實踐，本文總結了在后續教學中可以改進的地方。目前培養方案中大四上學期仍有18.25個學分（其中5.5學分選修）的課程，而半數以上學生還有考研的壓力，因此在課程設計題目的設置上做了一定簡化，如海堤底部未考慮地形的起伏變化，并將在以后的教學中對題目進行進一步打磨完善，使其綜合性增強，并可逐步增加海上油井平臺、人工島等新課題，逐漸擴充課題庫。同時，本輪教學中原計劃在課程設計布置（原安排在2023年元旦過后的一個教學周）時邀請相應行業單位的BIM工程師開展一次BIM案例講座，但由于2022年底的突發疫情情況，課程設計被迫延期，講座未能開展，此項教學環節將在下一輪教學活動中執行。畢業設計課題方面，今后可做進一步深化探索：以個人方式完成的畢業設計課題可以適當減少結構設計的工作量，而選擇性增加BIM在能耗分析、造價分析中的應用，增加BIM技術應用的深度；在學校培養模式允許的情況下，可嘗試以多人或多專業協作的方式進行復雜度較高的BIM建模，以拓展BIM技術應用的廣度。我國設計院多為綜合性技術單位，若能實施多人多專業協作的畢業設計方式，相信對于培養能進行二次開發的具有一定科研能力的復合型BIM技術人員大有裨益。

五、結語

海洋空間資源開發工程BIM“技術課程—課程設計—畢業設計”的遞進式教學模式作為新開專業和新開課程的教學模式的探索，是培養具有BIM技術的海洋資源開發技術專業高層次人才的基礎，使學生真正做到懂BIM和用BIM，也是后續專業建設中不斷將BIM技術融入工程經濟、工程管理等專業課程的先行嘗試，可為推動本專業BIM技術人才的全過程培養提供參考。多層次教學活動的實踐避免了相關課程成為純軟件建模教學的BIM課程并改善了本專業教學案例較少的現狀。將BIM課程延伸到畢業設計當中，不僅提升了畢業設計內容的維度，也為BIM技術人才的全過程培養提供了有益參考。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 吳亞平. “海洋強國戰略”背景下本科人才培養模式改革探討[J]. 科技與創新，2020（19）：100-101.

[2］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.住房城鄉建設部關于印發2016－2020年建筑業信息化發展綱要的通知[EB/OL].（2016-09-19）[2023-06-10].https：//www.mohurd.gov.cn/gongkai/zhengce/zhengcefilelib/201609/20160919_228929.html.

[3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部，發展改革委，科技部，等. 住房和城鄉建設部等部門關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見[R]. 2020.

[4］ 中國建設報.“十四五”住房和城鄉建設科技發展規劃印發[EB/OL].（2022-03-16）[2023-06-10].https：//www.mohurd.gov.cn/xinwen/gzdt/202203/20220316_765150.html.

[5］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.住房和城鄉建設部關于印發“十四五”建筑業發展規劃的通知[EB/OL].（2022-01-19）[2023-06-10].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-01/27/content_5670687.htm.

[6］ 張玉琢， 馬潔， 陳慧銘. BIM應用與建模基礎[M]. 大連： 大連理工出版社，2019.

[7］ 魯子愛. 港口航道與海岸工程專業畢業設計指南[M]. 北京： 中國水利水電出版社，2000.

[8] 王瓊. “大國工匠精神”融入工程估價課程思政教學改革的研究[J]. 產業與科技論壇，2022，21（13）：133-134.

[9] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.綠色建筑評價標準GB/T 50378-2019[S].北京：中國建筑工業出版社，2019.

[10] 中華人民共和國交通運輸部. 防波堤與護岸設計規范JTS 154-2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

［責任編輯：雷 艷］