BIM-FILM技術(shù)在“土木工程施工技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用研究*——以集水井施工為例

陳 倩，韓 記，范 香

（西南財(cái)經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院，四川 綿陽 621000）

1 “土木工程施工技術(shù)”課程現(xiàn)狀分析

1.1 “土木工程施工技術(shù)”課程概況

“土木工程施工技術(shù)”是建筑工程技術(shù)專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，通過理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決建筑工程施工中有關(guān)施工技術(shù)問題的基本能力。它的任務(wù)是研究建筑工程施工技術(shù)的一般規(guī)律，即建筑工程中各主要工種工程的施工技術(shù)和工藝原理以及建筑施工新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，使學(xué)生掌握建筑施工的基本知識(shí)、基本理論和決策方法，具有解決一般建筑施工問題的初步能力。

該課程在工程造價(jià)專業(yè)、建筑工程管理專業(yè)的課程體系中占有非常重要的地位，其涉及教學(xué)內(nèi)容較其他學(xué)科更為繁多。課程模塊包括土方工程、樁基礎(chǔ)工程、砌筑工程、鋼筋混凝土工程、預(yù)應(yīng)力混凝土工程、鋼結(jié)構(gòu)工程、結(jié)構(gòu)安裝工程、屋面工程與地下防水工程、裝飾工程、高層建筑施工等。該課程可囊括“建筑材料”“建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)”“工程測量”等科目相關(guān)內(nèi)容。

1.2 傳統(tǒng)教學(xué)的不足

“土木工程施工技術(shù)”是一門綜合性、工藝性、實(shí)踐性以及操作性強(qiáng)的專業(yè)核心課。學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際以及對(duì)知識(shí)綜合運(yùn)用的能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程時(shí)，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)需要花費(fèi)大量的精力和時(shí)間，并且還不能完全理解和吃透課程抽象的知識(shí)點(diǎn)。目前，“土木工程施工技術(shù)”教學(xué)中主要存在以下幾點(diǎn)問題。

1.2.1 教學(xué)手段有待完善

課堂教學(xué)主要是教師利用多媒體并結(jié)合板書對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行講解，過程中加入施工案例、圖片、視頻、動(dòng)畫等。然而，多媒體教學(xué)的問題也比較多，如多媒體教學(xué)往往重形式、輕內(nèi)容，課堂上聲、光、像、圖過度堆砌，缺乏系統(tǒng)性，視頻資源不連貫[1]。再加上教學(xué)仍是以教師為主體，學(xué)生被動(dòng)接受，這種傳統(tǒng)模式下學(xué)生參與度不夠，無論從主觀還是客觀心理上都難以接受。對(duì)知識(shí)的掌握和理解都不能達(dá)到預(yù)期的效果，雖然老師和學(xué)生共同努力，但是學(xué)生的成績?nèi)匀浑y以提高。

1.2.2 實(shí)訓(xùn)教學(xué)困難

“土木工程施工技術(shù)”課程的理論知識(shí)需要應(yīng)用于實(shí)踐，那么實(shí)訓(xùn)是必不可少的環(huán)節(jié)，但是實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)存在如下不足之處：1）本門課程的實(shí)驗(yàn)基地大多數(shù)是在建工地，一方面由于建筑工程的建設(shè)周期都比較長，工程量大，學(xué)生不能完整參觀學(xué)習(xí)建設(shè)工程的全周期的施工內(nèi)容；另一方面由于考慮到學(xué)生的人身安全，學(xué)生現(xiàn)場學(xué)習(xí)僅限于參觀，不能動(dòng)手實(shí)踐，所以施工現(xiàn)場的實(shí)習(xí)效果不佳；2）對(duì)學(xué)校而言，無論是從經(jīng)費(fèi)還是課時(shí)的安排都是有限的；3）學(xué)生自主選擇實(shí)習(xí)單位，教師無法對(duì)每個(gè)學(xué)生的實(shí)習(xí)過程進(jìn)行跟蹤，難免有學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)敷衍了事，更難達(dá)到預(yù)期效果。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》的指導(dǎo)意見，教育部在2013—2015年啟動(dòng)了國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，得到了企業(yè)和高校的積極響應(yīng)和支持。現(xiàn)在已選出300個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，其中理工類211個(gè)，農(nóng)林醫(yī)藥類53個(gè)，人文社科類36個(gè)[2]。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了機(jī)械與農(nóng)業(yè)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，其教學(xué)原則是“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”，按照該原則提出“三平臺(tái)、九模塊”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[3]。北京郵電大學(xué)開發(fā)了電子、通訊、網(wǎng)絡(luò)三門學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，解決了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備及場地日益緊張等諸多問題[4]。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知，國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的新動(dòng)向包括以下幾點(diǎn)：1）加快新興信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用；2）整合教育資源于在線學(xué)習(xí)、混合式學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)之中；3）基于信息技術(shù)教育教學(xué)由理論課程單一教學(xué)形態(tài)向理論與實(shí)踐教學(xué)相輔相成轉(zhuǎn)變；4）促進(jìn)學(xué)生從以往的課程內(nèi)容單一消費(fèi)者向創(chuàng)造者和設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)變；5）重視和加強(qiáng)開放教育資源的建設(shè)、使用和維護(hù)；6）建設(shè)具有完備數(shù)字化學(xué)習(xí)條件和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的未來教學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。

2 BIM-FILM技術(shù)理論基礎(chǔ)

為提高教學(xué)效果，解決學(xué)生難題，本項(xiàng)目提出將BIM-FILM技術(shù)應(yīng)用于“土木工程施工技術(shù)”教學(xué)中。BIMFILM虛擬施工系統(tǒng)是近年來才發(fā)展起來的高新技術(shù)，是一款利用BIM技術(shù)結(jié)合游戲級(jí)引擎技術(shù)，能夠快速制作建設(shè)工程BIM施工動(dòng)畫的可視化工具系統(tǒng)。

該軟件的操作界面簡潔，制作流程清晰，包括地形地貌—施工部署—施工模擬—環(huán)境部署—成果輸出。模型庫內(nèi)容完全滿足在校學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，包括施工素材庫、主題構(gòu)件庫、企業(yè)CI庫、樣板節(jié)點(diǎn)庫、案例庫。內(nèi)置可定義動(dòng)畫。虛擬仿真可對(duì)施工全過程進(jìn)行模擬，讓學(xué)生感受逼真的施工環(huán)境，在學(xué)習(xí)了理論知識(shí)后，通過軟件操作加深理解，從而達(dá)到提高學(xué)習(xí)效率的目的。

BIM-FILM虛擬仿真技術(shù)具有動(dòng)態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性、高效性等多種優(yōu)點(diǎn)，只需要利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)就能完成對(duì)仿真模擬的全部操作，因此成本比較低廉。該技術(shù)可以將原本靜態(tài)的建筑工程技術(shù)內(nèi)容以動(dòng)態(tài)、立體的形式展示出來。利用BIM-FILM虛擬仿真技術(shù)可將施工技術(shù)各工種工程的完整施工工藝以動(dòng)畫的形式展現(xiàn)，方便學(xué)生完成相關(guān)知識(shí)內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)，并且通過學(xué)生自主操作可加深對(duì)知識(shí)的理解和記憶；可對(duì)各項(xiàng)施工技術(shù)逐項(xiàng)分解，同時(shí)通過改變調(diào)整攝像機(jī)視角，可360 °全景式觀看動(dòng)畫演示，將施工技術(shù)中的關(guān)鍵點(diǎn)逐一展示出來，以此能夠有效降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。

本項(xiàng)目以西南財(cái)經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院建筑工程管理專業(yè)為研究對(duì)象，將傳統(tǒng)教學(xué)與BIM-FILM技術(shù)相融合，以解決“土木工程施工技術(shù)”課程理論教學(xué)抽象、校內(nèi)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備更新慢、施工現(xiàn)場不安全、施工內(nèi)容銜接度不夠等方面的問題。

3 BIM-FILM技術(shù)在“土木工程施工技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用

“土木工程施工技術(shù)”教學(xué)設(shè)計(jì)是基于施工員崗位技能要求，以集水井施工方案為載體，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，借助超星泛雅教學(xué)平臺(tái)和線下教學(xué)混合模式，利用三維動(dòng)畫軟件BIM-FILM結(jié)合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備化解教學(xué)重難點(diǎn)。

3.1 課前預(yù)習(xí)

課前學(xué)生可登陸教學(xué)平臺(tái)自學(xué)PPT、微課、動(dòng)畫、規(guī)范圖集等資料，自主完成課前測驗(yàn)，檢驗(yàn)自學(xué)效果。

3.2 課堂教學(xué)

3.2.1 以具體工程引入

給學(xué)生提供某實(shí)際工程的集水井降水施工方案，安排學(xué)生閱讀學(xué)習(xí)方案的編制內(nèi)容，包括編制依據(jù)、工程概況、集水井降水設(shè)計(jì)與施工、施工流程、明溝排水措施、井點(diǎn)系統(tǒng)施工準(zhǔn)備及施工、降水運(yùn)行、安全文明施工。

3.2.2 理論知識(shí)教學(xué)

集水井的施工工藝如下：根據(jù)圖紙放線開挖基坑→設(shè)置邊坡支護(hù)→開挖集水井→在井底鋪設(shè)一層粗骨料→砌筑磚墻井壁→井壁四周填充粗骨料→開挖排水溝→在排水溝中鋪設(shè)粗骨料→在排水溝中鋪設(shè)排水管→在排水管四周鋪設(shè)粗骨料→粗骨料上覆蓋防水布并用燒結(jié)磚壓實(shí)→安裝潛水泵→觀測水位。教學(xué)方式為利用PPT對(duì)施工工藝中的每一個(gè)步驟進(jìn)行講解，包括怎么做、用什么機(jī)械、注意事項(xiàng)、安全文明施工等內(nèi)容。為了讓學(xué)生更直觀地掌握知識(shí)點(diǎn)，可利用BIM-FILM建設(shè)工程立體知識(shí)云庫中地土木工程施工技術(shù)里面的集水井施工動(dòng)畫輔助教學(xué)。

3.2.3 BIM-FILM動(dòng)畫制作

向?qū)W生講解BIM-FILM軟件平臺(tái)的組成部分，并根據(jù)集水井施工工藝流程中提示的步驟依次講解：第一步，根據(jù)方案中的工程概況新建地貌；第二步，根據(jù)案例方案設(shè)計(jì)施工環(huán)境，點(diǎn)擊主體構(gòu)件庫添加建筑，如項(xiàng)目部等；第三步，根據(jù)方案將REVIT軟件中制作好的基坑模型導(dǎo)入BIM-FILM；第四步，在施工素材庫中添加反鏟挖掘機(jī)和自卸車；第五步，在施工素材庫中添加壯工和手推車；第六步，在地形地貌中降低高度用以形成排水溝和集水井；第七步，在施工素材庫中添加材料粗骨料、墊板、磚塊、潛水泵等材料。各步驟根據(jù)施工工藝、施工方法在時(shí)間軸上設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)畫，如圖1所示，在時(shí)間軸上對(duì)反鏟挖掘機(jī)設(shè)置自定義動(dòng)畫，可模擬挖土卸土的過程；自卸車和手推車設(shè)置位移動(dòng)畫，可模擬運(yùn)輸過程；排水溝設(shè)置剖切動(dòng)畫，可模擬排水溝形成過程等。為了將施工過程表現(xiàn)得更直觀、更清晰、更易懂，應(yīng)在必要步驟進(jìn)行鏡頭切換的設(shè)置。整個(gè)過程中的關(guān)鍵步驟利用迅捷文字轉(zhuǎn)語音工具插入語音解說。通過操作步驟的具體講解和演示，讓學(xué)生全面掌握集水井施工動(dòng)畫制作流程。

圖1 集水井動(dòng)畫制作截圖

3.2.4 現(xiàn)場實(shí)際操作

“土木工程施工技術(shù)”中有部分教學(xué)內(nèi)容能夠進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際操作，如砌筑工程、鋼筋工程、混凝土工程等。針對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)就可以按照案例講解—理論教學(xué)—仿真演練—實(shí)際操作的教學(xué)模式進(jìn)行。部分教學(xué)內(nèi)容無法提供現(xiàn)場實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，如集水井、地下大型土方開挖，井點(diǎn)降水等，一方面是考慮到學(xué)生的人身安全，一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)器材造價(jià)過高。針對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)利用BIM-FILM動(dòng)畫制作，很好地彌補(bǔ)了無法進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際操作的傳統(tǒng)教學(xué)缺陷。

3.3 課后加強(qiáng)

課后設(shè)置校級(jí)BIM-FILM施工動(dòng)畫制作大賽。比賽流程為：以小組為單位在BIM-FILM官網(wǎng)登記報(bào)名信息—學(xué)生制作集水井施工動(dòng)畫—小組進(jìn)行成果匯報(bào)。比賽具體打分點(diǎn)如表1所示。

表1 BIM-FILM施工動(dòng)畫制作比賽評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

4 應(yīng)用評(píng)價(jià)

4.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的確定

本次實(shí)驗(yàn)分別選取西南財(cái)經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院工程造價(jià)專業(yè)2018級(jí)4個(gè)班的學(xué)生以及該校工程造價(jià)專業(yè)2019級(jí)4個(gè)班的學(xué)生進(jìn)行對(duì)比研究，2019級(jí)學(xué)生的“土木工程施工技術(shù)”教學(xué)中融入BIM-FILM虛擬仿真技術(shù)，2018級(jí)學(xué)生該課程采用傳統(tǒng)教學(xué)模式。

4.2 課程的評(píng)價(jià)方案

本次的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有以下3方面：學(xué)習(xí)態(tài)度、課堂表現(xiàn)、測驗(yàn)。

課堂表現(xiàn)的評(píng)價(jià)方法：1）學(xué)生提問。這一環(huán)節(jié)一方面可以根據(jù)學(xué)生提問的深度檢測學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，另一方面可以根據(jù)提問的積極性檢測學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度。2）教師提問。該環(huán)節(jié)可最直接檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。

測驗(yàn)的評(píng)價(jià)方式為學(xué)生的卷面分?jǐn)?shù)。本次以2018級(jí)和2019級(jí)期中測驗(yàn)和期末測驗(yàn)兩次的成績作為對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析。2018級(jí)和2019級(jí)的測驗(yàn)題型一樣、測驗(yàn)難度相當(dāng)。其中測驗(yàn)的題型設(shè)置包括：單項(xiàng)選擇題、多項(xiàng)選擇題、填空題、計(jì)算題、案例分析題。該題型的設(shè)置既包含主觀題也包含客觀題，從多角度對(duì)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)的能力進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

通過對(duì)一個(gè)學(xué)期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出以下結(jié)論。

4.3.1 課堂表現(xiàn)對(duì)比

如圖2所示，為單次課學(xué)生提問平均數(shù)量。從圖中可以看出2019級(jí)學(xué)生提問的數(shù)量明顯多于2018級(jí)學(xué)生。可見學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性都有所增加。

圖2 學(xué)生提問數(shù)量

如圖3所示，為學(xué)生回答問題的正確率。正確率的升高表明新型教學(xué)方式下學(xué)生對(duì)相同知識(shí)點(diǎn)掌握得更好、理解得更透徹。

圖3 學(xué)生回答問題正確率

4.3.2 測驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

測驗(yàn)是教學(xué)過程中的必要環(huán)節(jié)，其對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的評(píng)價(jià)也最為直觀。本次統(tǒng)計(jì)2018級(jí)和2019級(jí)的期中測驗(yàn)和期末測驗(yàn)，得出數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表2數(shù)據(jù)可知，期中測驗(yàn)結(jié)果顯示，通過半個(gè)學(xué)期的教學(xué)，融入BIM-FILM虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢就已經(jīng)體現(xiàn)出來。在平均分、及格率、優(yōu)秀率這3個(gè)指標(biāo)上，2019級(jí)都明顯高于2018級(jí)。期末測驗(yàn)結(jié)果顯示，學(xué)生的理論知識(shí)掌握和應(yīng)用情況都是2019級(jí)優(yōu)于2018級(jí)。

5 結(jié)束語

將BIM-FILM虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于工科“土木工程施工技術(shù)”課程的教學(xué)中有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：1）能夠使教學(xué)內(nèi)容更加逼真、直觀，彌補(bǔ)學(xué)生實(shí)踐操作不足的缺陷，有效地保證了“土木工程施工技術(shù)”的教學(xué)質(zhì)量；2）只需一臺(tái)電腦即可完成操作，節(jié)約了實(shí)訓(xùn)成本；3）覆蓋面廣，所有同學(xué)均可動(dòng)手制作動(dòng)畫，有效鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力；4）資源庫內(nèi)容豐富，有效解決了網(wǎng)上視頻資源不連貫、現(xiàn)場無法完整參觀施工工序的難題[6]；5）生動(dòng)、形象的動(dòng)畫教學(xué)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度。