智慧水务背景下基于BIM技术应用的课程体系建构及应用

摘要：相对于传统的教学，智慧水务背景下的给排水专业教学已经发生了很大的改变，其将BIM真实工程案例模块化并植入课程教学中，重构课程体系，开展岗课赛证融通的课程教学，并通过校企合作共同开发课程资源、进行师资培训、共建实训基地及保障机制，以适应智慧水务行业的高质量发展要求，提高教师教学能力和学生技能水平。关键词：智慧水务；BIM技术；课程体系；教学实践2014年8月，国家八部委印发了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，要求大幅提升水务等公用基础设施的智能化水平。自此，国内学者在智慧水厂的协同设计、施工与运维等的智慧化管理、管控平台搭建、综合管廊的参数化设计及全生命周期管理、水资源管理、供排水安全等方面进行深入研究，推动建设水务系统管理信息平台，提升城市水务的安全保障和管理能力。水务行业和企业需要建立信息化人才梯队，为建设和维护智慧水务信息化系统提供可靠的人力支持，满足业务发展需要。因此，在国家智慧城市与智慧水务建设以及新工科建设的背景下，培养既精通给排水专业技术又能熟练运用现代信息技术进行水务的相关基础设施建模，涉水数据监测和采集、存储、分析及运用的复合型水务技术技能人才成为一件迫切的事情。一、BIM技术在智慧水务中应用及其在给排水课程中应用的情况（一）BIM技术在智慧水务中的应用情况建筑信息模型（BuildingInformationModeling，又称建筑信息模拟，简称BIM）技术是基于计算机辅助设计（CAD）等技术发展而来的一种多维建筑模型信息集成管理技术。它利用数字智能化模型对建设项目的设计、建造等过程进行管理和优化，是实6zo1H2HWER6ghZrK8hj3NA==现智慧化设计、建造和运维等全生命周期管理的关键技术。BIM技术已越来越多地被集成应用于智慧城市建设，其中包括智慧水务系统的建设。在给排水系统设计和优化方面，使用BIM技术，可以对给排水系统进行全面的建模和分析，包括管道布置、液流模拟、水力计算等，并优化系统设计，以确保系统的可靠性和效率；在水务系统建设方面，基于BIM模型和实时数据采集可构建数字孪生水务系统，对水质、水量、水压等参数进行监测和管理，提升对水务系统运行情况的分析和预测能力；在智能供水和排水管理方面，结合BIM技术、物联网和大数据分析，实现智能供水和排水管理，包括远程监控、泄洪预警、漏水检测等，实现供水和排水系统运行的安全性、可靠性和高效率；在施工与维护管理方面，利用BIM技术，在施工阶段进行施工过程模拟和冲突检测，可提升施工效率和质量控制能力。同时，在运维阶段，通过BIM模型的更新和管理，可实现设备维护、故障排除等管理工作的便捷性和精确性。BIM技术虽然在智慧水务领域中的应用领域逐渐增大，但与其他行业相比，智慧水务领域仍处于发展初期，还有较多的挑战。目前，智慧水务建设急需掌握BIM技术的给排水工程技术专业（简称给排水专业，其课程简称给排水课程）人才，高职给排水专业应积极响应行业需求，要基于BIM技术应用调整人才培养方案。（二）BIM技术在给排水课程中应用的情况目前，国内大多数高职院校还没有将BIM技术理念植入并贯穿于整个专业的课程体系，很多高职院校仅将BIM技术用于社会培训，还没有应用于专业人才培养的全过程。近年来，高职院校的工程造价专业运用BIM技术的比较多，但主要还是以工程量计算、工程量清单编制与计价为主。广西区内高职院校开设的给排水专业中，目前仍未见有将BIM技术融入课程项目化教学和学生技能培养的案例。具体来说，给排水三维模型建立、碰撞检查、优化设计、施工过程模拟、工程变更和签证等动态管理的教学中都还没有发现运用BIM技术的案例。但在建筑给排水工程课程中，目前已有相关应用，主要原因是因为BIM技术在建筑行业已经得到较广泛的应用。BIM技术可以三维形式将整个给排水系统呈现，包括管道布置、设备安装等，使学生能够更好地理解系统的结构、功能和运行原理，帮助学生在建模和分析过程中发现并解决潜在的设计和施工问题，提前预测系统在运行过程中可能遇到的问题，并优化设计方案，以提高工程效率、减少成本和风险。因此高职给排水专业课程要基于BIM技术应用进行改革以适应社会发展需要。（三）将BIM技术融入给排水课程教学遇到的困难高职院校在将BIM技术融入给排水工程技术专业课程中也遇到一些困难。一是具有运用BIM技术进行工程建设经历的师资力量不足，导致难以推进BIM技术融入课程设计及实施；二是缺乏与给排水工程相关的BIM教材和教学资源，使教师难以找到适合的教材和案例来支持教学，从而限制了课程改革的深度和广度；三是BIM技术需要功能强大的计算机设备和专业软件的支持，目前设备老旧无法满足BIM技术要求；四是实践机会有限，给排水工程作为一个实践性较强的学科，校内没有足够的真实项目和实训条件来支撑学生运用BIM技术解决工程问题，部分课程内容与行业需求脱节，导致学生在毕业后面临与实际工作要求不匹配的情况；五是BIM技术在给排水工程专业中的教学评估和认证体系尚不完善，缺乏统一的标准和指导，使得课程的质量和水平难以得到有效的评估和保证。二、重构基于BIM技术应用的给排水课程体系（一）开设BIM类新课程首先，开设新课程。开设BIM技术应用技术基础课程，教会学生运用BIM技术相关软件，比如Rvite建模、Navisworks施工模拟等软件，并熟悉掌握操作技术。其次，开设PLC自动控制基础、给排水工程运维管理、城镇智慧水务应用与发展课程。这是基于数字化智慧管理大背景的需要，开设这些课程以培养给排水专业从业人员智慧水务系统建设所需的现代信息技术应用能力，实现从传统的给排水专业侧重工程设计和建设人才培养向数字化智慧管理人才培养转变，培养高效运维管理技术型人才。（二）在原有课程中融入BIM技术在原有课程中融入BIM技术、植入BIM真实工程案例模块。在水处理技术课程的构筑物工艺结构的认知中融入基于BIM技术的水处理构筑物的参数化建模案例，在EPANET管网建模和平差计算中融入基于给排水管道基础知识的软件应用知识，在给排水管道工程课程理论教学与实训中融入软件技术的学习和操作训练内容，在水泵与泵站课程的水泵的构造与性能章节中植入基于BIM技术的各类水泵参数化模型，在建筑给排水工程课程中植入基于BIM技术的给排水管道的碰撞检测模块，在给排水工程施工技术和给排水工程施工组织与项目管理等课程中植入基于BIM技术的各种建筑、管道、构筑物的施工模拟模块，将BIM技术融入给排水课程中。在重构高职给排水专业课程体系中，学校要基于给排水工程建设逻辑把各门课程串联起来形成一个课程循环体系。一方面，在人才培养中融入BIM技术理念，并将之贯穿于整个教学周期；另一方面，改变各门课程各自为战、知识零散、缺乏关联性的现状，避免部分课程内容重复的现象。学校要研究建立基于“互联网+”的数字化学习环境，建设基于BIM技术的给排水工程项目实例教学模式，用一个完整的真实项目把各门课程串联起来。比如，从项目研究立项、设计、招投标、施工到运行维护，把工程制图与CAD、BIM技术应用基础、水处理工程、建筑给排水工程、给排水工程施工、安装工程预算、给排水施工组织等课程串联起来开展项目化教学，以便更好地培养出具有BIM技术能力的给排水专业人才。三、建立基于BIM技术应用的给排水课程教学保障机制为保障基于BIM技术应用的高职给排水专业课程教学得到有效实施，校企行三方要紧密合作、相互支持，建立“四同”保障机制。第一，开发教学资源。校企共同开发、收集或购买与给排水工程相关的BIM教学案例和实践项目，如电子书、教学视频、在线教程等，为学生提供学习资源和教材。第二，提高师资技术能力。校企共同组织和举办BIM专项的师资培训及研讨会、工作坊等，使教师了解BIM技术应用的最新发展，并掌握其应用方法；通过企业实践等方式，使教师能够熟练运用BIM技术的各种软件，并将其应用于给排水课程教材资源开发、课程教学设计和实训项目中；通过参与实际工程项目，收集BIM项目案例，并将之融入课程教学中，有效地引导学生进行实践和创新。第三，共建实训基地。一是校企共同研发支持BIM技术相关应用软件的实训设备，建设BIM技术实训室，供学生开展实训活动；二是校企合作建立实习基地，为学生提供实习和项目合作建设、研发的机会，使学生能进入实际工程工作环境参与工程建设与项目研发，提升学生的实践能力。第四，评估与反馈。建立有效的评估与反馈机制，定期对课程教学进行评估和调整。一是学生评价与反馈，可以通过匿名问卷调查、小组讨论或面谈等方式了解学生对课程内容、教学方法和教学资源的意见，并听取他们的建议；二是教师评估，让参与课程改革和实践的教师进行自我评估，收集他们对课程设计、教学实施和教学资源的评价和反馈意见；三是专家评估，邀请相关领域的专家从教学设计、教材选择、教学资源配置等方面给予评价，听取他们对课程改革的专业意见和建议，以及改进的指导意见；四是毕业生评价与反馈，对毕业生进行追踪调查，了解他们在工作中运用BIM技术的情况，听取他们对课程改革的评价、对课程改进的建议，了解他们在实际工作中面临的挑战。学校定期或不定期地收集在校生、教师、专家、毕业生的评价和反馈，为进一步完善课程体系提供重要的依据和指导，确保课程的质量和适应性。四、基于BIM技术应用的给排水课程教学实践现以真实案例作为教学载体阐述基于BIM技术串联各门课程开展教学活动的具体方法，即根据各门课程间的相关性，按照岗课赛证融通的教学思路建立融通教学模式、开展教学活动（如图1所示），以满足给排水高级技术技能人才培养要求。选择学校所在工业园区的自来水厂真实案例为载体，将BIM技术植入给排水课程体系中开展教学活动（如图2所示，见下页）。学校通过校企合作模式，邀请该厂技术人员共同修订人才培养方案，重构课程体系，参与实训项目的开发和实训教材的编写。按照BIM技术全生命周期的建设与管理流程，把对应内容设计成前后关联的教学模块。例如，在水处理技术课程中，使用水厂的设计参数进行工艺池体的计算，并将计算数据融入BIM应用技术基础课程中进行参数化建模，然后植入给排水施工模拟实训课程中，通过施工方案设计及应用施工模拟软件进行模拟验证；将工艺设计关联至PLC自动控制基础课程及其程序设计实训，进行自动控制设计。这样，基于BIM技术重构的给排水课程体系就形成一个教学循环，使学生在完成三年的给排水专业学习过程中，既经历一个真实BIM项目的全生命周期智慧化建设与管理过程，又完成了该过程所需的知识学习与技术技能训练。五、基于BIM技术应用构建的课程体系的教学实践效果给排水专业根据学校人才培养方案，以年为循环周期，进行完整的课程闭环改革和创新（行业调研—人才培养方案修订—课程标准修订—课程改革—教学实施—教学效果反馈）。在这个过程中，以线上线下结合的方式进行教师BIM技术能力的提升培训；收集大量的BIM素材和案例并制作教学资源包，结合“1+X”污水处理职业技能等级证书培训与考核、水处理技术的全国职业院校技能大赛项目、水务企业职工培训和技能竞赛的综合需求，进行了基于BIM技术应用的实训室升级改造，实施课程体系改革。（一）学生技术技能水平得到提高学校启动“学历证书+若干职业技能等级证书”制度试点工作后，为给排水专业选择与专业适配度较高的“1+X”污水处理证书进行试点建设。师生组成设计小组，运用BIM技术进行有限空间实训平台的参数化建模和设计，仅3个月便完成了方案申报和设计施工。同时对证书相关课程进行了课证融通的教学改革，如在水处理技术课程中，各工艺的运行维护操作是BIM技术全生命周期管理中后期的一个环节，也是“1+X”污水处理证书考核的一个模块，因此在实训环节，使用水处理仿真软件，在模拟环境中进行工艺的开停车、设备检修和工厂巡检等运维操作。实施基于BIM技术的课证融通课程改革后，给排水专业“1+X”污水处理证书的考证通过率逐年提升。课程体系改革中的赛课融通，实现了以赛促教改、以赛促课改的目标。我们将课程内容与比赛训练对接，统一课赛实训平台，在课程学习中让学生利用Revit软件对平台进行复刻建模，根据任务书要求的工艺，设计平台管道系统，在模型上进行模拟安装，检查管线碰撞后再进行实物操作，学生得到有效训练的同时也节省了实训耗材。学生参加全国职业院校技能大赛水环境监测与治理、水处理技术赛项并获得一等、二等奖项。学生以研究助理角色参与教师校企合作、产教融合等研究项目。例如，在混凝和过滤中试设备的研发中，协助教师利用BIM技术完成设备的建模和实物的制作，获得“一种活动式过滤试验装置”实用新型专利，培养了学生BIM技术应用能力和创新思维。（二）教师BIM应用能力得到提升教师是课程改革和实施的主体，其BIM技术水平直接影响课程的教学质量。通过BIM应用技术提升培训、BIM相关软件基础操作课程培训、BIM课程设计和资源开发研讨等，为教师提供系统学习和实践的机会。学校鼓励教师参与实际的BIM项目，促进与建筑、土木工程等相关专业的合作；创建和积累一批适用于给排水工程领域的BIM教学案例和教材（包括实际项目案例、模型库、操作指南等），帮助教师更好地教授BIM技术知识；鼓励教师积极参加BIM技术相关学术交流会议、行业论坛等，与同行和专业人士进行交流与合作，获知最新的行业动态和技术发展趋势，并与行业专家、技术人员分享经验和观点；组建给排水BIM技术应用教学团队，建立共享资源和协作机制，使团队合作形成集体智慧；