吕 岩，杨德健

（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

工程教育认证理念认为：毕业生在掌握基本工程知识的基础上，还应具备应用分析与设计、施工与管理、检测与加固等专业能力；承担土木工程及其相关领域多学科背景下复杂工程的项目设计、施工、管理等工作的能力.本文以天津城建大学为例，根据工程认证的要求，提出了“房屋建筑学”课程应对土木工程专业毕业生的若干能力提供相应支撑（见表1）.

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系

如何培养出同时具备工程实践能力与科研创新能力的复合型土木工程毕业生，如何根据工程教育认证理念对传统教学过程进行改革与创新，是当前高等工程教育面临的重大挑战[1-2].因此，专业课程的教学内容、教学方法和考核标准都必须支撑该课程对应的能力目标，然而传统的教学方法在某些方面无法支撑新的培养目标.本文以“房屋建筑学”为例，讨论将BIM 技术结合工程案例用于“房屋建筑学”课程教学的思路.

“房屋建筑学”是土木工程专业必修的专业基础课，其以“工程制图”“建筑材料”等课程为基础，同时也为学生后续学习“结构设计”“建筑施工”“工程造价”等专业课程提供必要的专业知识储备.只有学习了“房屋建筑学”才能对房屋建筑的基本构造组成有所了解，在此基础上才能进行更深入的专业课程学习.对于土木工程专业的学生，本课程的重要性不言而喻.

1 目前“房屋建筑学”课程教学中存在的问题

“房屋建筑学”是土木工程专业的入门课程，贯穿整个专业课程学习的全过程.“房屋建筑学”的课程内容包括建筑设计和建筑构造两大部分.建筑设计主要介绍房屋的空间设计原则和建筑平、立、剖面图的设计方法，为“建筑识图”和“房屋建筑学”课程设计打下基础；构造设计则介绍了房屋基本组成构件的构造原理和构造方法，主要包括基础、墙体、楼地层、楼梯、屋顶和门窗等六大组成部分的构造原理和营造做法，是土木工程专业学生重点学习的内容.

现阶段的“房屋建筑学”教学方式较为单一，大多采用“教师讲授+多媒体”的方式.课堂教学中基本使用二维图形并适当结合教学视频进行辅助讲解教学内容，学生在上课时需要根据二维图形在头脑中想象出三维模型.如果学生的空间想象力不足或者注意力不够集中，尽管教师花费大量的时间组织语言解释二维图形，学生依然难以理解所学内容，不可避免会影响后续专业课的学习.因此，目前的课堂教学方法不够直观，直接造成课堂教学效率较低.

2 BIM 技术与“房屋建筑学”课程相结合的优势

建筑信息模型（building information modeling，简称BIM）技术是Autodesk 公司在2002 年率先提出的，基于BIM 技术的工程仿真模拟是施工中BIM 技术的重要应用之一[3-4]. 将BIM 三维立体模型与漫游技术用于课堂教学，为学生展示建筑内部构造，能够使学生有身临其境的感觉，帮助学生理解掌握课程内容，尤其是学生理解困难的剖面设计的内容在三维模型的演示下非常直观.这将会大幅度简化教学过程，提高学生的学习效率.

2019 年6 月至8 月，大连大学建筑工程学院的杨永伟、周家康对建筑学、土木工程、建筑环境与能源应用工程等专业各年级的学生进行了调研. 数据显示，在受访的531 人中，25.99%的人认为“房屋建筑学”难以理解；在BIM 技术辅助“房屋建筑学”课程改革的意愿方面，土木工程专业有54.17% 的学生希望通过BIM 技术能进一步辅助理解复杂节点的构造问题；而建筑环境与能源应用、工程造价等专业则有50%以上学生倾向于通过BIM 技术更有效地完成平面、立面、剖面的同步绘制及相互转换工作[5].

天津城建大学“房屋建筑学”课程组教师针对土木工程专业的教学特点，总结多年的教学经验，设计了基于BIM 技术与工程案例相结合的“房屋建筑学”课程教学过程，如图1 所示.

图1 基于BIM 技术与工程案例相结合的“房屋建筑学”课程教学设计

当今的互联网时代，信息技术影响着各个行业的发展与变革，建筑行业也不例外.BIM 技术是近些年来在建筑工程中应用越来越广泛的数据化工具，不论是出于市场的需求还是技能的学习，学生都应掌握BIM 技术并熟练使用[6]. 而将BIM 技术应用于“房屋建筑学”课程的教学也能充分发挥其优势、提高教学效果.

3 基于BIM 技术的“房屋建筑学”教学设计思路

3.1 整合知识点，优化教学内容

由于“房屋建筑学”课程的特点是覆盖面广、知识点繁多，并且没有明显的条理性，学生学习起来比较困难.教师需要根据教学大纲提前将教学内容进行梳理，合理安排学时，并注意行业的发展随时将新技术纳入到教学内容中.以天津城建大学为例，根据教学大纲的要求，“房屋建筑学”课程组将教学计划分为四个知识单元和两个实践单元，具体内容和对应的毕业要求指标见表2.

表2 课程教学内容与学时分配

对于以上教学内容中的难点、重点或者学生不易理解的构造节点部分，可预先使用BIM 软件进行建模.在进行课堂教学时，使用BIM 三维模型与传统的二维图形进行对比展示，给学生更加直观的形象.在进行难点讲解时可以使用Revit 中的3D 视图或者漫游功能给学生进行演示，例如建筑物的采光分析、各部分构件的组成、柱梁板的配筋等，如图2 所示.将新技术应用于课堂教学的做法更容易引起学生共鸣并激发学生对专业的学习兴趣.

图2 BIM 教学模型

3.2 引入案例，进行分组教学

大部分高校将“房屋建筑学”这门课安排在大二下学期或者大三上学期开设.在这此阶段学生已经学习了“土木工程概论”、“土木工程材料”和“工程制图”等基础课程，但对于房屋构造仍然缺乏认识，如果只是照本宣科的按照传统方式教学恐怕难以引起学生兴趣.

因此，应在结合BIM 技术的基础上再引入实际工程案例，结合实际工程的施工图进行建筑设计和构造方案的讲解，并鼓励学生对案例施工图进行优化，以小组为单位提出不同的设计方案.从不同的角度进行批判的思考和学习，学生会对这门课更有兴趣，教师的授课过程也更加灵活.

关于教学案例的选择可以使用已建成项目的施工图，例如学生最熟悉的宿舍楼、教学楼、办公楼的图纸都是很好的选择.学生对于身边的建筑物可以非常清楚地指出其设计中的优、缺点，也乐于进行优化或者再设计.以城建大学为例，笔者结合“房屋建筑学”课程的教学安排，选择以下四个实际工程实例作为教学案例，项目具体内容见表3.

表3 用于“房屋建筑学”课程教学的工程案例

以上四个案例项目类型涉及居住建筑、办公建筑、教学建筑以及旅馆建筑，基本涵盖了常见的公共建筑类型，并且与学生日常学习、生活密切相关，便于学生观察、了解其功能要求和构造特点.实际项目的训练让学生更多地了解和熟悉BIM 相关软件的功能和应用，不同公司开发的BIM 软件的操作界面和逻辑关系都比较相似，熟练掌握一种软件后，其他软件都能够触类旁通，这一技能的掌握能够为学生日后就业和发展提供更多机会.

3.3 组织翻转课堂，充分发挥学生的主动性

在完成案例的学习内容后，学生对于整个建筑设计、构造设计过程已经全部了解，并且能够识读建筑施工图.为了巩固学生的学习成果，课程的实践环节可以组织学生分组对上述案例进行优化或再设计，然后以翻转课堂的形式进行汇报答辩，对于翻转课堂的教学过程设计如图3 所示.

图3 翻转课堂教学设计

以天津城建大学为例，目前土木工程专业的“房屋建筑学”课程均为二合一的课堂授课教学模式，每个教学班大约60～70 人.可对学生进行分组，各组同学分工合作对一个案例进行建筑方案和构造设计的优化或者重新设计.由于在前期已开设BIM 课程，因此部分学生具备使用BIM 建模、进行构造设计和施工图绘制的条件.

BIM 技术应用对于多种专业合作、多任务协同工作的要求较高.并且BIM 所提供的协同平台，完全符合小组设计模式，小组成员之间的分工协作极大地调动了学生的主动性，促进其承担任务、参与合作、积极交流，很大程度上避免了传统分组设计的弊端[7-9].翻转课堂的关键环节主要体现在实践环节完成后各组在全班进行的公开演示以及对其优化方案或设计思路的讲解，同时与其他同学进行的提问和答辩形成了思维碰撞，讨论过程有助于学生对所学知识的深入理解与思考.

这种以学生为主体的翻转课堂教学模式可以对传统课堂中学生参与不足的弊端进行有效补充. 而且，学生做完的BIM 模型也可以进行存档，作为后续施工组织课程设计、工程预算或者毕业设计的基础资料进行深入设计.

4 基于BIM 技术与工程案例相结合的“房屋建筑学”课程教学评价

通过发放网络问卷对参与本次教学试验的学生进行调查，结果如图4 所示.受访学生中72.4%的受访者认为BIM 技术在“房屋建筑学”课程教学中的应用对于学习有帮助.其中：41.7%的学生认为BIM 技术对其最大的帮助是有助于理解复杂构造节点；43.5%的学生认为在专业课学习阶段就将BIM 技术用于案例设计对今后就业有帮助；7.6%的学生认为BIM 技术的最大优势是能直接生成剖面图，降低绘图难度；其他学生则认为结合了BIM 的教学过程与传统课堂相比更有吸引力.

图4 BIM 技术用于“房屋建筑学”课程教学的调查

经过在16 级、17 级土木工程专业学生中的试行结果表明，采用BIM 技术与工程案例相结合教学方法的学生比传统课堂教学的学生具备更强的工程分析能力，对专业知识的运用更得心应手.参加该教学改革试验的学生在后续的课程设计和毕业设计阶段进展更顺利.

5 结 语

BIM 技术在土木工程行业中的作用不仅体现在工程的设计、施工和管理上.在教学过程中结合BIM技术不仅能够使建筑结构可视化，还能通过三维视图有效展示建筑内部复杂构件的构造做法、钢筋搭接，并且能够对项目快速算量.相较于传统的二维图纸，BIM 技术与实际工程案例相结合的模式更便于学生快速理解及掌握建筑原理与构造方法，对于强化学习效果以及帮助学生运用所学知识进行设计起到明显的作用.此外，在实践教学单元中采用翻转课堂的模式真正做到了以学生为主导，有效弥补了传统教学中学生参与不足的问题.