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基于AHP和熵权法的BIM教学评价机制及解决策略

2022-07-16杨心蕊赵园园

现代商贸工业 2022年17期
关键词:熵权法层次分析法教学评价

杨心蕊 赵园园

摘 要:针对高校BIM技术在课程教学过程中缺乏评价机制问题,建立基于AHP和熵权法的BIM教学评价模型。该模型以定量分析与定性分析为主,既充分考虑专家丰富经验,又通过客观排序赋予指标真实权重。运用该模型对《建筑工程造价管理》课程教学进行综合实例分析,得出整体指标重要程度以及不同课堂得分排名,结果表明,此方法具有较好实用性。最后,结合模型分析提出相应解决策略以改善BIM教学现状。

关键词:BIM;教学评价;层次分析法;熵权法

中图分类号:D9     文献标识码:A      doi:10.19311/j.cnki.16723198.2022.17.079

0 前言

建筑信息模型(Building Information Modeling)简称BIM,是建筑行业内一项新兴技术,凭借其可视化、模拟性、协调性、优化性和可出图性方面的特点广泛应用于工程设计、建造和数据管理等场景下。BIM核心原理为建立虚拟三维空间,融合建筑所需整体信息和细节数据构建模型,贯彻项目从策划到运行再到维护的生命全周期,能够帮助工程操作人员对种种建筑情况做出正确反应和高效策略,真正做到提高生产效率和降低时间成本。

在新政策形势下,鉴于BIM技术在建筑业的成熟发展,近年来越来越多高校也在探索BIM技术于专业领域内的建设,通过开设相关软件操作专业课程、成立协会和举办比赛等方式来提高学生BIM工程应用能力。但是就目前高校开展BIM教学课程来说,很难评价出本类课程最后质量好坏和教学效果优差。其中造成评价困难的原因主要归纳为三方面:教师本身水平,BIM高校教师并非专业软件操纵人员,专业性不足,并且很多直接是从学校毕业就进入高校教学,缺乏实际工作经验;高校实验室或实践中心软硬件条件,无法最大满足学生学习和技术运用需求,如运行BIM软件时出现死机或运行缓慢;学生本身学习情况,如前置基础知识掌握情况很大程度上也决定了最终课程的学习效果。因此,对BIM开设课程的教学评价需结合多方面考虑。郭亮等学者结合层次分析法确定权重和粗糙集筛选特征对BIM技术教学效果进行评价;林珍伟等学者提出基于OBE-CDIO理念的土木专业BIM教学思考,为应用型本科院校教学提供了思路;肖启艳等学者综合课程性质提出基于SPOC的项目驱动式教学模式来研究BIM在建筑教学方面的应用;甄铁丽学者建立融合BIM建模和“1+X”BIM职业等级证书课程,对课程教学进行实证探索。综上,众多学者已经对BIM技术在高校内教学形式做出了大量研究,但鲜有对BIM技术课程教学效果的评价方案。

BIM教学评价是一个存在大量模糊性的复杂系统,难以定量描述其中各指标对整体影响程度,而层次分析法(AHP)能够通过分析复杂系统中所含指标互相之间联系,将复杂问题分解划分为多层次,结合定量分析和定性分析对系统做出评价。对于BIM评价中有关指标权重确定具有较强人为主观性,且各评价指标之间也存在差异,熵权法是一种客观评价方法,主要原理是根据不同指标之间大小差异来确定权重,指标变异程度越小,所包含的信息量越少,则对于权重也越低。因此,本文构建基于层次分析法和熵权法的BIM教学评价体系。

1 基于层次分析法和熵权法综合评价机制

1.1 BIM教学评价体系建立

建立科学合理的指标评价体系是BIM教学评价的首要任务,评价体系应该秉持科学合理、全面客观的原则。对目标层BIM课程教学评价进行划分,分解为3个一级指标及对应下属4个二级指标。课程教师水平中包括专业知识水平即授课教师对相关理论知识的掌握程度、教学实践水平即教师实际上课发挥水平、交流沟通水平即教师于学生之间沟通能力、软件操作水平即教师是否掌握多种BIM软件及其熟练程度;课堂软硬件条件包括课堂使用软件即BIM软件是否为目前高校和企业常用版本、电脑基础配置即电脑运行BIM软件及操作是否有卡顿或者死机现象、多媒体现代化即课堂是否配备投影设施及专用实践平台、基础研究设施即满足学生和老师科研学习的设备需求;学生技能考察包括掌握基础知识即学生对工程制图等专业基础课的学习能力、熟练操作软件即学生经过老师指导后能熟练操作软件达到的层次、课堂课后作业即学生在课上及课后乃至毕业设计中运用软件实践的完成情况、比赛科研能力即学生参加相关BIM竞赛或借助BIM技术进行科研研究的能力。

根据以上描述,通过建立多级递进层次分布结构图直观展示指标评价体系,如图1所示。

1.2 层次分析法确定权重

层次分析法(AHP)是美国运筹学家萨蒂提出的关于能够应用于多目标复杂问题的层次权重决策评价方法。该方法结合定性分析与定量分析,从决策者的视角经验综合衡量各指标间相对重要程度,从而计算出每个方案决策指标权重,能够有效解决难以普遍用定量方法评价的问题。层次分析法步骤如下:

(1)建立层次结构体系。将评价目标、决策准则和选取指标按照从属关系划分为目标层、准则层和因素层。目标层为评价目的、需要解决的问题即U;准则层为评价准则即{U1,U2,U3};因素层是评价时需要考虑的实际指标即{U11,U12,…,Umn}。

(2)構造判断矩阵。层次分析法中广泛使用一致矩阵法来构造判断矩阵,即避免整体因素一起比较,选择不同两两因素互相比较。采用统一相对尺度1-9标度法反映各自重要性,最大减少不同性质指标之间难以对比的困难。具体1-9标度法数值大小如表1所示。

(3)层次单排序及其一致性检验。计算两两判断矩阵最大特征值λmax及其归一化后(使向量中各元素之和为1)特征向量W,W中元素代表同一层次中指标对上一层指标相对程度的权重大小。定义一致性指标CI。

当CI计算为0时,代表指标之间具有完全一致性;当CI接近0时,指标之间有较满意一致性;而CI越大,不一致性越严重。

为衡量CI具体数值大小,定义随机一致性指标RI:

一般认为当CR<0.1时,构建判断矩阵不一致性在可承受范围内,有较好一致性,因此通过一致性检验,其归一化后特征向量W可被用为指标权重向量;否则要重新调整各元素数值来构建新判断矩阵。

(4)层次总排序及其一致性检验。计算并排序某一层次所有指标对上一层次指标重要性权重数值大小,由最高层到最低层,将所有前一步结果组合得到层次总排序。假设准则层m个指标因素U1,U2,…,Um对目标层排序为a1,a2,…,am。因素层中对An指标因素单排序后通过一致性检验,得到单排序一致性指标CIn,其随机一致性指标为RIn。定义层次总排序一致性比率CR:

CR=∑mn=1CInan∑mn=1RInan(4)

当CR<0.1时,即可认为层次总排序有较好一致性,通过一致性检验。

1.3 熵权法确定权重

熵为物理概念,主要是用来度量系统混乱度的变量,熵值越大代表体系越混乱(包含信息越少),熵值越小代表体系越有序(包含信息越多)。信息熵总结了部分熵的理论,从宏观上描述微观状态下系统信息量大小。根据信息熵原理来评价指标,可以采用熵值來判断权重大小及离散程度,熵值越大,因素离散程度越明显,影响评价总目标分配权重也越大;若某指标熵值相等,表示该因素在整个评价机制中没有影响。熵权法步骤如下:

(1)指标正向化。由于存在不同质和量纲的指标数据,并且正向指标和负向指标代表的含义也不同:正向指标越大越好、负向指标越低越好。因此需要进行同质化,将所有指标转化为极大型指标。由n个评价对象m个评价指标构成的正向化矩阵如下:

X=x11x12…x1mx21x22…x2mxn1xn2…xnm(5)

(2)数据标准化。指标之间仍然存在着量纲的不同而无法混合运算,需要进行归一化将不同指标同量纲化,由于上述已经将指标正向化,此处标准化公式为:

x′ij=xij-minx1j,x2j,…,xnjmaxx1j,x2j,…,xnj-minx1j,x2j,…,xnj

(6)

(3)计算每个指标所占权重。将第j项指标中第i个对象所占权重视为信息熵计算中的概率值。在此基础上整体计算得出概率矩阵P,矩阵中每个指标元素计算公式如下:

pij=x′ij∑ni=1x′ij(j=1,2,...,m)(7)

(4)计算信息熵。对每个指标计算其对应信息熵即不确定度,并标准化得到每个指标具体熵权数值,计算公式如下:

ej=-1lnn∑ni=1pijlnpij(8)

其中k=1lnn>0,ej>0。ej越大,信息熵越大,则代表包含信息量越少。

(5)计算权重系数。引入信息效用值dj:

dj=1-ej(9)

若信息效用值越小,表明该项指标越重要。

整体信息效用值归一化得到各指标具体熵权大小:

wj=dj∑mj=1dj(10)

(6)计算综合得分。熵权大小权重整合计算公式如下:

si=∑mj=1wj·pij(11)

1.4 综合评价模型构建

结合层次分析法与熵权法构建BIM教学评价体系,考虑准则层具有较少一级指标且通常固定不变,选用层次分析法确定一级指标权重;因素层有较多二级指标且变换性、调整性强,选用熵权法确定二级指标权重。最后综合准则层和因素层各权重得出目标层评价结果,具体流体如图2所示。

图2 基于层次分析法和熵权法BIM教学评价流程图

2 实例分析

以本校《建筑工程造价管理》课程结合BIM技术教学为例,运用上述评价模型计算指标权重并评价课程教学效果。

2.1 层次分析法确定一级指标权重

根据构建多级指标体系内容制作调查问卷,由于涉及特定专业学科领域,内容具有专业性和针对性,因此本文发放调查问卷对象主要为土木工程学院教研室主任、专业课程教授教师和工程实践指导教师,通过实践经验综合专家打分法构建判断矩阵。从由高到低顺序构建判断矩阵进行计算并确保每位专家判断矩阵都能通过一致性检验。现选取其中某一位专家的判断矩阵为例说明,如表3所示。

计算判断矩阵归一化后指标权重为(0.3874,0.1692,0.4434),这里表示指标重要程度排序为U3>U1>U2。其中最大特征值λmax为3.0183,一致性指标CI为0.0091,一致性比率CR=0.0176<0.10,因此这位专家判断矩阵一致性通过检验,最终取所有专家指标权重进行算数平均值作为总体一级指标权重。

2.2 熵权法确定二级指标权重

对于同一课程《建筑工程造价管理》,根据一学年整体教学情况,分别对7位不同教师授课班级就二级指标具体情况进行问卷调查。问卷发放对象为授课教师、听课教师和上课学生,主要进行对每项指标打分,满分为100,所有指标均为正向指标,最终也取各项指标打分平均值作为指标实际得分。以一级指标课程教师水平下4项二级指标为例说明计算过程,原始评价得分情况如表4所示。

对指标评价矩阵标准化处理,使其归一化在[0,1]区间内,得到下一步计算所需熵权矩阵,具体数值大小如表5所示。

根据公式计算得出一级指标课程教师水平下4项二级指标权重W为(03117,02046,02019,02817),在仅有这4项二级指标因素影响下,课堂综合得分S分别为(173724,134917,113050,158871,168531,121860,129047)。其余两项一级指标下二级指标权重也类似求出。

2.3 综合一级指标和二级指标权重

基于层次分析法计算一级指标权重和熵权法计算二级指标权重,得出综合BIM教学评价总权重,如表6所示。

通过对整体权重表排序和整合可以发现,一级指标中课程教师水平和学生技能考察两项指标权重较大且互相差距不大,课堂软硬件条件指标权重较小;对应各自二级指标来说,分别为教师专业知识水平和软件操作水平占比大,教室电脑基础配置和课堂多媒体现代化占比大以及学生掌握基础知识和熟练操作软件程度占比大。

综合标准化后判断矩阵和信息熵权重系数计算,得出7位不同教师BIM课堂各项指标和最终综合得分,如表7所示。

3 BIM教学探索新方向

利用层次分析法和熵权法对具体实例进行分析评价后,可以得出一级指标和二级指标重要性程度及相对关系。高校培养具有BIM技能的高素质学生能够推动高校、企业甚至城市未来的发展,也是作为在整个社会推行BIM应用技术的关键步骤。现就针对目前高校BIM教学存在问题,结合实践工作经验及上述权重分析提出以下几点建议。

(1)BIM技术融入专业基础课程教学。对于土木专业学生来说,大学期间囊括有《工程制图》《工程项目管理》《建筑设备》和《结构设计原理》等等涉及从识图到选材到施工一系列建筑步骤的专业课程,但往往传统教学方式仍然是教师依据课本结合黑板绘制草图进行通讲,对于一些抽象复杂概念和实体,通常借助PPT动画播放等一些形式进行演示,达不到简明易懂效果,也无法使学生切身体会到建筑学本身乐趣。因此在前期专业基础课程中就需要融入BIM理念进行教学,不仅能够提前帮助学生了解到后期学习内容,掌握核心技能,对将来所从事工作有深入了解;也能加深学生对目前所学课程的认知并激发学习兴趣,构造出有创意性的模型。具体可以在课程讲授过程中穿插BIM软件操作技巧、三维建模及工程出图等内容,如根据图纸信息想象空间三维模型、三维模型投影成平面图纸和建筑材料选取与校核等一系列操作。本文选取BIM专业三维建模软件Revit操作配合《建筑工程造价管理》课程上课演示情况,运行界面如图3所示。

(2)加强校企合作,共享优秀资源。企业与高校合作取长补短,一方面高校教师掌握BIM实践经验并不如企业技术人员丰富,并且教授内容大部分局限于理论部分,很少涉及现实真实案例。引入企业专业BIM工程师协助指导,能很大程度上拉近学生与实际作业现场的距离感,讲解理论深处细节,提前获得实习经验。甚至能够与授课教师合作,成立课题小组,通过整合资源研究实际项目课题。另一方面尽管高校开设有学科或实验室专项建设经费,但面对日新月异的BIM技术软硬件需求很难做到同步更新,即使购置了最新配置软硬件,经过使用一段时间,仍可能出现缓慢或死机现象。因此加强校企合作能够减轻高校资金投入压力,最大程度扫清学生学习BIM技术的客观障碍。反过来优秀学生将来毕业后也可能进入企业成为技术人员,为企业建设添砖加瓦。

(3)完善BIM教学目标,提高学生综合能力。BIM教学最终目标是关乎学生技能知识是否达标的重要步骤,结合建筑业发展过程中BIM有越来越明显上分趋势,高校需要严格把控学生BIM教学和考核目标和完成情况。高校教学目标不仅要保证平时作业过关和期末考核通过,还需专注于学生通识专业技能的掌握,基于此最终目标考核可以设置为是否获得BIM职业资格证书及具体资格等级。在平时高校和学院建设中,多组织相关竞赛,鼓励学生参加省级、国家级BIM技能挑战比赛,巩固加强软件操作及工程思维能力。教师在授课过程中可以多引用竞赛中的实际题目讲解课程知识,围绕真实案例增强课堂趣味,甚至在指导学生毕业设计阶段多鼓励和引导学生多使用BIM技术解决问题,提高学生综合能力,具体BIM教学目标改善情况如图4所示。

4 结语

本文从模型方法和机制角度,探索高校BIM教学评价方法,建立了基于AHP和熵权法BIM课程教学综合評价体系。相比传统评价方法有两大优点:①化定性分析为定性分析与定量分析相结合,降低评价中人为主观性,提高专业性;②克服了传统评价忽略指标重要程度差异性,导致评价结果不客观问题。同时,运用此评价模型对《建筑工程造价管理》课程进行验证,选取了能够代表课程教学效果的3个一级指标及相应12个二级指标,验证效果良好。最后,根据评价结果及过程分析,对高校BIM课程教学提出三方面解决策略:即将BIM技术融入专业基础课程教学、加强校企合作,共享优秀资源和完善BIM教学目标,以保证学生综合能力有所提高,对今后BIM技术课程教学评价提供一定的指导意义。

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