產出導向的GeoBIM培養目標分析與達成

陳松，李筱艷，蔣甫玉

（河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京）

一 背景

GeoBIM，即三維地學建模3D Geoscience Modeling與建筑信息管理Building Information Management的結合。三維地學建模于上世紀末于石油勘探部門的工程實踐中提出[1]，是計算機、智能科學等在地學領域的實踐、探索，是地質勘探信息搜集處理、三維可視化、信息管理、三維地學分析等一系列工作的統稱。近年來，隨著BIM在建筑、水利、交通等行業成為熱點，地質勘察成果納入工程全生命周期管理已呈大勢所趨[2]，并為地質體正向建模與地質工程正向設計提供了舞臺，敦促行業進行信息化升級和改造，催生了一類典型的多學科融合的新工科培養領域。三維地學建模理論、方法與建筑信息管理相融合，誕生了GeoBIM相關的應用[3]，形成了一類新的就業領域和學科領域，相關的規范規程陸續頒布實施。諸多設計、生產單位在2018年后設立了巖土BIM部門，并在軟件研發、實踐應用等領域不斷探索[4-5]。與之不相匹配的是，高校缺少相關的能力培養、實踐訓練，與之相關的理論和應用或缺少系統集合，或分散于跨度較大的諸多課程之中，或由大學生創新創業訓練及各類技能大賽驅動呈短期突擊的形態，難以滿足該領域的現狀、發展需求，也不符合當前開展新工科教育的理念。認識和重新評估相關的培養、教學目標，并針對性地設置畢業要求和課程目標、開展達成度評價，是服務于GeoBIM這一新興就業領域人才培養需要的當務之急。

二 培養目標分析

2017年以來，我國推進了新工科建設。普遍的認知是，需要加強學科融合，通過多渠道合作聯動培養以滿足對創新型復合人才的需求。另一方面，工程專業認證將工科專業培養目標概括為“工程知識、問題分析與表達、設計/解決方案、工程與社會、工具與技術、職業操守與規范、個人與團隊、項目管理以及終生學習”等12個大項，我國在2006年以來，由教育部主導推動了工程專業認證的新一輪實踐，目前，地質工程專業領域參加認證的已經過半。為了細分層次并與本專業人才培養定位相適應，各個高校的相關專業紛紛提出了自己的畢業要求分項指標，以河海大學地質工程專業為例，按基礎、應用等不同主題將畢業要求進一步分解為28項[6]，明確當前的本科專業人才培養目標為“培養基礎厚、專業寬、創新能力強、發展后勁足的高級專業技術人才”，其中，通過構建“基礎實踐→專業實踐→工程實踐→研究實踐” 四級遞進式工程實踐能力培養途徑，側重環境治理、災害治理、信息化領域的創新能力培養。

支撐GeoBIM能力的，包括地質資料入庫及管理能力、三維插值處理及制圖能力、必要的地質歷史和作用推演能力。其中，三維插值處理及制圖有賴于軟件的支持和實踐鍛煉，必要的地質歷史和地質作用推演能力則在表達特殊地質體、開展多尺度、多源信息融合和質量控制過程中起著重要的作用。這些能力的培養，既迎合三維地學建模的生產需要、流程需要[7]，也能夠有效地組織學生的理論知識體系，從產出的角度倒逼其梳理術語、概念，在可視化的過程中逐步降低地質信息本身固有的離散性，提高依據屬性信息開展模型推測的準確性、代表性，形成勘察項目管理和工程地質條件分析的綜合能力。作為一個新興的學科，新的研究和實踐成果的不斷補充也使其保留一定的外展延拓性，如近兩年隨著數據積累和經驗的積累，不斷地有開展多專業協作設計的呼聲，從而拓展GeoBIM延伸至項目的全生命周期之中，數字城市、透明城市、韌性城市等都涵蓋了GeoBIM作為體系中的一環。同時，源于能力的綜合性，GeoBIM對學習者有一定的基礎要求，包括計算機應用能力、工程制圖與數據庫管理能力、構造地質分析與專題圖測繪和制圖的能力、工程勘察項目組織與資料整編的能力等，從勘察方案編制、勘察工作實施、勘察成果整理的產業流程鏈而言，更偏向于后段，即勘察成果整理。為此，從人才培養需求和就業導向考慮，三維地學建模與信息管理課程培養目標應主要著眼于“問題分析與表達”“工具與技術”“項目管理”方面的素養，并重點承擔相應指標點中偏于應用的層面，如表1所示。

“運用合適的理論和工具，遵循工程項目管理和實施的要求開展地質條件的有效表達并開展分析”，應當是這門課程需要實現的培養目標。而鑒于GeoBIM在產業鏈條上的位置，其具有側重資料處理、現場實作（野外勘察）環節少的特點，畢業要求中的工程知識、設計/解決方案、工程與社會、終生學習等非其重點肩負的培養點。生產實踐中，個人與團隊之間協作的情形比較多，但更關注跨專業的協作、與前期資料收集及后端設計的交流與合作，重于室內資料整理而輕于外業協同，因此，教學目標上，問題分析與表達方面、多學科協作的要求要高于團隊協作，故而，不將團隊協作作為在校期間課程教學的重點目標。此外，雖然業界已經提出了地質工程正向設計的理念，但在教育教學領域，由于難以制定符合共性的目標，正向設計仍維持于正向建模階段，即逐步收集勘察、地質測繪成果，采用推演、搭建的方式建立模型，而非由現場勾繪、推測圖形的數字化回溯模型，學生重在認知和熟悉地質建模的前期數據準備、幾何模型構建、屬性建模等，而模型產出并應用于設計實踐的部分需要在具體的工程實踐中加以強化。職業操守與規范，則適合納入課程思政的目標中。

此外，如表1中5.2的內容所述，技術在使用的過程中，需要理解其限制，并遵循必要的工程哲學和倫理。工程實踐的不斷深入與總結，將經驗提煉為準則可以孕育出深厚的工程哲學[8]。GeoBIM所服務的工程勘察行業，其工程哲學[9]包括“工程需要良好的地質條件”“工程地質問題的產生源于工程地質條件不滿足工程需要”“地質問題會導致或加劇工程問題”“地質問題的分析要與工程分析同時開展”“工程勘察是在權衡代表性和有效性的條件下開展的”“工程問題的查明和分析過程有遞進性”“考慮研究對象的離散性需要擇重點開展工作并對地質條件做適度概化”等。這些哲學蘊含著豐富的工程精神，包括求真務實、定性與定量密切結合、循序漸進、系統分析、兼顧適用性和可靠性、兼顧技術可行性和經濟合理性等。地質信息具有顯著的離散性、多尺度、多源、多Z值屬性、隨時間演化、海量性等特征，使其有別于側重重現或復刻地質模型的地質測繪制圖，需要有一定的理論基礎和分析能力，更需要領悟上述的工程哲學并在實踐中加以應用。

表1 課程承擔畢業要求指標點分解

三 教學安排與達成度評價機制

從目前教學實踐分析，由于計算機應用在我國教育中的普及，GeoBIM開課實踐基礎厚實、但理論基礎相對薄弱，對學習者在地質構造、巖土體分類及其力學特征、工程勘探等方面的知識儲備要求較高，對工程背景知識和區域地質條件的認知要求較高，領悟前述工程哲學需要積累必要的工程背景知識和掌握完備的地質分析基礎，因此，GeoBIM更多地作為高年級實踐環節開出。時間節點上，可選的集中于三年級下～四年級上，以便在第一學年完成計算機基礎、制圖基礎的學習，第二學年開設礦物巖石、構造地質、地史古生物等專業基礎，接續第三學年土力學、巖石力學、水文地質基礎、工程物探與鉆探等內容，并行于工程勘察或生產實習環節開出。

課程形式上，排除大類理論基礎課、專業基礎課、通識課，在專業主干課、實踐教育課等類別中選擇?？紤]到其培養目標的達成以明確的產出目標作為要求，并為了應對新工科教育潮流做好以基地、聯合實驗室為特征的產教結合，選擇實踐教育課的形式更為合適，從而可以集中資源、協調企業與單位在軟硬件方面提供支持，在短期內提高教、學效率。河海大學地質工程專業2020版的人才培養方案和教學計劃中，將GeoBIM作為主干內容開設于“地質工程制圖與建?！睂嵺`教育課中，為期2周、集中進行。

目前，圍繞培養目標及畢業要求的達成，教學目標落實于如下四點：1）了解矢量制圖的理論和方法，掌握工程形體及地物的表達方式和工程圖樣的繪制方法，學會使用平面矢量繪圖軟件繪制、標識工程圖樣，開展圖樣定制化輸出與分發。2）了解地質平面圖、剖面圖等專業圖件繪制的規范要求，掌握相應信息收集、整理的方法，掌握繪圖軟件選擇原則及主要制圖流程，熟悉圖件分區著色、花紋填充等標識方法。3）了解三維地質建模的關鍵理論與方法，掌握屬性建模的信息準備、信息加工方法，學會數字化、插值加密等必要的建模操作，學會利用相關軟件進行地質測繪與勘察信息的管理、空間分析與地學統計。4）拓展在工程勘察、建設與管理、防災減災與環境保護等領域的管理、信息化及地質正向設計能力，重點拓展應用GeoBIM解決實踐難題的能力。教學目標上，延伸三維地學建模與二維地質制圖之間的關聯，讓學習從二維起步最終拓展到小組合作的三維空間，同時，考慮到了建模信息來源的多樣化，兼顧物探、鉆探、遙感、實驗、觀測等多源信息的融合，使建模過程自幾何建模豐富到“幾何+屬性建?！?，強化多學科協作背景下有效表達信息的課程屬性。各個環節的時長安排如表2所示，第一階段采用個人學習和考核的方式，其余階段采用團隊協作并考核的方式，其中，第二階段三維屬性建模囊括地層、構造、巖溶或儲層的構建，第三階段開展危巖體、不穩定地質體的辨識與體積計算和穩定性分析。軟件選擇上，除了平面矢量制圖考慮到了通用性和數據共享的需要選擇歐特克公司產品，其余環節均以國產軟件和自編程序作為基礎。

表2 課程教學內容及時長安排

與課程教學目標匹配的育人目標為：1）培養學生社會責任感、執業操守與知識產權保護意識，通過學科發展歷程、國內外進展、當前專業熱點等的介紹，激發其責任擔當意識；2）培養創新思維和奉獻精神，推動形成崇尚精品、恪盡職守、務實肯干、注重誠信的優良作風和職業操守?？紤]到GeoBIM信息處理過程中會遇到的多源多、尺度信息融合的難題，著重強調遵從實踐調查成果，對現場收集資料的不易心懷敬意與敬畏，在開展建模操作和成果應用的過程中，理解本專業在整個全生命周期設計與工程管理中的重要地位，對“隱蔽工程”（如鉆探編錄）中的瑕疵絕不忽視，對各類異常積極分析，為真實表達地質體實際狀態而兢兢業業地開展工作。同時，鼓勵立足國產工業軟件，做好尊重知識產權和保密原則下的研發與創新。

兩年一度的高校地質技能大賽給學習效果提供了檢驗機會，校內開展的“思遠道-繪制我的家鄉創意比賽”則給同學提供了展示創意的平臺，生產實習及畢業設計環節給同學提供了基于所學開展專題工作的機會。配合虛擬仿真實驗平臺、慕課建設構建線上資源，由中電建華東勘測設計研究院、加華地學(武漢)數字技術有限公司等通過提供軟件、案例介入教學。目前，已經建立了江蘇省級優質虛擬仿真實驗課程1項，建立企業參與的共建實驗室1個、實習基地2個，持續組織同學參與水利、交通領域BIM建模競賽，豐富了教學資源、教學方式和激勵機制。

考核及達成度評價層面，教學目標的1～3點較易開展，目標4與育人目標，則采用小組協作過程中學生互評、畢業生問卷調查的方式開展。教師對學生達成情況的評價是接收反饋并改進的重要基礎，為了避免主觀性，通過建設網絡慕課資源、虛擬仿真實驗資源，將瀏覽學習、按步驟操作完成基本模型構建這兩個易于在離線的情況下“蒙混過關”的環節設置具體的時長、步驟考核要求，從而提升客觀評價達成情況的能力。企業適度參與到教學過程中，一方面提高了企業的知名度，一方面高校拓寬了學生精準就業和精準反饋生產應用現狀的渠道，便于更針對性地做好持續改進工作。學業結束后反饋，給予了課程設置改進的具體目標，如小組協作從之前的5人調整為3～4人，保證了小組內分工的清晰和運轉效率。

四 結語

GeoBIM由于本身的龐雜性和專業性，需要聚焦培養目標，同時，合理安排教學周期以體現出教學內容的繼承性和前瞻性。作為新從業領域且偏重實踐的一門學科，課程需做到融理論與實踐于一體、融工程哲學與思政于一體。實踐過程中，秉持“厚基礎、重實踐、善創新”的人才培養目標，采用實踐教育的方式進行課程形式組織，遴選熱點案例，集中時間在有限的學習階段內激發同學學校效率，使其深刻領悟教學內容的內涵，可以避開實踐過程中單兵作戰的挫折感、避免教學方法時效性滯后的缺點，從而更好地應對新工科背景下對專業人才的需求。而資源的多樣保證了教學形式的多樣，從而為分階段推進考核提供了基礎。