陳松，李筱艷，蔣甫玉

（河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京）

一 背景

GeoBIM，即三維地學(xué)建模3D Geoscience Modeling與建筑信息管理Building Information Management的結(jié)合。三維地學(xué)建模于上世紀(jì)末于石油勘探部門的工程實(shí)踐中提出[1]，是計算機(jī)、智能科學(xué)等在地學(xué)領(lǐng)域的實(shí)踐、探索，是地質(zhì)勘探信息搜集處理、三維可視化、信息管理、三維地學(xué)分析等一系列工作的統(tǒng)稱。近年來，隨著BIM在建筑、水利、交通等行業(yè)成為熱點(diǎn)，地質(zhì)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(zhì)體正向建模與地質(zhì)工程正向設(shè)計提供了舞臺，敦促行業(yè)進(jìn)行信息化升級和改造，催生了一類典型的多學(xué)科融合的新工科培養(yǎng)領(lǐng)域。三維地學(xué)建模理論、方法與建筑信息管理相融合，誕生了GeoBIM相關(guān)的應(yīng)用[3]，形成了一類新的就業(yè)領(lǐng)域和學(xué)科領(lǐng)域，相關(guān)的規(guī)范規(guī)程陸續(xù)頒布實(shí)施。諸多設(shè)計、生產(chǎn)單位在2018年后設(shè)立了巖土BIM部門，并在軟件研發(fā)、實(shí)踐應(yīng)用等領(lǐng)域不斷探索[4-5]。與之不相匹配的是，高校缺少相關(guān)的能力培養(yǎng)、實(shí)踐訓(xùn)練，與之相關(guān)的理論和應(yīng)用或缺少系統(tǒng)集合，或分散于跨度較大的諸多課程之中，或由大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練及各類技能大賽驅(qū)動呈短期突擊的形態(tài)，難以滿足該領(lǐng)域的現(xiàn)狀、發(fā)展需求，也不符合當(dāng)前開展新工科教育的理念。認(rèn)識和重新評估相關(guān)的培養(yǎng)、教學(xué)目標(biāo)，并針對性地設(shè)置畢業(yè)要求和課程目標(biāo)、開展達(dá)成度評價，是服務(wù)于GeoBIM這一新興就業(yè)領(lǐng)域人才培養(yǎng)需要的當(dāng)務(wù)之急。

二 培養(yǎng)目標(biāo)分析

2017年以來，我國推進(jìn)了新工科建設(shè)。普遍的認(rèn)知是，需要加強(qiáng)學(xué)科融合，通過多渠道合作聯(lián)動培養(yǎng)以滿足對創(chuàng)新型復(fù)合人才的需求。另一方面，工程專業(yè)認(rèn)證將工科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)概括為“工程知識、問題分析與表達(dá)、設(shè)計/解決方案、工程與社會、工具與技術(shù)、職業(yè)操守與規(guī)范、個人與團(tuán)隊(duì)、項(xiàng)目管理以及終生學(xué)習(xí)”等12個大項(xiàng)，我國在2006年以來，由教育部主導(dǎo)推動了工程專業(yè)認(rèn)證的新一輪實(shí)踐，目前，地質(zhì)工程專業(yè)領(lǐng)域參加認(rèn)證的已經(jīng)過半。為了細(xì)分層次并與本專業(yè)人才培養(yǎng)定位相適應(yīng)，各個高校的相關(guān)專業(yè)紛紛提出了自己的畢業(yè)要求分項(xiàng)指標(biāo)，以河海大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)為例，按基礎(chǔ)、應(yīng)用等不同主題將畢業(yè)要求進(jìn)一步分解為28項(xiàng)[6]，明確當(dāng)前的本科專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)為“培養(yǎng)基礎(chǔ)厚、專業(yè)寬、創(chuàng)新能力強(qiáng)、發(fā)展后勁足的高級專業(yè)技術(shù)人才”，其中，通過構(gòu)建“基礎(chǔ)實(shí)踐→專業(yè)實(shí)踐→工程實(shí)踐→研究實(shí)踐” 四級遞進(jìn)式工程實(shí)踐能力培養(yǎng)途徑，側(cè)重環(huán)境治理、災(zāi)害治理、信息化領(lǐng)域的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

支撐GeoBIM能力的，包括地質(zhì)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(zhì)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(shí)踐鍛煉，必要的地質(zhì)歷史和地質(zhì)作用推演能力則在表達(dá)特殊地質(zhì)體、開展多尺度、多源信息融合和質(zhì)量控制過程中起著重要的作用。這些能力的培養(yǎng)，既迎合三維地學(xué)建模的生產(chǎn)需要、流程需要[7]，也能夠有效地組織學(xué)生的理論知識體系，從產(chǎn)出的角度倒逼其梳理術(shù)語、概念，在可視化的過程中逐步降低地質(zhì)信息本身固有的離散性，提高依據(jù)屬性信息開展模型推測的準(zhǔn)確性、代表性，形成勘察項(xiàng)目管理和工程地質(zhì)條件分析的綜合能力。作為一個新興的學(xué)科，新的研究和實(shí)踐成果的不斷補(bǔ)充也使其保留一定的外展延拓性，如近兩年隨著數(shù)據(jù)積累和經(jīng)驗(yàn)的積累，不斷地有開展多專業(yè)協(xié)作設(shè)計的呼聲，從而拓展GeoBIM延伸至項(xiàng)目的全生命周期之中，數(shù)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(huán)。同時，源于能力的綜合性，GeoBIM對學(xué)習(xí)者有一定的基礎(chǔ)要求，包括計算機(jī)應(yīng)用能力、工程制圖與數(shù)據(jù)庫管理能力、構(gòu)造地質(zhì)分析與專題圖測繪和制圖的能力、工程勘察項(xiàng)目組織與資料整編的能力等，從勘察方案編制、勘察工作實(shí)施、勘察成果整理的產(chǎn)業(yè)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(yǎng)需求和就業(yè)導(dǎo)向考慮，三維地學(xué)建模與信息管理課程培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)主要著眼于“問題分析與表達(dá)”“工具與技術(shù)”“項(xiàng)目管理”方面的素養(yǎng)，并重點(diǎn)承擔(dān)相應(yīng)指標(biāo)點(diǎn)中偏于應(yīng)用的層面，如表1所示。

“運(yùn)用合適的理論和工具，遵循工程項(xiàng)目管理和實(shí)施的要求開展地質(zhì)條件的有效表達(dá)并開展分析”，應(yīng)當(dāng)是這門課程需要實(shí)現(xiàn)的培養(yǎng)目標(biāo)。而鑒于GeoBIM在產(chǎn)業(yè)鏈條上的位置，其具有側(cè)重資料處理、現(xiàn)場實(shí)作（野外勘察）環(huán)節(jié)少的特點(diǎn)，畢業(yè)要求中的工程知識、設(shè)計/解決方案、工程與社會、終生學(xué)習(xí)等非其重點(diǎn)肩負(fù)的培養(yǎng)點(diǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐中，個人與團(tuán)隊(duì)之間協(xié)作的情形比較多，但更關(guān)注跨專業(yè)的協(xié)作、與前期資料收集及后端設(shè)計的交流與合作，重于室內(nèi)資料整理而輕于外業(yè)協(xié)同，因此，教學(xué)目標(biāo)上，問題分析與表達(dá)方面、多學(xué)科協(xié)作的要求要高于團(tuán)隊(duì)協(xié)作，故而，不將團(tuán)隊(duì)協(xié)作作為在校期間課程教學(xué)的重點(diǎn)目標(biāo)。此外，雖然業(yè)界已經(jīng)提出了地質(zhì)工程正向設(shè)計的理念，但在教育教學(xué)領(lǐng)域，由于難以制定符合共性的目標(biāo)，正向設(shè)計仍維持于正向建模階段，即逐步收集勘察、地質(zhì)測繪成果，采用推演、搭建的方式建立模型，而非由現(xiàn)場勾繪、推測圖形的數(shù)字化回溯模型，學(xué)生重在認(rèn)知和熟悉地質(zhì)建模的前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、幾何模型構(gòu)建、屬性建模等，而模型產(chǎn)出并應(yīng)用于設(shè)計實(shí)踐的部分需要在具體的工程實(shí)踐中加以強(qiáng)化。職業(yè)操守與規(guī)范，則適合納入課程思政的目標(biāo)中。

此外，如表1中5.2的內(nèi)容所述，技術(shù)在使用的過程中，需要理解其限制，并遵循必要的工程哲學(xué)和倫理。工程實(shí)踐的不斷深入與總結(jié)，將經(jīng)驗(yàn)提煉為準(zhǔn)則可以孕育出深厚的工程哲學(xué)[8]。GeoBIM所服務(wù)的工程勘察行業(yè)，其工程哲學(xué)[9]包括“工程需要良好的地質(zhì)條件”“工程地質(zhì)問題的產(chǎn)生源于工程地質(zhì)條件不滿足工程需要”“地質(zhì)問題會導(dǎo)致或加劇工程問題”“地質(zhì)問題的分析要與工程分析同時開展”“工程勘察是在權(quán)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(jìn)性”“考慮研究對象的離散性需要擇重點(diǎn)開展工作并對地質(zhì)條件做適度概化”等。這些哲學(xué)蘊(yùn)含著豐富的工程精神，包括求真務(wù)實(shí)、定性與定量密切結(jié)合、循序漸進(jìn)、系統(tǒng)分析、兼顧適用性和可靠性、兼顧技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性等。地質(zhì)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(cè)重重現(xiàn)或復(fù)刻地質(zhì)模型的地質(zhì)測繪制圖，需要有一定的理論基礎(chǔ)和分析能力，更需要領(lǐng)悟上述的工程哲學(xué)并在實(shí)踐中加以應(yīng)用。

表1 課程承擔(dān)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)分解

三 教學(xué)安排與達(dá)成度評價機(jī)制

從目前教學(xué)實(shí)踐分析，由于計算機(jī)應(yīng)用在我國教育中的普及，GeoBIM開課實(shí)踐基礎(chǔ)厚實(shí)、但理論基礎(chǔ)相對薄弱，對學(xué)習(xí)者在地質(zhì)構(gòu)造、巖土體分類及其力學(xué)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(qū)域地質(zhì)條件的認(rèn)知要求較高，領(lǐng)悟前述工程哲學(xué)需要積累必要的工程背景知識和掌握完備的地質(zhì)分析基礎(chǔ)，因此，GeoBIM更多地作為高年級實(shí)踐環(huán)節(jié)開出。時間節(jié)點(diǎn)上，可選的集中于三年級下～四年級上，以便在第一學(xué)年完成計算機(jī)基礎(chǔ)、制圖基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，第二學(xué)年開設(shè)礦物巖石、構(gòu)造地質(zhì)、地史古生物等專業(yè)基礎(chǔ)，接續(xù)第三學(xué)年土力學(xué)、巖石力學(xué)、水文地質(zhì)基礎(chǔ)、工程物探與鉆探等內(nèi)容，并行于工程勘察或生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)開出。

課程形式上，排除大類理論基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、通識課，在專業(yè)主干課、實(shí)踐教育課等類別中選擇?？紤]到其培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成以明確的產(chǎn)出目標(biāo)作為要求，并為了應(yīng)對新工科教育潮流做好以基地、聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室為特征的產(chǎn)教結(jié)合，選擇實(shí)踐教育課的形式更為合適，從而可以集中資源、協(xié)調(diào)企業(yè)與單位在軟硬件方面提供支持，在短期內(nèi)提高教、學(xué)效率。河海大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)2020版的人才培養(yǎng)方案和教學(xué)計劃中，將GeoBIM作為主干內(nèi)容開設(shè)于“地質(zhì)工程制圖與建?！睂?shí)踐教育課中，為期2周、集中進(jìn)行。

目前，圍繞培養(yǎng)目標(biāo)及畢業(yè)要求的達(dá)成，教學(xué)目標(biāo)落實(shí)于如下四點(diǎn)：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(dá)方式和工程圖樣的繪制方法，學(xué)會使用平面矢量繪圖軟件繪制、標(biāo)識工程圖樣，開展圖樣定制化輸出與分發(fā)。2）了解地質(zhì)平面圖、剖面圖等專業(yè)圖件繪制的規(guī)范要求，掌握相應(yīng)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(qū)著色、花紋填充等標(biāo)識方法。3）了解三維地質(zhì)建模的關(guān)鍵理論與方法，掌握屬性建模的信息準(zhǔn)備、信息加工方法，學(xué)會數(shù)字化、插值加密等必要的建模操作，學(xué)會利用相關(guān)軟件進(jìn)行地質(zhì)測繪與勘察信息的管理、空間分析與地學(xué)統(tǒng)計。4）拓展在工程勘察、建設(shè)與管理、防災(zāi)減災(zāi)與環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的管理、信息化及地質(zhì)正向設(shè)計能力，重點(diǎn)拓展應(yīng)用GeoBIM解決實(shí)踐難題的能力。教學(xué)目標(biāo)上，延伸三維地學(xué)建模與二維地質(zhì)制圖之間的關(guān)聯(lián)，讓學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)、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(qiáng)化多學(xué)科協(xié)作背景下有效表達(dá)信息的課程屬性。各個環(huán)節(jié)的時長安排如表2所示，第一階段采用個人學(xué)習(xí)和考核的方式，其余階段采用團(tuán)隊(duì)協(xié)作并考核的方式，其中，第二階段三維屬性建模囊括地層、構(gòu)造、巖溶或儲層的構(gòu)建，第三階段開展危巖體、不穩(wěn)定地質(zhì)體的辨識與體積計算和穩(wěn)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(shù)據(jù)共享的需要選擇歐特克公司產(chǎn)品，其余環(huán)節(jié)均以國產(chǎn)軟件和自編程序作為基礎(chǔ)。

表2 課程教學(xué)內(nèi)容及時長安排

與課程教學(xué)目標(biāo)匹配的育人目標(biāo)為：1）培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感、執(zhí)業(yè)操守與知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識，通過學(xué)科發(fā)展歷程、國內(nèi)外進(jìn)展、當(dāng)前專業(yè)熱點(diǎn)等的介紹，激發(fā)其責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識；2）培養(yǎng)創(chuàng)新思維和奉獻(xiàn)精神，推動形成崇尚精品、恪盡職守、務(wù)實(shí)肯干、注重誠信的優(yōu)良作風(fēng)和職業(yè)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(qiáng)調(diào)遵從實(shí)踐調(diào)查成果，對現(xiàn)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(yīng)用的過程中，理解本專業(yè)在整個全生命周期設(shè)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(shí)表達(dá)地質(zhì)體實(shí)際狀態(tài)而兢兢業(yè)業(yè)地開展工作。同時，鼓勵立足國產(chǎn)工業(yè)軟件，做好尊重知識產(chǎn)權(quán)和保密原則下的研發(fā)與創(chuàng)新。

兩年一度的高校地質(zhì)技能大賽給學(xué)習(xí)效果提供了檢驗(yàn)機(jī)會，校內(nèi)開展的“思遠(yuǎn)道-繪制我的家鄉(xiāng)創(chuàng)意比賽”則給同學(xué)提供了展示創(chuàng)意的平臺，生產(chǎn)實(shí)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)給同學(xué)提供了基于所學(xué)開展專題工作的機(jī)會。配合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺、慕課建設(shè)構(gòu)建線上資源，由中電建華東勘測設(shè)計研究院、加華地學(xué)(武漢)數(shù)字技術(shù)有限公司等通過提供軟件、案例介入教學(xué)。目前，已經(jīng)建立了江蘇省級優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程1項(xiàng)，建立企業(yè)參與的共建實(shí)驗(yàn)室1個、實(shí)習(xí)基地2個，持續(xù)組織同學(xué)參與水利、交通領(lǐng)域BIM建模競賽，豐富了教學(xué)資源、教學(xué)方式和激勵機(jī)制。

考核及達(dá)成度評價層面，教學(xué)目標(biāo)的1～3點(diǎn)較易開展，目標(biāo)4與育人目標(biāo)，則采用小組協(xié)作過程中學(xué)生互評、畢業(yè)生問卷調(diào)查的方式開展。教師對學(xué)生達(dá)成情況的評價是接收反饋并改進(jìn)的重要基礎(chǔ)，為了避免主觀性，通過建設(shè)網(wǎng)絡(luò)慕課資源、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，將瀏覽學(xué)習(xí)、按步驟操作完成基本模型構(gòu)建這兩個易于在離線的情況下“蒙混過關(guān)”的環(huán)節(jié)設(shè)置具體的時長、步驟考核要求，從而提升客觀評價達(dá)成情況的能力。企業(yè)適度參與到教學(xué)過程中，一方面提高了企業(yè)的知名度，一方面高校拓寬了學(xué)生精準(zhǔn)就業(yè)和精準(zhǔn)反饋生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀的渠道，便于更針對性地做好持續(xù)改進(jìn)工作。學(xué)業(yè)結(jié)束后反饋，給予了課程設(shè)置改進(jìn)的具體目標(biāo)，如小組協(xié)作從之前的5人調(diào)整為3～4人，保證了小組內(nèi)分工的清晰和運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

四 結(jié)語

GeoBIM由于本身的龐雜性和專業(yè)性，需要聚焦培養(yǎng)目標(biāo)，同時，合理安排教學(xué)周期以體現(xiàn)出教學(xué)內(nèi)容的繼承性和前瞻性。作為新從業(yè)領(lǐng)域且偏重實(shí)踐的一門學(xué)科，課程需做到融理論與實(shí)踐于一體、融工程哲學(xué)與思政于一體。實(shí)踐過程中，秉持“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、善創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，采用實(shí)踐教育的方式進(jìn)行課程形式組織，遴選熱點(diǎn)案例，集中時間在有限的學(xué)習(xí)階段內(nèi)激發(fā)同學(xué)學(xué)校效率，使其深刻領(lǐng)悟教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)涵，可以避開實(shí)踐過程中單兵作戰(zhàn)的挫折感、避免教學(xué)方法時效性滯后的缺點(diǎn)，從而更好地應(yīng)對新工科背景下對專業(yè)人才的需求。而資源的多樣保證了教學(xué)形式的多樣，從而為分階段推進(jìn)考核提供了基礎(chǔ)。