楊心蕊 趙園園

摘 要：針對高校BIM技術在課程教學過程中缺乏評價機制問題，建立基于AHP和熵權法的BIM教學評價模型。該模型以定量分析與定性分析為主，既充分考慮專家豐富經驗，又通過客觀排序賦予指標真實權重。運用該模型對《建筑工程造價管理》課程教學進行綜合實例分析，得出整體指標重要程度以及不同課堂得分排名，結果表明，此方法具有較好實用性。最后，結合模型分析提出相應解決策略以改善BIM教學現(xiàn)狀。

關鍵詞：BIM;教學評價;層次分析法;熵權法

中圖分類號：D9???? 文獻標識碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.16723198.2022.17.079

0 前言

建筑信息模型（Building Information Modeling）簡稱BIM，是建筑行業(yè)內一項新興技術，憑借其可視化、模擬性、協(xié)調性、優(yōu)化性和可出圖性方面的特點廣泛應用于工程設計、建造和數(shù)據(jù)管理等場景下。BIM核心原理為建立虛擬三維空間，融合建筑所需整體信息和細節(jié)數(shù)據(jù)構建模型，貫徹項目從策劃到運行再到維護的生命全周期，能夠幫助工程操作人員對種種建筑情況做出正確反應和高效策略，真正做到提高生產效率和降低時間成本。

在新政策形勢下，鑒于BIM技術在建筑業(yè)的成熟發(fā)展，近年來越來越多高校也在探索BIM技術于專業(yè)領域內的建設，通過開設相關軟件操作專業(yè)課程、成立協(xié)會和舉辦比賽等方式來提高學生BIM工程應用能力。但是就目前高校開展BIM教學課程來說，很難評價出本類課程最后質量好壞和教學效果優(yōu)差。其中造成評價困難的原因主要歸納為三方面：教師本身水平，BIM高校教師并非專業(yè)軟件操縱人員，專業(yè)性不足，并且很多直接是從學校畢業(yè)就進入高校教學，缺乏實際工作經驗;高校實驗室或實踐中心軟硬件條件，無法最大滿足學生學習和技術運用需求，如運行BIM軟件時出現(xiàn)死機或運行緩慢;學生本身學習情況，如前置基礎知識掌握情況很大程度上也決定了最終課程的學習效果。因此，對BIM開設課程的教學評價需結合多方面考慮。郭亮等學者結合層次分析法確定權重和粗糙集篩選特征對BIM技術教學效果進行評價;林珍偉等學者提出基于OBE-CDIO理念的土木專業(yè)BIM教學思考，為應用型本科院校教學提供了思路;肖啟艷等學者綜合課程性質提出基于SPOC的項目驅動式教學模式來研究BIM在建筑教學方面的應用;甄鐵麗學者建立融合BIM建模和“1+X”BIM職業(yè)等級證書課程，對課程教學進行實證探索。綜上，眾多學者已經對BIM技術在高校內教學形式做出了大量研究，但鮮有對BIM技術課程教學效果的評價方案。

BIM教學評價是一個存在大量模糊性的復雜系統(tǒng)，難以定量描述其中各指標對整體影響程度，而層次分析法（AHP）能夠通過分析復雜系統(tǒng)中所含指標互相之間聯(lián)系，將復雜問題分解劃分為多層次，結合定量分析和定性分析對系統(tǒng)做出評價。對于BIM評價中有關指標權重確定具有較強人為主觀性，且各評價指標之間也存在差異，熵權法是一種客觀評價方法，主要原理是根據(jù)不同指標之間大小差異來確定權重，指標變異程度越小，所包含的信息量越少，則對于權重也越低。因此，本文構建基于層次分析法和熵權法的BIM教學評價體系。

1 基于層次分析法和熵權法綜合評價機制

1.1 BIM教學評價體系建立

建立科學合理的指標評價體系是BIM教學評價的首要任務，評價體系應該秉持科學合理、全面客觀的原則。對目標層BIM課程教學評價進行劃分，分解為3個一級指標及對應下屬4個二級指標。課程教師水平中包括專業(yè)知識水平即授課教師對相關理論知識的掌握程度、教學實踐水平即教師實際上課發(fā)揮水平、交流溝通水平即教師于學生之間溝通能力、軟件操作水平即教師是否掌握多種BIM軟件及其熟練程度;課堂軟硬件條件包括課堂使用軟件即BIM軟件是否為目前高校和企業(yè)常用版本、電腦基礎配置即電腦運行BIM軟件及操作是否有卡頓或者死機現(xiàn)象、多媒體現(xiàn)代化即課堂是否配備投影設施及專用實踐平臺、基礎研究設施即滿足學生和老師科研學習的設備需求;學生技能考察包括掌握基礎知識即學生對工程制圖等專業(yè)基礎課的學習能力、熟練操作軟件即學生經過老師指導后能熟練操作軟件達到的層次、課堂課后作業(yè)即學生在課上及課后乃至畢業(yè)設計中運用軟件實踐的完成情況、比賽科研能力即學生參加相關BIM競賽或借助BIM技術進行科研研究的能力。

根據(jù)以上描述，通過建立多級遞進層次分布結構圖直觀展示指標評價體系，如圖1所示。

1.2 層次分析法確定權重

層次分析法（AHP）是美國運籌學家薩蒂提出的關于能夠應用于多目標復雜問題的層次權重決策評價方法。該方法結合定性分析與定量分析，從決策者的視角經驗綜合衡量各指標間相對重要程度，從而計算出每個方案決策指標權重，能夠有效解決難以普遍用定量方法評價的問題。層次分析法步驟如下：

（1）建立層次結構體系。將評價目標、決策準則和選取指標按照從屬關系劃分為目標層、準則層和因素層。目標層為評價目的、需要解決的問題即U;準則層為評價準則即{U1，U2，U3};因素層是評價時需要考慮的實際指標即{U11，U12，…，Umn}。

（2）構造判斷矩陣。層次分析法中廣泛使用一致矩陣法來構造判斷矩陣，即避免整體因素一起比較，選擇不同兩兩因素互相比較。采用統(tǒng)一相對尺度1-9標度法反映各自重要性，最大減少不同性質指標之間難以對比的困難。具體1-9標度法數(shù)值大小如表1所示。

（3）層次單排序及其一致性檢驗。計算兩兩判斷矩陣最大特征值λmax及其歸一化后（使向量中各元素之和為1）特征向量W，W中元素代表同一層次中指標對上一層指標相對程度的權重大小。定義一致性指標CI。

當CI計算為0時，代表指標之間具有完全一致性;當CI接近0時，指標之間有較滿意一致性;而CI越大，不一致性越嚴重。

為衡量CI具體數(shù)值大小，定義隨機一致性指標RI：

一般認為當CR<0.1時，構建判斷矩陣不一致性在可承受范圍內，有較好一致性，因此通過一致性檢驗，其歸一化后特征向量W可被用為指標權重向量;否則要重新調整各元素數(shù)值來構建新判斷矩陣。

（4）層次總排序及其一致性檢驗。計算并排序某一層次所有指標對上一層次指標重要性權重數(shù)值大小，由最高層到最低層，將所有前一步結果組合得到層次總排序。假設準則層m個指標因素U1，U2，…，Um對目標層排序為a1，a2，…，am。因素層中對An指標因素單排序后通過一致性檢驗，得到單排序一致性指標CIn，其隨機一致性指標為RIn。定義層次總排序一致性比率CR：

CR=∑mn=1CInan∑mn=1RInan（4）

當CR<0.1時，即可認為層次總排序有較好一致性，通過一致性檢驗。

1.3 熵權法確定權重

熵為物理概念，主要是用來度量系統(tǒng)混亂度的變量，熵值越大代表體系越混亂（包含信息越少），熵值越小代表體系越有序（包含信息越多）。信息熵總結了部分熵的理論，從宏觀上描述微觀狀態(tài)下系統(tǒng)信息量大小。根據(jù)信息熵原理來評價指標，可以采用熵值來判斷權重大小及離散程度，熵值越大，因素離散程度越明顯，影響評價總目標分配權重也越大;若某指標熵值相等，表示該因素在整個評價機制中沒有影響。熵權法步驟如下：

（1）指標正向化。由于存在不同質和量綱的指標數(shù)據(jù)，并且正向指標和負向指標代表的含義也不同：正向指標越大越好、負向指標越低越好。因此需要進行同質化，將所有指標轉化為極大型指標。由n個評價對象m個評價指標構成的正向化矩陣如下：

X=x11x12…x1mx21x22…x2mxn1xn2…xnm（5）

（2）數(shù)據(jù)標準化。指標之間仍然存在著量綱的不同而無法混合運算，需要進行歸一化將不同指標同量綱化，由于上述已經將指標正向化，此處標準化公式為：

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

（6）

（3）計算每個指標所占權重。將第j項指標中第i個對象所占權重視為信息熵計算中的概率值。在此基礎上整體計算得出概率矩陣P，矩陣中每個指標元素計算公式如下：

pij=x′ij∑ni=1x′ij（j=1，2，...，m）（7）

（4）計算信息熵。對每個指標計算其對應信息熵即不確定度，并標準化得到每個指標具體熵權數(shù)值，計算公式如下：

ej=-1lnn∑ni=1pijlnpij（8）

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

（5）計算權重系數(shù)。引入信息效用值dj：

dj=1-ej（9）

若信息效用值越小，表明該項指標越重要。

整體信息效用值歸一化得到各指標具體熵權大?。?/p>

wj=dj∑mj=1dj（10）

（6）計算綜合得分。熵權大小權重整合計算公式如下：

si=∑mj=1wj·pij（11）

1.4 綜合評價模型構建

結合層次分析法與熵權法構建BIM教學評價體系，考慮準則層具有較少一級指標且通常固定不變，選用層次分析法確定一級指標權重;因素層有較多二級指標且變換性、調整性強，選用熵權法確定二級指標權重。最后綜合準則層和因素層各權重得出目標層評價結果，具體流體如圖2所示。

圖2 基于層次分析法和熵權法BIM教學評價流程圖

2 實例分析

以本?！督ㄖこ淘靸r管理》課程結合BIM技術教學為例，運用上述評價模型計算指標權重并評價課程教學效果。

2.1 層次分析法確定一級指標權重

根據(jù)構建多級指標體系內容制作調查問卷，由于涉及特定專業(yè)學科領域，內容具有專業(yè)性和針對性，因此本文發(fā)放調查問卷對象主要為土木工程學院教研室主任、專業(yè)課程教授教師和工程實踐指導教師，通過實踐經驗綜合專家打分法構建判斷矩陣。從由高到低順序構建判斷矩陣進行計算并確保每位專家判斷矩陣都能通過一致性檢驗?，F(xiàn)選取其中某一位專家的判斷矩陣為例說明，如表3所示。

計算判斷矩陣歸一化后指標權重為（0.3874，0.1692，0.4434），這里表示指標重要程度排序為U3>U1>U2。其中最大特征值λmax為3.0183，一致性指標CI為0.0091，一致性比率CR=0.0176<0.10，因此這位專家判斷矩陣一致性通過檢驗，最終取所有專家指標權重進行算數(shù)平均值作為總體一級指標權重。

2.2 熵權法確定二級指標權重

對于同一課程《建筑工程造價管理》，根據(jù)一學年整體教學情況，分別對7位不同教師授課班級就二級指標具體情況進行問卷調查。問卷發(fā)放對象為授課教師、聽課教師和上課學生，主要進行對每項指標打分，滿分為100，所有指標均為正向指標，最終也取各項指標打分平均值作為指標實際得分。以一級指標課程教師水平下4項二級指標為例說明計算過程，原始評價得分情況如表4所示。

對指標評價矩陣標準化處理，使其歸一化在[0，1]區(qū)間內，得到下一步計算所需熵權矩陣，具體數(shù)值大小如表5所示。

根據(jù)公式計算得出一級指標課程教師水平下4項二級指標權重W為（03117，02046，02019，02817），在僅有這4項二級指標因素影響下，課堂綜合得分S分別為（173724，134917，113050，158871，168531，121860，129047）。其余兩項一級指標下二級指標權重也類似求出。

2.3 綜合一級指標和二級指標權重

基于層次分析法計算一級指標權重和熵權法計算二級指標權重，得出綜合BIM教學評價總權重，如表6所示。

通過對整體權重表排序和整合可以發(fā)現(xiàn)，一級指標中課程教師水平和學生技能考察兩項指標權重較大且互相差距不大，課堂軟硬件條件指標權重較小;對應各自二級指標來說，分別為教師專業(yè)知識水平和軟件操作水平占比大，教室電腦基礎配置和課堂多媒體現(xiàn)代化占比大以及學生掌握基礎知識和熟練操作軟件程度占比大。

綜合標準化后判斷矩陣和信息熵權重系數(shù)計算，得出7位不同教師BIM課堂各項指標和最終綜合得分，如表7所示。

3 BIM教學探索新方向

利用層次分析法和熵權法對具體實例進行分析評價后，可以得出一級指標和二級指標重要性程度及相對關系。高校培養(yǎng)具有BIM技能的高素質學生能夠推動高校、企業(yè)甚至城市未來的發(fā)展，也是作為在整個社會推行BIM應用技術的關鍵步驟?，F(xiàn)就針對目前高校BIM教學存在問題，結合實踐工作經驗及上述權重分析提出以下幾點建議。

（1）BIM技術融入專業(yè)基礎課程教學。對于土木專業(yè)學生來說，大學期間囊括有《工程制圖》《工程項目管理》《建筑設備》和《結構設計原理》等等涉及從識圖到選材到施工一系列建筑步驟的專業(yè)課程，但往往傳統(tǒng)教學方式仍然是教師依據(jù)課本結合黑板繪制草圖進行通講，對于一些抽象復雜概念和實體，通常借助PPT動畫播放等一些形式進行演示，達不到簡明易懂效果，也無法使學生切身體會到建筑學本身樂趣。因此在前期專業(yè)基礎課程中就需要融入BIM理念進行教學，不僅能夠提前幫助學生了解到后期學習內容，掌握核心技能，對將來所從事工作有深入了解;也能加深學生對目前所學課程的認知并激發(fā)學習興趣，構造出有創(chuàng)意性的模型。具體可以在課程講授過程中穿插BIM軟件操作技巧、三維建模及工程出圖等內容，如根據(jù)圖紙信息想象空間三維模型、三維模型投影成平面圖紙和建筑材料選取與校核等一系列操作。本文選取BIM專業(yè)三維建模軟件Revit操作配合《建筑工程造價管理》課程上課演示情況，運行界面如圖3所示。

（2）加強校企合作，共享優(yōu)秀資源。企業(yè)與高校合作取長補短，一方面高校教師掌握BIM實踐經驗并不如企業(yè)技術人員豐富，并且教授內容大部分局限于理論部分，很少涉及現(xiàn)實真實案例。引入企業(yè)專業(yè)BIM工程師協(xié)助指導，能很大程度上拉近學生與實際作業(yè)現(xiàn)場的距離感，講解理論深處細節(jié)，提前獲得實習經驗。甚至能夠與授課教師合作，成立課題小組，通過整合資源研究實際項目課題。另一方面盡管高校開設有學科或實驗室專項建設經費，但面對日新月異的BIM技術軟硬件需求很難做到同步更新，即使購置了最新配置軟硬件，經過使用一段時間，仍可能出現(xiàn)緩慢或死機現(xiàn)象。因此加強校企合作能夠減輕高校資金投入壓力，最大程度掃清學生學習BIM技術的客觀障礙。反過來優(yōu)秀學生將來畢業(yè)后也可能進入企業(yè)成為技術人員，為企業(yè)建設添磚加瓦。

（3）完善BIM教學目標，提高學生綜合能力。BIM教學最終目標是關乎學生技能知識是否達標的重要步驟，結合建筑業(yè)發(fā)展過程中BIM有越來越明顯上分趨勢，高校需要嚴格把控學生BIM教學和考核目標和完成情況。高校教學目標不僅要保證平時作業(yè)過關和期末考核通過，還需專注于學生通識專業(yè)技能的掌握，基于此最終目標考核可以設置為是否獲得BIM職業(yè)資格證書及具體資格等級。在平時高校和學院建設中，多組織相關競賽，鼓勵學生參加省級、國家級BIM技能挑戰(zhàn)比賽，鞏固加強軟件操作及工程思維能力。教師在授課過程中可以多引用競賽中的實際題目講解課程知識，圍繞真實案例增強課堂趣味，甚至在指導學生畢業(yè)設計階段多鼓勵和引導學生多使用BIM技術解決問題，提高學生綜合能力，具體BIM教學目標改善情況如圖4所示。

4 結語

本文從模型方法和機制角度，探索高校BIM教學評價方法，建立了基于AHP和熵權法BIM課程教學綜合評價體系。相比傳統(tǒng)評價方法有兩大優(yōu)點：①化定性分析為定性分析與定量分析相結合，降低評價中人為主觀性，提高專業(yè)性;②克服了傳統(tǒng)評價忽略指標重要程度差異性，導致評價結果不客觀問題。同時，運用此評價模型對《建筑工程造價管理》課程進行驗證，選取了能夠代表課程教學效果的3個一級指標及相應12個二級指標，驗證效果良好。最后，根據(jù)評價結果及過程分析，對高校BIM課程教學提出三方面解決策略：即將BIM技術融入專業(yè)基礎課程教學、加強校企合作，共享優(yōu)秀資源和完善BIM教學目標，以保證學生綜合能力有所提高，對今后BIM技術課程教學評價提供一定的指導意義。

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