“新工科”背景下引入人工智能理念的“結(jié)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”課程的構(gòu)建

馬曉雨 生龍

摘? 要：基于“新工科”建設(shè)對(duì)地方高校土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求，將課程改革創(chuàng)新與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合，交叉融合計(jì)算機(jī)學(xué)科人工智能領(lǐng)域和土木工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)，構(gòu)建了“機(jī)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”課程建設(shè)方案，制定了課程的教學(xué)目標(biāo)與大綱和課程的具體組織與實(shí)施環(huán)節(jié)。實(shí)踐成果表明，將學(xué)科競(jìng)賽與課程改革有機(jī)結(jié)合，融合跨學(xué)科的工程解決方案，是培養(yǎng)大學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的有效途徑。

關(guān)鍵詞：“新工科”建設(shè);教學(xué)改革;學(xué)科競(jìng)賽;復(fù)雜工程問(wèn)題

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）06-0036-03

Abstract： Based on the requirements of the "new engineering" construction for the ability training of civil engineering students in local colleges and universities， the combination of curriculum reform and innovation with the discipline competition， cross-integration of the field of artificial intelligence and civil engineering expertise in computer science， and the construction of "institutional concepts and innovative design". The curriculum construction plan has formulated the teaching objectives and outline of the curriculum and the specific organization and implementation of the curriculum. The practical results show that the combination of subject competition and curriculum reform and the integration of interdisciplinary engineering solutions are effective ways to cultivate students' comprehensive knowledge of the ability to solve complex engineering problems.

Keywords： "new engineering"construction; teaching reform; subject competition; complex engineering problems

根據(jù)教育部發(fā)布的《2017年中國(guó)教育事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)共有普通高等學(xué)校2631所，各類(lèi)高等教育在學(xué)總規(guī)模達(dá)到了3779萬(wàn)人，校均規(guī)模10430人，其中本科學(xué)校14639人。面對(duì)如此龐大的高等教育學(xué)生群體，企業(yè)卻面臨著“無(wú)人可用”的困境。與此相對(duì)應(yīng)，畢業(yè)生則同時(shí)面臨“就業(yè)難”的問(wèn)題。麥肯錫全球研究院的報(bào)告指出，我國(guó)工程類(lèi)院校的學(xué)生培養(yǎng)普遍存在重認(rèn)知教育和應(yīng)試能力，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及應(yīng)用新興信息技術(shù)的能力培養(yǎng)重視不夠。此外，傳統(tǒng)的地方院校工科類(lèi)人才培養(yǎng)模式缺乏人文社科理念的融入，導(dǎo)致“土木”類(lèi)學(xué)生設(shè)計(jì)作品欠缺“藝術(shù)美學(xué)”，限制了學(xué)生的創(chuàng)新能力[1]。

為提高我國(guó)高等工程教育水平，探索未來(lái)新型工科技術(shù)人才的培養(yǎng)模式，使我國(guó)工程教育從規(guī)模大國(guó)走向質(zhì)量強(qiáng)國(guó)，2017年教育部在“‘新工科’建設(shè)復(fù)旦共識(shí)”的基礎(chǔ)上啟動(dòng)了“新工科”發(fā)展研究工作，隨后的“天大行動(dòng)”、“北京指南”，將具有新理念、新特征、新知識(shí)、新模式、新機(jī)會(huì)、新人才特點(diǎn)[2]的“新工科”人才培養(yǎng)的改革創(chuàng)新之路推向了高潮。對(duì)地方工程類(lèi)高校的學(xué)科交叉融合[3，4]、實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)[5]提出了更高要求。做為冀南地區(qū)唯一一所綜合性工程院校，河北工程大學(xué)十分注重培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，加重了本科生研討類(lèi)和專(zhuān)題討論類(lèi)課程的建設(shè)強(qiáng)度，積極引導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生競(jìng)賽實(shí)踐活動(dòng)。“結(jié)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”課程正是在“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽”的背景下重點(diǎn)建設(shè)的一門(mén)創(chuàng)新實(shí)踐類(lèi)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，教學(xué)面向主要是土木工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)大三學(xué)生。在課程建設(shè)中，結(jié)合“新工科”復(fù)合型工程人才培養(yǎng)的要求，在“大學(xué)計(jì)算機(jī)——Python程序設(shè)計(jì)”通識(shí)課程的基礎(chǔ)上，將“人工智能”相關(guān)算法理念和土木工程專(zhuān)業(yè)力學(xué)相關(guān)課程有機(jī)結(jié)合，提出了“學(xué)科競(jìng)賽+智能創(chuàng)新”的教學(xué)模式，其中“學(xué)科競(jìng)賽”主要指國(guó)家級(jí)、省級(jí)和校級(jí)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，“智能創(chuàng)新”指“人工智能”相關(guān)理念和土木專(zhuān)業(yè)力學(xué)類(lèi)課程內(nèi)容相結(jié)合。本文提出了“結(jié)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”課程“新工科”建設(shè)背景下課程的教學(xué)目標(biāo)與大綱，構(gòu)思與設(shè)計(jì)，組織與實(shí)施等具體內(nèi)容。

一、教學(xué)目標(biāo)與大綱

“結(jié)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”課程基于研究創(chuàng)新型教學(xué)理念，在學(xué)習(xí)完大學(xué)物理、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)等基本理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，圍繞“全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”中涉及的前沿和熱點(diǎn)工程問(wèn)題，結(jié)合人工智能相關(guān)算法理念，選擇創(chuàng)新實(shí)踐性較強(qiáng)的若干專(zhuān)題供學(xué)生學(xué)習(xí)和研究，采用啟發(fā)式、翻轉(zhuǎn)式和案例式等課堂教學(xué)方法開(kāi)展與計(jì)算機(jī)學(xué)科交叉的研究型教學(xué)，學(xué)生在知識(shí)探究中發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力、解決問(wèn)題的能力和工程實(shí)踐能力。課程以土木工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)和人工智能相關(guān)理念相結(jié)合為切入點(diǎn)，主要教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

二、課程的組織與實(shí)施

本課程的理論教學(xué)部分以結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和人工智能相關(guān)理念的傳授為主，實(shí)踐部分結(jié)合“全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”題目的要求引入人工智能理念進(jìn)行專(zhuān)題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案制定。

（一）教學(xué)過(guò)程

1. 導(dǎo)論講授和專(zhuān)題介紹。課堂上以教師理論講授和案例教學(xué)的方式進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的導(dǎo)論講授和“全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”的專(zhuān)題分析。每周4課時(shí)，歷時(shí)4周。

2. 個(gè)人子課題與小組選題。由教師組織引導(dǎo)，參考往屆“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”題目，學(xué)生自主選擇感興趣的方向，自由結(jié)組，進(jìn)行專(zhuān)題調(diào)研，通過(guò)資料查閱、相互交流，確定個(gè)人研究方向，擬定小組設(shè)計(jì)題目。課上2學(xué)時(shí)。

3. 研究方案研討。在設(shè)計(jì)方案初稿的基礎(chǔ)上，采取組內(nèi)討論的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的修改和完善，重點(diǎn)理清設(shè)計(jì)思路、步驟和進(jìn)度，以及可能存在的技術(shù)、倫理問(wèn)題。1周時(shí)間，課下進(jìn)行。

4. 研究方案匯報(bào)交流。在組內(nèi)討論的基礎(chǔ)上，教師課上匯報(bào)和交流。每組設(shè)計(jì)PPT課件進(jìn)行初步改進(jìn)方案匯報(bào)，就選題依據(jù)、研究意義、社會(huì)價(jià)值、組織架構(gòu)、設(shè)計(jì)內(nèi)容、進(jìn)度安排、預(yù)期成果、可能存在的問(wèn)題等方面進(jìn)行匯報(bào)和討論。課上交流，6學(xué)時(shí)，課程課堂部分到此結(jié)束。

5. 研究方案優(yōu)化改進(jìn)。課程課堂部分結(jié)束后，各小組要在課下結(jié)合研究方案匯報(bào)交流的信息，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行再次優(yōu)化改進(jìn)。2周時(shí)間，課下進(jìn)行。

6. 個(gè)人子課題提交和方案總結(jié)。課程課堂部分結(jié)束后，每個(gè)設(shè)計(jì)小組有2周時(shí)間進(jìn)行最終方案的優(yōu)化和完善。最后每名學(xué)生要求提交個(gè)人課題總結(jié)報(bào)告1份，每個(gè)小組要求提交項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案各一份。同時(shí)，各組要參加校級(jí)“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”，選其中成績(jī)優(yōu)異者參加省級(jí)比賽。

（二）教學(xué)方法

本課程延續(xù)CDIO工程教育模式，結(jié)合“新工科”建設(shè)對(duì)地方高校工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的改革要求，以“工程教育認(rèn)證”為目標(biāo)，交叉了計(jì)算機(jī)學(xué)科中的人工智能領(lǐng)域和土木工程專(zhuān)業(yè)的相關(guān)知識(shí)，采用案例式、啟發(fā)式和翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)理論研究解決建筑結(jié)構(gòu)中復(fù)雜工程問(wèn)題的方法，并提出具體解決方案。以“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽”為依托，培養(yǎng)土木工程學(xué)生的結(jié)構(gòu)概念創(chuàng)新思維，強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐能力，同時(shí)加強(qiáng)師生互動(dòng)，以學(xué)習(xí)、研究、實(shí)踐、檢驗(yàn)的形式，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣、強(qiáng)化工程能力、提升理論水平的目的。

（三）考核方式

本課程以問(wèn)題為引導(dǎo)，采取組內(nèi)、組間和教師三級(jí)評(píng)價(jià)相結(jié)合的考核評(píng)價(jià)方式，各占20%比重。此外，校內(nèi)“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”成績(jī)占40%。成績(jī)?cè)u(píng)定設(shè)為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五個(gè)檔次，比例控制在10%、30%、50%、5%和5%。本課程的考核方式充分體現(xiàn)了學(xué)生個(gè)人興趣、開(kāi)放式學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)和學(xué)科競(jìng)賽的有機(jī)結(jié)合。通過(guò)跨學(xué)科的綜合知識(shí)學(xué)習(xí)，鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、持續(xù)學(xué)習(xí)和知識(shí)綜合能力。

三、結(jié)束語(yǔ)

我校自“結(jié)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”課程開(kāi)設(shè)以來(lái)，以“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”為平臺(tái)，將人工智能與土木工程兩個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)相結(jié)合，繼承我校CDIO教學(xué)模式的改革經(jīng)驗(yàn)，在“新工科”建設(shè)的大背景下，以“工程教育認(rèn)證”為目標(biāo)，探索了研究型教學(xué)、創(chuàng)新型設(shè)計(jì)和學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合的教學(xué)改革模式。截止目前，依托該課程，我校共組織了3屆校內(nèi)“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”，參加了2屆“河北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”，1屆“中國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”，取得全國(guó)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)（5人）在教學(xué)能力和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)方面得到了較大提高，為我校其它相關(guān)課程的改革明確了方向。

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