多線程融合的智能建造專業(yè)課程體系建設(shè)

朱穎杰，白玉星，紀(jì)穎波，劉心男

（北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京）

一 智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)要求

智能建造作為新工科專業(yè)，對(duì)人才能力的培養(yǎng)要求也會(huì)與傳統(tǒng)專業(yè)有所不同。智能建造專業(yè)最為顯著的特征是多學(xué)科交叉融合，本科教育階段應(yīng)培養(yǎng)具有寬口徑知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，具有較強(qiáng)綜合能力的人才[1-2]。北方工業(yè)大學(xué)智能建造人才培養(yǎng)的總體目標(biāo)為：適應(yīng)國(guó)家建設(shè)需要，培養(yǎng)學(xué)生德、智、體、美、勞全面發(fā)展，具有較好的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)，能熟練掌握土木工程專業(yè)的基本知識(shí)，掌握工程結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)原理、構(gòu)件生產(chǎn)和施工技術(shù)，能夠應(yīng)用相關(guān)計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和工程建造的一般機(jī)械和控制工程原理，完成現(xiàn)代土木工程的智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能施工和全過(guò)程運(yùn)行維護(hù)管理，并具備終身學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和國(guó)際視野的行業(yè)人才。

智能建造新專業(yè)的課程體系建設(shè)是人才培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)和核心內(nèi)容。課程體系的建設(shè)需牢牢把握智能建造專業(yè)對(duì)人才能力的需求，在四年制的學(xué)科教育中，有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力。但作為新開(kāi)設(shè)的專業(yè)，其課程體系的建設(shè)在全國(guó)范圍內(nèi)仍處在探索階段[3-4]。本文提出了多線程融合的課程體系建設(shè)方案，以北方工業(yè)大學(xué)智能建造專業(yè)課程體系為例展開(kāi)分析。

二 多線程理論課程體系建設(shè)

理論課程包括通識(shí)教育課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)教育課程，如圖1所示。智能建造專業(yè)的通識(shí)教育課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程與傳統(tǒng)工科的差別不大，可以沿用傳統(tǒng)土木學(xué)科的課程體系，本文主要討論專業(yè)教育課程體系的建設(shè)思路。

圖1 多線程的智能建造專業(yè)課程體系

1. 土木學(xué)科線程（圖2）：傳統(tǒng)土木學(xué)科的核心理論課程是智能建造專業(yè)的重要理論基礎(chǔ)。智能建造的立足點(diǎn)和根本目標(biāo)在于工程建設(shè)，因此智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)和課程體系建設(shè)中不能偏離工程這個(gè)“本”，特別要注意不能舍本逐末，簡(jiǎn)單堆砌一些信息技術(shù)類課程，削弱學(xué)生工程基礎(chǔ)[5]。因此，在必修課程中，經(jīng)典力學(xué)課程如理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、材料力學(xué)是必不可少的。同時(shí)在選修課程中設(shè)置了“材料力學(xué)提高”“彈性力學(xué)與有限元”和“結(jié)構(gòu)力學(xué)提高”三門課程，可供有深造意愿的學(xué)生選擇，強(qiáng)化和扎實(shí)力學(xué)基礎(chǔ)。

圖2 土木學(xué)科線程課程

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、土力學(xué)與地基基礎(chǔ)等課程是土木學(xué)科的經(jīng)典和核心理論課程，因此同樣需要在專業(yè)教育課程的必修環(huán)節(jié)有所設(shè)置。由于學(xué)分和課程數(shù)量有限，為了實(shí)現(xiàn)多學(xué)科多線程的課程體系安排，傳統(tǒng)土木學(xué)科的部分必修課程不得不轉(zhuǎn)換為選修課程。由于智能建造專業(yè)多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，在人才培養(yǎng)方案的制定和課程體系的設(shè)置中不可能做到面面俱到。不管是設(shè)置智能建造新專業(yè)還是在傳統(tǒng)專業(yè)基礎(chǔ)上進(jìn)行改革，每所學(xué)校都應(yīng)根據(jù)結(jié)合其自身專業(yè)特色在智能建造專業(yè)建設(shè)中針對(duì)某一或某幾個(gè)方向有所側(cè)重。北方工業(yè)大學(xué)根據(jù)本學(xué)校專業(yè)特色，將人才培養(yǎng)重點(diǎn)放在了房屋建筑工程上，在必修環(huán)節(jié)中設(shè)置了“畫(huà)法幾何”“混凝土結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)原理”“鋼結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)原理”“智能施工”“智能測(cè)繪”“土力學(xué)與地基基礎(chǔ)”六門課程，其中“混凝土結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)原理”又分為了各為4學(xué)分和3學(xué)分的兩門課，分別講授基本構(gòu)件設(shè)計(jì)以及裝配式建筑、高層建筑結(jié)構(gòu)和抗震設(shè)計(jì)理論。在專業(yè)教育課程的選修環(huán)節(jié)設(shè)置了“智能建筑材料”“房屋建筑學(xué)”“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”“大跨房屋結(jié)構(gòu)”“結(jié)構(gòu)選型”等課程作為土木學(xué)科專業(yè)知識(shí)的重要補(bǔ)充和理論支撐。

2.建筑信息模型線程（圖3）：建筑信息模型是智能建造所需的重要工具之一，隨著建筑行業(yè)信息化建設(shè)的發(fā)展，建筑信息模型及其應(yīng)用的相關(guān)課程也是課程體系中的一個(gè)重要線程。北方工業(yè)大學(xué)在專業(yè)教育課程的必修環(huán)節(jié)設(shè)置了一門“BIM技術(shù)基礎(chǔ)”課程，系統(tǒng)講授建筑信息模型的基礎(chǔ)理論知識(shí)并安排上機(jī)實(shí)踐。在選修環(huán)節(jié)則設(shè)置了“BIM工程應(yīng)用”“建筑信息模型與應(yīng)用”等課程，其中“BIM工程應(yīng)用”著重講解BIM全專業(yè)建模能力，“建筑信息模型與應(yīng)用”著重講解BIM管理模型建立和應(yīng)用，使學(xué)生了解和掌握建筑信息模型從基礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用的相關(guān)知識(shí)。

3.計(jì)算機(jī)學(xué)科線程（圖4）：必修課程應(yīng)具有一門計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。智能建造離不開(kāi)人工智能的應(yīng)用，盡管人工智能的核心算法依賴于C/C++語(yǔ)言，但作為智能建造專業(yè)人才，更為重要的能力是在理解和基本掌握人工智能算法的基礎(chǔ)上結(jié)合土木學(xué)科進(jìn)行應(yīng)用。而在人工智能的應(yīng)用層面，Python語(yǔ)言易于上手，具有很好的包裝能力，可擴(kuò)展性、可組合性和可嵌入性良好，在目前人工智能應(yīng)用領(lǐng)域被普遍采用。因此北方工業(yè)大學(xué)選擇“python程序設(shè)計(jì)”作為專業(yè)教育課程體系計(jì)算機(jī)學(xué)科線程中的必修課程。在必修課程基礎(chǔ)上，在選修課程中進(jìn)一步設(shè)置“Matlab程序設(shè)計(jì)應(yīng)用”“人工智能數(shù)據(jù)分析”“智能感知網(wǎng)”“結(jié)構(gòu)工程大數(shù)據(jù)及應(yīng)用”“數(shù)據(jù)采集與集成技術(shù)”“云計(jì)算與虛擬化技術(shù)”等課程，使學(xué)生了解、掌握智能建造專業(yè)所需的計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)知識(shí)，并為學(xué)生提供其在土木學(xué)科中的部分應(yīng)用場(chǎng)景與案例。

圖4 計(jì)算機(jī)學(xué)科線程課程

4.機(jī)械及控制工程線程（圖5）：智能建造的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)智能機(jī)械、智能設(shè)備等智能硬件。在北方工業(yè)大學(xué)智能建造專業(yè)教育課程的必修環(huán)節(jié)中設(shè)置了一門“機(jī)械控制理論基礎(chǔ)”課程，使學(xué)生對(duì)機(jī)械控制的基本理論有所掌握。相應(yīng)地在選修部分，“智能控制”課程可以進(jìn)一步使學(xué)生了解人工智能與機(jī)械設(shè)備的結(jié)合。

圖5 機(jī)械工程線程課程

5.工程管理線程（圖6）：智能建造涉及規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全過(guò)程的工程管理，同時(shí)傳統(tǒng)的工程管理方式將無(wú)法滿足新型工程建設(shè)的需求。結(jié)合北方工業(yè)大學(xué)國(guó)家一流專業(yè)工程管理專業(yè)的特長(zhǎng)，在智能建造專業(yè)課程體系中增加工程管理線程。該線程的課程均在選修環(huán)節(jié)，包括“工程估價(jià)”“工程項(xiàng)目管理與法規(guī)”“工程經(jīng)濟(jì)學(xué)”等課程。

6. 綠色建筑線程（圖7）：綠色建造與智能建造關(guān)系密切，綠色建筑的內(nèi)涵是包括綠色建造的全過(guò)程的。智能建造的最終目標(biāo)是交付綠色工程產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)的工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)服務(wù)；綠色建造的實(shí)現(xiàn)也需要智能建造提供必要的技術(shù)支撐。北方工業(yè)大學(xué)結(jié)合學(xué)院綠色建筑相關(guān)專業(yè)教師資源，在選修課程中增加綠色建筑方向特色模塊，讓學(xué)生能了解綠色建筑從設(shè)計(jì)到建造再到運(yùn)營(yíng)的整個(gè)知識(shí)體系和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。主要包括“建筑熱工基礎(chǔ)”“室內(nèi)人工環(huán)境智能控制”“建筑智慧能源系統(tǒng)”“建筑能耗模擬分析”“綠色建筑運(yùn)行維護(hù)原理”五門專業(yè)教育課程。

圖7 綠色建筑線程課程

三 多線程實(shí)踐課程體系建設(shè)

實(shí)踐課程體系同樣采用了多線程的課程設(shè)置方式，但與理論課程體系建設(shè)中的多線程模式有所不同，實(shí)踐課程的線程根據(jù)實(shí)踐內(nèi)容的范圍進(jìn)行區(qū)分。實(shí)踐課程體系包括通識(shí)教育實(shí)踐課程和專業(yè)教育實(shí)踐課程，本文主要討論對(duì)象是專業(yè)教育實(shí)踐課程，多線程專業(yè)教育實(shí)踐課程如圖8所示。

圖8 多線程專業(yè)教育實(shí)踐課程

1. 實(shí)踐課程的第一個(gè)線程是與專業(yè)理論課程小范圍精準(zhǔn)匹配的實(shí)踐課程，即與某一門或兩門相關(guān)性很強(qiáng)的專業(yè)理論課緊密結(jié)合，如北方工業(yè)大學(xué)智能建造專業(yè)教育實(shí)踐課程必修環(huán)節(jié)設(shè)置了“智能測(cè)繪實(shí)習(xí)”（對(duì)應(yīng)理論必修課：“智能測(cè)繪”）、“BIM技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)習(xí)”（對(duì)應(yīng)理論必修課：“BIM技術(shù)基礎(chǔ)”）、“裝配式鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)”（對(duì)應(yīng)理論必修課：“鋼結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)原理”）、“裝配式混凝土結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)”（對(duì)應(yīng)理論必修課：“混凝土結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)原理”）、“BIM5D施工組織設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”（對(duì)應(yīng)理論必修課：“智能施工”）。在選修環(huán)節(jié)的“室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)”（對(duì)應(yīng)理論選修課：“室內(nèi)人工環(huán)境智能控制”）、“結(jié)構(gòu)力學(xué)綜合訓(xùn)練”（對(duì)應(yīng)理論必修課：“結(jié)構(gòu)力學(xué)”）等。

2. 實(shí)踐課程的第二個(gè)線程是土木學(xué)科經(jīng)典實(shí)踐課程。盡管將來(lái)智能裝備將逐步取代人工實(shí)施設(shè)計(jì)和建造工作，但智能建造的發(fā)展仍需立足在了解現(xiàn)有工程建設(shè)方法的基礎(chǔ)上，因此土木學(xué)科經(jīng)典實(shí)踐課程仍有必要加入智能建造課程體系中。以北方工業(yè)大學(xué)為例，在專業(yè)教育實(shí)踐課程選修環(huán)節(jié)開(kāi)設(shè)了“認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)”“鋼筋混凝土受彎構(gòu)件”“混凝土配合比設(shè)計(jì)”“建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析試驗(yàn)”“砂漿配合比設(shè)計(jì)”等課程。

3. 實(shí)踐課程的第三個(gè)線程是能力拓展類的實(shí)踐課程，并不專門對(duì)應(yīng)某門專業(yè)理論課程，而是立足行業(yè)發(fā)展大環(huán)境，面向某個(gè)新技術(shù)、新方法展開(kāi)針對(duì)性的實(shí)踐，拓展學(xué)生的能力范圍。以北方工業(yè)大學(xué)為例，在專業(yè)教育實(shí)踐課程選修環(huán)節(jié)開(kāi)設(shè)了“Python智能建造二次開(kāi)發(fā)”課程，專門針對(duì)基于Python的參數(shù)化建模展開(kāi)教學(xué)并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐，特別鼓勵(lì)學(xué)生參與知名企業(yè)舉辦的競(jìng)賽，充分鍛煉學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力。又如選修課“無(wú)人機(jī)技術(shù)智能測(cè)繪”“新型建筑材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)訓(xùn)”“不等截面疊合梁純彎試驗(yàn)”等。

4. 實(shí)踐課程的第四個(gè)線程是綜合能力培養(yǎng)與鍛煉的實(shí)踐課程，這類課程以“企業(yè)工程實(shí)踐”和“畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）”為典型代表。企業(yè)工程實(shí)踐是智能建造專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的系列實(shí)踐環(huán)節(jié)。因課程總學(xué)分有限（165分），通過(guò)企業(yè)工程實(shí)踐，讓智能建造專業(yè)的學(xué)生到生產(chǎn)第一線，直接接觸行業(yè)智能建造技術(shù)，深入智能建造工程實(shí)際，參加具體項(xiàng)目的組織、管理等方面的實(shí)際工作。學(xué)生可全面了解項(xiàng)目的運(yùn)作過(guò)程，自然進(jìn)入多學(xué)科交叉培養(yǎng)環(huán)境。學(xué)生通過(guò)向工程技術(shù)人員及項(xiàng)目管理人員學(xué)習(xí)智能建造生產(chǎn)工藝過(guò)程和施工管理知識(shí)等，鍛煉學(xué)生分析和解決實(shí)踐問(wèn)題的能力，進(jìn)一步鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，并激發(fā)學(xué)生自學(xué)興趣。同時(shí)，學(xué)習(xí)智能建造企業(yè)項(xiàng)目管理人員、工程技術(shù)人員等的優(yōu)秀品質(zhì)和奉獻(xiàn)精神，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，使學(xué)生更加明確所從事的工作范疇和應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任，為以后實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

北方工業(yè)大學(xué)智能建造專業(yè)的企業(yè)工程實(shí)踐分別在短二、短三小學(xué)期各設(shè)置了3周，在第7學(xué)期設(shè)置了6周，學(xué)生需完成至少6周該實(shí)踐環(huán)節(jié)，并滿足相應(yīng)考核要求。組織和管理采用以下模式：基于企業(yè)與學(xué)生之間的雙向選擇；采用企業(yè)導(dǎo)師與學(xué)校教師共同指導(dǎo)的“雙管理”模式；校內(nèi)導(dǎo)師職責(zé)：組織銜接、過(guò)程指導(dǎo)、監(jiān)督管理、成果考核等；校外導(dǎo)師職責(zé)：選擇學(xué)生、制定項(xiàng)目、過(guò)程指導(dǎo)、技術(shù)培訓(xùn)、成果考核、企業(yè)文化傳遞等。

四 多線程課程體系的融合

多線程融合的課程體系重點(diǎn)不僅在于“多”，更在于“融合”。智能建造專業(yè)因?yàn)樯婕岸鄠€(gè)學(xué)科交叉，課程體系建設(shè)特別要注意避免不同學(xué)科課程的簡(jiǎn)單堆砌，而是要將計(jì)算機(jī)學(xué)科、材料學(xué)科、機(jī)械學(xué)科、管理學(xué)科與土木學(xué)科有機(jī)融合，以工程建造需要為基礎(chǔ)，培養(yǎng)人才要服務(wù)于“工程”的主線。但另一方面，因?yàn)橹悄芙ㄔ烊蕴幱趧?dòng)態(tài)發(fā)展中，不應(yīng)過(guò)于局限學(xué)科融合的方式和場(chǎng)景，應(yīng)給予學(xué)生更廣闊的思路和視野，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新探索。

以北方工業(yè)大學(xué)為例，課程體系建設(shè)中，土木學(xué)科理論線程中的課程是在傳統(tǒng)專業(yè)課核心內(nèi)容基礎(chǔ)上，補(bǔ)充信息化、數(shù)字化和智能化的新技術(shù)、新方法的教學(xué)內(nèi)容[6]，形成“混凝土結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)原理”“鋼結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)原理”“智能施工”“智能測(cè)繪”等新專業(yè)課程。又如計(jì)算機(jī)學(xué)科線程中，除“Python程序設(shè)計(jì)”外，其他課程均立足于土木工程基礎(chǔ)環(huán)境，如“結(jié)構(gòu)工程大數(shù)據(jù)及應(yīng)用”講授大數(shù)據(jù)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)著重介紹其在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用，“智能感知網(wǎng)”則在講授人工智能和計(jì)算機(jī)視覺(jué)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，給予學(xué)生數(shù)個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景讓學(xué)生多角度多環(huán)境體驗(yàn)智能感知，激發(fā)學(xué)生對(duì)智能感知在土木工程領(lǐng)域拓展應(yīng)用的思考。

五 結(jié)語(yǔ)

智能建造專業(yè)作為新工科專業(yè)，課程體系建設(shè)是實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。本文提出了多線程融合的智能建造專業(yè)課程體系建設(shè)方案，以北方工業(yè)大學(xué)新設(shè)智能建造專業(yè)的課程體系為例，分別針對(duì)多線程理論課程體系建設(shè)、多線程實(shí)踐課程體系建設(shè)和多線程課程體系的融合進(jìn)行了分析和思考，以期能夠?qū)φ陂_(kāi)展智能建造專業(yè)建設(shè)的院校有所啟發(fā)，促進(jìn)新專業(yè)建設(shè)的完善和發(fā)展。