面向未來(lái)的創(chuàng)新型工程科技人才培養(yǎng)

文｜本刊記者 陳昕

“十三五”時(shí)期，我國(guó)建筑業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)作用不斷增強(qiáng)，發(fā)展質(zhì)量和效益不斷提高。港珠澳大橋、北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)等一批世界級(jí)標(biāo)志性重大工程設(shè)計(jì)施工技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，建筑業(yè)加快“走出去”，對(duì)服務(wù)“一帶一路”建設(shè)發(fā)揮了重要作用。

盡管我國(guó)已經(jīng)建成舉世矚目的超高層建筑、超大跨度橋梁和超深超長(zhǎng)隧道，但建筑業(yè)仍然沒(méi)有擺脫勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)窠臼。建筑行業(yè)缺乏核心技術(shù)，難以應(yīng)對(duì)未來(lái)發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，整個(gè)行業(yè)缺乏應(yīng)對(duì)未來(lái)科技與工程發(fā)展的人才和人才培養(yǎng)模式。

國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃、智慧城市建設(shè)、“一帶一路”戰(zhàn)略、綠色可持續(xù)發(fā)展，以及人工智能、BIM、區(qū)塊鏈等技術(shù)為我國(guó)建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了主要驅(qū)動(dòng)力。除了外在的驅(qū)動(dòng)力外，建筑行業(yè)也有著內(nèi)生驅(qū)動(dòng)需求，例如過(guò)去常規(guī)靜態(tài)的荷載正逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀貏?dòng)態(tài)復(fù)雜荷載，之前日常的施工環(huán)境越來(lái)越多涉及到惡劣施工環(huán)境，極寒環(huán)境、高空作業(yè)和深海建設(shè)情況更為頻繁，勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)變?yōu)檠b備與技術(shù)密集型工作方式。從建筑業(yè)內(nèi)部來(lái)說(shuō)，新時(shí)代的建設(shè)需求倒逼技術(shù)、工藝與環(huán)境的跨越式變革和整個(gè)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

智能建造引領(lǐng)建筑業(yè)發(fā)展方向

這實(shí)際上不僅僅是中國(guó)建筑業(yè)面臨的問(wèn)題，以建筑行業(yè)機(jī)器人為例，各國(guó)政府與企業(yè)都針對(duì)建筑技術(shù)自動(dòng)化開展了一系列的研發(fā)工作，并對(duì)智能建造傾注全力，推動(dòng)技術(shù)革新。例如澳大利亞機(jī)器人公司Fastbrick Robotics 研發(fā)的世界上第一臺(tái)全自動(dòng)砌磚機(jī)器人Hadrian X，可以通過(guò)安裝在挖掘機(jī)或卡車上的伸縮臂來(lái)鋪設(shè)磚塊；法國(guó)Effidence 開發(fā)的Doxel 漫游者可應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)巡檢，使用高清晰度攝像機(jī)和“光成像、探測(cè)和測(cè)距”傳感器進(jìn)行建筑現(xiàn)場(chǎng)檢查，并與設(shè)計(jì)模型和程序進(jìn)行比較；瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)了可以自動(dòng)綁扎鋼筋的機(jī)器人 insitu fabricator robot；上海建工集團(tuán)的數(shù)字化建造設(shè)備可用于3D 打印。英國(guó)最大的設(shè)計(jì)、施工和資產(chǎn)管理集團(tuán)巴爾弗-貝蒂公司曾大膽預(yù)測(cè)：2050年，建筑工地將不會(huì)再有人類工作。當(dāng)然，這是一個(gè)非常大膽的預(yù)言，但這一預(yù)言也為我們指明了一個(gè)方向，即未來(lái)施工現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化、智能化機(jī)器設(shè)備將逐漸替代人力勞動(dòng)是一個(gè)不可逆的趨勢(shì)。

智能建造是傳統(tǒng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型的機(jī)遇與途徑，也是土木工程學(xué)科的延伸和拓展。縱觀智能建造全球發(fā)展趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)，全球主要經(jīng)濟(jì)體都在大力發(fā)展智能建造，以助推智慧城市建設(shè)，從而升級(jí)智能社會(huì)。例如美國(guó)在2007年就規(guī)定所有重要工程項(xiàng)目都要使用BIM 技術(shù)，通過(guò)使用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)低碳綠色發(fā)展，并先后提出3D-4D-BIM 計(jì)劃、智能設(shè)計(jì)建造（ICD）戰(zhàn)略、基礎(chǔ)設(shè)施重建戰(zhàn)略規(guī)劃等。德國(guó)出臺(tái)了“高科技戰(zhàn)略2025”，提出加大促進(jìn)科研和創(chuàng)新，儲(chǔ)備人工智能專業(yè)力量，加大各領(lǐng)域人工智能的應(yīng)用，利用人工智能型商業(yè)模式及人工智能產(chǎn)品激發(fā)新一輪創(chuàng)業(yè)動(dòng)力。日本制定了“i-Construction”戰(zhàn)略，為建筑企業(yè)和建筑行業(yè)制定了發(fā)展目標(biāo)，著力提升建筑產(chǎn)品的品質(zhì)、安全和效益。世界各國(guó)都在爭(zhēng)先恐后地?fù)屨贾悄芙ㄔ斓膽?zhàn)略高地。中國(guó)也相繼出臺(tái)了一系列的相關(guān)政策和指導(dǎo)意見，《中國(guó)制造2025》《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》的出臺(tái)，逐步揭開了中國(guó)智能建造發(fā)展的序幕，《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》則進(jìn)一步明確了推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)思想、基本原則、發(fā)展目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施，為當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提供了具體指導(dǎo)。

同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院教授盧昱杰表示，在全球化的浪潮下，中國(guó)更應(yīng)該通過(guò)研究和實(shí)踐引領(lǐng)全球智能建造、智慧城市與社會(huì)的發(fā)展浪潮。智能建造最主要的一項(xiàng)核心技術(shù)就是人工智能。人工智能技術(shù)強(qiáng)調(diào)三個(gè)空間，即物理空間、人類社會(huì)空間和信息空間，三者互相交互共融。將物理空間和信息空間融合，可以實(shí)現(xiàn)智能感知、自主裝備和機(jī)器人之間的協(xié)同與群智；通過(guò)物理空間和人類社會(huì)進(jìn)行交融，可以實(shí)現(xiàn)自然科學(xué)、工程技術(shù)的協(xié)同；通過(guò)人類空間和信息空間融合，可以更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大自然和物聯(lián)網(wǎng)社區(qū)的不斷涌現(xiàn)，最終在信息空間中實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和認(rèn)知，并不斷涌現(xiàn)新的知識(shí)，從而更好地指導(dǎo)物理空間現(xiàn)實(shí)世界的相關(guān)工作。

盧昱杰認(rèn)為，人工智能技術(shù)不僅僅對(duì)建筑行業(yè)產(chǎn)生深刻影響，同時(shí)在智慧城市、智能制造、智慧醫(yī)療、智能農(nóng)業(yè)和智能軍事等多個(gè)方面都發(fā)揮著重要的作用。他舉例到，智慧城市領(lǐng)域，人工智能可以提高城市運(yùn)行效率、提升人類幸福指數(shù)；智能制造方面可以解放更多勞動(dòng)力，釋放生產(chǎn)力；智慧醫(yī)療領(lǐng)域，可以延長(zhǎng)人類壽命，保證健康生活；智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可以解放我國(guó)農(nóng)民勞動(dòng)力，解決更多絕對(duì)貧困人口生活；智能軍事則可以提升國(guó)防實(shí)力，保障和維護(hù)國(guó)家安全。

產(chǎn)業(yè)變革與人才升級(jí)

人工智能引領(lǐng)了一系列產(chǎn)業(yè)變革，而產(chǎn)業(yè)變革也進(jìn)一步引起了傳統(tǒng)學(xué)科的升級(jí)改造。例如人工智能+交通汽車轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔劢煌?，人工智?醫(yī)學(xué)生命變?yōu)橹悄茚t(yī)療，人工智能+經(jīng)營(yíng)人文、建筑規(guī)劃則轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄艹鞘校斯ぶ悄?電子信息和機(jī)械航空升級(jí)為智能制造，人工智能+環(huán)境科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苻r(nóng)業(yè)，人工智能+土木測(cè)繪則升級(jí)為智能建造。

以智能建造為例，智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)需要重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)方向，一是智能設(shè)計(jì)與規(guī)劃，二是智能裝備與施工，三是智能運(yùn)維與管理。盧昱杰介紹到，針對(duì)智能建造專業(yè)，同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)了人才培養(yǎng)頂層設(shè)計(jì)，確定了人才培養(yǎng)戰(zhàn)略與目標(biāo)：一是面向未來(lái)科技與工程發(fā)展的人才培養(yǎng)，二是要培養(yǎng)20年以后的精英和棟梁。對(duì)人才培養(yǎng)具體的轉(zhuǎn)變則體現(xiàn)在三個(gè)方向：空間上，從單體部件發(fā)展到工程系統(tǒng)，學(xué)生不僅僅是某一結(jié)構(gòu)工程、力學(xué)專業(yè)，而是整個(gè)工程系統(tǒng)，包括經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人文、管理、材料等都需要進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)復(fù)合型人才；時(shí)間上，從使用安全發(fā)展到全壽命周期；深度上，從單一土木學(xué)科深化到依靠多學(xué)科的交叉與綜合。

圍繞上述人才培養(yǎng)方向，結(jié)合同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)科的人才培養(yǎng)傳承和人才培養(yǎng)創(chuàng)新模式，包括共性基礎(chǔ)和專業(yè)培養(yǎng)等，同濟(jì)大學(xué)以土木工程院系牽頭，聯(lián)合學(xué)校7 個(gè)院系，共同成立智能建造專業(yè)，并于2018年獲批成為全國(guó)首個(gè)智能建造專業(yè)。

智能建造是教育部于2018年正式批準(zhǔn)新設(shè)的全國(guó)首個(gè)“新工科”專業(yè)，其以土木工程為基礎(chǔ)，以信息技術(shù)為紐帶，以機(jī)械工程和控制工程等技術(shù)為工具，融合建筑學(xué)、材料工程、工程管理等學(xué)科知識(shí)，涵蓋建筑與基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、裝配、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等生命周期完整鏈條。同濟(jì)大學(xué)利用自身學(xué)科優(yōu)勢(shì)首個(gè)設(shè)置“智能建造”專業(yè)，引起了美國(guó)加州伯克利大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)等著名高校的廣泛關(guān)注，并集聚了相關(guān)國(guó)際頂級(jí)人才。

智能建造專業(yè)是以土木工程和機(jī)械工程為載體基礎(chǔ)，以信息技術(shù)和人工智能為手段，突破專業(yè)壁壘，融合土木、建筑、機(jī)械、材料、信息、控制、工程管理等學(xué)科知識(shí)的交叉學(xué)科。盧昱杰認(rèn)為，對(duì)智能建造專業(yè)的學(xué)生提出的要求是三維的教育，包括知識(shí)教育、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提升，使學(xué)生不僅擁有專業(yè)技能，也能夠在畢業(yè)后有充分的社會(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng)，具有家國(guó)情懷。具體的培養(yǎng)目標(biāo)一是面向未來(lái)科技與工程發(fā)展，適應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和建設(shè)需求，德智體美全面發(fā)展；二是基礎(chǔ)理論扎實(shí)、專業(yè)知識(shí)寬廣、綜合能力突出、科學(xué)與人文素養(yǎng)深厚；三是掌握土木工程、機(jī)械工程、電子信息科學(xué)與工程、控制科學(xué)與工程、工程管理等學(xué)科的基本原理和基本方法；四是能勝任建筑和交通基礎(chǔ)設(shè)施的智能規(guī)劃與設(shè)計(jì)、智能裝備與施工、智能運(yùn)維與服務(wù)等工作；五是具有終身學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、國(guó)際視野和領(lǐng)導(dǎo)能力。

筑根汲養(yǎng) 打破知識(shí)結(jié)構(gòu)桎梏

目前，智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。針對(duì)高校土木專業(yè)相關(guān)教職人員的問(wèn)卷調(diào)研（2020年3月）顯示，目前智能建造發(fā)展面臨五大主要挑戰(zhàn)：一是囊括各個(gè)交叉學(xué)科，同時(shí)保證廣度、深度的課程體系尚未構(gòu)建；二是具有實(shí)際工程意義、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力的實(shí)踐課程尚未普遍開設(shè)；三是掌握綜合系統(tǒng)知識(shí)的師資力量尚未成型；四是可供學(xué)生實(shí)踐的建筑實(shí)操基地等硬件設(shè)施尚未普及；五是有利于交叉學(xué)科發(fā)展的學(xué)校人事激勵(lì)制度、成果管理制度等尚未落實(shí)。對(duì)此，盧昱杰表示，需要進(jìn)一步明確專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，打破傳統(tǒng)課程體系、知識(shí)結(jié)構(gòu)的桎梏，創(chuàng)新教學(xué)模式，進(jìn)一步加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)、平臺(tái)建設(shè)、制度建設(shè)，為智能建造專業(yè)的發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。

以同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院為例，目前主要從專業(yè)實(shí)踐、全過(guò)程培養(yǎng)、國(guó)際化三個(gè)方面推進(jìn)智能建造專業(yè)的建設(shè)。在本科生學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)大類通識(shí)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程和交叉特色實(shí)踐，以土木工程為主，附加人工智能核心開展的教學(xué)。隨著本研知識(shí)一體化的推進(jìn)，在碩士階段則更多強(qiáng)調(diào)多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)。對(duì)于本科生和研究生的培養(yǎng)重點(diǎn)也有所區(qū)別，本科生注重筑根汲養(yǎng)，培養(yǎng)有專業(yè)意識(shí)的人，打牢基礎(chǔ)、提升綜合素質(zhì)，強(qiáng)調(diào)人的培養(yǎng)；研究生則強(qiáng)調(diào)在某個(gè)階段、某個(gè)專業(yè)有一定特長(zhǎng)，重點(diǎn)在“專業(yè)+”。在具體的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，一是重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，從強(qiáng)調(diào)知識(shí)到強(qiáng)調(diào)方法和思維方式，以通識(shí)教育為基礎(chǔ)，專業(yè)基礎(chǔ)為核心，專業(yè)技術(shù)為抓手，梳理知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)體系，關(guān)注共性的方法和思維模式。二是任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，從零散知識(shí)到工程系統(tǒng)，精心設(shè)計(jì)工程任務(wù)，鍛煉自學(xué)能力、系統(tǒng)思維，強(qiáng)化課內(nèi)課外全學(xué)時(shí)，強(qiáng)調(diào)個(gè)人作用于團(tuán)隊(duì)協(xié)作相輔相成。三是搭建創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，從單一能力訓(xùn)練到全方位能力培養(yǎng)，建立科學(xué)研究與人才培養(yǎng)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，企業(yè)合作實(shí)踐學(xué)習(xí)。四是加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)。