基于土木工程智能結(jié)構(gòu)微課程的復(fù)合型人才培養(yǎng)模式探索

方成 王偉 楊欣悅

摘要：為主動應(yīng)對工科產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展需求，順應(yīng) “中國制造2025”“工業(yè)4.0”等國家戰(zhàn)略，基于同濟大學(xué)“共性基礎(chǔ)+個性培養(yǎng)”的人才培養(yǎng)總體框架，深入闡述了土木工程智能結(jié)構(gòu)微課程的培養(yǎng)內(nèi)涵以及實施的迫切性和必要性，以復(fù)合型、國際化培養(yǎng)為導(dǎo)向，深化教學(xué)改革，探索基于多學(xué)科交叉培養(yǎng)理念的課程體系、教學(xué)方法以及課程考核機制，以期為智能結(jié)構(gòu)課程知識體系的建立和講授新模式、新方法的提出提供借鑒。

關(guān)鍵詞：土木工程;智能結(jié)構(gòu);微課程;人才培養(yǎng);教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0?? 文獻標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2021）01-0043-06

新一輪世界范圍的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革撲面而來，為主動應(yīng)對工科產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，支撐以科技創(chuàng)新為出發(fā)點的“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，在傳統(tǒng)工科培養(yǎng)模式的基礎(chǔ)上推進多學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)適應(yīng)產(chǎn)業(yè)變革的高素質(zhì)復(fù)合型人才，已成為“新工科”發(fā)展大環(huán)境下最關(guān)鍵的內(nèi)涵與目標(biāo)之一[1]。同濟大學(xué)土木工程學(xué)院在“共性基礎(chǔ)+個性培養(yǎng)”的人才培養(yǎng)總體框架下，面對新工科建設(shè)的迅速推進和土木工程行業(yè)轉(zhuǎn)型的緊迫形勢，著力啟動了“土木工程+微專業(yè)/微課程群”建設(shè)，以彌補傳統(tǒng)培養(yǎng)模式下學(xué)生實踐能力欠缺、畢業(yè)生能力與行業(yè)發(fā)展需求脫節(jié)的不足。智能結(jié)構(gòu)是新時代土木工程發(fā)展最迫切需要吸納的知識體系之一，對于提升土木工程學(xué)科畢業(yè)生的國際競爭力意義重大。為此，針對土木工程智能結(jié)構(gòu)微課程的開設(shè)背景、課程體系、教學(xué)模式、國際化人才培養(yǎng)思路，以及多元化考核機制展開討論。

一、智能結(jié)構(gòu)微課程建設(shè)的必要性與迫切性

（一）符合國家戰(zhàn)略發(fā)展

傳統(tǒng)制造業(yè)面臨轉(zhuǎn)型，智能建造專業(yè)是順應(yīng)工業(yè)4.0和“中國制造2025”戰(zhàn)略的必然產(chǎn)物。從培養(yǎng)方案看，智能結(jié)構(gòu)是土木工程與智能建造專業(yè)的一個重要新興分支，是新工科知識體系建設(shè)中的重要一環(huán)。

智能結(jié)構(gòu)是多方向高度交叉的新興前沿學(xué)科方向，其發(fā)展?jié)摿薮螅瑧?yīng)用前景廣闊，現(xiàn)已成為國內(nèi)外科研與教學(xué)的熱點方向之一。智能結(jié)構(gòu)課程以土木工程專業(yè)課程為基礎(chǔ)，面向國家戰(zhàn)略需求和建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級需要，融合了機械設(shè)計制造及其自動化、電子信息及其自動化、工程管理等專業(yè)的課程內(nèi)容。目前，部分高校已經(jīng)開始逐步建構(gòu)智能建造專業(yè)培養(yǎng)框架，智能結(jié)構(gòu)的相關(guān)教學(xué)實踐在傳統(tǒng)土木工程專業(yè)中并不完善，為此，需緊跟國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，結(jié)合傳統(tǒng)土木行業(yè)培養(yǎng)的優(yōu)勢與新興產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新點，進行相應(yīng)的土木工程智能結(jié)構(gòu)微課程培養(yǎng)模式探索和課程體系設(shè)計，以順應(yīng)國家智能化基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的需求。

（二）符合“新工科”人才培養(yǎng)的趨勢

作為建筑行業(yè)人才培養(yǎng)改革的推動者和探索者，同濟大學(xué)于2018年獲教育部批準(zhǔn)開設(shè)國內(nèi)首個智能建造本科專業(yè)，目前很多高校也相繼開設(shè)或正籌劃開設(shè)相關(guān)專業(yè)。智能結(jié)構(gòu)課程體系

作為智能建造專業(yè)的關(guān)鍵組成部分，應(yīng)順應(yīng)建筑行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，科學(xué)設(shè)置，有效提升學(xué)生的工程技術(shù)能力和學(xué)科交叉能力，增強學(xué)生的學(xué)科前沿意識。如何有效地在同濟大學(xué)現(xiàn)有土木工程人才培養(yǎng)體系的基礎(chǔ)上完善智能結(jié)構(gòu)的教學(xué)構(gòu)架，進一步推進土木工程+課程改革，對同濟大學(xué)乃至全國相關(guān)高校的復(fù)合型人才培養(yǎng)具有重要意義[2]。

二、土木工程智能結(jié)構(gòu)微課程改革思路探索

（一）“土木工程+智能結(jié)構(gòu)”微課程教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃與課程體系建設(shè)

結(jié)合同濟大學(xué)土木工程專業(yè)智能結(jié)構(gòu)微課程的培養(yǎng)理念，制定智能結(jié)構(gòu)課程教學(xué)大綱，服務(wù)于本專業(yè)以及其他相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生及畢業(yè)生，形成明確的知識體系。以智能結(jié)構(gòu)體系概述、智能材料、智能監(jiān)測與檢測、智能施工與管理、建筑3D打印、機器人工業(yè)化建造、機器學(xué)習(xí)入門等為主要教學(xué)模塊，構(gòu)建每個教學(xué)模塊的知識點，收集案例庫，建立習(xí)題庫，完成全套“土木工程+智能結(jié)構(gòu)”微課程教學(xué)多媒體課件制作，形成全面、實用、前沿的智能結(jié)構(gòu)課程知識體系。每個教學(xué)模塊3個課時，具體課程內(nèi)容安排如下。

1.智能結(jié)構(gòu)體系概述模塊

智能結(jié)構(gòu)是一門多方向高度交叉的新興前沿學(xué)科方向，其發(fā)展?jié)摿薮?，?yīng)用前景廣闊，但內(nèi)容繁多、涉及面廣。該教學(xué)模塊作為課程第一課，將首先梳理土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的基本概念與發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)智能化歷程的層次劃分，包括自感知智能結(jié)構(gòu)，自診斷智能結(jié)構(gòu)、智能材料、智能控制、智能設(shè)計、智能管理等不同分支的特點、內(nèi)涵，闡述不同的結(jié)構(gòu)智能化目標(biāo)，最后結(jié)合實例介紹智能結(jié)構(gòu)體系在高層建筑、橋梁、基礎(chǔ)設(shè)施等工程領(lǐng)域中的前沿應(yīng)用，使學(xué)生初步建立智能結(jié)構(gòu)概念。

2.智能材料教學(xué)模塊

科技的創(chuàng)新往往伴隨材料的發(fā)展，與材料科學(xué)的齊頭并進無疑將成為未來幾十年內(nèi)引領(lǐng)土木工程學(xué)科發(fā)展的重要手段。智能材料中最具有代表性的當(dāng)屬形狀記憶合金（SMA），SMA主要有兩種顯著特性：奧氏體狀態(tài)下的超彈性（偽彈性）效應(yīng)和馬氏體狀態(tài)下的形狀記憶效應(yīng)[3]。該教學(xué)模塊首先討論SMA兩種效應(yīng)的機理與觸發(fā)方式，使學(xué)生掌握材料微觀晶體相變的基本知識，隨后討論SMA在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，聚焦主動控制、半主動控制、被動控制三個方面的創(chuàng)新應(yīng)用以及力學(xué)原理，展現(xiàn)SMA工程應(yīng)用的經(jīng)典案例，包括意大利S. Giorgio教堂、St. Francis Basilica教堂，以及美國密西根 Sherman路大橋等，最后簡要介紹SMA的數(shù)值模型與仿真模擬方法。

3.智能監(jiān)測與檢測教學(xué)模塊

借助智能監(jiān)測與檢測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)進行全壽命健康診斷能有效避免及解決結(jié)構(gòu)在服役過程中產(chǎn)生的多種安全隱患，對于土木工程結(jié)構(gòu)的維護具有重大意義。該教學(xué)模塊首先討論不同參數(shù)（應(yīng)變、加速度、速度、位移、溫度、頻率等）的測量原理及特征信息的提取方法，簡要介紹HHT、ICA、小波分析等經(jīng)典方法[4]。隨后討論智能傳感器的基本構(gòu)成，介紹微處理機控制下傳感器的采集、處理和交換信息的基本原理，最后介紹新型智能傳感元件，包括形狀記憶合金、壓電材料（壓電陶瓷）、磁致伸縮材料、光導(dǎo)纖維等。

4.智能施工與管理教學(xué)模塊

現(xiàn)代化的智能施工與管理離不開建筑信息模型（BIM）。BIM不僅包含空間信息，而且還包含進度信息（4D）、成本信息（5D）、質(zhì)量信息（6D）、安全信息（7D）等，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化管理，不僅使建筑本身數(shù)字化，而且使建筑過程數(shù)字化[5]。該教學(xué)模塊首先介紹BIM的基本概念和應(yīng)用技術(shù)，闡述基于BIM的人員管理、物料管理、質(zhì)量管理、安全管理、成本管理、施工綜合管理、機電安裝、施工過程監(jiān)測等基本概念，最后介紹BIM的基本建模知識，利用REVIT軟件建立建筑三維模型進行房屋建筑設(shè)計的基本步驟，以及結(jié)合Navisworks軟件進行施工組織設(shè)計并建立建筑施工4D模擬動畫的基本流程。

5.建筑3D打印教學(xué)模塊

3D打印依托新興的增材制造技術(shù)給建筑行業(yè)帶來革命性的變化，對于具有復(fù)雜幾何構(gòu)型的結(jié)構(gòu)與構(gòu)件而言，3D打印可提高建造效率、優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力、減少材料消耗和浪費，加快設(shè)計建造過程，這是未來智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要技術(shù)之一。該教學(xué)模塊將著重討論混凝土3D打印、復(fù)材3D打印和金屬3D打印技術(shù)，闡明立體光固化成型法、熔融層積成型法、SLS選區(qū)激光燒結(jié)法、分層實體制造法等打印方式及其基本原理，分析現(xiàn)有建筑3D打印經(jīng)典工程案例（包括Winsun houses、Castilla-La Mancha 3D橋、Gemert自行車橋、MX3D人行橋等），最后對3D打印的應(yīng)用限制、3D打印與傳統(tǒng)建造技術(shù)混合應(yīng)用策略，以及3D打印在結(jié)構(gòu)加固方面的應(yīng)用前景進行探討。

6.機器人工業(yè)化建造教學(xué)模塊

工業(yè)機器人是集機械學(xué)和微電子學(xué)于一身的機電一體化技術(shù)，是支撐智能建造的重要裝備與技術(shù)。如今5G通信技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將為工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)帶來更大的機遇。該教學(xué)模塊首先介紹工業(yè)機器人的背景及發(fā)展歷史，隨后重點介紹工業(yè)機器人在建造行業(yè)的典型應(yīng)用案例，包括挪威nLink移動機器人、澳大利亞3D建筑機器人HadrianX、美國砌磚機器人山姆100、日本清水建設(shè)的噴涂和焊接機器人等，隨后介紹現(xiàn)有建造裝備的遙控化、半自主化智能升級方案，最后利用編程模擬軟件進行訓(xùn)練，基于簡單的預(yù)設(shè)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生基本的機器人編程思維。

7.機器學(xué)習(xí)入門教學(xué)模塊

機器學(xué)習(xí)是一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，致力于研究計算機怎樣模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識或技能，達到重新組織已有的知識結(jié)構(gòu)和不斷改善自身性能的目的，該學(xué)科對土木工程邁向人工智能時代具有重要意義。該教學(xué)模塊首先介紹機器學(xué)習(xí)的基本原理、發(fā)展歷程和分類方法，重點介紹機器學(xué)習(xí)在結(jié)構(gòu)損傷圖像識別領(lǐng)域的發(fā)展，隨后講述基于MATLAB的機器學(xué)習(xí)的基本入門知識，建立簡單的模型執(zhí)行分類任務(wù)、從多個文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)、根據(jù)原始信號計算特征、訓(xùn)練并使用機器學(xué)習(xí)模型進行預(yù)測。最后討論幾類監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，包括線性分類器（LR）、樸素貝葉斯（NB）、集成模型、回歸相關(guān)模型的優(yōu)缺點、數(shù)學(xué)假設(shè)、評測指標(biāo)及計算方法。

（二）“土木工程+智能結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)模式

對于本校的本科生和研究生以選修課的形式開展課堂教學(xué)和輔助機房教學(xué)，主要教學(xué)手段包括課堂授課、隨堂練習(xí)、情景演練、方案辯論等。針對每一教學(xué)模塊設(shè)計符合各自特點的小專題，學(xué)生可選擇感興趣的專題，提交個人學(xué)習(xí)報告，或者通過團隊協(xié)作解決問題，提交團隊研習(xí)報告;按照不同的培養(yǎng)等級和需求，明確不同階段學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)并合理有效分配課后教學(xué)拓展資源，提交拓展學(xué)習(xí)日志。同時可采用校企合作培養(yǎng)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的教學(xué)模式，根據(jù)學(xué)生就業(yè)發(fā)展以及企業(yè)的實際需求開展工程案例分析。

為了使智能結(jié)構(gòu)微課程的教學(xué)內(nèi)容更加全面、系統(tǒng)，增強學(xué)生對課程知識融會貫通和靈活應(yīng)用的能力，適應(yīng)校內(nèi)外教學(xué)需求，有必要在微課程課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，進一步豐富教學(xué)手段，依托多媒體、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，提高教學(xué)效率與覆蓋面，通過在線問答、短視頻教學(xué)、遠程講座等教學(xué)方式，進一步促進學(xué)生與教師、業(yè)界的頻繁互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高創(chuàng)新能力。

（三）“土木工程+智能結(jié)構(gòu)”課程的國際化人才培養(yǎng)

經(jīng)濟全球化需要國際化的人才和全球化的工程教育。為滿足“新工科”對國際化高素質(zhì)復(fù)合型人才的需求，課程改革也將隨之適應(yīng)國際化競爭需求，適當(dāng)增加英文教學(xué)元素，引入最新的國際前沿研究，提供相關(guān)英文文獻及英文教輔資料，促進與國外合作院校的課程學(xué)分互認與銜接，制定統(tǒng)一的學(xué)分標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建院校間學(xué)分互認平臺，充分利用和共享國際優(yōu)質(zhì)教育資源，實現(xiàn)微課程教學(xué)國際化、開放式發(fā)展;了解國外高校師生線上線下的互動、授課模式及學(xué)生學(xué)習(xí)情況反饋機制，及時與國際優(yōu)質(zhì)教學(xué)課堂接軌;緊跟國際智能結(jié)構(gòu)工程的前沿發(fā)展，

適時邀請合作單位中具有國際工程實踐經(jīng)驗的海內(nèi)外專家以微講座的形式與學(xué)生開展上線下交流。

微課程的開設(shè)應(yīng)該兼顧國際工程教育專業(yè)認證的需求。同濟大學(xué)土木工程學(xué)院將培養(yǎng)“全球意識、跨文化交流、具有國際視野、通曉國際規(guī)則、參與國際合作與競爭能力”的卓越人才作為人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)，建立了與歐美工程教育專業(yè)認證相融合的培養(yǎng)體系。這是同濟大學(xué)培養(yǎng)國際化人才的重要途徑，也是大力發(fā)展智能建造本科專業(yè)以及智能結(jié)構(gòu)微專業(yè)的關(guān)鍵。目前，智能建造本科專業(yè)剛剛起步，培養(yǎng)理念與英國土木工程師學(xué)會（ICE）、英國結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會（IStructE）、美國土木工程師學(xué)會（ASCE）等國際重要學(xué)會專業(yè)認證所必須達到的核心目標(biāo)群（Core objective）的協(xié)同性尚有待明確。目前，“土木工程+智能結(jié)構(gòu)”課程可以國際工程師執(zhí)業(yè)資格核心目標(biāo)群為導(dǎo)向，提出符合新階段智能建造專業(yè)國際工程教育認證要求的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)要求和訓(xùn)練方案，形成面向國際工程教育專業(yè)認證的微課程教學(xué)培養(yǎng)計劃。

（四）“土木工程+智能結(jié)構(gòu)”微課程的多元化考核機制

微課程考核不采用單一考試模式，更關(guān)注學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)、專業(yè)技術(shù)能力、洞察力、多學(xué)科協(xié)調(diào)組織能力，以及溝通能力、團隊意識等。加入個人專題學(xué)習(xí)、團隊研習(xí)報告、日志記錄存檔、產(chǎn)品制作等多元化的考核方式，綜合評判學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中的活躍度，包括學(xué)習(xí)記錄、團隊討論情況、任務(wù)分配與管理記錄、方案分析記錄、文獻考察分析及個人見解等。此外，還需要進一步完善微專業(yè)證書發(fā)放要求、微專業(yè)培訓(xùn)證明與學(xué)分認證體系。

值得一提的是，

對于微課程的考核中要避免“一刀切”，可借鑒英國執(zhí)業(yè)資格核心目標(biāo)要求，建立最低知識掌握要求分級體系（即A-K-E-B體系），完善本科生課外學(xué)分認證體系。以英國結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會（IStructE）為例，強調(diào)13個強制性核心目標(biāo)，概述了候選人所需的各方面的基本能力，涉及所有類型的結(jié)構(gòu)工程技術(shù)、相關(guān)學(xué)科知識，以及其他與管理、法律、溝通等相關(guān)的能力。每一個核心目標(biāo)都需滿足相應(yīng)的最低要求。英國執(zhí)業(yè)資格認證普遍采用四級要求指標(biāo)，從低到高分別為A、K、E、B。A即Appreciation：有一定的了解，清楚該內(nèi)容與其他內(nèi)容的相互關(guān)聯(lián)。K即Knowledge：掌握基本內(nèi)容，具備基礎(chǔ)應(yīng)用能力。E即Experience：可在指導(dǎo)下完成任務(wù)，并且有一定的創(chuàng)新能力。B即Ability：可以獨立完成或組織團隊完成任務(wù)，并展現(xiàn)較強的能力。這樣的知識分級體系值得“

土木工程+智能結(jié)構(gòu)”微課程以及其他相關(guān)課程借鑒，以完善評價和考核體系。針對智能結(jié)構(gòu)微課程，對7個模塊中的每個關(guān)鍵知識點及關(guān)鍵任務(wù)進行最低要求分級，明確學(xué)生需要達到的目標(biāo)。以建筑3D教學(xué)模塊為例，需要考核的學(xué)生能力包括打印方式及其基本原理（最低要求：K）;經(jīng)典工程案例分析（最低要求：E）;傳統(tǒng)施工方法與3D建筑打印優(yōu)缺點分析（最低要求：E）;相關(guān)文獻查閱、梳理與分析能力（最低要求：B）;團隊合作能力（最低要求：B）;研習(xí)報告撰寫能力等（最低要求：B）。同樣，這些能力可以通過多種方式進行量化與考核，包括測試、報告分析、口頭匯報等。

三、結(jié)語

在新工科建設(shè)的迅速推進和土木工程行業(yè)轉(zhuǎn)型的新形勢下，土木工程智能結(jié)構(gòu)微課程改革以學(xué)生為中心，以新工科教育為導(dǎo)向，系統(tǒng)、全面地梳理了同濟大學(xué)現(xiàn)階段土木工程智能結(jié)構(gòu)方向的相關(guān)教學(xué)資源，以現(xiàn)有的教學(xué)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，推進新型教學(xué)方法的研究與應(yīng)用，促進高校內(nèi)各學(xué)科間的融合和特色課程體系的交匯，在傳統(tǒng)土木工程教學(xué)框架的基礎(chǔ)上開展特色鮮明的“土木工程+智能結(jié)構(gòu)”微課程內(nèi)涵建設(shè)，建立了涵蓋材料、結(jié)構(gòu)、建造、監(jiān)測、檢測等多方面的專業(yè)課程群，形成了新工科多元化培養(yǎng)鏈，改革創(chuàng)新教學(xué)模式，形成了國際化人才培養(yǎng)教學(xué)理念和多元化考核機制，對于推進高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)具有重要的借鑒意義。參考文獻：

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Exploration of multidisciplinary talent training mode based on

civil engineering mini-curriculum of intelligent structures

FANG Cheng， WANG Wei， YANG Xinyue

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China）

Abstract：

In order to actively meet the demands of diversified development of the engineering industry， and to cater to the “Made in China 2025”， “Industry 4.0” and other national strategic plans， this paper deeply explores the training connotation of civil engineering intelligent structures mini-curriculum and explains the urgency and necessity of the implementation of such courses. The teaching reform should be carried out with the objectives of internationalization and diversification and build a multi-disciplinary cross training curriculum system， teaching methods， and curriculum assessment system. This study forms the basis for the new teaching model and method and for the establishment of the knowledge system of intelligent structure mini curriculum

Key words：

civil engineering; intelligent structures; mini-curriculum; talent training; teaching reform

（責(zé)任編輯 梁遠華）