論智能檢測(cè)融入土木工程教學(xué)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式構(gòu)建及評(píng)價(jià)

王一鳴,張 明

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

近年來(lái)，工程檢測(cè)與人工智能相結(jié)合衍生出的智能檢測(cè)技術(shù)在建筑工程、公路工程和鐵路工程領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸展開。應(yīng)用型本科院校土木工程(軌道交通方向)專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后主要從事鐵路和公路工程設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)保養(yǎng)等方面的工作，工程結(jié)構(gòu)測(cè)試是工作中的重要方面。智能檢測(cè)成為工程檢測(cè)的新技術(shù)和發(fā)展方向，高校需要對(duì)智能檢測(cè)融入土木工程教學(xué)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式進(jìn)行探索。

許多高校已開設(shè)工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)加固等傳統(tǒng)類的結(jié)構(gòu)檢測(cè)課程，授課內(nèi)容大多集中于應(yīng)變、變形、裂縫和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試[1]等方面，教學(xué)改革研究也集中在傳統(tǒng)的檢測(cè)類課程[2-3]。近年來(lái)，智能檢測(cè)技術(shù)逐漸得到發(fā)展，但由于缺乏智能檢測(cè)師資力量等原因，部分高校在智能檢測(cè)技術(shù)方面的課程建設(shè)和人才培養(yǎng)體系尚未建立起來(lái)。要培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型的土木工程(軌道交通方向)專業(yè)人才，就必須將新興的智能檢測(cè)技術(shù)傳授給學(xué)生。因此，有必要對(duì)智能檢測(cè)融入土木工程教學(xué)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。

一、智能檢測(cè)融入土木工程教學(xué)的必要性

(一)智能檢測(cè)是工程檢測(cè)重要的發(fā)展方向

智能檢測(cè)是涉及土木工程、物理、電子和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的綜合性技術(shù)。將無(wú)損檢測(cè)設(shè)備與人工智能相結(jié)合開發(fā)的智能檢測(cè)技術(shù)，可減少人對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，減少檢測(cè)所需的人工，提高工作效率，保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程和結(jié)果評(píng)價(jià)的自動(dòng)化與智能化。智能檢測(cè)與傳統(tǒng)檢測(cè)相比具有工作效率高、數(shù)據(jù)管理簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在土木工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，是工程檢測(cè)重要的發(fā)展方向。

(二)工程測(cè)試技術(shù)是土木工程專業(yè)的學(xué)生需要培養(yǎng)的重要能力

土木工程專業(yè)的學(xué)生在校學(xué)習(xí)的專業(yè)課程包括理論課和實(shí)踐課，土木工程測(cè)試技術(shù)是重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)[4]。土木工程(軌道交通方向)專業(yè)的畢業(yè)生需要掌握道路、橋梁和隧道的一般技術(shù)及檢測(cè)試驗(yàn)的基本方法，需要具備常規(guī)工程測(cè)試儀器的應(yīng)用能力。工程檢測(cè)設(shè)備的使用技術(shù)是該專業(yè)學(xué)生需要學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容。因此，教師需要將智能檢測(cè)融入課程教學(xué)，使學(xué)生逐步掌握該項(xiàng)技術(shù)。

(三)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式要求教學(xué)與工程實(shí)踐發(fā)展緊密結(jié)合

土木工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的主要特征是應(yīng)用型、技能型、產(chǎn)教融合[5]。將工程現(xiàn)場(chǎng)日趨廣泛應(yīng)用的智能檢測(cè)技術(shù)融入課程教學(xué)，是教學(xué)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合的重要體現(xiàn)。傳授學(xué)生智能檢測(cè)技術(shù)，學(xué)生所學(xué)技術(shù)能實(shí)際應(yīng)用到工作中，是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的體現(xiàn)。學(xué)生學(xué)習(xí)掌握智能檢測(cè)設(shè)備的操作步驟和使用方法，是培養(yǎng)技能型人才的表現(xiàn)。學(xué)校與智能檢測(cè)單位合作，通過(guò)工程檢測(cè)案例現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教融合。應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式要求高校將工程實(shí)踐的最新發(fā)展成果融入課程教學(xué)。

二、智能檢測(cè)融入教學(xué)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式構(gòu)建

(一)智能檢測(cè)師資培訓(xùn)

智能檢測(cè)融入專業(yè)教學(xué)，需要較強(qiáng)的專業(yè)師資力量，而目前部分教師在智能檢測(cè)方面理論水平欠佳、實(shí)操技能缺乏。師資培訓(xùn)可通過(guò)以下方面開展：選派專業(yè)教師到檢測(cè)基地進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，掌握與本專業(yè)課程相關(guān)的智能檢測(cè)設(shè)備的操作流程；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)課程、設(shè)備操作視頻等學(xué)習(xí)使用智能檢測(cè)設(shè)備；組織智能檢測(cè)師資培訓(xùn)專題技術(shù)研討會(huì)，邀請(qǐng)工程檢測(cè)相關(guān)高校、科研、施工和檢測(cè)單位人員，探討智能檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，探索智能檢測(cè)技術(shù)進(jìn)課堂的教學(xué)模式等。

(二)智能檢測(cè)融入理論課程

智能檢測(cè)設(shè)備種類繁多，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)無(wú)法全部掌握。教師應(yīng)選取與土木工程(軌道交通方向)專業(yè)課程和將來(lái)工作內(nèi)容密切相關(guān)的幾套檢測(cè)設(shè)備，開發(fā)與教學(xué)內(nèi)容匹配的教學(xué)案例，在理論課程教學(xué)中穿插講授。融入理論課程講授的智能檢測(cè)設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 融入理論課程講授的智能檢測(cè)設(shè)備

基樁低應(yīng)變檢測(cè)儀可檢測(cè)樁身完整性，判定樁身缺陷程度和位置，判斷樁端嵌固情況，在基礎(chǔ)工程課程中的樁基部分講授。

孔道灌漿密實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)儀可檢測(cè)預(yù)應(yīng)力管道壓漿的施工質(zhì)量，在施工技術(shù)課程中的預(yù)應(yīng)力混凝土施工部分講授。

無(wú)砟軌道多功能無(wú)損檢測(cè)儀可檢測(cè)無(wú)砟軌道的裂縫、損傷和脫空等病害，與軌道交通工程概論課程結(jié)合緊密，穿插在該課程中的無(wú)砟軌道部分講授。

落球式回彈模量測(cè)試儀可測(cè)試軟黏土、砂土、碎石土、水泥穩(wěn)定土、瀝青混凝土等的回彈模量，應(yīng)用于道路路基、路面基層回彈模量的測(cè)試，在路基工程課程中講授。

預(yù)應(yīng)力混凝土梁多功能檢測(cè)儀可檢測(cè)混凝土澆筑質(zhì)量、錨下有效預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力管道灌漿密實(shí)度等，廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土梁和預(yù)應(yīng)力錨索(桿)的檢測(cè)，在橋梁工程課程的上部結(jié)構(gòu)部分講授。

隧道襯砌沖擊回波聲頻檢測(cè)儀可檢測(cè)混凝土襯砌與圍巖之間的空洞、襯砌結(jié)構(gòu)厚度、混凝土襯砌的內(nèi)部缺陷等，在隧道工程課程的襯砌結(jié)構(gòu)部分講授。

穿插在理論課程中的每個(gè)智能檢測(cè)設(shè)備教學(xué)，需要1～2個(gè)課時(shí)，簡(jiǎn)要講解設(shè)備的檢測(cè)原理，重點(diǎn)突出設(shè)備的操作流程，通過(guò)操作視頻、現(xiàn)場(chǎng)照片等方式強(qiáng)化學(xué)生對(duì)操作方法的理解與掌握。

(三)智能檢測(cè)融入實(shí)踐課程

學(xué)生在理論課程中學(xué)習(xí)若干智能檢測(cè)設(shè)備的操作方法后，需要在相應(yīng)的實(shí)踐課程中對(duì)該設(shè)備進(jìn)行實(shí)操練習(xí)，以提高設(shè)備實(shí)操能力。因此，將智能檢測(cè)融入實(shí)踐課程顯得尤為重要。

土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是將智能檢測(cè)融入其中的重要實(shí)踐課程。在該課程中，學(xué)生實(shí)際操作預(yù)應(yīng)力混凝土梁多功能檢測(cè)儀、落球式回彈模量測(cè)試儀等設(shè)備，對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，提高設(shè)備操作能力。

將智能檢測(cè)作為學(xué)生畢業(yè)論文選題的一個(gè)方向，能夠使學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)該技術(shù)，從而將智能檢測(cè)技術(shù)的掌握提升到新的高度。如土木工程(軌道交通方向)專業(yè)的一位畢業(yè)生以“智能無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在道路路基工程中的應(yīng)用”作為畢業(yè)論文選題，經(jīng)過(guò)教師指導(dǎo)，對(duì)落球式回彈模量測(cè)試儀的檢測(cè)原理、使用方法和數(shù)據(jù)處理能夠熟練掌握。

在頂崗實(shí)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生在工程實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)可以實(shí)際操作智能檢測(cè)設(shè)備，對(duì)智能檢測(cè)在工程中的應(yīng)用有更深入的理解。

(四)智能檢測(cè)教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合

智能檢測(cè)教學(xué)結(jié)合工程實(shí)踐包括三個(gè)方面：學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)參觀學(xué)習(xí)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、頂崗實(shí)踐。

在理論課程講授智能檢測(cè)設(shè)備之后，本專業(yè)教師帶領(lǐng)土木工程(軌道交通方向)專業(yè)的學(xué)生到相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目的工程現(xiàn)場(chǎng)參觀學(xué)習(xí)，如參觀學(xué)習(xí)套筒灌漿密實(shí)度檢測(cè)。工程檢測(cè)企業(yè)選派富有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)給學(xué)生講解檢測(cè)方法，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，比如現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)路基回彈模量檢測(cè)。之后，學(xué)生參與企業(yè)的工程檢測(cè)項(xiàng)目，親自操作檢測(cè)儀器，記錄并分析數(shù)據(jù)，在頂崗實(shí)踐中鞏固所學(xué)的智能檢測(cè)知識(shí)。

智能檢測(cè)教學(xué)在參觀學(xué)習(xí)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)和頂崗實(shí)踐三個(gè)方面與工程實(shí)踐相結(jié)合，能讓學(xué)生加深對(duì)智能檢測(cè)知識(shí)的理解、掌握工程實(shí)踐中智能檢測(cè)的應(yīng)用技術(shù)，取得良好的教學(xué)效果。

三、智能檢測(cè)融入教學(xué)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式評(píng)價(jià)

(一)模糊綜合評(píng)價(jià)

1.建立因素集

因素集是智能檢測(cè)融入土木工程教學(xué)人才培養(yǎng)模式應(yīng)用效果影響因素的一個(gè)集合。依據(jù)對(duì)該人才培養(yǎng)模式的建構(gòu)，確定影響因素，進(jìn)而建立因素集為u={u1、u2、u3、u4}，見(jiàn)表2。

表2 因素集

2.建立評(píng)價(jià)集

根據(jù)對(duì)該人才培養(yǎng)模式的分析，建立該模式應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)集V={v1、v2、v3、v4}，見(jiàn)表3。

表3 評(píng)價(jià)集

3.建立模糊評(píng)價(jià)矩陣

選取土木工程學(xué)院理論教師、實(shí)驗(yàn)教師、學(xué)生管理教師和土木工程(軌道交通方向)專業(yè)的學(xué)生共計(jì)20名，對(duì)該人才培養(yǎng)模式的四個(gè)影響因素的應(yīng)用效果分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。單因素評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 單因素評(píng)價(jià)結(jié)果

表4中，第i行第j列的數(shù)字表示：在選取的20名評(píng)價(jià)人員中，認(rèn)為因素ui作用會(huì)導(dǎo)致該人才培養(yǎng)模式應(yīng)用效果為vj的人數(shù)。如第1行第2列的數(shù)字5表示：在20個(gè)評(píng)價(jià)人員中，有5人認(rèn)為，智能檢測(cè)師資培訓(xùn)(u1)會(huì)導(dǎo)致該人才培養(yǎng)模式的應(yīng)用效果是“中”(v2)。在表4的基礎(chǔ)上，計(jì)算第i行第j列表示的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例，得到隸屬度，確定模糊評(píng)價(jià)矩陣R為

(1)

4.建立因素權(quán)重集

為了反映以上四個(gè)影響因素在應(yīng)用效果評(píng)價(jià)目標(biāo)中不同的地位和作用，需建立因素權(quán)重集，采用層次分析法確定各因素權(quán)重。

對(duì)因素權(quán)重集中各因素兩兩比較，建立判斷矩陣C為

C={cij}，

(2)

其中，cij表示因素i和因素j相對(duì)于評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要程度。cij采用常用的“1～9標(biāo)度法”[6]確定。根據(jù)影響該人才培養(yǎng)模式應(yīng)用效果各因素的相對(duì)重要性程度，構(gòu)造判斷矩陣為

(3)

求出矩陣C的最大特征值ymax和其相應(yīng)的特征向量A，即CA=ymaxA，則A的分量即為相應(yīng)n個(gè)因素的權(quán)重。經(jīng)檢驗(yàn)，滿足一致性要求[7]。求得的權(quán)重集為

A′=(0.07,0.36,0.36,0.2)。

5.模糊綜合評(píng)價(jià)

進(jìn)行模糊變換B=A×R，歸一化處理后，使其滿足∑bi=1，得到評(píng)價(jià)結(jié)果集B′為

B′=(0.050,0.149,0.365,0.436)。

根據(jù)最大隸屬度原則，將B′元素中最大者確定為評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)。經(jīng)過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)，智能檢測(cè)融入土木工程教學(xué)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的應(yīng)用效果為“優(yōu)”。

(二)學(xué)生反饋評(píng)價(jià)

在智能檢測(cè)融入課程教學(xué)后對(duì)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)土木工程(軌道交通方向)專業(yè)的60位同學(xué)發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷，回收有效問(wèn)卷60份，部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)(部分)

由問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果可知，大部分同學(xué)肯定了智能檢測(cè)融入課程教學(xué)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式，認(rèn)為該培養(yǎng)模式緊密結(jié)合工程實(shí)踐，提高了學(xué)習(xí)興趣，拓展了知識(shí)面，增強(qiáng)了實(shí)踐能力，學(xué)習(xí)效果良好。

四、結(jié)論

智能檢測(cè)技術(shù)在土木工程(軌道交通方向)中的應(yīng)用日趨廣泛，是一種具有廣闊發(fā)展前景的工程檢測(cè)方式。培養(yǎng)應(yīng)用型、技能型土木工程專業(yè)人才，需要傳授學(xué)生智能檢測(cè)技術(shù)。智能檢測(cè)融入土木工程教學(xué)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式構(gòu)建包含四個(gè)方面：智能檢測(cè)師資培訓(xùn)、智能檢測(cè)融入理論課程、智能檢測(cè)融入實(shí)踐課程、智能檢測(cè)教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合。采用模糊綜合評(píng)價(jià)和學(xué)生反饋評(píng)價(jià)兩種方式，對(duì)智能檢測(cè)融入土木工程教學(xué)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)判。結(jié)果表明，該模式緊密結(jié)合工程實(shí)踐，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力，實(shí)施效果良好。