智能建造背景下土木工程專業(yè)課程體系改革探索

宋克志 苑宏憲 鄧建俊

［摘 要］ 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和工程建造活動(dòng)的日趨復(fù)雜，基建行業(yè)亟須轉(zhuǎn)型升級(jí)。基于現(xiàn)代信息與智能技術(shù)的工程建造，對(duì)工程建設(shè)者的知識(shí)結(jié)構(gòu)與能力素養(yǎng)提出了新要求，對(duì)高校土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)。通過分析智能建造對(duì)新技術(shù)的需求及對(duì)畢業(yè)生能力與素質(zhì)的要求，從地方高校人才培養(yǎng)定位與目標(biāo)出發(fā)，基于相關(guān)學(xué)科專業(yè)的交叉與融合，提出了智能建造背景下土木工程專業(yè)課程體系構(gòu)建策略與實(shí)施路徑，對(duì)原有土木工程專業(yè)課程體系的改革與培養(yǎng)智能方向的復(fù)合型、應(yīng)用型人才，具有一定的借鑒意義。

［關(guān)鍵詞］ 行業(yè)需求；土木工程；智能建造；課程體系改革

［基金項(xiàng)目］ 2020年度教育部第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“智能建造背景下地方高校土木工程專業(yè)課程體系改革與實(shí)踐”（E-TMJZSLHY20202133）；2021年度山東省本科教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目“智能建造背景下地方高校土木工程專業(yè)課程體系改革與實(shí)踐”（Z2020090）；2019年度山東省專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例庫建設(shè)項(xiàng)目“地下工程設(shè)計(jì)與施工”（SDYAL19071）

［作者簡(jiǎn)介］ 宋克志（1970—），男，山東濟(jì)寧人，博士，魯東大學(xué)土木工程學(xué)院教授，主要從事隧道與地下工程研究；苑宏憲（1979—），男，山東菏澤人，博士，魯東大學(xué)土木工程學(xué)院講師，主要從事建筑項(xiàng)目管理與智能建造研究；鄧建?。?973—），女，山東東營人，學(xué)士，魯東大學(xué)土木工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)管理研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）37-0076-04 ［收稿日期］ 2022-11-01

引言

過去三十多年，我國的建筑、公路、鐵路、橋梁、隧道、市政等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了巨大成就。在工程建造領(lǐng)域，我國重大工程建造總體上已達(dá)到國際先進(jìn)水平，但經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的新需求使得工程建造活動(dòng)日趨復(fù)雜，基建行業(yè)亟待轉(zhuǎn)型升級(jí)。因此，要推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等同實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合，做大、做強(qiáng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)［1］。2020年初，國家密集部署新基建，努力在高新技術(shù)和戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域建設(shè)集約高效、經(jīng)濟(jì)適用、智能綠色、安全可靠的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系。以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的新基建，為高質(zhì)量發(fā)展需要提供數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級(jí)、融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)體系和運(yùn)維體系。信息化與智能化的潮流及人口老齡化帶來的勞動(dòng)力不足，正在催生新一輪的基建產(chǎn)業(yè)革命。

當(dāng)前，我國智能建造技術(shù)仍面臨深度不足、系統(tǒng)實(shí)力不足、專業(yè)能力不足等問題，智能建造人才的數(shù)量和知識(shí)結(jié)構(gòu)無法滿足我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，智能建筑專業(yè)化復(fù)合型領(lǐng)軍人才明顯短缺，制約了我國智能建造的快速發(fā)展［2］。目前，我國有500多所高校開設(shè)土木工程專業(yè)，基于智能建造對(duì)新技術(shù)的需求與對(duì)畢業(yè)生的要求，對(duì)傳統(tǒng)土木工程專業(yè)課程體系進(jìn)行改造與升級(jí)是培養(yǎng)智能建造所需人才的基本需求和重要途徑。因此，迫切需要針對(duì)智能建造技術(shù)知識(shí)體系的特點(diǎn)和人才專業(yè)屬性及其培養(yǎng)模式，對(duì)傳統(tǒng)土木工程專業(yè)實(shí)施針對(duì)性的升級(jí)改造，從而培養(yǎng)更多的智能建造技術(shù)人才。

一、智能建造對(duì)新技術(shù)的需求與對(duì)畢業(yè)生的要求

（一）智能建造對(duì)新技術(shù)的需求

1.數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生是虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)連接，是與物理世界相對(duì)應(yīng)的數(shù)字表示，目的是形成與實(shí)物資產(chǎn)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字資產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)價(jià)值的增值。

2.數(shù)字主線技術(shù)。數(shù)字孿生是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。在實(shí)際項(xiàng)目建設(shè)之前和建設(shè)過程中，應(yīng)建立動(dòng)態(tài)數(shù)字結(jié)對(duì)，通過動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生模型優(yōu)化和指導(dǎo)實(shí)際項(xiàng)目的建設(shè)，即數(shù)字主線技術(shù)。

3.模型定義工程產(chǎn)品。建筑設(shè)計(jì)是一種形式邏輯的表達(dá)，與形式邏輯相對(duì)應(yīng)的是數(shù)理邏輯。找到數(shù)理邏輯規(guī)律，就可采用模型定義工程產(chǎn)品。

4.智能感知技術(shù)。通過綜合應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)技術(shù)和智能設(shè)備等信息技術(shù)手段，以施工現(xiàn)場(chǎng)管理為重點(diǎn)，緊緊圍繞“人機(jī)材料法”與以智能信息采集為特色的三維施工現(xiàn)場(chǎng)信息網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵要素，建立高效的管理協(xié)調(diào)、科學(xué)的數(shù)據(jù)分析和精確的過程控制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的智能化管理。

5.工程中由大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能決策。綜合利用工程環(huán)境數(shù)據(jù)、工程工藝數(shù)據(jù)、工程要素?cái)?shù)據(jù)、工程產(chǎn)品數(shù)據(jù)等，通過大數(shù)據(jù)的管理和分析，幫助企業(yè)準(zhǔn)確把握市場(chǎng)需求變化，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)效率及供應(yīng)鏈的靈活性和準(zhǔn)確性，提高施工管理水平，幫助業(yè)主提高運(yùn)營能力和維護(hù)能力。

6.自動(dòng)化、智能化施工設(shè)備及其控制。高效利用建筑機(jī)器人等自動(dòng)化、智能化工程機(jī)械設(shè)備，有效替代人工，進(jìn)行安全、高效、精確的建筑部件的生產(chǎn)和施工作業(yè)。

（二）智能建造對(duì)畢業(yè)生的要求

智能建造背景下，土木工程畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識(shí)和能力：（1）能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理與方法用于解決智能設(shè)計(jì)、智能施工、智能運(yùn)維等復(fù)雜工程問題。（2）能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)的方法對(duì)智能建造系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)、應(yīng)用、研究，包括一定的程序編程與開發(fā)、硬件與網(wǎng)絡(luò)集成、分析與解釋數(shù)據(jù)能力，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法驅(qū)動(dòng)智能建造系統(tǒng)完成建造活動(dòng)。（3）在機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘、智能系統(tǒng)與應(yīng)用等方面具有較強(qiáng)的技術(shù)開發(fā)與組織管理能力，具有在多學(xué)科團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用的能力。（4）能夠理解和評(píng)價(jià)智能建造工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響，并能夠考慮法律、健康、安全、文化、社會(huì)及環(huán)境等因素。（5）具有人文社會(huì)科學(xué)素養(yǎng)及社會(huì)責(zé)任感，能夠在工程實(shí)踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，履行責(zé)任。（6）能夠就復(fù)雜工程建造問題與業(yè)界同行及社會(huì)公眾進(jìn)行有效溝通和交流，包括撰寫報(bào)告和設(shè)計(jì)文稿、陳述發(fā)言、清晰表達(dá)或回應(yīng)指令；并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進(jìn)行溝通和交流。（7）理解并掌握工程管理原理與經(jīng)濟(jì)決策方法，并能在多學(xué)科環(huán)境中應(yīng)用。（8）具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。

二、智能建造背景下土木工程專業(yè)課程體系構(gòu)建策略

（一）人才培養(yǎng)定位與目標(biāo)

發(fā)展智能建造專業(yè)或?qū)鹘y(tǒng)土木工程專業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造，培養(yǎng)單位應(yīng)開設(shè)土木、機(jī)械、信息、計(jì)算機(jī)、電子、電氣、自動(dòng)化等學(xué)科專業(yè)，具備發(fā)展智能建造專業(yè)的師資和其他條件［3］。

智能建造背景下土木工程專業(yè)的定位與培養(yǎng)目標(biāo)為：針對(duì)地方高校服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的定位，培養(yǎng)面向未來科技與工程發(fā)展，適應(yīng)省、市發(fā)展戰(zhàn)略和建設(shè)需求，德智體美勞全面發(fā)展，具有人工智能與土木工程學(xué)科扎實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，綜合能力突出、科學(xué)與人文素養(yǎng)深厚，具備智能建造研究應(yīng)用能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新意識(shí)和國際視野，能在智能建造領(lǐng)域從事智能設(shè)計(jì)、智能施工、智能運(yùn)維等工作的高素質(zhì)應(yīng)用型復(fù)合人才。

（二）課程體系構(gòu)建策略

智能建造是基于科學(xué)而非僅憑經(jīng)驗(yàn)的制造，科學(xué)知識(shí)是智能化的基礎(chǔ)。智能建造行業(yè)復(fù)雜的工作環(huán)境對(duì)專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備提出了更高要求：知識(shí)體系必須完整，割裂不成體系的知識(shí)將難以實(shí)現(xiàn)相互交叉和遷移；同時(shí)在智能建造領(lǐng)域，人的角色定位由操作者、執(zhí)行者轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)劃者、決策者，需要扎實(shí)的技術(shù)理論知識(shí)為基礎(chǔ)，以確保分析、判斷和決策過程的科學(xué)性。因而，智能建造新工科人才培養(yǎng)必須以系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，同時(shí)應(yīng)重新審視智能建造相關(guān)專業(yè)和課程的邊界，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等與傳統(tǒng)的土木工程、機(jī)械、自動(dòng)化、電氣工程、機(jī)電一體化等專業(yè)知識(shí)有機(jī)融合，以構(gòu)建復(fù)合融通的系統(tǒng)知識(shí)體系，使學(xué)生具備多學(xué)科交叉的意識(shí)，養(yǎng)成在多學(xué)科空間觀察、思考問題的習(xí)慣。相關(guān)學(xué)科專業(yè)對(duì)智能建造的支撐如圖1所示。

智能建造的特征，在于其勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維均運(yùn)用了信息化、數(shù)字化、可視化、自動(dòng)化的技術(shù)手段，在于其集成了構(gòu)件的制備—運(yùn)輸—安裝的完整技術(shù)流程。因此，傳統(tǒng)土木工程專業(yè)向智能建造方向發(fā)展，要堅(jiān)持以土木工程為核心，以土木工程、機(jī)械工程為骨干學(xué)科，以工程力學(xué)和工程數(shù)學(xué)（統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘）為學(xué)科基礎(chǔ)，并融合信息、計(jì)算機(jī)、管理等學(xué)科的知識(shí)。應(yīng)在“工程制圖”“工程力學(xué)”“工程材料”“工程地質(zhì)”“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”“工程施工”等基本課程的基礎(chǔ)上，增設(shè)融合裝配式工程施工、機(jī)械原理與控制工程、數(shù)字化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程與集成工程建設(shè)等方面的基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)，學(xué)生需要具備傳統(tǒng)土木工程學(xué)科知識(shí)，以及在項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、研究開發(fā)、施工、管理及運(yùn)維等領(lǐng)域運(yùn)用數(shù)字化設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的能力。因此，智能建造方向的土木工程專業(yè)升級(jí)改造，應(yīng)考慮在傳統(tǒng)土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)土木工程與機(jī)械、自動(dòng)化、信息與計(jì)算機(jī)等學(xué)科的交叉和融合，即在新課程體系構(gòu)建過程中，應(yīng)考慮加入機(jī)械、自動(dòng)化、信息、計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)分析等方面的專業(yè)知識(shí)，但同時(shí)不能過多增加原有人才培養(yǎng)方案的學(xué)時(shí)和學(xué)分，要注重優(yōu)化課程體系，加強(qiáng)對(duì)原有課程知識(shí)的更新及有機(jī)融合［4］。智能建造背景下的土木工程專業(yè)課程體系構(gòu)建策略如圖2和圖3所示。

結(jié)語

發(fā)展智能建造，推動(dòng)基建行業(yè)的深刻變革，是復(fù)雜而艱巨的歷史性工程，對(duì)于持續(xù)推動(dòng)我國工程建造高質(zhì)量發(fā)展、邁向建造強(qiáng)國具有決定性意義。培養(yǎng)智能建造創(chuàng)新型工程科技人才是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要保障和戰(zhàn)略關(guān)鍵。本文從地方高校人才培養(yǎng)定位與目標(biāo)出發(fā)，基于相關(guān)學(xué)科專業(yè)的交叉與融合分析，提出了智能建造背景下土木工程專業(yè)課程體系構(gòu)建策略與實(shí)施路徑。對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)建筑產(chǎn)業(yè)變革需要的復(fù)合型、應(yīng)用型智能建造工程科技專業(yè)人才，具有一定的借鑒意義。

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Exploration on the Reform of Civil Engineering Curriculum System under the Background of

Intelligent Construction

SONG Ke-zhi， YUAN Hong-xian， DENG Jian-jun

（School of Civil Engineering， Ludong University， Yantai， Shandong 264025， China）

Abstract： With the development of economy and society and the increasing complexity of engineering construction activities， the infrastructure industry is in urgent need of transformation and upgrading. For engineering builders， new requirements for the knowledge structure， ability and attainment are raised， due to engineering construction based on modern information and intelligent technology. It also brings new challenges to the training of civil engineering professionals in colleges and universities. The demand of intelligent construction for new technology and the ability and quality of graduates are analyzed. Considering the intersection and integration of related disciplines， the orientation and goal of talent training in local colleges and universities are analyzed. Then the constitute strategy and implementation path of civil engineering curriculum system are proposed under the background of intelligent construction. It has a certain reference significance for the reform of the original curriculum system of civil engineering and the training of compound and applied talents with intelligent direction.

Key words： industry demand; civil engineering; intelligent construction; reform of curriculum system