研究生巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)課程混合課程建設(shè)探索

摘要：高等教育發(fā)展任務(wù)包括適應(yīng)信息化時(shí)代教育教學(xué)形態(tài)的改變，促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。重慶大學(xué)土木工程學(xué)院以巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)線上線下混合課程建設(shè)為契機(jī)，開展了以研究生培養(yǎng)質(zhì)量提升為目標(biāo)的改革與探索。針對(duì)巖土工程研究生群體新興學(xué)科素養(yǎng)和信息化水平不足、高水平科研論文產(chǎn)出較難、科研產(chǎn)出單一、國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議上學(xué)術(shù)獲獎(jiǎng)較少等問題，課程著重開展了培養(yǎng)模式、培養(yǎng)途徑、培養(yǎng)方式、培養(yǎng)成果多樣化四個(gè)方面的創(chuàng)新。課程采用國(guó)外知名教授全英文線上授課和線下授課結(jié)合的形式，結(jié)合科研項(xiàng)目、實(shí)踐項(xiàng)目等加強(qiáng)研究生的科學(xué)創(chuàng)新精神和國(guó)際交流合作能力，并引入“過程測(cè)驗(yàn)”重點(diǎn)關(guān)注研究生的能力提升情況。實(shí)踐證明，通過混合課程的建設(shè)，研究生科研素質(zhì)與分析能力得到了明顯的提升，課程建設(shè)獲得了多方面的培養(yǎng)成果，有效推動(dòng)了信息化技術(shù)在高等教育中的實(shí)施。

關(guān)鍵詞：混合課程；巖土工程；大數(shù)據(jù)；機(jī)器學(xué)習(xí)方法；研究生培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642；TU43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2024）05-0064-06

基金項(xiàng)目：重慶市級(jí)研究生教改項(xiàng)目（yjg223004）；重慶大學(xué)研究生教改項(xiàng)目（cquyjg21205）；重慶大學(xué)教學(xué)案例項(xiàng)目（20210329）；重慶大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2017Y60）

混合課程指使用不同形式教授同一門課程，如在線課程和面授課程，這種模式的優(yōu)勢(shì)是學(xué)生可以靈活學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，與教師和其他學(xué)生面對(duì)面交流。適應(yīng)信息化時(shí)代教育教學(xué)形態(tài)的改變，促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合是高等教育發(fā)展的關(guān)鍵，是提升我國(guó)在世界高等教育體系中競(jìng)爭(zhēng)力與吸引力的重要舉措?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”背景為混合課程帶來了機(jī)遇，混合課程既配備豐富的線上教育資源，又具備線下教學(xué)優(yōu)勢(shì)，打破了空間的隔閡和場(chǎng)所的限制。本文介紹了重慶大學(xué)土木工程學(xué)院以巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)為契機(jī)，打造高品質(zhì)混合課程的實(shí)踐，總結(jié)了培養(yǎng)模式創(chuàng)新、培養(yǎng)途徑創(chuàng)新、培養(yǎng)方式創(chuàng)新、培養(yǎng)成果多樣化四個(gè)方面的探索經(jīng)驗(yàn)。

一、巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)混合課程的建設(shè)目的

巖土工程專業(yè)是土木工程的分支，主要運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、巖石力學(xué)解決各類工程中關(guān)于巖石、土體的技術(shù)問題。巖土工程的建設(shè)材料和介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)和物理特性具有天然的不均勻性，導(dǎo)致其在建模中表現(xiàn)出高度不確定性。近三十年來，大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法在巖土工程領(lǐng)域得到了日益廣泛的運(yùn)用，解決了傳統(tǒng)方法預(yù)測(cè)高度復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)精度較低的問題。目前巖土工程專業(yè)研究生的培養(yǎng)存在以下問題。

（一）研究生群體的新興學(xué)科素養(yǎng)和信息化水平不足

研究生階段是學(xué)習(xí)和開展科研的關(guān)鍵時(shí)期，在這個(gè)階段，學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)和掌握專業(yè)知識(shí)，而且要培養(yǎng)自己的創(chuàng)新思維和研究能力。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，許多新興學(xué)科已經(jīng)成為研究生教育的重要組成部分，如信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和電子工程等。但是，巖土工程作為傳統(tǒng)的基礎(chǔ)學(xué)科，研究生課程內(nèi)容很大程度側(cè)重于傳統(tǒng)的力學(xué)分析，較少涉及新興學(xué)科及其交叉應(yīng)用的學(xué)習(xí)。

（二）研究生群體中高水平科研論文產(chǎn)出較難

高水平學(xué)術(shù)論文的發(fā)表是研究生培養(yǎng)質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于課題經(jīng)驗(yàn)不足，科研閱歷欠缺，研究生尚不具備成熟的科研素養(yǎng)，撰寫高水平科研論文難度較大。研究結(jié)果表明[1]，阻礙研究生發(fā)表高水平科研論文的原因主要有五點(diǎn)：（1）研究方法不當(dāng)和選題缺陷，占總數(shù)的31.7%，在統(tǒng)計(jì)中占比最高；（2）分析論證能力欠缺，占總數(shù)的18.8%；（3）論文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未能達(dá)到高水平學(xué)術(shù)論文的刊發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，占總數(shù)的17.4%；（4）語言組織能力差，邏輯不清晰，占總數(shù)的14.2%；（5）序言和結(jié)論不能較好地總結(jié)工作創(chuàng)新性，占總數(shù)的12%。第一點(diǎn)主要由研究生科研思想不成熟造成，后四點(diǎn)主要由缺乏論文寫作鍛煉導(dǎo)致。

（三）土木工程專業(yè)研究生科研產(chǎn)出單一

研究生的科研成果集中在單一領(lǐng)域或單一類型的論文上，這可能會(huì)錯(cuò)過一些新的、有前途的研究方向，導(dǎo)致學(xué)術(shù)知識(shí)儲(chǔ)備不足和能力欠缺。例如，一位巖土工程研究生一直致力于計(jì)算方法的研究，忽略新型巖土工程材料方面的研究，若工作涉及新型巖土工程材料，則可能面臨工作難以開展的情況。此外，如果針對(duì)土木工程其他領(lǐng)域和類型的研究較少，就可能出現(xiàn)研究熱點(diǎn)的集中，造成學(xué)科發(fā)展的偏向性。

（四）研究生在國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議上獲獎(jiǎng)較少

由于研究生的科研能力不強(qiáng)，對(duì)科研前沿和熱點(diǎn)的追蹤不夠，難以產(chǎn)出影響力強(qiáng)、有較好創(chuàng)新性、有建樹的觀點(diǎn)。同時(shí)，研究生較少參加國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議，缺少在國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議上的獲獎(jiǎng)。

針對(duì)以上巖土工程專業(yè)研究生培養(yǎng)的不足[2-4]，重慶大學(xué)巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)混合課程通過課程項(xiàng)目建設(shè)，進(jìn)行了培養(yǎng)模式創(chuàng)新、培養(yǎng)途徑創(chuàng)新、培養(yǎng)方式創(chuàng)新、培養(yǎng)成果多樣化四個(gè)方面的創(chuàng)新探索。

二、巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)研究生混合課程的建設(shè)實(shí)踐

研究生混合課程的優(yōu)勢(shì)在于課程能夠更好地滿足學(xué)生的需求。首先，研究生混合課程中的在線課程部分可以提供豐富的學(xué)習(xí)材料，如視頻講解、電子書籍和在線測(cè)驗(yàn)等，這些資源可以幫助學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，并為他們提供更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。其次，研究生混合課程能夠促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在線課程中，學(xué)生可以自己控制學(xué)習(xí)進(jìn)度，根據(jù)自己的時(shí)間安排和學(xué)習(xí)進(jìn)度完成課程任務(wù)，這有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立學(xué)習(xí)能力和自我管理能力。最后，研究生混合課程還能夠提高學(xué)生的參與度。通過參與小組合作、項(xiàng)目和論文選題，自主選擇材料生成學(xué)習(xí)內(nèi)容，自主把控學(xué)習(xí)進(jìn)度等方式有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)效果。

雖然研究生混合課程具有許多優(yōu)勢(shì)，但是也存在一些缺陷。首先，研究生混合課程需要學(xué)生具備較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力和自我管理能力，學(xué)生必須合理規(guī)劃學(xué)習(xí)流程和控制學(xué)習(xí)進(jìn)度，對(duì)于缺乏這些能力的學(xué)生而言，可能很難適應(yīng)在線學(xué)習(xí)的環(huán)境。其次，研究生混合課程的教學(xué)質(zhì)量可能受到教師的影響，由于在線課程的教學(xué)方式與傳統(tǒng)的實(shí)體課程不同，教師可能面臨更大挑戰(zhàn)，比如如何吸引學(xué)生的注意力和如何保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。最后，由于缺乏面對(duì)面的交流，教師難以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，學(xué)生遇到困難時(shí)缺乏相應(yīng)的幫助。

為了發(fā)揮混合課程的優(yōu)勢(shì)，提升巖土工程專業(yè)研究生的培養(yǎng)質(zhì)量，重慶大學(xué)巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)混合課程建設(shè)基于Geotechnical Big Data and Reliability、Excavation and earth retaining sys？ tems、Application of Machine Learning Optimization Algorithm in Civil Engineering三門研究生課程，就人工智能、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)等與海外專家合作開展教學(xué)改革。混合課程的合作外國(guó)專家包括挪威巖土工程研究所Suzanne Lacasse院士、Liu Zhongqiang研究員，南洋理工大學(xué)Goh ATC教授，香港理工大學(xué)Andy Leung教授，新加坡國(guó)立大學(xué)Wang Zezhou研究員，印度理工學(xué)院Samui Pijush教授。在線上線下混合課程的建設(shè)過程中，通過補(bǔ)充與更新課程教學(xué)內(nèi)容，不斷將巖土大數(shù)據(jù)與可靠度、深基坑支護(hù)開挖、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等作為土木工程學(xué)院研究生基本科研素養(yǎng)的培養(yǎng)內(nèi)容。例如，Wang Zezhou研究員在線講授和研討的課程為Machine learning algo？ rithms and applications，而Samui Pijush教授主要講授各種具體的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

本課程選用了課程負(fù)責(zé)人重慶大學(xué)土木工程學(xué)院仉文崗教授編寫的復(fù)雜建筑環(huán)境下深基坑支護(hù)與擋土系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Design of Deep Braced Excavation and Earth Retaining Systems Under Complex Built Environment）作為主要教材。通過將巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)巖土工程問題的結(jié)合，使學(xué)生掌握決策樹、集成學(xué)習(xí)、啟發(fā)式算法、代理優(yōu)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、貝葉斯分類器、聚類、降維等技術(shù)，了解人工智能的發(fā)展過程和機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用方法。課程涉及深基坑開挖的變形預(yù)測(cè)、深基坑開挖的支護(hù)內(nèi)力分析、巖土參數(shù)估計(jì)、邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)、降水對(duì)開挖的影響分析等方面的巖土工程應(yīng)用，培養(yǎng)研究生多視角看待、分析、解決問題的能力。班級(jí)以微信為主要工具，設(shè)立班級(jí)群組，學(xué)生可在群內(nèi)完成考勤，實(shí)時(shí)聯(lián)系交流。同時(shí)，利用網(wǎng)上學(xué)習(xí)平臺(tái)共享電子教材、課件和文獻(xiàn)資源；利用VooV Meetin、ZOOM等軟件進(jìn)行跨國(guó)在線授課；利用網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)布置任務(wù)，進(jìn)行效果檢查，使混合課程教學(xué)得以圓滿完成。該項(xiàng)目旨在提升研究生的科學(xué)素養(yǎng)和合作能力，豐富研究生的學(xué)術(shù)成果，確保培養(yǎng)質(zhì)量，從而充分踐行“立德樹人”根本任務(wù)。

研究生培養(yǎng)模式創(chuàng)新的目的是使研究生教育更加符合時(shí)代發(fā)展的需要，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)人才。重慶大學(xué)巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)混合課程研究生培養(yǎng)模式的創(chuàng)新圍繞四個(gè)方面展開。（1）強(qiáng)化研究生的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力?？茖W(xué)精神是研究生教育的基本精神，也是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，本課程通過課程任務(wù)和論文課題結(jié)合的方式讓研究生養(yǎng)成獨(dú)立思考、勇于探索、敢于創(chuàng)新的習(xí)慣。學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人興趣或論文方向選擇課題，完成機(jī)器學(xué)習(xí)的課程任務(wù)，包括用機(jī)器學(xué)習(xí)法對(duì)指定的基坑進(jìn)行安全系數(shù)預(yù)測(cè)、地震液化位移預(yù)測(cè)、巖土工程領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用等，如表1所示。（2）提高研究生的實(shí)踐能力。研究生教育不僅要培養(yǎng)研究生的理論知識(shí)，還要培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力，本課程通過科研項(xiàng)目、實(shí)踐項(xiàng)目等，讓研究生能夠在接近實(shí)際的工作和研究中積累經(jīng)驗(yàn)和能力?？蒲许?xiàng)目、實(shí)踐項(xiàng)目包括重慶市某橋梁錨碇基坑、南京市某區(qū)中心區(qū)地下空間二期項(xiàng)目基坑群等。（3）注重研究生的職業(yè)發(fā)展。研究生培養(yǎng)模式的創(chuàng)新不僅要提高研究生的學(xué)術(shù)水平，還要注重他們的職業(yè)發(fā)展，本課程借助和中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司建立的重慶市研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地，為研究生提供職業(yè)規(guī)劃和就業(yè)指導(dǎo)，以幫助他們?cè)诋厴I(yè)后找到適合自己的工作和發(fā)展道路。（4）加強(qiáng)研究生的國(guó)際交流與合作。通過結(jié)合外籍教授全英文授課和研討的途徑，加強(qiáng)對(duì)研究生的國(guó)際交流與合作能力的培養(yǎng)，讓他們能夠在國(guó)際化的環(huán)境中學(xué)習(xí)和工作。

為了滿足日益增長(zhǎng)的科技創(chuàng)新和人才需求，研究生培養(yǎng)途徑和方式需要不斷創(chuàng)新。傳統(tǒng)的研究生培養(yǎng)途徑和方式是讓學(xué)生在導(dǎo)師的指導(dǎo)下開展學(xué)習(xí)和研究，然而，這種方法的局限在于學(xué)生往往缺乏運(yùn)用知識(shí)的實(shí)踐機(jī)會(huì)。為了解決這個(gè)問題，本課程嘗試推行“實(shí)踐型研究生”的培養(yǎng)途徑。結(jié)合研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地，模擬工作環(huán)境，讓學(xué)生在實(shí)際項(xiàng)目中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。學(xué)生既可在實(shí)踐中加深對(duì)知識(shí)的理解，又有機(jī)會(huì)與行業(yè)內(nèi)的企業(yè)和專家進(jìn)行交流，為他們的職業(yè)發(fā)展打下基礎(chǔ)。此外，本課程還嘗試“跨界研究生培養(yǎng)”模式，讓學(xué)生在不同學(xué)科和領(lǐng)域之間進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，以便受到多方面的指導(dǎo)，培養(yǎng)跨界思維和創(chuàng)新能力。

本課程還致力于研究生培養(yǎng)成果的多樣化，著力培養(yǎng)學(xué)生的一系列技能、知識(shí)和能力，例如，競(jìng)賽技能、統(tǒng)籌策劃和推進(jìn)項(xiàng)目的能力、英語學(xué)術(shù)論文的寫作能力、匯報(bào)展示成果的能力等。通過提供各種學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)并支持學(xué)生發(fā)展個(gè)人優(yōu)勢(shì)，可以幫助學(xué)生發(fā)揮其潛能，為未來的職業(yè)做好準(zhǔn)備。例如，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，使學(xué)生積累了解決問題的經(jīng)驗(yàn)，能夠在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)用知識(shí)和技能，提升創(chuàng)造力和溝通能力。

傳統(tǒng)的考核主要通過試題測(cè)驗(yàn)的成績(jī)來衡量學(xué)生具體知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，然而，此評(píng)價(jià)方式無法反映學(xué)生的科學(xué)研究水平和整體能力的培養(yǎng)情況。針對(duì)上述缺陷，本課程采用“過程測(cè)驗(yàn)”的方法，著重追蹤研究生的能力提升情況。例如，針對(duì)每部分教授的知識(shí)，請(qǐng)學(xué)生從文獻(xiàn)分析中查找理論的來源和演化歷史；在科研或?qū)嵺`性項(xiàng)目中，請(qǐng)學(xué)生按照論文撰寫需求整理相關(guān)資料，相關(guān)工作計(jì)入最終的評(píng)定。與此同時(shí)，按照小組中成員的職責(zé)分配工作，并根據(jù)參與程度和成果評(píng)定工作情況。通過多種方式強(qiáng)化學(xué)生之間的合作與交流，培養(yǎng)學(xué)生探究與思考的能力，促進(jìn)學(xué)生之間科學(xué)思想的相互激化。通過項(xiàng)目與課題的互補(bǔ)，學(xué)生能夠清楚地認(rèn)識(shí)其工作目標(biāo)，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。

三、課程建設(shè)和探索的成果

重慶大學(xué)項(xiàng)目巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)混合課程通過培養(yǎng)模式創(chuàng)新、培養(yǎng)途徑創(chuàng)新、培養(yǎng)方式創(chuàng)新、培養(yǎng)成果多樣化四個(gè)方面的創(chuàng)新探索，提升了研究生融合信息化新興學(xué)科與土木傳統(tǒng)學(xué)科的混合思維能力。學(xué)生綜合能力得到明顯提升，獲得了豐富多樣的培養(yǎng)成果，如表2所示。93.5%的學(xué)生反映通過該課程的學(xué)習(xí)，個(gè)人的科研能力有了明顯提升，2020—2023年，研究生發(fā)表了相關(guān)高水平SCI論文30余篇，20余人次參加了相關(guān)國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議，其中，崇智發(fā)表的《Prediction of undrained shear strength using extreme gradient boosting and random forest based on Bayesian optimiza？ tion》入選2021年中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文，獲得《Georisk： Assessment and Management of Risk for Engineered Systems and Geohazards》2021年度最高引用論文獎(jiǎng)。

四、結(jié)語

重慶大學(xué)土木工程學(xué)院以巖土工程大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)課程建設(shè)為契機(jī)，開展了以提升研究生培養(yǎng)為目標(biāo)的線上線下研究生混合課程改革。實(shí)踐證明，通過培養(yǎng)模式、培養(yǎng)途徑、培養(yǎng)方式、培養(yǎng)成果多樣化四個(gè)方面的創(chuàng)新探索，提升了研究生融合信息化新興學(xué)科與巖土工程傳統(tǒng)學(xué)科的能力，學(xué)生綜合能力得到了明顯提升，獲得了多樣化的培養(yǎng)成果。

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Exploration on geotechnical engineering big data and machine learning blended course construction for graduate students

ZHANG Wengang， CHEN Zhixiong， DING Xuanming， ZHOU Hang， XIAO Yang

（a. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area； b. School of Civil Engineering； c. National Joint Engineering Research Center of Geohazards Prevention in the Reservoir Areas， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract： The development tasks of higher education include adapting to the change of teaching mode in the information age and promoting the deep integration of information technology and education.School of Civil Engineering of Chongqing University takes the opportunity of the construction of geotechnical engineering big data and machine learning online and offline mixed courses to carry out reform and exploration with the goal of improving the quality of postgraduate education. In view of the problems of insufficient emerging discipline literacy and information technology level among geotechnical engineering graduate students，the difficulty in output of high-level scientific research papers，the single output of scientific research， and the few academic awards in important international academic conferences， the curriculum focuses on four aspects of training mode， training approach， training methods and the diversification of training results. The course adopts a combination of online and offline teaching in English taught by famous foreign professors， strengthens the spirit of scientific innovation and international communication and cooperation ability of graduate students by combining research projects and practical projects，and focuses on the ability improvement of graduate students by means of process assessment. Practice has proved that through the construction of online and offline blended courses，graduate students have significantly improved their scientific research quality and analytical ability， and the course construction has obtained many achievements， which effectively promotes the implementation of informatization in higher education.

Key words： blended courses；geotechnical engineering； big data； machine learning；postgraduate training

（責(zé)任編輯 代小進(jìn)）