學科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系建設與實踐

［摘 要］面向學科交叉融合新需求，如何改進高等工程教育模式以提高育人成效，成為各高校需要解決的問題。文章明確了智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)需求，遵循CDIO教育模式，借鑒全球頂尖高校工程教育復合型人才培養(yǎng)機制與策略，以大連理工大學智能建造專業(yè)為例，提出了從具體課程到課程體系改革的基本思路，進一步探索了學科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系建設的具體途徑和保障措施，以期為學科交叉融合需求下高等學校工程教育以及智能建造專業(yè)建設提供參考。

［關鍵詞］學科交叉融合；智能建造；課程體系；工程教育

［中圖分類號］G642.3 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）11-0015-06

引言

從工業(yè)革命的蒸汽技術和電氣技術，到科技革命的信息化、數字化與智能化技術，新一輪產業(yè)變革在全球飛速發(fā)展，全球工程教育體系也迎來從微觀改革到范式變革的新階段。學科邊界日漸模糊，學科交叉融合需求日益凸顯，拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革不斷深化升級，推動我國從工程教育大國走向工程教育強國[1-2]。

全球頂尖大學如斯坦福大學、香港科技大學、東京大學、倫敦大學、麻省理工學院等堅持推動高等工程教育的創(chuàng)新發(fā)展，培育了能夠引領科技革命和產業(yè)變革的卓越工程科技人才與技術創(chuàng)新人才。比如，斯坦福大學采取了拓展學科基礎知識和促進學科交叉融合的專業(yè)設置模式——大學院制，打破了學科壁壘，促進了學科交叉融合。麻省理工學院在CDIO （Conceive—Design—Implement—Operate，構思—設計—實施—操作）教育模式基礎上推行了“新工程教育轉型計劃”，重構了學校工程教育模式[3]。倫敦大學針對所有本科生提出了全面教育改革計劃，即“綜合工程計劃”，實施以學生為中心、基于項目的教學，使學生在真實的情境中開展工程實踐。一些全球高等工程教育頂尖高校的工科課程體系已經體現出明顯的學科融合性，通過學院、年級、學科/專業(yè)、課程/項目的融合，形成了影響廣泛的跨學科工程教育項目機制。

目前，我國部分高校的工程教育模式仍存在以下問題[4-5]：一是沒有形成與時俱進的學科交叉融合育人體系；二是沒有形成全方位的學科交叉融合育人機制；三是學科交叉融合不夠深入，在育人過程中，課程堆砌、簡單疊加、交而不融、止于表層的情況仍然存在。本研究將以大連理工大學智能建造專業(yè)為例，提出完整的課程體系建設方案與實施保障機制，助力解決上述關鍵問題。

一、學科交叉融合需求下智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)需求

黨的二十大報告明確提出要加快建設人才強國，著力造就拔尖創(chuàng)新人才。近年來，在學科交叉融合需求的驅動下，全國各類土木院校積極探索智能建造專業(yè)改革[6-9]。2018年，同濟大學設立了智能建造專業(yè)，開創(chuàng)了建筑與基礎設施領域學科交叉融合人才培養(yǎng)的先例。截至2023年7月，通過教育部審批的開設有智能建造專業(yè)的高校達106所，分布情況如圖1所示。我國高校在智能建造人才培養(yǎng)機制優(yōu)化方面取得了一定成效，學生創(chuàng)新實踐能力也有所提高[10-11]。

為明確當前行業(yè)和社會對學科交叉融合人才的具體能力需求，研究團隊采用了問卷調查與半結構化訪談方式，對土木、水利、交通領域數十家知名企業(yè)和科研院所開展了調研。其中，調查問卷針對走訪企業(yè)定向發(fā)放，獲取的數據直接支持定量分析；半結構化訪談則通過面對面、電話、微信等多渠道同步進行，且不限于走訪企業(yè)，訪談記錄用來補充和檢驗問卷調查分析結果。最終獲取來自上海建工集團股份有限公司、中交雄安建設有限公司、中交公路規(guī)劃設計院有限公司、中國建筑第二工程局有限公司、中國建筑第八工程局有限公司等企業(yè)的完整反饋，有效問卷共計11份。經統計，被調研企業(yè)對復合型人才能力需求如圖2所示。

由圖2可知，調研企業(yè)對工程、機械、管理與計算機等多學科知識交叉融合需求占比較高，尤其土木工程、計算機科學與信息類技術知識的融合是當前業(yè)界關注較多的，這與前期半結構化訪談結果基本一致。因此，智能建造專業(yè)人才能力培養(yǎng)目標至少應包括以下4個方面。

（1）具有扎實的人文社科、自然科學和智能建造專業(yè)理論基礎知識和信息領域的前沿知識；

（2）具有綜合運用智能建造專業(yè)知識解決關于土木、水利、交通工程等信息化、智能化的集成規(guī)劃、設計、施工和運維方面復雜工程問題的能力，具有實踐創(chuàng)新能力，具備從事技術開發(fā)、社會服務與管理的能力；

（3）具有健全的人格、良好的人文素養(yǎng)和高度的社會責任感，遵守工程職業(yè)道德規(guī)范，具備正確的工程倫理觀；

（4）具有團隊精神、國際視野和國際競爭力，具備不斷學習和創(chuàng)新發(fā)展的能力。

二、學科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系設計思路

基于CDIO教育模式，在充分調研我國建筑與基礎設施領域對土木類人才新需求的基礎上，研究團隊深入了解了智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)目標，全面梳理了復合型工程人才應具備的知識、能力和素質。以大連理工大學智能建造專業(yè)為例，進一步探討了學科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系建設的思路與途徑。

大連理工大學于2021年設立智能建造專業(yè)，2022年以土木類創(chuàng)新班的形式完成了首屆招生工作。該專業(yè)是以土木工程、水利工程與交通工程為基礎，通過整合工程管理、材料科學與工程、電子信息工程、計算機科學與技術、機械設計制造及其自動化等專業(yè)后形成的新工科專業(yè)，包括建造、水務與交通3個方向。同時，該專業(yè)依托建設工程學部進行專業(yè)建設和人才培養(yǎng)，相比依托土木學院或工程管理專業(yè)建設的其他兄弟院校，其還涉及土木工程、水利工程、交通運輸工程、信息與通信工程、計算機科學與技術、管理科學與工程等10個一級主干學科，結構工程、防災減災工程及防護工程、電工理論與新技術、工程管理、計算機軟件與理論等16個二級主干學科，學科交叉融合范圍更廣、融合程度更深。

大連理工大學智能建造專業(yè)立足土木、水利、交通等優(yōu)勢學科，融合信息、機械等多學科辦學經驗，培養(yǎng)了“力學不斷線、工程視野廣、智能思維強”的創(chuàng)新復合型人才，切實做到了工程類知識與智能類知識的深度融合。因此，在設計該專業(yè)課程體系時，將課程知識劃分為工程類知識、智能類知識與融合類知識，重視多學科理論與方法的交叉融合，突出智能類知識為工程實踐賦能，工程類問題用智能手段解決，融合類知識與教學設計、課程群設計、畢業(yè)設計融合，培養(yǎng)學生跨學科交叉融合與工程系統思維。工程類知識包括傳統力學、工程原理、工程結構、工程技術知識；智能類知識包括智能語言、智能原理、智能技術知識?；谏鲜龇治?，本研究明確了智能建造專業(yè)課程體系設計總體思路，如圖3所示。

三、學科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系構建的具體方案

面向學科交叉融合需求，聚焦智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)目標，在智能建造專業(yè)課程體系設計的思路框架指導下，本研究進一步提出了從具體課程到體系建設的智能建造專業(yè)課程體系構建的具體方案。

（一）融合多學科知識的系列特色課程建設

在具體課程建設方面，研究團隊從單一土木類學科或智能類學科教學轉向寬口徑、多學科的交叉融合教學，并在教學過程中有機融入課程思政。工程類知識與智能類知識融合后的專業(yè)課程不是土木類知識、信息技術類知識與思想政治理論的簡單疊加，而是跨學科、跨領域知識的深度融合，是對既有課程的重新改造與創(chuàng)新設計。

基于課程目標與專業(yè)培養(yǎng)目標，打破傳統思維桎梏，重塑跨學科融合類課程內容，將智能類與工程類知識有機融合，形成系列特色課程。比如，將傳統土木工程施工課程升級為土木工程智能施工課程，將鋼筋混凝土結構設計課程升級為鋼筋混凝土結構智能設計課程，將水資源規(guī)劃及利用課程升級為現代水資源規(guī)劃課程，將交通系統課程升級為智能交通系統課程等。引入現代信息技術，更新教材內容，保留基礎理論概念，融入課程思政。引入相關案例及數值解法、計算機技術等創(chuàng)新性的教學內容，激發(fā)學生的開拓性思維。此外，設計全新的學科交叉融合類課程，比如設計工程機械原理與建筑設備、土木工程自動控制原理以及工程智能感知技術等課程，使學生既能掌握新型技術與設備的理論知識，又能得到相應的實踐技能訓練。

（二）強化系統思維與創(chuàng)新實踐的課程體系

在課程體系構建方面，明確智能建造專業(yè)培養(yǎng)方案各個模塊的具體課程，優(yōu)化專業(yè)知識結構，如從注重特定能力訓練轉變?yōu)閺娀窒到y思維，從強調專業(yè)理論知識調整為突出創(chuàng)新實踐能力。

各個模塊課程調整優(yōu)化后，以強化全局系統思維、突出創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為目標，以解決工程項目實際問題為出發(fā)點，構建學科交叉融合需求下的“土木類+智能類”課程群設計模式，創(chuàng)新實踐教育，建設數字化、網絡化和智能化的實習實踐平臺。全面開展校企聯合授課、聯合指導畢業(yè)設計、聯合舉辦創(chuàng)新競賽、設立學生創(chuàng)新聯合項目、開展師資培訓等，實施“課堂—項目—競賽—畢業(yè)設計”四維聯動的創(chuàng)新教學模式。依托中國建筑第八工程局有限公司、上海建工集團股份有限公司等企業(yè)，建立校外復合型人才培養(yǎng)實習實踐及產學協同育人創(chuàng)新基地，加強理論與實踐的一體化建設。在不超過160總學分的前提下，合理確定單門課程學分，規(guī)劃整個課程體系學分分布，以達到不同課程模塊與不同修讀學期學分配比均衡的目的。此外，邀請學校內外相關專家共同研討，通過多輪修訂論證，完善課程體系，實現對學生專業(yè)知識素養(yǎng)、跨界從業(yè)技能、集成復合能力以及創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。

綜上所述，學科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系如圖4所示。

四、學科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系構建實施保障

在智能建造專業(yè)課程體系建設過程中，需要以充分的教學資源與完善的管理機制為支撐，以此保障課程體系得以順利實施并取得良好效果。其實施保障措施主要包括以下三個方面。

（一）教師隊伍建設

跨學科融合人才培養(yǎng)對任課教師提出了更高的要求，必須打造高水平、高素質的教學團隊。

教學能力基本要求：任課教師應聚焦智能建造專業(yè)培養(yǎng)定位及所授課程目標，創(chuàng)新教學方法，引入國內外前沿知識、標志性工程案例，完成教學內容設計；做好所授課程與前修、后修課程的銜接，完善教學大綱。比如，工程數據結構與數據庫基礎課程需與先修課程Python語言程序設計銜接，以此解決同一學期智能建造學科概論、理論力學等相關課程提及的工程案例問題，并為工程數據算法與人工智能等后修專業(yè)課程的學習奠定基礎。此外，任課教師還需要深度參與相關課程群設計，合作開展實踐教學，并負責推動課程配套的軟硬件落實與使用管理等工作。

教學團隊水平提升：一方面，引導任課教師積極參加各類智能建造相關教學培訓，強化自身對新知識、新工具和新方法的學習與適應，以應對ChatGPT等帶來的機遇與挑戰(zhàn)[12]，掌握多元混合式教學模式的應用，獲取多渠道教學資源，全面提升教學水平，以適應新形勢下的新挑戰(zhàn)；另一方面，加強跨學院、跨學科的溝通交流，注重優(yōu)勢互補，形成面向課程群設計或畢業(yè)設計的系列教學團隊。教學團隊合作制訂教學大綱，協同編寫教材，聯合指導學生，實現理論知識與實踐能力協同培養(yǎng)，培養(yǎng)學生“從獨立到協作” 解決復雜工程問題的能力[13]。

（二）教學資源匹配

依托土木水利實驗中心國家級教學平臺，成立智能建造專業(yè)實驗室，以滿足本專業(yè)建造、水務和交通3個模塊課程體系建設所需的教學設備要求。比如，定制開發(fā)智能施工機器人（含運行平臺），實現自動抹灰、噴涂等，培養(yǎng)學生機器人實操及二次開發(fā)能力，支撐畫法幾何及BIM制圖、 土木工程智能施工及工程經濟與項目信息化管理課程群設計；集成定制一體化水文氣象站，培養(yǎng)學生對城市水文氣象過程的觀測與數據分析能力，支撐城市水循環(huán)與水安全課程實驗教學及相關技能訓練；開發(fā)包括交通信號控制設備、交通流檢測設備與管控分析平臺在內的韌性交通智能管控系統，培養(yǎng)學生掌握交通管理與控制系統的設計邏輯、數據采集原理、通信及數據算法等知識，支撐交通管理與控制、智慧交通系統課程實驗教學及其課程群設計。

此外，為推進人才培養(yǎng)與社會需求間的協同，積極與上海建工集團股份有限公司等企業(yè)合作開設技術前沿課程，聯合編寫智能建造相關新形態(tài)教材。開展校企合作項目，建立實習實踐基地，比如建立中國建筑第八工程局有限公司卓越工程師實踐教學基地、中國長江三峽集團有限公司烏東德水電站水工專業(yè)實習基地、中國鐵建大橋工程局集團有限公司實習基地以及大連新機場沿岸商務區(qū)實習基地等，支撐智能建造專業(yè)課程體系中實驗、實習、畢業(yè)設計等實踐環(huán)節(jié)的開展，為智能建造專業(yè)學生學科融合知識運用能力的培養(yǎng)提供了堅實的保障。

（三）管理機制創(chuàng)新

建立與新專業(yè)培養(yǎng)目標相適應的創(chuàng)新性管理機制，保障智能建造專業(yè)課程體系建設的順利實施。智能建造專業(yè)建設涉及土木工程、水利工程、交通運輸工程和建設管理等，需要學校統一部署，逐步落實。

從教師層面出發(fā)，制定《建設工程學部本科課程主講教師選聘與教學質量考核評價實施方案（試行）》，明確任課教師能力需求與工作職責，通過嚴格的教學過程監(jiān)督與教學質量保障管理，提升智能建造專業(yè)師資水平。從學生層面出發(fā)，智能建造專業(yè)以“智慧基礎設施與土木類創(chuàng)新班”形式招生，區(qū)別于學校既有的土木工程專業(yè)大類招生，有針對性地制定《建設工程學部創(chuàng)新班管理辦法（試行）》，建立“創(chuàng)新班”動態(tài)轉入轉出與推研激勵等機制，使學生適應跨學科融合課程以及多元混合式教學模式。此外，為推進教育理念與培養(yǎng)模式創(chuàng)新，以構建拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系為突破口，學校針對智能建造專業(yè)開展“本研貫通培養(yǎng)計劃”試點工作，為學生施展才華搭建平臺。綜上，通過實施從教師層面到學生層面的系列管理舉措，逐漸建立系統的成效評價機制，及時總結經驗、查漏補缺，促進專業(yè)建設的可持續(xù)發(fā)展，發(fā)揮智能建造專業(yè)“創(chuàng)新班”培養(yǎng)模式的引領示范作用，進而帶動土木類既有專業(yè)的升級改造。

五、結論

面向學科交叉融合需求，本研究明確了智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，借助CDIO教育模式，以大連理工大學智能建造專業(yè)為例，既提出了從具體課程到課程體系改革的基本思路，又提出了保障課程體系建設順利進行的三個具體措施，即教師隊伍建設、教學資源匹配與管理機制創(chuàng)新。本研究在一定程度上解決了工程教育領域學科交叉融合不夠深入等問題，助力我國高等學校工程教育模式的改革，并為其他高校智能建造專業(yè)建設提供了借鑒與參考。但智能建造專業(yè)課程體系建設不是一蹴而就的，需要在人才培養(yǎng)實踐中持續(xù)總結經驗并優(yōu)化完善。

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［責任編輯：蘇祎穎］