多線程融合的智能建造專業課程體系建設

朱穎杰，白玉星，紀穎波，劉心男

（北方工業大學 土木工程學院，北京）

一 智能建造專業人才培養要求

智能建造作為新工科專業，對人才能力的培養要求也會與傳統專業有所不同。智能建造專業最為顯著的特征是多學科交叉融合，本科教育階段應培養具有寬口徑知識結構體系，具有較強綜合能力的人才[1-2]。北方工業大學智能建造人才培養的總體目標為：適應國家建設需要，培養學生德、智、體、美、勞全面發展，具有較好的數學和力學基礎，能熟練掌握土木工程專業的基本知識，掌握工程結構智能設計原理、構件生產和施工技術，能夠應用相關計算機開發語言和工程建造的一般機械和控制工程原理，完成現代土木工程的智能設計、智能生產、智能施工和全過程運行維護管理，并具備終身學習能力、創新能力和國際視野的行業人才。

智能建造新專業的課程體系建設是人才培養的重要基礎和核心內容。課程體系的建設需牢牢把握智能建造專業對人才能力的需求，在四年制的學科教育中，有針對性地培養學生多方面的能力。但作為新開設的專業，其課程體系的建設在全國范圍內仍處在探索階段[3-4]。本文提出了多線程融合的課程體系建設方案，以北方工業大學智能建造專業課程體系為例展開分析。

二 多線程理論課程體系建設

理論課程包括通識教育課程、專業基礎課程和專業教育課程，如圖1所示。智能建造專業的通識教育課程和專業基礎課程與傳統工科的差別不大，可以沿用傳統土木學科的課程體系，本文主要討論專業教育課程體系的建設思路。

圖1 多線程的智能建造專業課程體系

1. 土木學科線程（圖2）：傳統土木學科的核心理論課程是智能建造專業的重要理論基礎。智能建造的立足點和根本目標在于工程建設，因此智能建造專業人才培養和課程體系建設中不能偏離工程這個“本”，特別要注意不能舍本逐末，簡單堆砌一些信息技術類課程，削弱學生工程基礎[5]。因此，在必修課程中，經典力學課程如理論力學、結構力學、流體力學、材料力學是必不可少的。同時在選修課程中設置了“材料力學提高”“彈性力學與有限元”和“結構力學提高”三門課程，可供有深造意愿的學生選擇，強化和扎實力學基礎。

圖2 土木學科線程課程

混凝土結構設計原理、鋼結構設計原理、土力學與地基基礎等課程是土木學科的經典和核心理論課程，因此同樣需要在專業教育課程的必修環節有所設置。由于學分和課程數量有限，為了實現多學科多線程的課程體系安排，傳統土木學科的部分必修課程不得不轉換為選修課程。由于智能建造專業多學科交叉的特點，在人才培養方案的制定和課程體系的設置中不可能做到面面俱到。不管是設置智能建造新專業還是在傳統專業基礎上進行改革，每所學校都應根據結合其自身專業特色在智能建造專業建設中針對某一或某幾個方向有所側重。北方工業大學根據本學校專業特色，將人才培養重點放在了房屋建筑工程上，在必修環節中設置了“畫法幾何”“混凝土結構智能設計原理”“鋼結構智能設計原理”“智能施工”“智能測繪”“土力學與地基基礎”六門課程，其中“混凝土結構智能設計原理”又分為了各為4學分和3學分的兩門課，分別講授基本構件設計以及裝配式建筑、高層建筑結構和抗震設計理論。在專業教育課程的選修環節設置了“智能建筑材料”“房屋建筑學”“結構檢驗”“大跨房屋結構”“結構選型”等課程作為土木學科專業知識的重要補充和理論支撐。

2.建筑信息模型線程（圖3）：建筑信息模型是智能建造所需的重要工具之一，隨著建筑行業信息化建設的發展，建筑信息模型及其應用的相關課程也是課程體系中的一個重要線程。北方工業大學在專業教育課程的必修環節設置了一門“BIM技術基礎”課程，系統講授建筑信息模型的基礎理論知識并安排上機實踐。在選修環節則設置了“BIM工程應用”“建筑信息模型與應用”等課程，其中“BIM工程應用”著重講解BIM全專業建模能力，“建筑信息模型與應用”著重講解BIM管理模型建立和應用，使學生了解和掌握建筑信息模型從基礎理論到工程應用的相關知識。

3.計算機學科線程（圖4）：必修課程應具有一門計算機語言。智能建造離不開人工智能的應用，盡管人工智能的核心算法依賴于C/C++語言，但作為智能建造專業人才，更為重要的能力是在理解和基本掌握人工智能算法的基礎上結合土木學科進行應用。而在人工智能的應用層面，Python語言易于上手，具有很好的包裝能力，可擴展性、可組合性和可嵌入性良好，在目前人工智能應用領域被普遍采用。因此北方工業大學選擇“python程序設計”作為專業教育課程體系計算機學科線程中的必修課程。在必修課程基礎上，在選修課程中進一步設置“Matlab程序設計應用”“人工智能數據分析”“智能感知網”“結構工程大數據及應用”“數據采集與集成技術”“云計算與虛擬化技術”等課程，使學生了解、掌握智能建造專業所需的計算機相關專業知識，并為學生提供其在土木學科中的部分應用場景與案例。

圖4 計算機學科線程課程

4.機械及控制工程線程（圖5）：智能建造的實現離不開智能機械、智能設備等智能硬件。在北方工業大學智能建造專業教育課程的必修環節中設置了一門“機械控制理論基礎”課程，使學生對機械控制的基本理論有所掌握。相應地在選修部分，“智能控制”課程可以進一步使學生了解人工智能與機械設備的結合。

圖5 機械工程線程課程

5.工程管理線程（圖6）：智能建造涉及規劃設計、施工、運維全過程的工程管理，同時傳統的工程管理方式將無法滿足新型工程建設的需求。結合北方工業大學國家一流專業工程管理專業的特長，在智能建造專業課程體系中增加工程管理線程。該線程的課程均在選修環節，包括“工程估價”“工程項目管理與法規”“工程經濟學”等課程。

6. 綠色建筑線程（圖7）：綠色建造與智能建造關系密切，綠色建筑的內涵是包括綠色建造的全過程的。智能建造的最終目標是交付綠色工程產品，實現綠色可持續的工程建設與運營服務；綠色建造的實現也需要智能建造提供必要的技術支撐。北方工業大學結合學院綠色建筑相關專業教師資源，在選修課程中增加綠色建筑方向特色模塊，讓學生能了解綠色建筑從設計到建造再到運營的整個知識體系和實現過程。主要包括“建筑熱工基礎”“室內人工環境智能控制”“建筑智慧能源系統”“建筑能耗模擬分析”“綠色建筑運行維護原理”五門專業教育課程。

圖7 綠色建筑線程課程

三 多線程實踐課程體系建設

實踐課程體系同樣采用了多線程的課程設置方式，但與理論課程體系建設中的多線程模式有所不同，實踐課程的線程根據實踐內容的范圍進行區分。實踐課程體系包括通識教育實踐課程和專業教育實踐課程，本文主要討論對象是專業教育實踐課程，多線程專業教育實踐課程如圖8所示。

圖8 多線程專業教育實踐課程

1. 實踐課程的第一個線程是與專業理論課程小范圍精準匹配的實踐課程，即與某一門或兩門相關性很強的專業理論課緊密結合，如北方工業大學智能建造專業教育實踐課程必修環節設置了“智能測繪實習”（對應理論必修課：“智能測繪”）、“BIM技術基礎實習”（對應理論必修課：“BIM技術基礎”）、“裝配式鋼結構課程設計”（對應理論必修課：“鋼結構智能設計原理”）、“裝配式混凝土結構課程設計”（對應理論必修課：“混凝土結構智能設計原理”）、“BIM5D施工組織設計課程設計”（對應理論必修課：“智能施工”）。在選修環節的“室內環境系統設計”（對應理論選修課：“室內人工環境智能控制”）、“結構力學綜合訓練”（對應理論必修課：“結構力學”）等。

2. 實踐課程的第二個線程是土木學科經典實踐課程。盡管將來智能裝備將逐步取代人工實施設計和建造工作，但智能建造的發展仍需立足在了解現有工程建設方法的基礎上，因此土木學科經典實踐課程仍有必要加入智能建造課程體系中。以北方工業大學為例，在專業教育實踐課程選修環節開設了“認識實習”“鋼筋混凝土受彎構件”“混凝土配合比設計”“建筑結構的模態分析試驗”“砂漿配合比設計”等課程。

3. 實踐課程的第三個線程是能力拓展類的實踐課程，并不專門對應某門專業理論課程，而是立足行業發展大環境，面向某個新技術、新方法展開針對性的實踐，拓展學生的能力范圍。以北方工業大學為例，在專業教育實踐課程選修環節開設了“Python智能建造二次開發”課程，專門針對基于Python的參數化建模展開教學并指導學生進行實踐，特別鼓勵學生參與知名企業舉辦的競賽，充分鍛煉學生實踐和創新能力。又如選修課“無人機技術智能測繪”“新型建筑材料實驗技術實訓”“不等截面疊合梁純彎試驗”等。

4. 實踐課程的第四個線程是綜合能力培養與鍛煉的實踐課程，這類課程以“企業工程實踐”和“畢業設計（論文）”為典型代表。企業工程實踐是智能建造專業教學計劃中的系列實踐環節。因課程總學分有限（165分），通過企業工程實踐，讓智能建造專業的學生到生產第一線，直接接觸行業智能建造技術，深入智能建造工程實際，參加具體項目的組織、管理等方面的實際工作。學生可全面了解項目的運作過程，自然進入多學科交叉培養環境。學生通過向工程技術人員及項目管理人員學習智能建造生產工藝過程和施工管理知識等，鍛煉學生分析和解決實踐問題的能力，進一步鞏固課堂所學知識，并激發學生自學興趣。同時，學習智能建造企業項目管理人員、工程技術人員等的優秀品質和奉獻精神，培養學生的綜合素質，使學生更加明確所從事的工作范疇和應承擔的責任，為以后實際工作打下堅實的基礎。

北方工業大學智能建造專業的企業工程實踐分別在短二、短三小學期各設置了3周，在第7學期設置了6周，學生需完成至少6周該實踐環節，并滿足相應考核要求。組織和管理采用以下模式：基于企業與學生之間的雙向選擇；采用企業導師與學校教師共同指導的“雙管理”模式；校內導師職責：組織銜接、過程指導、監督管理、成果考核等；校外導師職責：選擇學生、制定項目、過程指導、技術培訓、成果考核、企業文化傳遞等。

四 多線程課程體系的融合

多線程融合的課程體系重點不僅在于“多”，更在于“融合”。智能建造專業因為涉及多個學科交叉，課程體系建設特別要注意避免不同學科課程的簡單堆砌，而是要將計算機學科、材料學科、機械學科、管理學科與土木學科有機融合，以工程建造需要為基礎，培養人才要服務于“工程”的主線。但另一方面，因為智能建造仍處于動態發展中，不應過于局限學科融合的方式和場景，應給予學生更廣闊的思路和視野，激發學生的自主學習和創新探索。

以北方工業大學為例，課程體系建設中，土木學科理論線程中的課程是在傳統專業課核心內容基礎上，補充信息化、數字化和智能化的新技術、新方法的教學內容[6]，形成“混凝土結構智能設計原理”“鋼結構智能設計原理”“智能施工”“智能測繪”等新專業課程。又如計算機學科線程中，除“Python程序設計”外，其他課程均立足于土木工程基礎環境，如“結構工程大數據及應用”講授大數據技術的基礎知識，同時著重介紹其在結構工程中的應用，“智能感知網”則在講授人工智能和計算機視覺基礎知識的基礎上，給予學生數個試驗場景讓學生多角度多環境體驗智能感知，激發學生對智能感知在土木工程領域拓展應用的思考。

五 結語

智能建造專業作為新工科專業，課程體系建設是實現人才培養目標的重要基礎。本文提出了多線程融合的智能建造專業課程體系建設方案，以北方工業大學新設智能建造專業的課程體系為例，分別針對多線程理論課程體系建設、多線程實踐課程體系建設和多線程課程體系的融合進行了分析和思考，以期能夠對正在開展智能建造專業建設的院校有所啟發，促進新專業建設的完善和發展。