面向未來的創新型工程科技人才培養

文｜本刊記者 陳昕

“十三五”時期，我國建筑業支柱產業作用不斷增強，發展質量和效益不斷提高。港珠澳大橋、北京大興國際機場等一批世界級標志性重大工程設計施工技術已經達到國際先進水平，建筑業加快“走出去”，對服務“一帶一路”建設發揮了重要作用。

盡管我國已經建成舉世矚目的超高層建筑、超大跨度橋梁和超深超長隧道，但建筑業仍然沒有擺脫勞動密集型的產業窠臼。建筑行業缺乏核心技術，難以應對未來發展和國際競爭力，整個行業缺乏應對未來科技與工程發展的人才和人才培養模式。

國家新型城鎮化規劃、智慧城市建設、“一帶一路”戰略、綠色可持續發展，以及人工智能、BIM、區塊鏈等技術為我國建筑業高質量發展提供了主要驅動力。除了外在的驅動力外，建筑行業也有著內生驅動需求，例如過去常規靜態的荷載正逐步轉變為多重動態復雜荷載，之前日常的施工環境越來越多涉及到惡劣施工環境，極寒環境、高空作業和深海建設情況更為頻繁，勞動密集型轉變為裝備與技術密集型工作方式。從建筑業內部來說，新時代的建設需求倒逼技術、工藝與環境的跨越式變革和整個行業的轉型升級。

智能建造引領建筑業發展方向

這實際上不僅僅是中國建筑業面臨的問題，以建筑行業機器人為例，各國政府與企業都針對建筑技術自動化開展了一系列的研發工作，并對智能建造傾注全力，推動技術革新。例如澳大利亞機器人公司Fastbrick Robotics 研發的世界上第一臺全自動砌磚機器人Hadrian X，可以通過安裝在挖掘機或卡車上的伸縮臂來鋪設磚塊；法國Effidence 開發的Doxel 漫游者可應用在現場巡檢，使用高清晰度攝像機和“光成像、探測和測距”傳感器進行建筑現場檢查，并與設計模型和程序進行比較；瑞士蘇黎世聯邦理工學院研發了可以自動綁扎鋼筋的機器人 insitu fabricator robot；上海建工集團的數字化建造設備可用于3D 打印。英國最大的設計、施工和資產管理集團巴爾弗-貝蒂公司曾大膽預測：2050年，建筑工地將不會再有人類工作。當然，這是一個非常大膽的預言，但這一預言也為我們指明了一個方向，即未來施工現場的自動化、智能化機器設備將逐漸替代人力勞動是一個不可逆的趨勢。

智能建造是傳統建筑業轉型的機遇與途徑，也是土木工程學科的延伸和拓展。縱觀智能建造全球發展趨勢，可以發現，全球主要經濟體都在大力發展智能建造，以助推智慧城市建設，從而升級智能社會。例如美國在2007年就規定所有重要工程項目都要使用BIM 技術，通過使用信息技術實現低碳綠色發展，并先后提出3D-4D-BIM 計劃、智能設計建造（ICD）戰略、基礎設施重建戰略規劃等。德國出臺了“高科技戰略2025”，提出加大促進科研和創新，儲備人工智能專業力量，加大各領域人工智能的應用，利用人工智能型商業模式及人工智能產品激發新一輪創業動力。日本制定了“i-Construction”戰略，為建筑企業和建筑行業制定了發展目標，著力提升建筑產品的品質、安全和效益。世界各國都在爭先恐后地搶占智能建造的戰略高地。中國也相繼出臺了一系列的相關政策和指導意見，《中國制造2025》《國務院辦公廳關于促進建筑業持續健康發展的意見》的出臺，逐步揭開了中國智能建造發展的序幕，《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》則進一步明確了推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導思想、基本原則、發展目標、重點任務和保障措施，為當前和今后一個時期建筑業轉型升級、實現高質量發展提供了具體指導。

同濟大學土木工程學院教授盧昱杰表示，在全球化的浪潮下，中國更應該通過研究和實踐引領全球智能建造、智慧城市與社會的發展浪潮。智能建造最主要的一項核心技術就是人工智能。人工智能技術強調三個空間，即物理空間、人類社會空間和信息空間，三者互相交互共融。將物理空間和信息空間融合，可以實現智能感知、自主裝備和機器人之間的協同與群智；通過物理空間和人類社會進行交融，可以實現自然科學、工程技術的協同；通過人類空間和信息空間融合，可以更好地實現人機交互，同時實現大自然和物聯網社區的不斷涌現，最終在信息空間中實現學習和認知，并不斷涌現新的知識，從而更好地指導物理空間現實世界的相關工作。

盧昱杰認為，人工智能技術不僅僅對建筑行業產生深刻影響，同時在智慧城市、智能制造、智慧醫療、智能農業和智能軍事等多個方面都發揮著重要的作用。他舉例到，智慧城市領域，人工智能可以提高城市運行效率、提升人類幸福指數；智能制造方面可以解放更多勞動力，釋放生產力；智慧醫療領域，可以延長人類壽命，保證健康生活；智能農業領域，可以解放我國農民勞動力，解決更多絕對貧困人口生活；智能軍事則可以提升國防實力，保障和維護國家安全。

產業變革與人才升級

人工智能引領了一系列產業變革，而產業變革也進一步引起了傳統學科的升級改造。例如人工智能+交通汽車轉變為智慧交通，人工智能+醫學生命變為智能醫療，人工智能+經營人文、建筑規劃則轉變為智能城市，人工智能+電子信息和機械航空升級為智能制造，人工智能+環境科學轉變為智能農業，人工智能+土木測繪則升級為智能建造。

以智能建造為例，智能建造專業人才培養需要重點關注三個方向，一是智能設計與規劃，二是智能裝備與施工，三是智能運維與管理。盧昱杰介紹到，針對智能建造專業，同濟大學設計了人才培養頂層設計，確定了人才培養戰略與目標：一是面向未來科技與工程發展的人才培養，二是要培養20年以后的精英和棟梁。對人才培養具體的轉變則體現在三個方向：空間上，從單體部件發展到工程系統，學生不僅僅是某一結構工程、力學專業，而是整個工程系統，包括經濟、社會、人文、管理、材料等都需要進行學習，從而培養復合型人才；時間上，從使用安全發展到全壽命周期；深度上，從單一土木學科深化到依靠多學科的交叉與綜合。

圍繞上述人才培養方向，結合同濟大學土木工程學科的人才培養傳承和人才培養創新模式，包括共性基礎和專業培養等，同濟大學以土木工程院系牽頭，聯合學校7 個院系，共同成立智能建造專業，并于2018年獲批成為全國首個智能建造專業。

智能建造是教育部于2018年正式批準新設的全國首個“新工科”專業，其以土木工程為基礎，以信息技術為紐帶，以機械工程和控制工程等技術為工具，融合建筑學、材料工程、工程管理等學科知識，涵蓋建筑與基礎設施的設計、制造、運輸、裝配、運營和維護等生命周期完整鏈條。同濟大學利用自身學科優勢首個設置“智能建造”專業，引起了美國加州伯克利大學、馬里蘭大學、德國慕尼黑工業大學等著名高校的廣泛關注，并集聚了相關國際頂級人才。

智能建造專業是以土木工程和機械工程為載體基礎，以信息技術和人工智能為手段，突破專業壁壘，融合土木、建筑、機械、材料、信息、控制、工程管理等學科知識的交叉學科。盧昱杰認為，對智能建造專業的學生提出的要求是三維的教育，包括知識教育、能力培養和素質提升，使學生不僅擁有專業技能，也能夠在畢業后有充分的社會責任擔當，具有家國情懷。具體的培養目標一是面向未來科技與工程發展，適應國家發展戰略和建設需求，德智體美全面發展；二是基礎理論扎實、專業知識寬廣、綜合能力突出、科學與人文素養深厚；三是掌握土木工程、機械工程、電子信息科學與工程、控制科學與工程、工程管理等學科的基本原理和基本方法；四是能勝任建筑和交通基礎設施的智能規劃與設計、智能裝備與施工、智能運維與服務等工作；五是具有終身學習能力、創新能力、國際視野和領導能力。

筑根汲養 打破知識結構桎梏

目前，智能建造專業人才培養也面臨著諸多挑戰。針對高校土木專業相關教職人員的問卷調研（2020年3月）顯示，目前智能建造發展面臨五大主要挑戰：一是囊括各個交叉學科，同時保證廣度、深度的課程體系尚未構建；二是具有實際工程意義、培養學生創造能力的實踐課程尚未普遍開設；三是掌握綜合系統知識的師資力量尚未成型；四是可供學生實踐的建筑實操基地等硬件設施尚未普及；五是有利于交叉學科發展的學校人事激勵制度、成果管理制度等尚未落實。對此，盧昱杰表示，需要進一步明確專業培養目標，打破傳統課程體系、知識結構的桎梏，創新教學模式，進一步加強師資隊伍建設、平臺建設、制度建設，為智能建造專業的發展夯實基礎。

以同濟大學土木工程學院為例，目前主要從專業實踐、全過程培養、國際化三個方面推進智能建造專業的建設。在本科生學習環節，強調大類通識課程、專業基礎課程、專業核心課程和交叉特色實踐，以土木工程為主，附加人工智能核心開展的教學。隨著本研知識一體化的推進，在碩士階段則更多強調多學科交叉學習。對于本科生和研究生的培養重點也有所區別，本科生注重筑根汲養，培養有專業意識的人，打牢基礎、提升綜合素質，強調人的培養；研究生則強調在某個階段、某個專業有一定特長，重點在“專業+”。在具體的教學內容設計方面，一是重構教學內容，從強調知識到強調方法和思維方式，以通識教育為基礎，專業基礎為核心，專業技術為抓手，梳理知識點和知識體系，關注共性的方法和思維模式。二是任務驅動教學，從零散知識到工程系統，精心設計工程任務，鍛煉自學能力、系統思維，強化課內課外全學時，強調個人作用于團隊協作相輔相成。三是搭建創新實踐平臺，從單一能力訓練到全方位能力培養，建立科學研究與人才培養聯動機制，企業合作實踐學習。四是加強師資隊伍建設。