新基建在土木工程學科中的定位及新專業建設研究

莊一舟，林心蓓，孫 博

（浙江工業大學，浙江 杭州 310023）

隨著社會經濟的發展，大國競爭已逐漸轉變為科技和人才的競爭，新型基礎設施建設日益受到重視。新型基礎設施建設，簡稱“新基建”，包括人工智能、交通運輸、大數據、信息通訊等七大領域，涵蓋各大基礎產業鏈，是為推動我國經濟轉向高質量發展而提出的創新型智慧基礎設施體系[1]。相較于傳統基礎設施建設，新基建是新興事物，瞄準了產業轉型升級，無論在哪個領域都是對既有科技的提升與改良，能夠引領新一代的經濟革命[2]。

從行業發展的角度來看，新基建對土木工程行業的影響是巨大的。雖然我國是建造大國，但由于對核心建造技術的研發不夠深入，粗放型的建造方式產生了一系列諸如資源浪費嚴重、惡劣環境建造困難、勞動力日益短缺、生產效率低下等問題，且我國建造業發展起步較晚，與發達國家仍存在較大的差距。此外，社會需求的擴大使得工程建造趨于復雜化，土木工程行業迫切需要轉型升級。在新基建環境下，德國“工業4.0”“中國制造2025”“一帶一路”等戰略均強調了要把“智能建造”當成行業的發展目標與發展方向。顧名思義，智能建造強調“智能化”，能極大地提高工程建造的效率與質量，同時促進了各學科之間的交叉滲透，為土木工程學科的發展提供了新的思路。土木工程行業的快速發展對人才需求及培養模式有了新的要求，國內高校越來越注重培養能夠順應時代發展的綜合型人才。在新基建背景下，國內外學者對土木工程學科改革進行了大量的探索與研究。徐偉杰等強調了實驗室在土木工程學科建設中的重要性[3]，并針對實驗室教學資源有限，教學人才匱乏等問題提出了相應的實驗室教學改革對策；馬曉雨等在土木工程教學中結合學科競賽熱點問題[4]，并融入計算機學科人工智能領域，對土木工程課堂教學進行了改革，同時還介紹了教學方法與考核方式；鄭建波闡述了土木工程畢業設計實踐教學的現狀及存在的問題[5]，并提出了一些有針對性的創新改革方向，明確了教學設計方法；安棟等介紹了智能建造專業給土建制圖課程帶來的新挑戰[6]，探索了BIM技術在土建制圖課程中的應用，為新專業建設提供了可行性建議。

傳統的教學方式已經難以滿足當今高速發展的社會需求，為順應時代發展目標，提升教學成效，國內已有部分高校開設了“智能建造”專業。該專業是新型復合工科專業，以土木工程學科為基礎，與人工智能、自動化、計算機視覺等新技術交叉融合，也是土木工程專業人才培養的新方向。

一、新基建催生智能建造專業

智能建造專業的開設適應了國家戰略轉型需求，是土木工程學科在新基建環境下的產物。新基建把握了新發展的時代方向，是土木工程學科強大的外推力與動力源泉，這也就意味著未來土木行業對人才的需求與過去不同。“智能化”對人才的知識掌握能力有較高的要求，土木工程專業以三大力學（理論力學、材料力學、結構力學）為基礎，涉及彈塑性力學、流體力學、土木工程材料、巖土工程、橋梁工程以及道路勘察設計等學科，而智能建造專業融合了土木工程、機械工程、電子信息科學與工程、控制科學與工程等學科的基本原理。

智能建造的學科背景大致包括以下三個方面的內容。（1）智能規劃與設計：基于CPS 技術（信息物理系統）進行數字孿生模型暨建筑一體化設計，例如，同濟中車基于模塊集成的智能建筑、世界上第一個完全由計算機設計的永久建筑等。（2）智能裝備與施工：側重于建造過程的時變機理及其決策，利用人機協同技術如重載機器人、3D 打印等進行工程項目的施工，如上海世博會陽光谷首創鑄模機器人、智能車間及機器人建造技術的應用等。（3）智能防災與運維：研發基于機器視覺識別和大數據的智能防災系統，通過開發自主知識產權的BIM軟件，進行結構全生命周期的智能運維、智能優化與控制，如橋梁檢測與維修機器人的使用、施工現場危險行為智能識別等。

智能建造專業要培養的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，能勝任建筑和交通基礎設施工作，具有領導能力和創新能力的專業棟梁。當前，傳統土木工程專業學生課程教育的目標通常為掌握土木工程領域堅實的基礎知識和系統的專門知識，了解本行業的發展趨勢，能夠運用合理方法解決工程實際問題，具備獨立從事（領域內某一方向）技術工作的能力。而智能建造專業的課程目標應在傳統土木工程專業課程目標的基礎上大力拓展學生了解國內外土木工程學科理論、設計與應用的前沿性知識，明確土木工程行業智能系統的發展趨勢，緊緊圍繞智能建造技術在土木工程結構物的設計、建設、監控、養護等環節進行應用創新，培養學生掌握分析土木工程結構物的智能方法，提高對實際工程進行智能化分析的創新能力。全面開展土木工程智能建造技術研發與實踐，推動培養模式改革，是土木工程學科的新型發展趨勢。

二、國內外調研

為滿足新工科建設對人才的大量需求，以同濟大學為首，截至2021 年6 月，國內共有24 所高校成功申報智能建造專業，如圖1 所示，其中985 高校3 所，211高校3 所，無論是研究型大學、應用型大學還是研究/應用型大學，教育部均鼓勵申報該專業。大部分高校依托土木工程專業，而少部分高校依托工程管理專業，開設智能建造專業。還有相當多的高校較為嚴謹，僅在土木工程專業內新設立一個智能建造方向，或是在工程管理專業內新設智能建設管理方向。

圖1 開設智能建造專業的高校

目前，智能建造專業是我國為提高國際競爭力而形成的一個新型工科專業，國外高校并未設置智能建造專業。為了更好地呈現國內外高校土木工程學科課程設置的差異性，本文選取了四所國內開設智能建造專業的高校與四所國外頂級的土木專業強校，通過對比分析，找出國內相關院校人才培養的切入點。

表1 為國內開設智能建造專業高校的課程設置情況。由表1 可見，各高校智能建造專業雖然課程設置有所差異，但總體培養方向都是一致的，均以土木工程為主干學科，融合了計算機科學與技術、機械工程、控制科學與工程等基本學科，打造面向工程與未來科技發展的學科交叉培養模式。與傳統土木工程專業相比，智能建造專業知識面更廣，學生需要掌握的技能更多，更能適應未來社會的發展需求。

表1 國內開設智能建造專業高校課程設置

表2 為國外著名土木工程強校課程設置情況。由表2 可見，國外高校強調大類通識教育，重視培養高級復合型研究人才，雖未開設智能建造專業，但在土木專業課里開設了較多的結構設計及分析類課程，強調結構分析的計算機軟件應用，注重培養學生的創新思維能力與信息化技能。在調研時發現，新加坡國立大學采用了“虛擬島計劃”，學生在自己的計算機上創造一個虛擬島，大一大二時在島上進行基礎設施規劃，例如搭建橋梁、鋪設道路、布置房屋建筑等，大三大四時對它們進行模擬施工或者設計，通過這一方式既能提高學生的計算機操作能力，又能培養學生學習興趣，并對土木工程領域有更為深刻的認識。且國外絕大多數高校與企業合作辦學，派遣學生到校外企業實習，為學生打造一個實踐平臺，有利于學生實現從學校到社會的接軌，值得許多國內高校參考學習。

表2 國外著名土木工程強校課程設置

目前，國內各高校在智能建造專業的建設過程中難免會面臨一些困惑，例如智能建造專業的學科范式和專業內涵是什么，如何定位培養模式與人才培養目標，如何打破不同學科之間的壁壘進行知識體系和課程設置，如何創新教學方法與授課形式，如何跨越專業和學院的藩籬重構教學組織模式，如何對這一新型交叉學科的培養方式進行考核評價，畢業生能否滿足“智能化”的要求等都是亟待解決的問題，目前為止還沒有成熟的經驗可以借鑒。另外，高校學生（特別是研究生）的培養質量與師資隊伍的建設息息相關，但大部分高校的師資力量對智能建造技術還比較陌生，傳統知識結構亟待更新，難以有效地指導研究生開展相關的學術研究和實踐活動，預期的人才培養目標完全實現是較為困難的。因此，智能建造專業需要制定合理的人才培養方案，為我國新工科建設發展助力。

三、智能建造專業人才培養建議

筆者結合各高校智能建造專業的實際情況與國內外調研，總結得出了以下幾條智能建造專業的人才培養建議。

（一）結合本校特色開設不同專業方向

古人有云，“術業有專攻”，智能建造專業涵蓋多種學科知識，要想多者兼顧，在每門學科上都深入鉆研，完全可以說是在培養“超人”，這種超能力是一般學生所不具備的。每所高校都有自己的強勢專業方向，應以土木工程專業知識為主干，橫向交叉信息、管理、機械、電氣等專業知識，但切忌貪大求全，應結合本校特色確定交叉哪些學科的哪些知識，并最終落實到具體建造對象的具體建造過程中去。除了通識課與專業基礎課外，專業課方向通常可按照建造對象來劃分（房建方向、路橋方向、地下方向），也可按照建造過程劃分（設計方向、施工方向、運維方向），前者以北京建筑大學為代表，后者以青島理工大學為代表。唯有同濟大學是以所交叉學科來劃分方向的，學生本科畢業后均進入所交叉學科學院繼續攻讀碩士研究生學位，全球獨一家，其他高校無該條件。

在此基礎上，若以建造過程為X 軸，以建造對象為Y 軸，智能化手段（協同設計、數字管理平臺、動態施工設計、實時監控反饋等）為Z 軸，每個方向對應XYZ 空間中的某個落腳點即可。全國各高校所開設的各方向，最終必能覆蓋XYZ 空間中的所有落腳點。根據調研結果，結合福州大學既有的專業特色與科研特色，課程方向可進一步分為設計方向（重點為房屋建筑的協同設計）、施工方向（重點為盾構法隧道的動態施工控制）、運維方向（重點為橋梁的健康監測）。各高校應根據自己的培養目標與培養條件，合理開設不同專業方向，一味追求全面或者效仿其他高校，可能會導致事倍功半，得不償失。

（二）根據專業方向合理選擇開設課程

智能建造專業依托于土木工程，在設置課程時應該充分考慮土木這一特點，不能偏離工程建造這個“本”而去過分追求智能化[7]。智能建造專業課程體系的構建應以土木工程專業知識為主干，根據本校設置的不同專業方向合理選擇智能建造為輔助課程的比例設置。不同高校專業特色不同，在設置課程時不應對多學科課程進行簡單的疊加或大拼盤，課程結構應與該校的專業側重方向密切相關。同時，應注重學習智能建造的軟件分析技術，將其運用到建筑物的設計、施工、監測等環節，通過這些技術分析手段改進傳統的土木工程理論與實踐脫離的狀態，促進土木工程專業的智能化發展。智能建造可開設的課程有：計算機視覺、大數據與云計算、BIM 基礎技術、人工智能及其應用、3D 打印技術等。每位學生結合自己的專業方向，在學好土木工程專業課的基礎上合理選擇部分智能建造相關的選修課，充分利用這些智能化的平臺，對提高學生運用現代高科技手段解決工程實際問題的能力有很大幫助。待畢業時每位學生具備掌握一種（計算機、人工智能）軟件語言，驅動一個（機械、自動化）硬件設備，完成一項（土木）工程建造活動的能力。

（三）改進課程教學方式與考核方式

近些年的教學改革措施主要都是提倡教師改變教學方式，鍛煉學生主動思考的能力，將理論與實踐相結合，培養學生的綜合素質。然而，部分高校仍然遵循以往的教學模式，課堂教學依舊以教師為中心展開。現在由于融合了人工智能、大數據、物聯網等新型技術，對這一目標的實現有了很大的幫助。教師可以充分利用這一技術方法，減少講課學時，增加輔導與實驗學時，搭建一個平臺，讓學生獨立去思考、去實踐，并通過智能化的軟件完成課程設計，將課堂轉變為以學生為中心，調動學生的主動參與性，注重學生各項能力的均衡發展。

同時，土木工程學科課程教學方式可以設置得更加靈活多樣，例如開設土木類、計算機類和機械類學生的公共課，鼓勵不同專業的學生合作完成小組項目，進行不同領域的思維碰撞。知識汲取、能力鍛煉與創新精神的培養同等重要，應在校內建成設備完整的開放性實驗室供學生進行學習研究，形成實驗和理論雙重教學。有資源的高校可以和相關企業進行合作，建立校企合作的實踐教學基地，注重智能化的現代應用能力培養，讓學生親自參與到工程項目建設中去。還可以復雜工程問題為依托，面向行業領軍企業征集遴選學生畢業設計題目，緊密結合工程實踐和行業發展，匹配校內外導師，共同參與課題的指導與論文答辯考核，保障教學目標的有效達成。

采用書面考試或者課堂匯報的形式進行課程打分是較為傳統的考核方式，難以考察學生的實踐創新能力，且對學生日常學習狀態的監督較為困難，無法全面檢驗學生的學習效果。智能建造技術的普及可以改善傳統考核評價方法的不足，教師通過線上課堂互動、課后作業的提交、線上測試等方法對學生的學習效果進行多方式考核，有利于及時發現學生在學習過程中存在的各種問題，并進行提醒糾正。還可將學科競賽融入到課程考核中，鼓勵學生積極參加結構設計競賽、智能建造大賽以及“挑戰杯”競賽等，對取得優異成績的學生給予一定的課程考核加分。通過多項考核指標能夠有效評價學生的學習效果并建立反饋機制，方便學生進行自我總結與反思。

（四）加強國際交流

目前，我國智能建造技術發展迅速并且日益成熟，但國外發達國家的基礎設施建設及技術依舊處于世界領先水平，我國與國外的技術發展仍存在一定的差距。當今中國倡導、各國共建“一帶一路”，實現全球化需要與時俱進的基礎設施，而支撐全球化的基礎設施已經明顯老化、滯后。培養國際化的土木工程學科人才一直是個熱門話題，學習國外先進的新基建技術是十分必要的。

為了加強國際合作，增強各個國家之間的友誼，國內許多高校招收外國留學生，但外國留學生與國內學生的培養方案不同，生活方式也不同，在一所高校里都難以做到中外溝通，更不用說在全球化背景下同那么多國家進行交流。高校所培養的土木工程學生是國家未來從事土木行業的棟梁，因此必須要加強國際交流。在智能建造專業中可以開設對外工程方向，選擇這個方向的學生可與外國留學生一起上課，采用相似的培養方案，使這部分學生在校園內能夠和不同國家的人相處，了解東西方工程建設的差異與文化差異，并在今后的出國深造中能更好地融入國際環境，更快地學習國外高端技術。同時，學校還可以聘請外籍教師授課，提高學生的學習興趣。

（五）加強師資隊伍建設

師資力量是一所高校學科建設的重要內容，高校承擔著高質量智能建造人才的輸出與培養，因此師資力量決定了人才的質量。由于教師的知識結構有限，有些智能建造課程或許會面臨無人上課的窘境，智能建造專業的人才培養需要高水平的師資與之匹配。教師不僅應對本學科的專業知識有足夠的了解與掌握，還需要做好準備迎接新工科的教育目標，積極主動地學習本學科外的計算機視覺、BIM等前瞻性技術，調整傳統的知識體系，汲取新技能。當前，很多年輕教師在研究生畢業后直接于高校就業，雖然具備了較高的學術知識水平和科研能力，但由于沒有工作經驗，缺少工程實踐基礎，因此有必要主動同校外企業的工程技術人員進行溝通合作，提升自己的專業綜合能力。高校還應健全激勵政策，鼓勵教師繼續教育，進一步提高教師的教學與科研水平，有條件的高校可以支持教師開展對外訪學交流活動。此外，高校還可以聘請企業中同時精通計算機、機械方面技術與土木工程專業知識的優秀人才擔任學科兼職教師，建立專業齊全的師資隊伍。

四、結語

新型基礎設施建設能夠為我國經濟長期穩定發展提供有力的支撐，新基建這一國家戰略的展開，給土木行業的發展帶來了一個強大的外推力。新基建環境下，國家對智能建造的扶持力度不斷加大，為土木工程這一傳統學科注入了嶄新的血液。我國智能建造技術剛剛起步，正處于探索階段，大多通過學習國外先進技術來彌補國內技術的不足，在建造理論上仍缺乏進一步的深入探討，因此我國須不斷堅持創新發展戰略，在技術與理論上開拓思維，形成符合國情的智能建造核心體系。目前，我國已有部分高校成功開設智能建造專業，未來也將有更多的高校加入到這個行列中來，智能建造專業課程建設與培養模式還需要在未來的教學實踐中不斷地發展與完善。各高校應時刻關注行業發展現狀，緊跟時代發展步伐，培養同時具備多種優秀學科知識的高素質現代新型工科人才，推動我國基礎設施建設邁上一個新的臺階。