新工科背景下融合信息技術的土木工程教學實踐創新

劉占省　李安修　杜修力　張建偉

摘要：新工科教育的提出，旨在促進學科之間的交叉融合，革新教育理念與模式，為國家培養多元化、創新型的工科人才，滿足行業對工科人才的要求。土木工程專業亟需在新工科發展的背景下尋求創新并進行改造升級，智能建造專業的建設與推廣沖擊著土木工程專業這一傳統的工科專業，但同時也為土木工程專業信息化建設帶來了機會。基于國家戰略要求，針對土木工程專業知識滯后、本研隔斷等教學問題，以新工科背景下人才能力培養要求為出發點，依托北京工業大學土木工程學科優勢，將信息化技術融入土木工程課程體系、教材體系、實踐創新培養體系等各方面，進行土木工程教學實踐創新。根據北京工業大學城市建設學部土木工程專業的改造升級要求，不斷總結與歸納教學經驗，以激發學生的學習興趣和拓寬學生視野為教學目的，建立了融合信息技術的土木工程課程體系；融合VR等技術自主編寫了多元立體化BIM技術系列教材，增強了學生對知識的理解能力；充分利用企業優質教學資源，搭建新工科背景下校企多方協同育人平臺；注重科教融合，創新“學生競賽-科技創新-教師科研”的交互模式。在具體的教學實踐中，取得了良好的效果，為培養創新型工程人才提供了有力支撐，為傳統土木工程學科改造奠定了基礎。

關鍵詞：新工科；土木工程信息化；人才培養；工程教育

中圖分類號：G642.0；TU-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2023）01-0015-09

建筑業作為我國的支柱行業，隨著時代的進步正在不斷壯大，在信息化時代的大背景下，制造業智能化水平大幅提升，形成了一套智能化生產運營系統，而建筑業發展緩慢，還處在起步階段。近幾年，國家大力推廣BIM、物聯網、大數據、數字孿生、人工智能等信息技術在工程項目中的集成應用， BIM等信息技術在實際應用中也取得了眾多成果。相應地，企業對創新型信息化工程人才的需求激增。

伴隨信息化技術的快速發展，新一輪科技革命和產業革命蓄勢待發，建筑行業正在由手工化、機械化向信息化、智能化過渡。建筑行業走向信息化、智能化，單靠傳統學科是很難實現的，學科交叉融合已逐漸成為發展趨勢。創新作為驅動力，正成為國家發展的核心，國家間的競爭終歸是技術創新的競爭［1］。面對以新技術、新服務、新產業、新模式為特點的新經濟發展形式［2］，現有的人才培養方式與國家發展需求出現了相矛盾的地方，在這樣的情況下，適時提出新工科建設。在新工科要求下，高校必須深化教育改革，構建具備新理念、新結構、新模式、新質量、新體系的工程教育，培養滿足行業需求、高質量的創新型工程人才，找到契合時代發展要求的全新人才培養方案。

在新工科背景下，創新型工程信息化人才匱乏，傳統土木工程專業如何改造升級是高校面臨的重要問題。同時，高校土木工程專業傳統教學體系暴露的問題逐漸增多［3-6］：（1）新知識呈指數級增長，現有工程知識陳舊，與社會發展需求脫節，滯后于建筑行業發展需求且缺少企業所需的核心課程體系；（2）本科生和研究生的培養體系相互獨立，只顧夯實本科生的基礎知識，而不注重其科研能力的培養，從而忽視了研究生與本科生之間的培養關系。實質上，研究生的培養應對本科生教育起引領作用，本科生教育應為研究生科研能力的培養奠定基礎；（3）網絡化、信息化發展導致教學方法和模式、教學環境和條件、教師的需求和結構等不相適應。

北京工業大學城市建設學部意識到將BIM等信息技術融入土木工程課程體系的重要性，以此為出發點構建新工科背景下土木工程專業教學實踐創新模式。將信息化技術引入土木工程課程體系，其教育理念符合國家發展戰略需求。在保證傳統課程正常開展并確保學生擁有扎實基礎知識的情況下，信息化技術作為一門課程及一種教學手段融入土木工程課程體系可以激發學生的學習興趣，拓展學生的視野，全面提高學生的實踐創新能力，從而為學生走向社會奠定基礎，提高人才培養質量。北京工業大學城市建設學部提出的土木工程專業教學實踐創新模式已在實際教學中取得了良好效果，可為同類院校土木工程專業建設提供新思路。

一、專業發展概況

北京工業大學城市建設學部以創新為驅動力不斷追求更高的教學品質，緊跟國家的發展步伐，積極響應國家號召。土木工程專業發展至今，始終以建設世界一流學科為目標，不斷更新教育理念，開發優質教學資源，以培養更高質量的工程人才。北京工業大學土木工程學科發展概況如圖1所示。目前，北京工業大學土木工程專業在教育部最新一輪的學科評估中位列前5%，并入選國家“雙一流”建設學科。

北京工業大學城市建設學部擁有優越的教學資源和條件。面向工程研究的重點實驗室面積約5 000 m2，擁有完備的配套實驗設備和儀器，實驗設備1 300余套，總價值7 000余萬元，實驗平臺優越，并擁有較強的技術力量。在此基礎上，學部籌備建立了國家級虛擬仿真實驗教學中心，進一步豐富了教學資源。

在信息化浪潮中，以物聯網、大數據、云計算、人工智能為代表的新一代信息技術，正在催生新一輪的產業革命［7］。隨著建造業不斷轉型升級，對信息化人才的需求急劇增長。為滿足這種人才需求，順應新工科建設大勢，北京工業大學城市建設學部于2019年獲批成立智能建造專業。智能建造專業對現有的教學資源進行整合，并將全新的信息化技術和先進的設備引入土木工程學科。同時，廣泛吸納在BIM、智能算法等方面實踐經驗豐富的教師，組建智能建造與工程管理研究所，開辟BIM、數字孿生、人工智能等技術在工程項目中應用集成的特色研究方向。在研究開展過程中，形成了一系列智能建造應用于實際工程的理論體系與方法，極大地推動了智能建造技術的發展，產生了良好的社會影響。

依托上述學科建設的優勢與優良的教學資源，促進傳統土木工程信息化改造升級，為培養創新型信息化土木工程人才提供了有力支撐，在教育教學改革的探索中，貢獻“工大”力量與智慧。

二、融合信息技術的土木工程教學實踐創新方案

針對傳統人才培養模式問題，以推動土木工程專業轉型升級為核心，以建筑行業需求為驅動力，將BIM等新興信息技術融入本科生和研究生的培養體系中。面向新工科人才需求［5］，從專業能力、通用能力和綜合素質3個方面出發構建多維多元化的土木工程教學創新體系。融合新工科人才能力要求的土木工程教學實踐創新方案如圖2所示。

（一）建立融合信息技術的土木工程課程體系

BIM、物聯網、人工智能等技術迅速發展，沖擊著傳統的土木工程學科，但也為其發展帶來了機遇。面向建筑行業的人才需求，將BIM、三維掃描、物聯網、人工智能等信息技術引入土木工程課程體系十分必要［8-9］。在土木工程課程

體系改造的過程中，堅持以傳統專業課程為基礎，在學生扎實掌握工程基礎知識后，新增土木工程信息化管理、智能建造案例分析、BIM實操技術等課程并制定了相應的教學大綱，明確教學內容和目標。同時，基礎知識學習與實踐能力培養雙管齊下，傳授學生BIM系列軟件操作技能，深入探索案例教學法、項目驅動法等教學方法［10］。以土木工程認識實習課程為例，進一步說明信息技術如何融入土木工程課程體系，如圖3所示。

認識實習課程開設的目的是提升學生對土木工程專業的認知，增加對所學習專業的了解。將主流的信息技術融入認識實習課程是一個循序漸進的過程，首先，在學生具備一定專業知識的基礎上，以案例學習的方式使學生了解新興信息技術的應用原理，然后去企業實地參觀，最后實際操作學習。這既是由理論到實踐的過程，又是學生知識拓展的過程。

（二）自主編寫多元立體化BIM技術系列教材

目前，土木工程專業將信息化技術融入課程體系中的一大障礙是沒有配套的教材且沒有與信息技術相匹配的教學資源［4，11］。針對教材匱乏問題，立足新形態、新理念、新模式、新內容，組織經驗豐富的教師編寫BIM技術系列教材。堅持學生自主學習的理念，契合信息化發展趨勢，不斷擴展教材知識點，在教材中以印刷二維碼的形式附載與知識點相關的動畫、模型等，并貫穿大國工程項目介紹，注重教材內容的拓展；突破紙質教材的局限性，充分發揮互聯網技術的優勢，將課程標準、教學動畫、習題及答案、VR和AR展示等在線課程資源與紙質教材充分融合，形成“紙質教材+在線課程+服務平臺”的多元立體BIM教材體系，構建教材內容展示新形態，教材新形態使教學時空得到延展，從而形成“課堂教學+線上交流+服務平臺實訓”的教學新模式。教材內容與技術發展緊密結合，并不斷更新、修正。

以《裝配式建筑BIM技術應用（第二版）》為例作簡要說明，以當前市場應用最為廣泛的“裝配式建筑BIM技術”為重點內容，將BIM技術與裝配式建筑兩個知識點充分結合，既注重理論基礎知識，又強調實際應用及典型案例剖析。同時，充分應用多媒體手段，使知識輸出形態更加立體化。以裝配式建筑和BIM領域的學術論文、研究報告、政策文件、會議資料和實踐案例為基礎，構建裝配式建筑BIM技術應用專業知識體系框架，以裝配式建筑虛擬仿真建設項目作為數字化教學輔助手段，從動因、主體、層次、情景和邏輯等維度系統梳理和對比分析，將裝配式建筑BIM技術應用知識歸納為“裝配式建筑層次結構（空間軸）”“BIM技術應用模塊（時間軸）”“結合應用層級”3個維度，從而確定教材編寫的邏輯體系，如圖4所示。

（三）搭建新工科背景下校企多方協同育人平臺

積極響應教育部“產學合作、協同育人”號召，探索實際生產、課堂教學、科研創新結合的人才培養新模式。學校具有優質的師資力量和實驗平臺，企業具備完善的實踐基地，充分整合學校與企業的教學資源，發揮校企合作優勢，培養學生的實踐創新能力。

（1）建立雙導師制度。聘請企業中工程經驗豐富的工程師作為學生的校外導師，為學生提供實踐動力與平臺支撐，培養學生的自主學習意識與實踐能力。

（2）校內外教學資源整合。企業擁有實際的工程項目，學生可直接去企業實習，真切感受現場情況，熟悉BIM系列軟件的操作方法和現場工作流程。北京工業大學擁有土木工程國家級實驗教學示范中心、土木工程國家級虛擬仿真實驗教學中心等優質教學資源，引入3D打印機、VR、MR等先進設備，將虛擬仿真與現場實踐相結合、相補充，建立了適用于本科生工程、科研素質培養的新型實驗教學共享機制。企業提供的實踐平臺配合學校的實驗資源可促進學生不斷發現問題，并提高解決問題的能力，有利于學生科研素質的培養和實踐創新能力的提升。校企多方協同育人平臺如圖5所示。

（四）創新實踐“學生競賽-科技創新-教師科研”的交互模式

北京工業大學城市建設學部積極探索“學生競賽-科技創新-教師科研”的交互模式，三者之間相輔相成、關聯密切，可有效推動科研成果的轉化。學部積極引進與BIM、人工智能、數字孿生、物聯網等信息技術相關的橫向、縱向研究課題，以任務驅動的方式鼓勵學生與教師積極參與科研課題，不斷開拓新的研究領域和新的研究思路。以實際項目為依托，為學生創造參與信息技術相關競賽的條件，將學生競賽和教師科研相結合，為學生將所學理論知識轉化為實踐提供機會。通過參加競賽發現研究中的不足之處，還可進一步拓展新的研究思路。除此之外，為吸引更多學生參與BIM等信息技術的學習，以成立社團的方式促進學生交流學習。“學生競賽-科技創新-教師科研”交互模式如圖6所示。

三、教學實踐創新方案實施效果

（一）以信息化技術為手段進行土木工程教學體系改革

1.激發學生對專業的學習興趣

在平時的教學中，融合現代信息化技術，鼓勵學生接觸前沿研究領域，讓學生不再單純與文字、數字打交道，提升學生的認知，全新的課程體系帶來新的課程內容體驗，結合新的培養理念，激發學生對專業學習的興趣。

2.幫助學生確定職業規劃

緊密結合社會對土木工程技術人才的需求，新增的BIM實操課程內容將BIM技術在不同領域的應用進行劃分，并

詳細講解

不同領域的人才培養目標，分析其就業前景。在提高學生實踐意識的同時，引導學生做好職業規劃，使學生進一步了解信息化技術對土木工程專業發展的意義。

3.激發學生創造力與家國情懷

以個性化通識核心課程智能建造技術與工程案例分析為例，提供熱點技術、交叉領域技術等短課時探究項目，學生按興趣選擇項目模塊，進行探究性實踐。創新課程教學方式，打破學科壁壘，以公開課、講座與培訓、大學生創新項目等方式，使學生從多角度驗證所學的專業知識，擴展思維，激發創造力。同時，通過智能建造工程案例及大國工程講解，使學生了解土木工程發展現狀，激發學生的責任意識與家國情懷。

（二）以BIM相關教材的編寫推動BIM技術學習

自主編寫的BIM教材不僅解決了相關教材缺乏的問題，同時在社會上也引起了強烈反響。

其中，《智能建造概論》為國內第一本與智能建造專業相關的指導教材，《BIM技術概論》《BIM應用及項目管理》均被列為工信部BIM技術人才培養專用教材，圖7為部分教材封面。《BIM案例分析》《BIM項目管理》為“十三五”國家重點出版物出版規劃教材、工業與信息化領域急需緊缺人才培養工程專用教材；《裝配式建筑BIM技術應用》為普通高等院校土木工程專業“十三五”規劃教材，為本科、專科和高職院校提供了BIM教材。除此之外，隨著建筑工業化的推進，響應國家號召，相繼編寫了《裝配式建筑BIM技術概論》《裝配式建筑BIM技術操作實務》，為專業技術培訓和本科教學提供了專用教材。

（三）建立協同育人和實踐能力培養體系

深入推進協同育人。目前已建成布局合理、相對穩定的校外實踐教育基地多個，派出專家聯合指導學生畢業論文和實習實踐，協同開展科學研究、成果推廣和技術培訓，將科教融合

落實到促進經濟社會發展中，輻射到培養高素質創新人才上，有效推動校企等多方協同育人模式的發展。

校企聯合實施培養，確保學生有機會對學習到的理論知識進行驗證，提高動手能力，讓學生了解工程實踐和理論學習的關系，清楚建筑行業對土木工程人才的能力要求。在實踐中，學生可有目的地提高技能，從而提升就業競爭力。另外，利用企業的實習平臺，學生可以在現場發現科研需求，獲取第一手數據，有利于科研工作的展開。

通過引入先進的信息化設備，如VR眼鏡、MR頭盔及3D打印設備等，學生可以展開BIM等信息技術實踐學習。先進的信息化設備使教師講解的抽象內容更加具體形象，學生可以深入理解信息化技術的相關知識。借助信息化設備，教師將實際項目引入實踐，學生利用BIM系列軟件、VR設備等對工程項目進行虛擬仿真、進度模擬、工程量計算等，既達到了實踐目的，又輔助工程項目開展，增進學生對所學知識的理解，充分調動了學習積極性。通過智慧性、互動性、沉浸性和高效性的實驗教學方式，利用先進的信息化設備，學生可探索不同信息技術之間的集成原理，擴展思維，迸發創新活力。

校企合作育人模式提升了學校的社會影響力。在保證學校內部實訓教學任務的前提下，利用自身資源，充分挖掘潛力，面向社會開展服務與交流合作。如，依托中國技術創業協會，北京工業大學牽頭成立了智慧建造學組；北京工業大學作為中國圖學學會授權的全國BIM等級考試培訓點，面向社會開展BIM應用技能培訓服務，包括開放共享學習資源、職工教育培訓、下崗人員再就業培訓及農業轉移人口職業技能培訓等，擴大了社會影響力；北京工業大學承接了多項利用BIM技術的工程項目，開展建設全過程的技術咨詢服務，在經濟效益基礎上，促進了產學研用一體化發展。

（四）“學生競賽-科技創新-教師科研”交互相融增強學生創新實踐能力

隨著BIM、數字孿生、虛擬現實、人工智能等信息技術的發展，智能建造領域的研究熱度不斷攀升。將與智能建造技術相關的課題引入科研，保證學生的研究以實際項目為依托，給予學生明確的研究方向，全面提高學生解決問題的能力，拓展學生的思路，促進多學科交叉融合。同時，以科教相融、科創相助（科：學科與科技競賽；創：創新創業能力）的人才培養理念為學生創造競賽條件，在BIM相關的競賽中取得了優異的成績，部分獲獎情況如表1所示。通過以賽促教、以賽促學，提高學生的實踐和創新能力，增強學生的團隊協作能力，縮短社會適應期，提升就業競爭力。

四、結語

基于新工科建設背景，針對傳統土木工程專業改造升級問題，圍繞創新型工程人才培養，適時建立了融合信息技術的土木工程課程體系，自主編寫了多元立體化BIM技術系列教材，搭建了校企多方協同育人平臺，創新了“學生競賽-科技創新-教師科研”的交互模式。在土木工程教學中融入信息技術的新理念，編制多元立體化BIM教材，符合傳統工科技術升級需求，

科教融合協同育人模式符合當前創新型工程技術人才的培養需求。在實踐創新方案應用的過程中，有效激發了學生的學習興趣，使學生充分認識到自身的責任感并培養了學生的家國情懷，提升了學生對土木工程專業的認知，增強了學生創新實踐能力，同時也提高了學校在社會上的影響力。

參考文獻：

［1］鐘登華.新工科建設的內涵與行動［J］.高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

［2］涂勁松，李瑞霞，周明，等.“新工科”背景下建筑信息化課程體系建設與思考［J］.武夷學院學報，2019，38（12）：88-93.

［3］郭增偉，周建庭，梁波.土木工程專業研究生創新思維和科研自信的培養方法［J］.高等建筑教育，2020，29（5）：55-60.

［4］胡夢玲，吳迪，張輝，等.基于BIM技術的土木工程專業人才培養體系創新與實踐［J］.技術與創新管理，2020，41（5）：527-532.

［5］吳琛，麻勝蘭，詹金武，等.新工科背景下國家級虛擬仿真實驗教學中心的新挑戰與教學改革實踐探索［J］.高等建筑教育，2020，29（6）：22-29.

［6］陸國棟，李拓宇.新工科建設與發展的路徑思考［J］.高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

［7］丁烈云.智能建造創新型工程科技人才培養的思考［J］.高等工程教育研究，2019（5）：1-4，29.

［8］李其林，萬玲.基于BIM技術的土木工程專業課程設計教學改革探索與實踐［J］.創新創業理論研究與實踐，2020，3（18）：41-43.

［9］郭濤，李鵬飛，鄭顯春.BIM技術優化工程類專業課程教學的實踐研究［J］.教育教學論壇，2019（49）：260-261.

［10］王艷，楊應.以“新工科”理念推進地方應用型高校土木工程專業建設與改革探究［J］.白城師范學院學報，2021，35（2）：78-81.

［11］史少華.新工科下土木專業BIM課程體系研究［J］.四川文理學院學報，2021，31（2）：54-57.

Practice innovation of civil engineering teaching integrating information

technology under the background of emerging engineering education

LIU Zhansheng， LI Anxiu， DU Xiuli， ZHANG Jianwei

（Department of Urban Construction， Beijing University of Technology， Beijing 100124， P. R. China）

Abstract： The strategy of emerging engineering education has been put forward， aiming at promoting the cross-integration between disciplines， innovating educational concepts and models， cultivating diversified and innovative engineering talents for the country， and meeting the requirements of the industry for engineering talents. The civil engineering specialty needs to seek innovation and upgrade under the background of emerging engineering education. The construction of intelligent construction specialty impacts the traditional civil engineering specialty， but it also brings opportunities for the information construction of civil engineering specialty. Based on the requirements of national strategy and the existing teaching problems of civil engineering specialty， such as the lag of knowledge and the separation of undergraduate and postgraduate education， taking the requirements of talent ability training under the background of emerging engineering education as the starting point， relying on the advantages of civil engineering discipline construction of Beijing University of Technology， the information technology is integrated into the curriculum system， teaching material system and practical innovation training system of civil engineering， and the practical innovation of civil engineering teaching is carried out. According to the requirements of the transformation and upgrading of civil engineering specialty in the Department of Urban Construction of Beijing University of Technology， the teaching experience is summarized. To stimulate students interest in learning and broaden their horizons， a civil engineering teaching curriculum system integrating information technology is established. Integrating VR technology and independently compiling a series of multi-dimensional BIM technology textbooks， students ability to understand knowledge is enhanced. By making full use of the high-quality teaching resources of enterprises， a school-enterprise multi-party collaborative education platform under the background of emerging engineering education is built. The integration of education and research is emphasized， and the interactive mode of student competition–scientific and technological innovation–teachers scientific research is innovated. In the specific teaching practice， good results have been achieved， which provides a strong support for the cultivation of innovative engineering talents and lays a foundation for the transformation of traditional civil engineering disciplines.

Key words： emerging engineering education; civil engineering informatization; talent training; engineering education

（責任編輯 周 沫）

修回日期：2022-02-14

作者簡介：劉占省（1983—），男，北京工業大學城市建設學部副教授，博士，主要從事BIM及智能建造技術研究，（E-mail）lzs4216@163.com。