新工科背景下土木工程專業研究生創新實踐教學平臺構建

姚未來　劉元雪　孫濤　穆銳　田鎮華　成鑫磊

摘要：從學科導向轉向產業需求、從專業分割走向跨界融合，著力培養復合型工程人才是新工科建設的基本內涵。研究生實踐教學作為培養工科專業創造型、創新型、創業型卓越工程人才的重要環節，需立足高校新工科建設背景，緊扣研究生教育的基本理論與基本規律，對創新實踐教學模式進行探索和研究。針對當前高校實踐教學的工程性、實踐性、探究性、啟發性等缺位問題，以新工科建設為核心導向，以重大疑難工程浸入式體驗為牽引，突出學科交叉，可實現打造土木工程研究生創新實踐教學平臺。通過闡釋創新實踐教學的基本理念和討論實踐教學環節在土木工程專業研究生人才培養中的作用機制，明晰了建構創新實踐教學平臺的三大基本思想內核：突出創新，激發思維突躍；重大工程浸入式體驗，培塑工程師素養；強調前沿交叉，培育科學家嗅覺。突出學生的中心主體地位，尊重學生的個人志趣與自我職業發展定位，開展多接口模塊化實踐教學，實現了四大重構：課程體系重構、教學內容重構、教學方法重構與評價體系重構。創新實踐教學改革實施以來，前沿交叉研究順利起步，人才培養質量明顯提升，培養的畢業生深入各大軍方工程研究單位一線，正迅速成長為牽頭各項重大國防工程、履行重大作戰工程保障任務的骨干型力量，有效助推了學院土木工程專業學科的轉型升級，逐步形成工程教育新范式。

關鍵詞：新工科；土木工程；研究生；工程教育；實踐教學

中圖分類號：G643.2；TU-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2023）01-0031-08

為主動應對新一輪科技革命和產業變革，支持創新服務發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略［1］，教育部提出加快深化高校專業供給側結構性改革，以“四新”（新工科、新醫科、新農科、新文科）建設為引領，帶動高校專業結構調整優化。新工科建設是“四新”建設的“領頭雁”，是“卓越工程師教育培養計劃”2.0的核心內容和主要抓手。將傳統工程教育從學科導向轉向產業需求導向、從專業分割轉向跨界交叉融合，著力培養能力復合的卓越工程創新人才，是新工科建設的重要思想內涵［2］。

實踐是工程的靈魂與根本，開展實踐教學是培養具有深刻理論聯系實際能力的卓越工程人才的重要舉措［3-5］，研究生作為培養優秀工程人才的輸出端，實踐教學的重要性不言而喻。盡管如此，土木工程專業研究生培養中的實踐教學環節卻長期存在以下兩個問題：一是缺乏重大工程項目的常態化實踐。當前，實踐環節主要由一至兩門實驗課程代替［6］，工程項目現場實習量不足，尤其缺少重大疑難項目的見習經歷。二是實踐教學對基礎科研能力的培養作用不明顯。實驗課程主要開展驗證性實驗，試驗規律、現象、結論基本已提前知曉，缺乏探究性與啟發性，與研究生培養強調自主創新、深入探索的科研精神相悖。妥善解決上述問題，并在其過程中同時完成實踐教學的新工科改造是土木工程學科新工科建設的迫切要求。

目前，已有不少學者對創新實踐教學做了探索和研究，為解決上述問題提供了一些思路。陳杰等［7］提出構建校內基礎課程專業實驗、校內仿真模擬實驗、校內中試實驗、校外產學研實習基地的一體化實踐教學平臺；李濤等［8］在教學團隊建設、教學機制創新、科研交流體系、校企合作機制和導師科研項目等政策制度層面上對實踐教學進行了探索；張鈺等［9］提出采用“校內實踐教學中心+校外實踐教育基地”模式，形成“橫向互動循環，縱向遞進深入”的創新實踐教育體系；陸怡等［10］闡述了現代工程中心實踐教學平臺建設的原則，提出在構建新型工程實踐教學體系基礎上，建設現代工程中心實踐教學平臺。上述研究立足人才培養整體視角，對創新實踐教學的總體方案與行動路徑進行探索［10］，實現了工程實踐的制度化保證，有助于解決現場實習工作量不充分的問題。然而，對新工科核心思想的體現仍顯不足，學科交叉融合、立足新經濟與新產業［11］等方面未得到充分彰顯。

呂慶功等［12］基于國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設與應用背景，構建鋼鐵生產全流程虛擬仿真實踐教學平臺，對軟、硬件系統與運行場景行了展示；黃文濤等［13］建設了機械工程學科實踐教學平臺，對傳感及測試技術實驗子平臺、數字化制造技術實驗子平臺、機器人技術實驗子平臺、微納米測量技術實驗子平臺和汽車零件與大型曲面精密成型實驗子平臺的硬件設施條件做了詳細分析；朱興動等［3］構建了艦船光電裝備工程實踐教學平臺的體系結構，對其所包含的艦船光電裝備模擬器、維修管理信息系統、虛擬控制臺等硬件平臺做了詳細闡述。上述研究對實踐教學實施條件的建設升級做了探索，為教學平臺深入開展科研試驗，培養學生科研素養提供了支撐和保障。然而，也應注意到，上述研究體中的教學內容、能力目標、價值引領、培養導向等方面并未明顯突破傳統工科界限，設施系統的先進精良化并未服務于新工科建設。

以上分析表明，現有研究成果雖對解決當前土木工程專業研究生實踐教學中存在的問題有一定幫助，但并未形成強大合力實現推動實踐教學向新工科發展方向建設發展。基于該現狀，本文以新工科建設為總體導向，以解決目前實踐教學存在的問題為目標，注重課程教學結構優化和質量保障，專注對研究生培養規律的探索，以構建土木工程專業研究生創新實踐教學平臺。

一、創新實踐教學的理論基礎

（一）創新實踐教學的基本理念

實踐是馬克思主義哲學的基本觀點［14］。科學研究是對客觀世界認知、探索、改造的過程，遵循“認識—實踐—再認識—再實踐”的往復循環模式。研究生創新能力和科研素養的形成，理論學習是基礎，深度思考是關鍵，實踐感知是根本，三者相互滲透，不可分割。工科專業研究生培養應突出產學合作，基于實際項目和任務教學，強調“做中學、做中探究”的理念［15-17］。美國教育學家杜威認為：“當一個人將觀點告訴另一個人時，對聽者而言，已不再是觀念，而是降格為一種事實。僅有當他親身考慮問題的種種條件，并尋求解決方式時，才算真正的思維。”［18］對于研究生培養而言，教學不應是知識的直接灌輸，需要學生在實踐活動中完成經驗和知識的自主建構。

同時，教育教學不僅應從教育者的視角出發，還需立足學習者的視角，強調學生的主體中心地位。哈佛大學心理學家加德納提出的“多元智能理論”認為：不同學生的智能輪廓、智能傾向不同，應倡導以學生為中心的因材施教，就學生的差異性做出恰當反應［19］。實踐教學看似是某個教學班級的集體行為，實質上卻是每個人的實踐。相比而言，研究生的心智相對成熟，已經初步制定了職業規劃，以包容態度接受個性化、多樣化的智能維度，尊重學生的個人思維特征和興趣志向，突出學生的中心地位，是創新實踐教學教育理念的體現。

（二）實踐教學在研究生人才培養中的作用機制

土木工程專業研究生的培養主要包括前期學習、論文開題和論文研究三個階段（圖1）。前期學習階段包括一定總學分要求的課程學習和課余時間零星參與的非系統性科研活動（如協助高年級學生開展試驗等）。其中，課程學習包括理論課程（公共專業課、專業學位課等）和實踐課程（實驗、實操等）的修習。論文研究包括試驗開展、理論分析、結果討論、結論凝練、撰寫論文、參加答辯等，該階段是具有明確目的和能動性的科研實踐過程。

從攻讀學位視角來看，前期學習階段應服務于后期科研實踐階段。通過前期學習，學生應明確如何開展科研活動，形成達到最低閾值的基礎科研能力，使“科研發動機”被順利啟動。隨著科研實踐向縱深推進，科研能力穩步提升，成果逐步出現，直至完成學業。前期學習階段的理論課程知識擴充，可為科研實踐階段提供理論指導。實踐課程，一方面通過感官、行為刺激加深對專業理論知識的理解；另一方面可實現提高操作性技能（儀器操作、數據提取、誤差分析等）水平，對后期科研實踐具有直接促進作用。從研究生職業規劃視角來看，土木工程專業與工程實踐緊密關聯，教學科研、工程設計、施工組織等目標均是服務于實際工程建設。

二、創新實踐教學平臺的思想內核

為彰顯創新實踐教學基本理念，著力解決教學中現存問題，實現實踐教學向新工科方向發展轉型升級，本文遵循實踐教學在研究生人才培養中的作用機制，提出建構創新實踐教學平臺，以更新現有實踐教學模式。創新實踐教學思想內涵，即增強實驗課程探究屬性，著力培養基礎科研技能；制度化、常態化落實重大工程見習活動，聚力培養具有理論聯系實際素養的工程師；瞄準新工科前沿方向，強化交叉領域科研，大力培養學生的科學家“嗅覺”。

（一）增強實驗課程探究屬性，著力培養學生基礎科研技能

理工科專業實踐訓練以理性著稱，在形式上雖體現邏輯性和嚴密性。重大成果的背后往往強調創造、直覺、頓悟等非理性的思維突躍，非理性心理活動如同智慧火種，盡管早期微弱，但卻經常預示著重大突破的出現。當前，互聯網技術迅速發展，許多基礎性、重復性工作已由電腦代替，科研工作的核心越來越聚焦于研究人員的創新性思維培養。學院創新實踐教學平臺摒棄傳統實驗課驗證性實驗模式，轉向以教師主導、學生為中心的探究性實踐實驗教學，重視精準捕捉關鍵科學問題、設計創造性研究方案等活動的思維過程，鼓勵學生大膽假定和群體頭腦風暴，激發學生探索熱情，以著力培養其創新能力。

（二）重大疑難工程浸入式體驗，培育學生工程師素養

隨著我國西部大開發戰略持續推進、城市化進程進一步深化和國家級重大地下基礎設施建設快速展開，當前正面臨深部高應力地下工程安全性評估與設計優化、高陡邊坡穩定性問題、高放核廢物深地質處置安全性問題、深部巖體分區碎裂化的演化機制等工程技術難題［20］。妥善處置各種疑難工程問題是國家戰略對建筑產業界提出的要求，也是對培養具備深刻理論聯系實際能力和具有豐富工程、科研經驗的新工科卓越人才的迫切需求［21］。學院創新實踐教學平臺以此為契機，以重慶市多個重大地下工程項目為教學實踐依據，安排研究生參與部分項目，開展浸入式實踐教學，以實現聚力培養學生工程師素養的目標。

（三）強化交叉領域科研，培育學生的科學家“嗅覺”

立足新經濟與新產業，緊跟前沿技術發展方向，更新工程人才知識體系是新工科建設的核心思想之一。當前，以互聯網和工業智能為核心，傳統工科與大數據、云計算、人工智能、機器人等新領域相互融合，出現了交叉研究領域，如圖像科學與工程、生物機械電子工程、智能交通工程等。土木工程領域也出現了利用大數據、云計算手段開展巖土材料本構建模、地下結構健康監測、地質災害預警等新興研究課題和現實工程項目。

創新實踐教學平臺依托學院承擔的交叉研究課題，使研究生在前期課程教學階段直接參與前沿科研活動。一方面，有助于學生基礎科研素養的積淀；另一方面，使學生能夠親歷科研創新路徑，練就前瞻性視角，培育創新嗅覺，對后期科研學習具有啟發性意義。

三、創新實踐教學的實施方案

（一）構建多接口模塊化教學平臺

構建模塊化實踐教學平臺，預留多樣化人才培養接口。尊重學生興趣，以學生為中心，實行個性化模塊組合，創新實踐教育方式與手段。創新教學平臺分為三大模塊，即經典實踐模塊、工程實踐模塊、前沿實踐模塊（圖2）。

經典實踐模塊以現有實驗課程內容為藍本，在高等巖土塑性力學經典試驗項目基礎上，進一步開展探究性實驗教學。涉及內容主要包括多應力路徑三軸壓縮試驗、土體循環荷載動力試驗、非飽和土干濕循環試驗、復雜工況的空心扭剪試驗等，要求在熟悉試驗操作方法的基礎上，突破驗證性試驗范疇，開展1～2個原創性探究試驗。如在深入理解巖土材料基本特性后，設計研究多種力學特性的復雜性試驗：開展改進的三軸試驗，設置變化的荷載邊界條件（圍壓變化、軸向加載方式變化等），探究真實受力條件下的土體力學特性；參考國際先進的工程教育CDIO模式［22］，歷經構思（conceive）、設計（design）、實現（implement）、運作（operate）全過程，引導學生關注新現象和新結果，觸發新討論和新分析，注重積累基礎科研能力，培養科研直覺和激發思維頓悟。

工程實踐模塊以重大工程項目為教學背景，帶領學生親赴工地現場，浸入式參與實地勘測、實地調查、實地討論、實地協商等工程活動。科學研究講求客觀，力求排除主觀人為因素，探尋自然界本真規律。工程項目作為人工物，要求從理想簡化回歸現實完整，需要對現場環境因素、人為因素、社會因素等方面進行考慮。實踐模塊強調感知現實條件的完備性、復雜性和不確定性，要求學生深刻理解科研課題與工程項目、理想簡化與現實完整之間的差異。如課題組帶領學生參與了重慶市兩江大橋渝中連接隧道與解放東路接口工程的建模分析工作，評估了該工程對附近銀行、醫院、住宅等既有建筑物的影響，并對不同隧道施工方案下附近建筑物的響應開展了對比分析。學生親身參與現場巡查、模型計算與評估、項目協調與討論等實際工程活動，學習專業工程人員對實際工程問題的處置思維，進而實現培養學生工程素養的目的。

前沿實踐模塊主要是帶領學生參與已獲立項的交叉領域課題。上述經典實踐模塊雖已要求學生開展探究性試驗，但研究內容規模有限，屬于專題性、局部性研究。相比之下，前沿實踐模塊中的正式科研項目具備更加齊全的研究要素。教學團隊依托重慶市自然科學基金項目，帶領研究生參與了對重慶市涪陵區王爺廟等大量滑坡問題的數據分析研究，以及利用人工智能、機器學習等手段實現了災害大數據特征提取和滑坡預測模型建立。該實踐模塊內容涉及巖土力學與大數據信息化監測、巖土工程與石油工程物理機制耦合等交叉學科前沿，對指導學生后期學位論文選題和確定科研職業生涯研究方向都具有重大參考價值。

研究生教育屬于高層次人才培養，應兼顧學生能力培塑、個人志趣和職業規劃。三大實踐教學模塊允許按照一定規則實現彈性組合。經典實踐模塊主要涉及專業經典內容，為培養基礎性專業素養而設計，是必選模塊；工程實踐模塊偏向于工程師素養的培塑，為志向成為工程專業人才的學生預留工程師接口；前沿實踐模塊偏重于正規化科研素養的培塑，著力培養前瞻性眼光和科研嗅覺，為志向成為科研專門人才的學生預留科學家接口。工程實踐模塊、前沿實踐模塊以課程多樣化彈性搭配的方式順應學生志向，體現以學生為中心的創新教學理念。

（二）課程實施與考核

在保證對原有人才培養方案整體性不構成影響的前提下，對原有實踐環節的2門實驗課程進行整合重構，變為1門必修的創新實踐課程，總學時仍控制在60～70學時。制定“基礎—綜合”的兩階段實踐教學方案（表1），“基礎”環節（創新實踐I）開展經典實踐模塊教學，分配25～30學時；“綜合”環節（創新實踐II）開展工程實踐模塊或前沿實踐模塊教學，分配40～45學時。巖土專業研究生前期課程教學通常安排2～3個學期，創新實踐基礎環節安排在第1學期（第一學年上半期），綜合環節安排在第2或第3學期（第一學年下半期或第二學年上半期）。其中，綜合環節中的工程實踐模塊與前沿實踐模塊會錯開教學時間，以為自我要求嚴格、志向遠大、學有余力的學生預留全選全修的機會。

為強調對研究生書面撰寫、成果展示與交流能力的培養，考核方式主要采用提交書面報告和匯報答辯的方式。其中，基礎環節主要考核開展探究實驗的情況，要求提交實驗報告（成績占比40%），并匯報展示創新探究過程，回答教師質詢（成績占比60%）。綜合環節中工程實踐模塊，主要考核學生對重大工程項目現實條件、問題解決、推進過程等方面的理解，提交項目報告（成績占比40%），展示工程實況，回答教師質詢（成績占比60%）；綜合環節中前沿實踐模塊，主要考核學生對交叉領域新技術、新進展、新應用、新問題等方面的理解，提交研究報告（成績占比40%），展示研究成果，回答教師質詢（成績占比60%）。綜合環節全修全選的學生需同時參加工程實踐考核、前沿實踐考核，即提交項目報告、研究報告，參加兩次答辯。

四、創新實踐教學的成效

土木工程是中國人民解放軍陸軍勤務學院歷史最悠久、綜合實力最強的專業之一。研究生培養創新實踐教學改革以來，推進了學院土木工程學科群的進一步轉型升級，專業學科的新工科屬性日益突出，在人才培養、教學科研等方面均取得了突出成果。前沿學科交叉領域，教學團隊獲國家自然科學基金資助項目1項、重慶市自然科學基金資助項目1項、重慶市教育委員會資助項目2項。培養開展巖土力學與大數據交叉領域研究的博士研究生4名、碩士研究生6名，在《巖土力學》《巖土工程學報》等專業領域頂級期刊發表論文10余篇。培養的畢業生深入各大軍方工程研究單位一線，正迅速成長為牽頭各項重大國防工程、履行重大作戰工程保障任務的骨干型力量。

五、結語

本文以新工科建設為背景，突出新工科目標導向和價值引領，深入剖析實踐教學在人才培養中的作用和地位，以重大工程案例、前沿交叉研究課題為牽引，強調實踐教學的探究性與啟發性，建構創新實踐模塊化教學平臺，對土木工程專業研究生實踐教學模式進行重構和升級，在解決實踐教學當前存在的問題同時，完成了新工科改造。實踐教學改革以來，學院前沿交叉科研順利起步，研究進程逐漸向縱深推進，對研究生人才培養、學生知識結構體系更新做出積極貢獻，助推學院土木工程專業向科研前端方向轉型重塑。

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Construction of innovative practice teaching platform for postgraduates majoring

in civil engineering under the background of emerging engineering education

YAO Weilai， LIU Yuanxue， SUN Tao， MU Rui， TIAN Zhenhua， CHENG Xinlei

（Department of Military Facilities， Army Service Academy of Chinese Peoples Liberation Army， Chongqing 401311， P. R. China）

Abstract： From subject orientation to industry demand， from professional division to cross-border integration， and focusing on cultivating compound engineering talents is the basic connotation of emerging engineering education. As an important part of cultivating creative， innovative and entrepreneurial outstanding engineering talents in engineering majors， postgraduate practical teaching needs to be based on the background of emerging engineering education in colleges and universities， closely follow the basic theories and basic laws of postgraduate education， and explore and research innovative practical teaching models. In view of the lack of engineering， practicality， inquiry， and inspiration in practical teaching in colleges and universities， taking the construction of emerging engineering disciplines as the core orientation， the immersion experience of major and difficult engineering as the traction， highlighting interdisciplinary subjects， an innovative practical teaching platform for the training of civil engineering graduate students can be established. By explaining the basic concept of innovative practical teaching and discussing the mechanism of practical teaching in the cultivation of civil engineering postgraduate talents， the three basic cores of constructing innovative practical teaching platforms are clarified： highlighting innovation， and stimulating thinking leaps; immersing in major projects experience， and cultivating the literacy of engineers; emphasizing cutting-edge intersection， and cultivating the sense of smell of scientists. Highlighting the central subject position of students， respecting students personal interests and self-professional development orientation， and carrying out multi-interface modular practice teaching， four major reconstructions are realized： curriculum system reconstruction， teaching content reconstruction， teaching method reconstruction and evaluation system reconstruction. Since the implementation of innovative practice teaching reform， cutting-edge interdisciplinary research has started smoothly， and the quality of personnel training has improved significantly. The graduates trained have gone deep into the front lines of major military engineering research units， and are rapidly growing into leading various major national defense projects and performing major combat engineering support tasks. The backbone force has effectively promoted the transformation and upgrading of the civil engineering discipline of the college， and gradually formed a new paradigm of engineering education.

Key words： emerging engineering education; civil engineering; postgraduate; engineering education; practical teaching

（責任編輯 崔守奎）

修回日期：2022-02-21

基金項目：重慶市高等教育教學改革研究項目（213503；193352；202133；203550）

作者簡介：姚未來（1990—），男，中國人民解放軍陸軍勤務學院軍事設施系講師，博士，主要從事結構防護工程研究，（E-mail）1131015227@qq.com;（通信作者）劉元雪（1969—），男，中國人民解放軍陸軍勤務學院軍事設施系教授，博士生導師，主要從事巖土塑性力學和結構防護工程研究，（E-mail）lyuanxue@vip.sina.com。