農林院校智能建造專業培養體系構建

廖飛宇 涂德鋒 盛葉

摘要：

工業4.0背景下，建筑業轉型升級對復合型人才的需求推動了智能建造的發展。為響應國家發展戰略，針對現階段智能建造專業人才培養體系現狀，總結教學團隊、課程體系和實踐平臺中存在的問題及可能的解決路徑，探討如何通過跨學科合作，建立了農林特色智能建造專業。以土木專業為主體，聯合城鄉規劃專業、計算機科學與技術專業等進行多學科多專業融合，形成以鄉村民居為主體的智能測繪、智能設計、智能裝備與施工、智能監測與運維等創新課程體系。專業分為4個課程群模塊，包含14門課程和10個實訓項目，在課程和實訓項目中，均包含鄉村民居特色模塊。通過對組成智能建造專業主課程群教學模式、教學內容和教學方法等闡述，從組建教學團隊、豐富理論教學和拓寬實踐教學三個方面探討了如何構建農林院校智能建造專業培養體系。依據院校培養定位，提出基于農林院校的智能建造專業培養體系模式，突出農林特色，開展理論與實踐創新設計。教學實踐結果表明，智能建造專業達到了較好培養效果，可為農林院校相關專業人才培養提供參考和啟示。

關鍵詞：新工科；智能建造；農林特色；培養體系

中圖分類號：G642.0；TU-4? ?文獻標志碼：A? ?文章編號：1005-2909（2023）03-0032-07

近年來，在新技術驅動下，為實現建筑業高質量發展，培養滿足產業轉型升級的創新型智能建造人才，成為高校響應科教興國和人才強國戰略的新需求[1]。現階段，智能建造的培養定位、課程體系、教學組織等并未形成統一范式，很多高校仍處于摸索階段。本文針對農林院校特點，以福建農林大學為例，提出圍繞鄉村民居，通過打造4個課程群模塊，包括14門課程和10個創新實訓項目，建立具有農林特色的智能建造培養體系，以服務鄉村振興。學院間通力合作，將土木工程、交通工程、風景園林、城鄉規劃、計算機科學與技術等學科交叉融合，開展了鄉村民居測繪技術、綠色建造技術、傳統古村落民居改造技術、鄉村古建筑修繕技術等方面教學研究，以強化民居智能建造技術運用，促進鄉村人居環境升級，助力鄉村振興戰略。

一、農林院校智能建造人才培養體系現狀

智能建造專業是符合建筑業轉型升級需求而設置的。目前設立智能建造專業大部分為工科院校，農林院校較少。農林院校相較于工科院校，工科專業建設經費投入相對不足，發展時間相對較短，屬于非優勢專業，使建立智能建造專業的道路會更加困難。智能建造專業從2018年教育部審批增設以來，尚未有成熟且可以參考和模仿的專業建設體系。因此，農林院校在該專業建設完善過程中，亟需對原有教學團隊、課程體系、實踐平臺進行改革和創新，創建符合自身特征和人才發展特色需求的培養體系。

（一）缺乏與涉農專業交叉融合的教學團隊

智能建造專業作為一種新興跨學科專業，與傳統土木工程專業不同，目前存在學科交叉不夠、專業教學團隊組成單一的問題，亟須調整和改變傳統單一的土木工程教學團隊，進行跨學科交叉和專業融合。作為農林類院校，應在交叉學科中強化與涉農專業契合度，避免與工科院校同類專業同質化問題。例如，“民居智能建造”與“美麗鄉村”建設相結合，涉及包括土木工程和風景園林、城鄉規劃、計算機科學與技術等跨學科方面的專業師資，院校需要采取工工交叉、工藝聯合等方式，組織教師進行多學科、多領域交流[2]，協調各學院為開設跨學科課程儲備師資，以打破因師資不足導致的教學桎梏。

（二）缺乏具有農林特色的模塊化課程體系

目前，智能建造課程教材還十分欠缺，部分開設智能建造專業院校，主要采取在傳統土木工程專業課程基礎上，融合自動化、計算機等專業方式，通過簡單堆砌自動化信息技術課程，導致理論課程多雜、內容陳舊、與工程應用脫節等問題。同時，一些高校教師參與工程應用的時間和機會相對有限，部分教師所講授的課程內容與現今工程實際應用智能化技術存在脫節，缺乏與時俱進的信息更新，使得學生知識學習與工程實際需求無法相匹配。因此，農林院校應通過構建模塊化課程體系，提煉交叉課程與原有基礎課程的共性知識，協調學時數與教學內容間的矛盾，以確保課程質量和學生學習效果。另外，存在特色類教學課程缺乏問題。如同濟大學、華中科技大學、東南大學、哈爾濱工業大學等國內強工科高校的智能建造專業，其培養方案在其學科優勢下各具特色，以獨立專業進行建設，以保障人才培育的系統性[3]。農林院校智能建造專業課程還未有可借鑒的方案，需要建立起具備各自院校特色且區別工科類院校的建設方案。工科類院校智能建造課程更多關注一般城市建筑和基礎設施的智能化設計及施工，而適用于農林院校特色民居的智能化建造課程，目前幾乎空白。隨著產業變革與鄉村振興戰略貫徹落實，迫切需要在新工科背景下設置具有農林特色且符合鄉村發展的新課程。其中，民居智能建造課程開設則是為建設環境友好型鄉鎮做準備。

（三）缺乏以民居為主體的虛實一體化實踐平臺

農林院校在智能建造專業項目投入相對工科類院校明顯不足，加上實驗條件限制，存在側重理論教學、實踐教學相對薄弱等問題。農林院校需要突破傳統課堂束縛，運用智慧課堂增強師生間互動。農林院校缺乏復合型技術人才實踐基地，需要農林院校了解鄉村振興實際需求，與企業建立多途徑合作關系，建立實踐基地，發揮企業聯通市場優勢，以為實踐教學時刻把握市場需求動態提供條件。同時，農林院校應強化產教融合深度、育訓結合，以鄉村為駐點，搭建校企合作實體平臺，提高專業教師實踐能力，形成互贏的實踐育人模式[4，5]。另外，引導教師參與鄉村民居智能建造工程等實際項目，通過虛擬仿真教學，建設以民居為主體的虛實一體化實踐平臺。

二、農林院校智能建造專業培養體系構建

（一）培養目標

福建農林大學交通與土木工程學院在制定智能建造人才培養目標時，主要考慮了國家及地區經濟發展需求、行業與企業普適性等要求，并經學院領導和教師代表、行業專家和用人單位代表、部分學生代表等多次論證和修訂，最終確定了智能建造專業培養目標，即旨在培養德智體美勞全面發展，具備扎實的理論基礎、系統的專業知識、突出的實踐能力；具有良好的人文素養、工程職業道德和團隊合作精神；具備終身學習能力與創新性思維；掌握土木工程、軟件工程、機械設計制造及其自動化等學科基本原理和方法，具有跨界發展能力和適應建筑業新業態、新技術發展需求的高層次應用型創新人才。經工程師基本訓練后，畢業生能適應國家綠色低碳新基建發展戰略需要，參與鄉村振興建設，在智能測繪與設計、智能裝備與施工、智能監測與運維等相關領域，成長為解決實際工程問題的技術或管理骨干。

（二）課程體系構建

智能建造課程體系分為4個課程群模塊，包含14門課程和10個實訓項目，在課程和實訓環節中，均插入特色智能民居元素，將智能建造領域的最新學術研究與國內外實用科技技術引進課堂，強化農林特色，以形成具有農林特色的智能建造課程體系（圖1）。

1.智能建造課程群模塊構建

專業課程體系劃分為4個課程群模塊：智能測繪；智能設計；智能裝備與施工；智能監測與運維。其中，智能測繪著重培養以無人機、三維掃描為核心的智能測繪技術，模塊包含1門課程，即智能測繪；智能設計著重培養以機器學習為核心的智能設計技術，模塊包括3門課程，即BIM建模與設計、裝配式結構設計、智能結構設計；智能裝備與施工著重培養物聯網、機器人、計算機視覺為核心的智能施工技術，模塊包括5門課程，即智能機械與機器人、智能建造工程材料、計算機視覺、智能控制、智能施工；智能監測與運維著重培養物聯網、大數據、AI為核心的智能監測與運維技術，模塊包括5門課程，即物聯網技術與應用、傳感器原理與應用、智能感知與信息融合、現代無損檢測技術及工程全壽命智能運維。

2.農林特色課程建設

專業課程建設應凸顯鄉村元素，積極優化4個課程群模塊，突出農林特色。課程群模塊課程講授及實踐相應環節增加了民居智能測繪、民居智能設計、民居智能施工和民居智能運維等相關內容，并在課程設計及畢業設計中開設民居智能建造選題。將民居智能建造元素與理念融入課程環節中，使學生在課程引導下，逐步形成智能化工程思維，并具有服務鄉村的情懷和意識。

（1）民居智能測繪。民居智能測繪課程內容主要包括對鄉村規劃模式的理解和測繪實際的運用。該課程作為四大課程的基礎課，主要借助各學科專業教師匯編的教材進行授課。科學合理的鄉村規劃模式應涵蓋鄉村歷史價值、傳統建筑存留價值、社會禮制等內容，主要培養學生的鄉村空間布局規劃思維和古村落保護與開發意識。測繪實際運用課程，通過教授學生測量方式，使學生能夠采取三維激光掃描獲取歷史建筑整體三維點云信息，結合無人機傾斜攝影與傳統手工測量補充相關數據，實現精確地完成特色民居建筑全面測繪工作。教師可通過云平臺展示區域傳統民居特征集或修復和活化傳統民居模式庫，使學生對古民居“修舊如舊”的概念有準確理解。在步入社會后，聚焦傳統村落遺產保護、旅游開發等對傳統民居的再利用，利于碳中和愿景下鄉村綠色低碳環境的構建。

（2）民居智能設計。民居智能設計的前置課程為智能測繪、BIM建模與設計課程，相關課程為裝配式結構設計、智能結構設計。傳統土木工程結構設計大多依賴于設計者的經驗，無法實現材料、結構復雜多樣的全局最優解[6，7]。民居智能設計課程的重點在于有一套智能設計系統，在課程教學中，教師通過引導學生模仿已有不同材料、不同結構體系的鄉村民居案例進行軟件實操，啟發并指導學生在原有建筑結構自動布設的基礎上進行結構設計和優化，最終繪制出符合建筑設計要求的結構設計圖，從而讓學生正確理解和使用由案例庫和優化設計相結合形成的智能設計系統。民居智能設計課程，不僅教授了學生民居智能設計原理知識與系統具體操作方法，還逐步實行了建筑藝術智能設計課程與建筑結構智能優化設計課程的融合，形成了建筑美學與力學相融合的建筑智能設計新范式[7]。

（3）民居智能施工。民居智能施工的前置課程為智能結構設計課程和裝配式結構設計課程，涉及智能施工、能機械與機器人、智能建造工程材料等內容。該環節教學以一竹木結構傳統民居的裝配式施工過程為案例，使學生清楚了解智能施工全過程。從工程項目整體施工、構件預制和吊裝連接施工等目標，到深入理解規劃裝配式技術下綠色施工管理方案，引導學生從降低建筑運行階段的能耗入手，運用物聯網、BIM、人工智能等技術，逐步理解鄉村民居綠色智能超低能耗建筑施工集成方案教程內容，并深入參與到不同智能超低能耗建筑集成方案開發中。

（4）民居智能運維。民居智能運維的前置課程為傳感器原理與應用課程和現代無損檢測技術課程，涉及智能感知與信息融合、工程全壽命智能運維等內容，具體包括智能視覺算法的研發與運用、古民居修繕技藝教學、三維視圖渲染技術等知識點內容。

課程通過理論講授和教學實踐，指導學生利用監控攝像、無人機和移動端采集傳統民居數據，建立空地一體化監控系統，利用傳統民居智能視覺算法，從宏觀到微觀不同方面對傳統民居進行識別分析，學習將智能視覺識別結果轉換為語義信息，并對傳統民居質量安全隱患進行診斷。同時，為使修繕工藝更加直觀易懂，學院建立了傳統古村落保護和古民居修繕三維可視化系統，以及傳統民居質量安全隱患智能識別分析公共服務平臺，以為傳統民居搭建高效易用的質量安全隱患智能識別服務。學生通過課程實踐操作與三維可視化系統預演，逐步掌握了智能識別的工作機理，并培養了科技創新思維和鍛煉了工程實踐能力。

（三）教學組織建設

為滿足智能建造專業建設要求，借鑒國內外高校相關經驗，福建農林大學交通與土木工程學院聯合不同學院、科研機構和行業企業，構建了多學科交叉和具有農林特色的課程體系與實訓平臺。

1.教學團隊

新工科背景下，為建設具有農林特色的智能建造專業，學校充分考慮新專業對教師的新要求，引進了計算機、物聯網背景的青年教師，以幫扶校內年輕教師向智能化方向轉型，加強學院部分教師和企業進行合作，建設“雙師型”教師隊伍。學院內綜合各專業優勢，打破專業壁壘，設立沙龍研討室，強化學科交流互動，通過學科交叉、工藝融合等途徑，豐富教學資源，組建了智能建造教學團隊。

2.理論教學

通過新增和整合相關課程[8]，適配具有農林特色的民居智能建造教學，以助力學生提升未來職業必備的學習能力。由不同學院教師進行各部分教學內容資源整合，確定了民居智能建造課程教材。其中，風景園林與藝術學院教師通過總結民居建筑設計特色，提煉傳統民居地域風貌與設計特色，將景觀設施、植物配置、生活設施等與文化、禮制相結合，形成區域傳統民居特征集與傳統民居改造模式庫；計算機與信息學院教師通過運用傳感設備和算法優化技術在傳統民居運營維護過程中，實現傳統民居的數字化和可視化；交通與土木工程學院教師通過與以上學院合作，將信息技術和傳統民居建筑特色融入傳統土木工程教學中，研發出輕量化、低碳化的鄉村建筑綠色建造技術。不同學院教師科研成果通過匯編成系統化、遞進式的理論教學課程，建立網上共享云課堂多案例視頻，以及通過學院教師聯合教學和采用智慧課堂方式，使學生可以通過課上知識講解和云課堂多案例教學，系統地理解和掌握傳統民居改造的模式庫、民居數字化、鄉村建筑綠色建造技術等重點專業內容。

3.實踐教學

智能建造專業若只講理論知識，而忽視技能實訓，很難使學生準確理解智能建造的科學內涵。因此，學院積極與企業合作，共同研發了智能建造虛擬仿真實訓實習訓練基地[9]，包含10個創新實訓項目。作為教學內容的重要實踐場所，訓練基地的作用是通過虛擬仿真教學形式，將專業課核心教學內容與實踐教學相結合，以互通、共融、協同合作方式，逐步完善理論和實踐教學和加強學生自主學習能力，使學生能夠掌握模擬智能測繪、智能設計、智能裝備與施工、智能監測與運維的操作全過程。

訓練基地模塊功能包括4個部分（如圖2）。（1）區域模塊一：智能測繪演示區。主要包括無人機傾斜攝影測繪、三維激光掃描實現自動化三維建模預測；（2）區域模塊二：智能設計實操區。主要包括BIM正向設計、綠色建筑分析平臺；（3）區域模塊三：智能裝備與施工演示區。主要通過智慧工地（人機料法環）、裝配式施工實體模型、施工場地計算機視覺識別、施工塔吊物聯網安全監測與預警，通過移動終端知識點掃描或VR等設備沉浸式體驗，使學生能夠體驗施工的全過程以及相關信息化知識操作流程；（4）區域模塊四：智能監測與運維實操區。主要包括混凝土內部缺陷AI監測與識別、橋梁全壽命健康監測與大數據分析等，通過實際平臺互動式操作，使學生能夠對整個監測、檢測過程進行熟練掌握。以上多個創新實訓項目均可滿足30～60名學生開展相關課程的教學需求。

三、結語

新工科背景下，設有工科專業的各大院校正在積極探索富有學校特色的智能建造專業建設路徑，結合行業發展新常態，力求融合優勢學科和專業，做到突出特色，跟進社會需求。但不同學科專業都有其各自的特色屬性和人才培養定位，不同課程在跨學科形式、廣度與深度上也不盡相同，難以找到統一標準。新工科背景下，通過對具有農林特色的智能建造專業建設探索進行闡述與總結，強化跨學科合作，通過民居智能測繪、智能設計、智能裝備與施工、智能監測與運維等特色課程和實踐環節設計設置，增設民居智能建造等農林特色課程，融入課程群模塊，打造融合學科的科研和教學團隊，推動校企合作，積極推動跨學科課程改革，培養時代所需人才。

參考文獻：

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[5]姜景山，何培玲，趙延喜，等.新工科背景下智能建造專業復合型人才培養的探索[J].中國多媒體與網絡教學學報（上旬刊），2022（1）：165-168.

[6]章云，李麗娟，楊文斌，等.新工科多專業融合培養模式的構建與實踐[J].高等工程教育研究，2019（2）：50-56.

[7]徐陽，金曉威，李惠.土木工程智能科學與技術研究現狀及展望[J].建筑結構學報，2022，43（9）：23-35.

[8]付卓，李錕，向陽輝，等.新工科背景下地方高校雙創型人才培養模式的構建[J].長沙大學學報，2022，36（2）：107-112.

[9]楊劍冰，趙玲峰，黃春燕.基于校企合作的土木工程專業本科人才培養模式的探索與實踐[J].教育現代化，2020，7（28）：30-32，36.

Abstract：

The demand for compound talents in the transformation and upgrading of the construction industry promotes the development of intelligent construction based on the background of Industry 4.0. In response to the national development strategy， this paper describes the problems existing in the talent cultivating system of intelligent construction specialty at present， summarizes the problems and possible solutions in teaching team， curriculum system and practice platform， and discusses how to establish an intelligent construction specialty with agricultural and forestry characteristics through interdisciplinary cooperation. With civil engineering as the main body， combined with urban and rural planning， computer science and technology， etc.， a multi-disciplinary organic integration is carried out to form a curriculum system of intelligent surveying and mapping， intelligent design， intelligent equipment and construction， intelligent monitoring and operation and maintenance with rural houses as the main body. It is divided into four course group modules， including 14 courses and 10 training projects. In the courses and training projects， there are characteristic modules of rural dwellings. This paper expounds the teaching mode， teaching content and teaching method of the main course group of intelligent construction specialty. It discusses how to construct the training system of intelligent construction specialty in agricultural and forestry universities from three aspects： forming teaching team， enriching theoretical teaching and broadening practical teaching. Based on the training orientation of the university， this paper highlights the characteristics of agriculture and forestry and proposes the construction of the cultivating system of intelligent construction specialty in agricultural and forestry universities. Through innovative design of theory and teaching practice， a replicable and practicable mode of better training effect could be achieved.

Key words：

new engineering; intelligent construction; agricultural and forestry characteristics; cultivating system

（責任編輯 崔守奎）