融入人工智能的土木水利碩士人才培養模式研究

摘要：為貫徹落實黨中央、國務院關于加快發展新一代人工智能的重要部署，積極探討人工智能背景下，我國建筑行業發展的先發優勢及當前亟待思考和解決的問題。人工智能的迅猛發展迫切需要建筑類教育與時俱進。以實現人工智能與土木水利碩士專業建設交叉融合、協同創新為目標，選取土木水利碩士研究生作為研究對象，將人工智能的基礎理論融入土木水利碩士專業建設中，針對土木水利碩士人才培養模式和培養方案不健全、師資隊伍匱乏等現狀，設計出契合人工智能發展的土木水利碩士專業人才培養目標及方案，規劃了人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合的課程體系及實踐平臺，提出了“人工智能+”背景下的專業師資隊伍建設，探索和實踐了人工智能與土木水利碩士專業建設交叉融合的教學新模式、新方法。通過學科建設的“融合發展”，課程體系建設的“精密耦合”，以期形成“人工智能+X”的復合型人才培養新模式，以組合創新著力提升人工智能領域研究生培養水平。結合人工智能前沿知識，進一步有針對性地提升學生將人工智能與專業課程交叉融合的能力，通過建立長期的持續的能力提升計劃，為人工智能與土木水利碩士專業的交叉融合與持續發展奠定基礎，為我國搶占世界科技前沿提供更加充分的人才支撐。

關鍵詞：土木水利碩士；高校；人工智能；學科建設；培養模式

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）05-0094-08

基金項目：貴州省研究生教育教學改革重點課題（黔教合YJSJGKT〔2021〕014）

人工智能是新一輪技術革命和產業變革的重要驅動力量。自美國達特茅斯會議提出以來便產生了極大的反響，人工智能技術涉及的范圍越來越廣泛，其為農業、醫療、教育、能源、國防等領域提供了大量新的發展機遇。為進一步應對這種快速發展趨勢，美國白宮科技政策辦公室于2016年10月發布題為《為人工智能的未來做好準備》和《國家人工智能研發戰略規劃》的報告，以期為人工智能的未來發展提供針對性的建議。在此基礎上，為進一步順應人工智能技術發展趨勢，促進人工智能在教育中的有效或合理的應用，成為當今智能化浪潮下面臨的重要挑戰[1]。2016年11月，英國政府發布了報告：《人工智能：未來決策制定的機遇與影響》[2]。2017年3月，國務院總理李克強在政府工作報告中指出要加快培育和壯大包括人工智能在內的新興產業，“人工智能”首次被寫入政府工作報告。

關于人工智能的探索，在國外的發展歷程比國內相對較早，所以比國內的技術要更加穩定成熟。截至目前，國外人工智能的發展已經涉及計算機科學、教育學、控制論、信息論、神經生理學、語言學、心理學、社會學等領域[1]。而教育作為不可或缺的一部分，已深受人工智能技術的影響。國內人工智能教育主要涉及“互聯網+”教育、計算機輔助教學、機器學習、智能教育等領域。人工智能作為一項能夠決定未來世界走向、改變世界格局的戰略性技術，他的迅猛發展要求配套的人工智能教育與之同步。因此，要在未來的科技與人才競爭中占據制高點，加速形成人工智能自主創新的“高地”，就必須加快人工智能人才的培養，推進人工智能產業的發展[3]。

人工智能教育水平的高低決定了一個國家在未來新科技革命中的地位，具有極其重要的意義。如何加強人工智能教育，構建我國人工智能發展的“先發優勢”，是迫切需要考慮和解決的課題。2018年4月，教育部發布《高等學校人工智能創新行動計劃》，明確提出支持高等院校在計算機科學與技術專業設立人工智能專業，推動人工智能專業一級學科的建設，支持高等院校增加與人工智能有關的學科建設，推動與人工智能相關的跨學科發展，并將其列入“雙一流”大學規劃[4]。在人工智能專業自身發展的同時，實現人工智能與其他專業學科同步融合協同發展。2020年，教育部、發改委和財政部聯合印發《關于“雙一流”建設高校促進學科融合加快人工智能領域研究生培養的若干意見》，提出要構建“人工智能+X”復合型人才培養體系，并以該思路為指導，探索出一種新的、具有深度融合性的學科建設和人才培養方式，努力提高我國人工智能領域的研究生培養質量[5]。

新一輪科技革命的興起，土木水利作為傳統土木專業迎來了深刻變革。伴隨著我國“新工科”建設的發展，要求土木水利急需與信息化、智能化進行深度融合，將土木水利與人工智能、智能建造結合，全面構建“人工智能+土木水利”的新型復合學科形態。然而，由于人工智能與高等教育相關的研究，起步比較晚、研究數量不多，且大多圍繞著人工智能對技術的影響，高校中的人工智能改革相關研究的廣度和深度不足，特別是關于人工智能人才培養的理論研究和實踐探討還有待加強[6]。人工智能技術與傳統學科交叉融合發展，雖能實現協同創新的契機和機遇，但由于我國人工智能教育體系尚不完備，人才培養偏重技術的發展，缺乏多學科的統一協調，人工智能與其他專業建設的多學科交叉融合發展實踐較少[7]，使得人工智能與土木水利碩士專業建設的融合僅表現為人工智能技術在工程建設過程中的技術應用，鮮見人才培養方面的研究，急需應用人工智能技術，構建土木水利碩士跨學科課程體系，開展交叉融合和工程實踐學習，探索人工智能背景下的土木水利碩士的專業建設方向和培養具有跨界融合理念的復合型人才的全新模式。因此，本研究將著重探討人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合的現實問題，并據此提出改革和發展策略，旨在促進人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合效果，提升土木水利碩士的培養質量，達到理想的育人效果。

一、人工智能人才需求分析

（一） 人工智能技術在土木水利領域的應用

目前，人工智能正在逐步融入電商零售、醫療健康、交通以及個人助理等各個方面，并展示出了廣闊的應用前景。隨著大數據、智慧城市等技術的不斷發展，土木水利等領域也開始將人工智能技術應用到工程施工場景中，諸如在施工過程中，利用人工智能開展智慧工地建設、利用人工智能高智能技術進行閾值預警和圖像識別，不僅提升了施工的效率，還增強了建筑施工的安全可靠性。自1993年以來，共有400多篇土木水利領域應用人工智能理論或模型的文章，土木水利研究中人工智能的前沿研究方向包括了進化算法、遺傳算法等人工智能方法[8]，這些方法的主要應用場景包括智能建造、模式識別、智能設計與運維、自動控制和機械設計、績效預測等。人工智能技術在從智能建造[9]、智能設計與運維[10]、性能預測等方面對傳統工程建設模式進行優化的過程中，還為一些傳統方法無法解決的研究問題提供了全新的研究角度。人工智能在土木工程和水利工程中的應用具有學科和行業的交叉性，其研究工作常涉及多個學科，具有復雜性和系統性。

利用高智能技術，通過線性回歸的方式，解決復雜問題。在實際工程中，諸多因素對工程項目的成本、工期和質量產生影響，而且較多因素對項目目標的影響是非線性的，難以預測，應用人工智能技術能對項目目標的績效進行科學地預測和研究[11]。將人工智能、BIM和物聯網等技術與建筑工程建設過程相互融合，對建筑工程項目在規劃、設計、建造和運維等階段產生的信息進行數字化、集成化管理，運用大數據分析提取有用信息，通過構建數字化建設管理模式[12]、智慧監督體系[13-14]等，對工程項目全壽命周期內可能產生的風險問題進行識別、預測和防范。目前，人工智能技術已經在實踐中滲透到工程建設的各個環節，諸如人工智能施工圖設計、人工智能施工管理、人工智能運維等流程，如圖1所示，代表人工智能已經涵蓋至工程項目的全過程，對促進建筑科學、技術與工程的發展發揮著積極作用。

（二） 人工智能教育與人才培養的現狀

國家高度重視人工智能和教育的結合，2017年7月發布《新一代人工智能發展規劃》，明確指出，高等學校應當健全人工智能教育制度，加強人工智能專業的建設。在《高等學校人工智能創新行動計劃》中，教育部提出要大力發展人工智能學科，構建新型的“人工智能+ X”的復合型人才培養模式[15]。陳杰院士表示，人工智能技術具有高度的智能性，其強大的科學技術滲透力，能對傳統的學科進行升級改造[16]，這將有助于加快各學科間的交叉融合與協調發展[17]，從而創造出新的學科增長點。隨著新工科建設和《中國制造2025》的提出，我國高校在人工智能人才培養方面進行了許多有益的嘗試和探索，已在計算機[18]、傳媒[19]、物流工程[20]、會計[21]等專業和學科中開展了教學模式、教學方法、人才培養路徑等方面的研究與探索，成功形成“人工智能+教育”[22]、“人工智能+思政”[23]、“人工智能+傳媒”[19]等人才培養新模式。

馬世嬡[24]等提出人工智能與土木工程的學科交叉可大大提高基礎工程建設項目的工程質量和工程效率，認為對傳統工科專業的改造升級成為土木行業轉型升級的發展趨勢，并肯定人工智能對土木工程專業實踐建設、提升專業技能的積極作用。張海生[3]認為只有加快人工智能人才培養才可以占領未來科技和人才競爭的制高點，提出高校人工智能師資力量薄弱、教育體系不健全等諸多問題，提出建立人工智能與其他學科專業的融合發展、堅持以本科教育為主、分層培養等措施。羅清海[25]等認為新發展形勢下，對于土木類專碩人才的需求越來越強烈，但是面臨著教學資源配置不足、師資力量薄弱、研究生教育同質化競爭等制約因素。對此，應契合建筑業產業形態進行變革，重塑教育形態和內涵，為企業輸送復合型人才提供動力。閆志明等[1]認為教育是人工智能應用的一個重要領域，教育人工智能能夠通過人工智能技術為學習者高效學習創造學習條件。劉永等[7]認為人工智能的迅猛發展迫切需要人工智能教育進行及時跟進，從學科建設的視角來審視未來人工智能教育的發展，提出規劃學科布局、完善學科建制、構建學術共同體、培育學科文化等實踐路徑。龍獻忠[22]認為隨著人工智能的普及和應用，各高校應清醒地樹立“人工智能+教育”的理念，不斷調整教學模式和教學方法，選取合理路徑推進高校人才培養改革。王雪等[26]認為各高校需要進一步加強通識教育和多學科交叉融合，將人工智能人才扎根于新工科建設和新型工程人才培養，形成以問題為導向、以項目為載體、以創新為目標的工程類教育發展鏈條，走“人工智能+X”的發展路線。劉紅波等[27]指出人工智能是全面提高土木工程領域數字化、自動化、信息化和智能化的重要方法。他強調應當利用人工智能技術發展同神經網絡、大數據、深度學習等智能技術深度融合，促進土木工程領域人工智能研究的協同發展。鮑躍全等[8]認為應將深度學習和機器學習算法、計算機視覺、無人機、3D 打印、BIM、虛擬現實和增強現實等人工智能技術應用于土木工程，推動土木工程學科智能化發展。王婷婷等[4]從頂層設計、制度保障、支撐人力、標準建立四個方面，提出人工智能人才培養體系建議框架，致力于建設新型人工智能人才培養模式。

總體而言，人工智能人才市場需求缺口較大。根據有關文獻的統計，2020年，僅智能制造領域，我國對人才的需求已經達到了750萬人，并且還存在著大約300萬人的缺口，到2025年，對人才的需求將會增加到900萬人，并且還會有450萬人的缺口[28]。另外，開設人工智能及相關學科專業的高校，均面臨學科專業建設剛剛起步、人才培養經驗不足、師資力量薄弱和教育體系不健全等問題。目前我國高校人才培養長期存在的機械化、形式化和缺乏科學性的人才評價和反饋機制等問題，導致現階段人工智能人才培養力度嚴重不足，滲透程度不深，以至于難以滿足人工智能產業的深度要求[29]。

二、人工智能與土木水利碩士人才培養存在的問題與發展策略

（一） 存在的問題

2018年3月，教育部辦公廳發布《關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》，要求大力推進我國“新工科”建設，提出對傳統工科進行改造，發展傳統工科與計算機結合的新型發展模式，強調人工智能與其他學科專業交叉融合，形成“人工智能+X”復合型專業新型培養模式。但是目前人工智能與土木水利碩士專業融合發展仍處于探索階段，尤其在人才培養方面還面臨著諸多現實問題。

1.人工智能學科建設起步晚，交叉融合的人才培養方案尚不健全

我國雖在1978年就把人工智能納入國家發展計劃中，但發展緩慢。盡管近幾年為響應國家新型基礎設施建設（新基建）計劃，各個高校設立了人工智能專業，但與傳統工科的融合還仍需繼續探索[25]。土木水利碩士的培養目標不單單教會學生工程設計與施工、施工組織與管理等，更為重要的是教會學生運用智能化與信息化技術完成規劃、設計、施工，在各個環節采用人工智能新技術實現建筑工業化技術創新，從而降低資源消耗與成本，提高工程質量與效率[3]。這使得在整體的培養計劃和培養方案設計上，不僅需要依托土木水利碩士培養課程，促進兩個交叉學科的相互交流和融合，還要迎合土木水利在人工智能應用方面的現實需求[3]，在土木水利專業學位研究生培養方案的基礎上，制定人工智能方向的特色化培養方案，以便更好地面向未來科技與工程發展，與國家發展戰略和建設需求相適應的人才培養模式進行探索。

2.適應交叉融合的高質量教師隊伍匱乏

目前，人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合還面臨著人才培養計劃發展先于師資隊伍建設的情況，人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合為師資隊伍建設提出了更大的挑戰[25]，在人工智能人才難求的現實困境下，高校所需的人工智能人才容易受企業巨頭的高薪延攬，導致潛心深入高校開展人工智能教育教學的教師少之又少，再加上，倘若開展人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合，還要求教師掌握一定的土木水利專業知識、轉變新的教學理念、充分利用人工智能技術方法，這無疑加劇了交叉融合師資的匱乏程度，適應交叉融合的高質量教師隊伍更加稀缺[3]。

（二） 發展策略

近年來，隨著信息技術爆發式發展，人工智能的迅猛發展需要人工智能與土木水利交叉學科建設與時俱進。在這樣的時代背景下，人工智能技術同土木水利碩士研究生培養的融合發展為我國高校人才培養模式的創新和變革提供了新思路，這種創新型融合發展立足于培養社會真正所需的復合型人才，為完善人工智能教育體系做出了貢獻。

1.交叉融合的專業師資隊伍建設

由于人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合需要高水平的師資力量，要求土木水利專業的教師，不僅要對本專業具有充分的了解，還要保持終身學習的態度去迎接交叉融合發展的新要求，積極學習與本專業相關的前瞻性智能技術，并將此列入人才培養方案中，不斷根據社會的新需求調整和剔除舊的知識結構，在教育教學中傳授新技能，塑造和培養學生的整體綜合素質。同時，高校也要建立人才激勵政策，鼓勵并允許教師開展交叉融合的再教育、再學習，還可聯合多學科師資組建跨學科專業教學團隊，提升教師與時俱進的能力，不斷完善自身的教師技能，以便將學習到的新技能應用到教育教學[24]。

另外，人工智能和土木水利碩士專業建設的交叉融合，還要求教師隊伍及時調整和更新專業教學中必備的人工智能前沿知識，進一步有針對性地提升學生將人工智能與專業課程交叉融合的能力，通過建立長期且持續的教師能力提升計劃，為人工智能與土木水利碩士專業的交叉融合與持續發展奠定基礎[3]。

2.交叉融合的專業前沿課程體系建設

對人工智能+背景下的土木水利碩士專業新興課程體系和交叉學科課程建設進行研究規劃，明確所需的專業支撐和課程內容保障。就人工智能和土木水利碩士專業課程建設而言，作為高度交叉學科的人工智能，需要在課程設置時摒棄傳統的思維局限，以創新的思維方式將傳統工科與人工智能進行整合[26]，借助人工智能技術的高智能性滲透并促進土木水利碩士課程進行升級轉型，促進人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合的協同發展。由此，改進土木水利碩士專業課程建設向智能時代所要求的高等教育人才培養標準方向發展，使培養的人才具備高效學習、跨界融合等能力，有助于提升所培養的復合型人才的社會適用性和應用性。同樣，關于人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合的專業前沿課程體系建設也應與時俱進，不斷根據社會的新需求，對課程設置進行適當調整。諸如，圍繞人工智能技術，利用可視化智能方法帶領學生對土木工程結構物的設計、構造、建設等進行智能化分析；帶領學生在橋梁結構學習時采用機器學習算法進行橋梁選型[27]。還可以同企業合作，以便及時了解企業選聘人員的真正所需，及時溝通，以便據此制定與時俱進、符合新時代社會需求的課程，提升人才培養效果[24]。

3.探索和實踐交叉融合的教學新模式、新方法

在人工智能時代，以教師為中心向學生為中心的教學模式轉變是一種日益顯著的趨勢，而智能的學習方法和學習環境，必須能適應并支持學生在步入工作崗位之后進行終身學習。如何對傳統的教學模式、教學方法進行升級，使教學內容和方式變得更智能化、更高效，這是人工智能與土木水利碩士專業建設交叉融合的一個重要目的。通過對“人工智能+”教學新模式的探索，讓教師擺脫了“教學”的單調乏味，有了更多的時間與精力，可以在教學內容上進行創新，在教學方法上進行改革，注重“育人”，讓學生們的能力與人工智能時代的發展同步[26]。

在大數據和人工智能的幫助下，對以學生為中心的專業課程體系進行研究，為每位學生提供具有個性化、定制化、智能化的學習內容和方法[7]，從而讓學生跨專業學習和實踐的熱情得到激發。開展以人工智能為背景，開展“慕課+翻轉課堂+智能實驗”混合教學模式的研究，讓學生利用智能化設備開展自育自學[22]，利用人工智能思維對體驗式教學、協作式教學以及混合式教學模式進行探索實踐，最終實現線上線下教育模式的協同。并通過人工智能同工程教育教學實踐的深度融合，以項目和企業需求為問題驅動，提升學生主動學習的能力、工程實踐能力和人工智能思維能力，同時啟發學生對未來智能時代職業的思考。

還可以通過校企合作模式，同企業進行合作聯合培養，加強和建立學校與企業的人才培養資源共享，互通有無，將土木水利的工程教育回歸本質，共同打造人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合的良性育人環境，提升人才培養的社會適用性[3]。

4.探索人交叉融合的工程實踐平臺

人工智能時代的教育，應注重問題驅動式學習、模塊式學習、主題式學習和基于項目的學習模式，以及符合行業需求的工程實踐環境支持。首先，立足于實際行業的實際工程問題（大數據驅動的智能需求），將跨學科的知識融合到工業需求的課題研究中，使學生能夠在工程實踐中自主地進行跨學科知識的學習與構建，進而提高他們的人工智能思維、應用以及對知識的靈活應用[24]。隨后，搭建以項目驅動的主題式、模塊式學習為基礎的智能實踐平臺，將人工智能思維（數據驅動、問題驅動、迭代優化、終生學習等）與相關的課程教學內容相互滲透、整合和優化，通過智能實踐平臺的構建，為人工智能與土木水利碩士專業建設的交叉融合提供了實際支持。

利用人工智能可以將土木水利的現實情境進行虛擬場景模擬，能夠使學生身臨其境，加強對土木水利專業的真實感知，利用人工智能可以讓土木水利專業知識以可視化的方式呈現，這種學習方式能夠加強學生對于知識的理解和掌握。諸如，以數字模型文件為基礎，利用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料開展3D打印技術的學習；利用BIM技術將工程設計建造管理數據化。憑借人工智能的高智能技術，對以往傳統工科專業的實踐模式進行升級和改造，使其朝著智能化方向轉變，推動人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合，形成“人工智能+土木水利”的學科專業特色實踐集群[3]。最后，通過實踐平臺，學生可以利用信息化技術開展自主學習，在實踐過程中可以隨時使用和查詢高智能技術增強自身的實踐能力。諸如，鼓勵學生利用物聯網技能技術開展實踐，制備揚塵噪音自動檢測控制設備，實現高等教育由學科式知識講授轉化為高智能實踐型新型培養模式，有助于更好地培養人才。

三、結語

以土木水利碩士研究生作為研究對象，分析國內外開展人工智能教育的進度，根據人工智能需求，指出土木水利碩士人才培養模式和培養方案不健全、師資隊伍匱乏等現狀，設計契合人工智能發展的土木水利碩士專業人才培養目標及方案，規劃了人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合的課程體系及實踐平臺、提出了人工智能+背景下的專業師資隊伍建設、探索和實踐了人工智能與土木水利碩士專業建設交叉融合的教學新模式、新方法。旨在使土木水利碩士更為符合智能化的社會背景，更迎合社會所需。因此，必須一直處于進行時。

我國的人工智能教育整體水平同發達國家仍存在差距，仍需進一步改進。需要各高校在教學理念、教學方法上不斷創新，利用智能化實踐平臺，豐富和探索交叉融合的特色化人才培養模式，不斷增強人工智能和土木水利碩士專業建設交叉融合的教育水平和培育效果，提升復合型人才培養質量。

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Research on the cultivation model of civil and water conservancy master integrating artificial intelligence

MA Shuaige， ZHANG Ping

（College of Materials and Construction Engineering， Guizhou Normal University， Guiyang 550025， P. R. China）

Abstract： In order to implement the important deployment of the Central Committee of the Communist Party of China and the State Council to accelerate the development of the new generation of artificial intelligence， we actively explore the first-mover advantages of China’s construction industry development in the context of artificial intelligence，as well as the current urgent problems that need to be considered and solved.The rapid development of artificial intelligence urgently requires timely follow-up of architectural education.This study aims to achieve the cross integration and collaborative innovation of artificial intelligence and the construction of civil and water conservancy master’s program. Civil and water conservancy master’s students are selected as the research object， and the basic theory of artificial intelligence is integrated into the construction of civil and water conservancy master’s program. In response to the current situation of incomplete talent cultivation models and plans for civil and water conservancy master’s programs， as well as a shortage of teaching staff，we have designed a talent training goal and plan for the master of civil and water conservancy program that is in line with the development of artificial intelligence. We have planned a course system and practical platform for the cross integration of artificial intelligence and the construction of the master of civil and water conservancy program. We have proposed the construction of a professional teaching team under the background of artificial intelligence+，and explored and practiced new teaching models and methods for the cross integration of artificial intelligence and the construction of the master of civil and water conservancy program. Through the integrated development of disciplinary construction and the precise coupling of curriculum system construction， we aim to form a new model of artificial intelligence+X composite talent cultivation， and focus on improving the level of graduate training in the field of artificial intelligence through combined innovation.By combining cutting-edge knowledge of artificial intelligence， we will further enhance students’ ability to integrate artificial intelligence with professional courses in a targeted manner. By establishing a long-term and sustained ability improvement plan，we will lay the foundation for the integration and sustainable development of artificial intelligence and civil and water conservancy master’s programs， and provide more sufficient talent support for China to seize the forefront of world science and technology.

Key words： master of civil engineering and water conservancy；universities； artificial intelligence；discipline construction；training mode

（責任編輯 鄧云）