AI背景下“混凝土結構設計原理”課程混合式教學探討

摘要：隨著人工智能（AI）技術的快速發展，混凝土結構設計原理的課程教學面臨著前所未有的機遇和挑戰。本文探討了AI技術對傳統教學模式的影響，并從豐富教學內容和強化實踐教學兩大方面，提出了一系列將AI應用于混凝土結構設計原理課程的混合式教學改革策略，旨在推進該課程教學質量的提升，以滿足當前AI背景下工程教育的需求。

關鍵詞：人工智能；混凝土結構設計；混合式教學改革

Abstract：Withtherapiddevelopmentofartificialintelligence（AI）technology，theteachingforthecourseofconcretestructuredesignisfacingunprecedentedopportunitiesandchallenges.TheimpactofAItechnologyontraditionalteachingmethodsisexplored，andfromtheaspectsofenrichingteachingcontentandstrengtheningpracticalteaching，aseriesofhybridteachingreformstrategiesapplyingAItothecourseofconcretestructuredesignareproposedinthispaper.Thesestrategiesaimtoenhancetheteachingqualityofthecourse，addressingthedemandsofengineeringeducationinthecurrentAIdrivencontext.

Keywords：ArtificialIntelligence；ConcreteStructureDesign；HybridTeachingReform

1概述

“混凝土結構設計原理”課程在土木工程專業中有著舉足輕重的作用，是一門實踐性很強與現行規范、規程等有關的專業基礎課［1］，主要教學內容為探討鋼筋混凝土結構的受力特性、梁板柱等基本構件在不同荷載（拉、壓、彎、剪、扭）作用下的截面設計與計算方法、混凝土的變形和預應力混凝土構件、配筋結構問題等［2］。該課程對先期課程土木工程材料、結構力學、房屋建筑學和后期課程砌體結構、鋼結構設計原理等起到一個承上啟下的作用。課程內容以理論為主，包含的工程實例較少，教材的編寫是在混凝土結構設計規范的基礎上進行的，知識的應用與后續課程的聯系度不高［3］。因此，僅僅注重理論教學往往達不到很好的效果，要充分結合工程實踐提升教學質量，例如，混凝土構件的設計及制作，構件在外荷載作用下的破壞過程和原因分析等都有助于學生對理論知識有更深入的理解［1］。然而，隨著教學改革的不斷深入，該課程的課時由最初的80學時縮減到當前的48～56學時［4］?？梢钥闯?，對于混凝土結構設計原理的教學而言，傳統的教學模式因其受制于空間和時間限制，往往無法滿足高質量教學的需求。

人工智能（ArtificialIntelligence，AI）作為現代社會的一個重要技術趨勢，不僅是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學，更是引領新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力量。AI的迅猛發展對許多領域都產生了顯著的影響，土木與建筑工程行業也不例外。AI技術的廣泛應用不僅輔助了設計、采購、施工、生產等各個環節的數字化仿真，更在針對不同的用戶需求進行分析時，取代了大量重復的體力和腦力，從而顯著降低了人為的判斷錯誤，在保證精度的前提下，提高了工程的工作效率。為了適應工程實踐的最新需求，教育領域也積極探索將AI技術引入課堂教學中。這一舉措除了可以強化學生對AI背景下工程建設和學科發展的認識，為他們未來從業生涯打下堅實基礎，還可以助力教育者從傳統的一對多教學模式向更加個性化、智能化、自適應的教學模式轉變，從而提高教育質量和學生的學習效果。在此變革浪潮中，以ChatGPT為代表的AI技術憑借其智能化、個性化的學習指導與解決方案等，為教師和學生提供了強大的工具和嶄新的視角，但同時在一定程度上也削弱了傳統教師的角色作用，對教師產生了巨大的影響［5］。因此，教師需要借助AI技術重塑自身角色，并重新思考學生的學習方法、團隊協作、教學評價等，以應對這一新形勢下的挑戰?？梢姡诨炷两Y構基本原理課程中，教學改革顯得尤為必要。

本文探討了AI技術對傳統教學模式的影響，并從豐富教學內容和強化實踐教學兩大方面，提出了一系列將AI應用于混凝土結構設計原理課程的混合式教學改革策略，以期推進混凝土結構基本原理課程教學的提質增效，促進教學與實踐的緊密聯系，為土木與建筑工程專業人才的培養提供更為有效的保障。

2AI對傳統教學模式的影響

AI技術的快速發展對傳統教學模式產生了重大的影響，教育的數字化轉型（DTE）實現了從傳統的課堂教學方法到由信息技術（包括AI）促進的數字教學方法的轉變［6］。教育部門利用AI技術成功開發了比傳統教學模式更成功的當代學習平臺，這些平臺是通過從學習者的角度建模學習過程，并將系統以前用戶的歷史數據經過分析以后納入系統。因此，AI教學系統能夠根據個體學習者的需求，為學習者提供準確和高質量的學習材料［7］。下面將詳細探討AI技術影響傳統教學模式的幾個主要方面：

2.1學習路徑和課堂內容

AI系統可以根據每個學生的學習風格、能力和需求提供個性化的學習路徑和教學內容，通過分析學生的行為數據識別和糾正學生的錯誤，為學生解決問題提供指導性支持，使教學更加具有針對性［78］。另外，教師可以利用AI技術豐富課堂內容，包括多媒體教材、虛擬實驗室、在線測驗等，使學習過程更具吸引力。

2.2教師輔助和課堂管理

AI可以有效地輔助教師更高效地完成作文批改和數據分析［9］，這不僅可以幫助他們更好地管理課堂，提供教學建議和資源，還可以幫助他們更好地了解學生的學習情況，識別出學生的弱點和優勢，從而更有針對性地提供教學支持和指導。另外，聊天機器人和智能助手能夠回答學生問題，釋放教師的時間，使他們更專注于教學設計和學生互動。

2.3自主學習和實時反饋

學生可以通過AI技術進行自主學習，隨時隨地獲取知識。智能教輔軟件、在線課程和學習應用程序使學生能夠在沒有教師的情況下進行自主學習。AI系統還可以為學生提供實時反饋，幫助他們了解自己的學習進展，從而激發學習動力。

2.4數據驅動的決策

AI可以收集和分析大量的學生數據，從中提取有用的信息，包括學生的學習表現、學習進度、解答問題的準確性、在特定知識點上的掌握程度等，幫助教育機構或教育者做出數據驅動的決策?；谶@些數據和決策，教育者可以識別學生的學習情況，及時調整教學方法、優化課程設計，以更好地滿足學生的需求。例如，如果數據顯示大多數學生在某個特定主題上出現困難，教師可以針對這個主題提供額外的教學資源或者調整教學方法，以更好地幫助學生理解；同樣，如果某些學生在某個領域表現出色，教師可以提供更具挑戰性的學習內容，以加強學生對知識理解的深度。

雖然AI技術的引入使得教育變得更加智能化、個性化和高效化，但同時也提出了新的挑戰，例如隱私保護、數據安全、學術誠信等問題需要得到妥善解決?？傊贏I技術的發展過程中，我們需要保持警惕，充分認識到其優勢和限制，以確保教育體系的健康和可持續發展。

3混合式教學改革策略

隨著計算機技術的高速發展，書本不再是最主要的知識載體，傳統教學模式正朝著網絡化、具身化、可視化的方向變革。據此，可以將AI的計算智能、感知智能和認知智能三大技術相融合，應用于混凝土結構設計原理課程，形成以浸入體驗式、互動交流式、深入探索式、終端移動化、交互雙向化等為主要教學手段的混合式教學新模式［10］。

3.1豐富教學內容

傳統的混凝土結構設計原理教學，往往以課堂板書和PPT授課為主，教學方法單一，學生難以充分掌握課程內容。鑒于此，我們可以借助AI技術和虛擬現實技術，將混凝土結構設計原理課程帶入一個全新的學習維度。例如，結合建筑信息建模（BIM）、混凝土結構分析等軟件，將虛擬的各類場景通過數字可視化技術、混合現實（MR）技術、虛擬現實（VR）技術等引入混凝土結構設計原理課程的教學中，創造出沉浸式學習環境，豐富課程教學內容。從而，使學生由作為知識接受者的被動方轉變為主動學習者，提高學習興趣、增強理論思維和改善教學效果。具體教學舉措舉例如下：

（1）借助虛擬仿真技術獨特的沉浸感和實時性，建立立體化虛擬實驗室。與傳統實驗室相比，這種虛擬實驗室不僅可以降低對設備、空間和預算的要求，而且可以獲得與傳統實驗室相似甚至更良好的學習成果［11］。利用虛擬實驗室，學生不僅可以體驗構件的制作過程，還可以在不同材料強度、幾何尺寸和承載力條件（受彎、受壓、受拉、受扭以及復合受力）等參數下構件或結構的破壞過程中，直接看到破壞面的應力或應變分布變化。從而，促進學生更好地理解不同因素對混凝土性能的影響以及背后的機理，并加強學生的實踐操作能力。

（2）結合VR技術和BIM軟件等，創建交互式三維虛擬建筑情景。這些情景可以實現材料、構件以及結構層次三個不同維度的自由轉化，以彩色云圖的形式直觀地展示鋼筋混凝土結構在外部荷載效應下不同維度的力學響應，并建立相應的承載力計算過程。由于虛擬仿真技術不受時間、空間的限制，學生可以對重難點進行重復學習，由難入簡，使各章節內容融會貫通，充實教學內涵。

（3）通過AI技術，學生可以對課程知識的學習進行智能化的自檢和糾錯，教師可以借助學生學習情況的云共享分析教學成效，實時改進教學方法和課程設計。另外，為了防止學生過分依賴AI技術、缺乏自我思考以及學術誠信等問題，在課程教學中加入實時測驗，建立懲處機制，形成自我思考為主、AI技術為輔的健康學習模式。

可見，以上教學舉措可以有效豐富混凝土結構設計原理課程的教學內容，為學生提供更具體、更直觀、更互動的學習體驗。學生在這樣的學習環境中，既能夠加深對課程理論知識的理解，又能夠培養實際操作能力和創新思維，使得他們更好地面對未來的實際工程項目和職業挑戰。同時，教師在此過程中發揮著更多的引導和促進作用，推動教學不斷創新，提高教育質量。

3.2強化實踐教學

由于學生和多數任課教師沒有真正接觸過工程項目，缺乏實踐經驗，傳統混凝土結構設計原理課程中存在理論教學和實踐教學脫節現象，因此實踐教學能力有待提高。鑒于此，本節按照“夯實學科基礎、強化工程實踐、培養創新能力”的總體思路，提出相應的教學舉措。

（1）結合實際工程案例進行教學，夯實學科基礎。通過分析真實的建筑工程案例，學生能夠更加深入地了解理論知識的實際應用，提高學習的深度和廣度。邀請業內專家舉辦講座，分享實際工程經驗，拓寬學生對行業實踐的認知。

（2）擬與企業合作，采用AI技術開發模擬立體化的真實工程環境，并實時跟進施工進度，強化工程實踐。安排學生參觀建筑工地，親身感受工程實踐中的問題和挑戰，并將實際工程與虛擬仿真平臺相結合，幫助學生掌握結構設計基礎知識和企業實際操作經驗，為以后畢業設計和就業提高實踐性引導。

（3）開設建筑結構項目驅動式課程設計，安排學生自主選擇并分組參與實際建筑項目的設計和模擬，利用AI技術模擬項目的材料選擇、結構設計、成本估算等，完成從構思到施工圖設計的全過程，從而培養學生的團隊合作和創新能力。之后，將不同分組的設計數據輸入AI系統進行分析，找出最優設計方案，從而學生可以學習如何利用數據進行決策，并通過實踐了解最優設計背后的原理。

可見，這些教學舉措將有助于縮小理論教學與實踐教學之間的鴻溝，使學生更好地理解混凝土結構設計原理，并能夠在未來的實際工程項目中應用所學知識，為學生的職業發展奠定堅實基礎，進而推動土木與建筑工程領域的發展。

結語

在AI的背景下，混凝土結構設計原理的教學需要進行深入的改革和創新，以適應新的技術趨勢和社會需求。本文探討了AI技術對傳統教學模式的影響，并從豐富教學內容和強化實踐教學兩大方面，提出了一系列將AI應用于混凝土結構設計原理課程的混合式教學改革策略，旨在推進該課程教學質量的提升，結合本專業培養適應社會主義現代化建設需要的人才，滿足區域經濟社會發展需求。只有通過不斷的教育改革，我們才能更好地應對人工智能時代的挑戰，推動土木與建筑工程領域的發展，培養更多優秀的工程師和科學家，最終迎來一個智能化、創新化的未來。

參考文獻：

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［9］JingtaiLi.ResearchonAIassistedhybridteachingforEnglishwriting［C］.2021InternationalConferenceonComputers，InformationProcessingandAdvancedEducation（CIPAE），IEEE，2021：309312.

［10］劉彥龍.AI代入背景下高職專創融合教育的內涵、模式及意義［J］.教育理論與實踐，2022，42（15）：1618.

［11］戰怡霏，王靜.虛擬現實技術在教育中的應用與困境［J］.科技創新與應用，2023，13（20）：191196.

基金項目：浙江科技學院教學研究與改革重大項目（2023jg03，主持人：金輝）

作者簡介：王紅偉（1989—），女，漢族，河北邯鄲人，博士，講師，研究方向：混凝土斷裂力學、鋼筋混凝土性能；金輝（1978—），男，漢族，浙江杭州人，博士，教授，研究方向：橋梁檢測與加固技術、新型橋梁結構、橋梁結構分析理論等。