學(xué)科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系建設(shè)與實(shí)踐

［摘 要］面向?qū)W科交叉融合新需求，如何改進(jìn)高等工程教育模式以提高育人成效，成為各高校需要解決的問題。文章明確了智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)需求，遵循CDIO教育模式，借鑒全球頂尖高校工程教育復(fù)合型人才培養(yǎng)機(jī)制與策略，以大連理工大學(xué)智能建造專業(yè)為例，提出了從具體課程到課程體系改革的基本思路，進(jìn)一步探索了學(xué)科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系建設(shè)的具體途徑和保障措施，以期為學(xué)科交叉融合需求下高等學(xué)校工程教育以及智能建造專業(yè)建設(shè)提供參考。

［關(guān)鍵詞］學(xué)科交叉融合；智能建造；課程體系；工程教育

［中圖分類號］G642.3 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）11-0015-06

引言

從工業(yè)革命的蒸汽技術(shù)和電氣技術(shù)，到科技革命的信息化、數(shù)字化與智能化技術(shù)，新一輪產(chǎn)業(yè)變革在全球飛速發(fā)展，全球工程教育體系也迎來從微觀改革到范式變革的新階段。學(xué)科邊界日漸模糊，學(xué)科交叉融合需求日益凸顯，拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革不斷深化升級，推動我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國[1-2]。

全球頂尖大學(xué)如斯坦福大學(xué)、香港科技大學(xué)、東京大學(xué)、倫敦大學(xué)、麻省理工學(xué)院等堅持推動高等工程教育的創(chuàng)新發(fā)展，培育了能夠引領(lǐng)科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才與技術(shù)創(chuàng)新人才。比如，斯坦福大學(xué)采取了拓展學(xué)科基礎(chǔ)知識和促進(jìn)學(xué)科交叉融合的專業(yè)設(shè)置模式——大學(xué)院制，打破了學(xué)科壁壘，促進(jìn)了學(xué)科交叉融合。麻省理工學(xué)院在CDIO （Conceive—Design—Implement—Operate，構(gòu)思—設(shè)計—實(shí)施—操作）教育模式基礎(chǔ)上推行了“新工程教育轉(zhuǎn)型計劃”，重構(gòu)了學(xué)校工程教育模式[3]。倫敦大學(xué)針對所有本科生提出了全面教育改革計劃，即“綜合工程計劃”，實(shí)施以學(xué)生為中心、基于項目的教學(xué)，使學(xué)生在真實(shí)的情境中開展工程實(shí)踐。一些全球高等工程教育頂尖高校的工科課程體系已經(jīng)體現(xiàn)出明顯的學(xué)科融合性，通過學(xué)院、年級、學(xué)科/專業(yè)、課程/項目的融合，形成了影響廣泛的跨學(xué)科工程教育項目機(jī)制。

目前，我國部分高校的工程教育模式仍存在以下問題[4-5]：一是沒有形成與時俱進(jìn)的學(xué)科交叉融合育人體系；二是沒有形成全方位的學(xué)科交叉融合育人機(jī)制；三是學(xué)科交叉融合不夠深入，在育人過程中，課程堆砌、簡單疊加、交而不融、止于表層的情況仍然存在。本研究將以大連理工大學(xué)智能建造專業(yè)為例，提出完整的課程體系建設(shè)方案與實(shí)施保障機(jī)制，助力解決上述關(guān)鍵問題。

一、學(xué)科交叉融合需求下智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)需求

黨的二十大報告明確提出要加快建設(shè)人才強(qiáng)國，著力造就拔尖創(chuàng)新人才。近年來，在學(xué)科交叉融合需求的驅(qū)動下，全國各類土木院校積極探索智能建造專業(yè)改革[6-9]。2018年，同濟(jì)大學(xué)設(shè)立了智能建造專業(yè)，開創(chuàng)了建筑與基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?qū)W科交叉融合人才培養(yǎng)的先例。截至2023年7月，通過教育部審批的開設(shè)有智能建造專業(yè)的高校達(dá)106所，分布情況如圖1所示。我國高校在智能建造人才培養(yǎng)機(jī)制優(yōu)化方面取得了一定成效，學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力也有所提高[10-11]。

為明確當(dāng)前行業(yè)和社會對學(xué)科交叉融合人才的具體能力需求，研究團(tuán)隊采用了問卷調(diào)查與半結(jié)構(gòu)化訪談方式，對土木、水利、交通領(lǐng)域數(shù)十家知名企業(yè)和科研院所開展了調(diào)研。其中，調(diào)查問卷針對走訪企業(yè)定向發(fā)放，獲取的數(shù)據(jù)直接支持定量分析；半結(jié)構(gòu)化訪談則通過面對面、電話、微信等多渠道同步進(jìn)行，且不限于走訪企業(yè)，訪談記錄用來補(bǔ)充和檢驗問卷調(diào)查分析結(jié)果。最終獲取來自上海建工集團(tuán)股份有限公司、中交雄安建設(shè)有限公司、中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司、中國建筑第二工程局有限公司、中國建筑第八工程局有限公司等企業(yè)的完整反饋，有效問卷共計11份。經(jīng)統(tǒng)計，被調(diào)研企業(yè)對復(fù)合型人才能力需求如圖2所示。

由圖2可知，調(diào)研企業(yè)對工程、機(jī)械、管理與計算機(jī)等多學(xué)科知識交叉融合需求占比較高，尤其土木工程、計算機(jī)科學(xué)與信息類技術(shù)知識的融合是當(dāng)前業(yè)界關(guān)注較多的，這與前期半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果基本一致。因此，智能建造專業(yè)人才能力培養(yǎng)目標(biāo)至少應(yīng)包括以下4個方面。

（1）具有扎實(shí)的人文社科、自然科學(xué)和智能建造專業(yè)理論基礎(chǔ)知識和信息領(lǐng)域的前沿知識；

（2）具有綜合運(yùn)用智能建造專業(yè)知識解決關(guān)于土木、水利、交通工程等信息化、智能化的集成規(guī)劃、設(shè)計、施工和運(yùn)維方面復(fù)雜工程問題的能力，具有實(shí)踐創(chuàng)新能力，具備從事技術(shù)開發(fā)、社會服務(wù)與管理的能力；

（3）具有健全的人格、良好的人文素養(yǎng)和高度的社會責(zé)任感，遵守工程職業(yè)道德規(guī)范，具備正確的工程倫理觀；

（4）具有團(tuán)隊精神、國際視野和國際競爭力，具備不斷學(xué)習(xí)和創(chuàng)新發(fā)展的能力。

二、學(xué)科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系設(shè)計思路

基于CDIO教育模式，在充分調(diào)研我國建筑與基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?qū)ν聊绢惾瞬判滦枨蟮幕A(chǔ)上，研究團(tuán)隊深入了解了智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，全面梳理了復(fù)合型工程人才應(yīng)具備的知識、能力和素質(zhì)。以大連理工大學(xué)智能建造專業(yè)為例，進(jìn)一步探討了學(xué)科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系建設(shè)的思路與途徑。

大連理工大學(xué)于2021年設(shè)立智能建造專業(yè)，2022年以土木類創(chuàng)新班的形式完成了首屆招生工作。該專業(yè)是以土木工程、水利工程與交通工程為基礎(chǔ)，通過整合工程管理、材料科學(xué)與工程、電子信息工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化等專業(yè)后形成的新工科專業(yè)，包括建造、水務(wù)與交通3個方向。同時，該專業(yè)依托建設(shè)工程學(xué)部進(jìn)行專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)，相比依托土木學(xué)院或工程管理專業(yè)建設(shè)的其他兄弟院校，其還涉及土木工程、水利工程、交通運(yùn)輸工程、信息與通信工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、管理科學(xué)與工程等10個一級主干學(xué)科，結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程、電工理論與新技術(shù)、工程管理、計算機(jī)軟件與理論等16個二級主干學(xué)科，學(xué)科交叉融合范圍更廣、融合程度更深。

大連理工大學(xué)智能建造專業(yè)立足土木、水利、交通等優(yōu)勢學(xué)科，融合信息、機(jī)械等多學(xué)科辦學(xué)經(jīng)驗，培養(yǎng)了“力學(xué)不斷線、工程視野廣、智能思維強(qiáng)”的創(chuàng)新復(fù)合型人才，切實(shí)做到了工程類知識與智能類知識的深度融合。因此，在設(shè)計該專業(yè)課程體系時，將課程知識劃分為工程類知識、智能類知識與融合類知識，重視多學(xué)科理論與方法的交叉融合，突出智能類知識為工程實(shí)踐賦能，工程類問題用智能手段解決，融合類知識與教學(xué)設(shè)計、課程群設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計融合，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科交叉融合與工程系統(tǒng)思維。工程類知識包括傳統(tǒng)力學(xué)、工程原理、工程結(jié)構(gòu)、工程技術(shù)知識；智能類知識包括智能語言、智能原理、智能技術(shù)知識?；谏鲜龇治?，本研究明確了智能建造專業(yè)課程體系設(shè)計總體思路，如圖3所示。

三、學(xué)科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系構(gòu)建的具體方案

面向?qū)W科交叉融合需求，聚焦智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，在智能建造專業(yè)課程體系設(shè)計的思路框架指導(dǎo)下，本研究進(jìn)一步提出了從具體課程到體系建設(shè)的智能建造專業(yè)課程體系構(gòu)建的具體方案。

（一）融合多學(xué)科知識的系列特色課程建設(shè)

在具體課程建設(shè)方面，研究團(tuán)隊從單一土木類學(xué)科或智能類學(xué)科教學(xué)轉(zhuǎn)向?qū)捒趶?、多學(xué)科的交叉融合教學(xué)，并在教學(xué)過程中有機(jī)融入課程思政。工程類知識與智能類知識融合后的專業(yè)課程不是土木類知識、信息技術(shù)類知識與思想政治理論的簡單疊加，而是跨學(xué)科、跨領(lǐng)域知識的深度融合，是對既有課程的重新改造與創(chuàng)新設(shè)計。

基于課程目標(biāo)與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，打破傳統(tǒng)思維桎梏，重塑跨學(xué)科融合類課程內(nèi)容，將智能類與工程類知識有機(jī)融合，形成系列特色課程。比如，將傳統(tǒng)土木工程施工課程升級為土木工程智能施工課程，將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計課程升級為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)智能設(shè)計課程，將水資源規(guī)劃及利用課程升級為現(xiàn)代水資源規(guī)劃課程，將交通系統(tǒng)課程升級為智能交通系統(tǒng)課程等。引入現(xiàn)代信息技術(shù)，更新教材內(nèi)容，保留基礎(chǔ)理論概念，融入課程思政。引入相關(guān)案例及數(shù)值解法、計算機(jī)技術(shù)等創(chuàng)新性的教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的開拓性思維。此外，設(shè)計全新的學(xué)科交叉融合類課程，比如設(shè)計工程機(jī)械原理與建筑設(shè)備、土木工程自動控制原理以及工程智能感知技術(shù)等課程，使學(xué)生既能掌握新型技術(shù)與設(shè)備的理論知識，又能得到相應(yīng)的實(shí)踐技能訓(xùn)練。

（二）強(qiáng)化系統(tǒng)思維與創(chuàng)新實(shí)踐的課程體系

在課程體系構(gòu)建方面，明確智能建造專業(yè)培養(yǎng)方案各個模塊的具體課程，優(yōu)化專業(yè)知識結(jié)構(gòu)，如從注重特定能力訓(xùn)練轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)化全局系統(tǒng)思維，從強(qiáng)調(diào)專業(yè)理論知識調(diào)整為突出創(chuàng)新實(shí)踐能力。

各個模塊課程調(diào)整優(yōu)化后，以強(qiáng)化全局系統(tǒng)思維、突出創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以解決工程項目實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建學(xué)科交叉融合需求下的“土木類+智能類”課程群設(shè)計模式，創(chuàng)新實(shí)踐教育，建設(shè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的實(shí)習(xí)實(shí)踐平臺。全面開展校企聯(lián)合授課、聯(lián)合指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計、聯(lián)合舉辦創(chuàng)新競賽、設(shè)立學(xué)生創(chuàng)新聯(lián)合項目、開展師資培訓(xùn)等，實(shí)施“課堂—項目—競賽—畢業(yè)設(shè)計”四維聯(lián)動的創(chuàng)新教學(xué)模式。依托中國建筑第八工程局有限公司、上海建工集團(tuán)股份有限公司等企業(yè)，建立校外復(fù)合型人才培養(yǎng)實(shí)習(xí)實(shí)踐及產(chǎn)學(xué)協(xié)同育人創(chuàng)新基地，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的一體化建設(shè)。在不超過160總學(xué)分的前提下，合理確定單門課程學(xué)分，規(guī)劃整個課程體系學(xué)分分布，以達(dá)到不同課程模塊與不同修讀學(xué)期學(xué)分配比均衡的目的。此外，邀請學(xué)校內(nèi)外相關(guān)專家共同研討，通過多輪修訂論證，完善課程體系，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生專業(yè)知識素養(yǎng)、跨界從業(yè)技能、集成復(fù)合能力以及創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

綜上所述，學(xué)科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系如圖4所示。

四、學(xué)科交叉融合需求下智能建造專業(yè)課程體系構(gòu)建實(shí)施保障

在智能建造專業(yè)課程體系建設(shè)過程中，需要以充分的教學(xué)資源與完善的管理機(jī)制為支撐，以此保障課程體系得以順利實(shí)施并取得良好效果。其實(shí)施保障措施主要包括以下三個方面。

（一）教師隊伍建設(shè)

跨學(xué)科融合人才培養(yǎng)對任課教師提出了更高的要求，必須打造高水平、高素質(zhì)的教學(xué)團(tuán)隊。

教學(xué)能力基本要求：任課教師應(yīng)聚焦智能建造專業(yè)培養(yǎng)定位及所授課程目標(biāo)，創(chuàng)新教學(xué)方法，引入國內(nèi)外前沿知識、標(biāo)志性工程案例，完成教學(xué)內(nèi)容設(shè)計；做好所授課程與前修、后修課程的銜接，完善教學(xué)大綱。比如，工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)課程需與先修課程Python語言程序設(shè)計銜接，以此解決同一學(xué)期智能建造學(xué)科概論、理論力學(xué)等相關(guān)課程提及的工程案例問題，并為工程數(shù)據(jù)算法與人工智能等后修專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。此外，任課教師還需要深度參與相關(guān)課程群設(shè)計，合作開展實(shí)踐教學(xué)，并負(fù)責(zé)推動課程配套的軟硬件落實(shí)與使用管理等工作。

教學(xué)團(tuán)隊水平提升：一方面，引導(dǎo)任課教師積極參加各類智能建造相關(guān)教學(xué)培訓(xùn)，強(qiáng)化自身對新知識、新工具和新方法的學(xué)習(xí)與適應(yīng)，以應(yīng)對ChatGPT等帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[12]，掌握多元混合式教學(xué)模式的應(yīng)用，獲取多渠道教學(xué)資源，全面提升教學(xué)水平，以適應(yīng)新形勢下的新挑戰(zhàn)；另一方面，加強(qiáng)跨學(xué)院、跨學(xué)科的溝通交流，注重優(yōu)勢互補(bǔ)，形成面向課程群設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計的系列教學(xué)團(tuán)隊。教學(xué)團(tuán)隊合作制訂教學(xué)大綱，協(xié)同編寫教材，聯(lián)合指導(dǎo)學(xué)生，實(shí)現(xiàn)理論知識與實(shí)踐能力協(xié)同培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生“從獨(dú)立到協(xié)作” 解決復(fù)雜工程問題的能力[13]。

（二）教學(xué)資源匹配

依托土木水利實(shí)驗中心國家級教學(xué)平臺，成立智能建造專業(yè)實(shí)驗室，以滿足本專業(yè)建造、水務(wù)和交通3個模塊課程體系建設(shè)所需的教學(xué)設(shè)備要求。比如，定制開發(fā)智能施工機(jī)器人（含運(yùn)行平臺），實(shí)現(xiàn)自動抹灰、噴涂等，培養(yǎng)學(xué)生機(jī)器人實(shí)操及二次開發(fā)能力，支撐畫法幾何及BIM制圖、 土木工程智能施工及工程經(jīng)濟(jì)與項目信息化管理課程群設(shè)計；集成定制一體化水文氣象站，培養(yǎng)學(xué)生對城市水文氣象過程的觀測與數(shù)據(jù)分析能力，支撐城市水循環(huán)與水安全課程實(shí)驗教學(xué)及相關(guān)技能訓(xùn)練；開發(fā)包括交通信號控制設(shè)備、交通流檢測設(shè)備與管控分析平臺在內(nèi)的韌性交通智能管控系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生掌握交通管理與控制系統(tǒng)的設(shè)計邏輯、數(shù)據(jù)采集原理、通信及數(shù)據(jù)算法等知識，支撐交通管理與控制、智慧交通系統(tǒng)課程實(shí)驗教學(xué)及其課程群設(shè)計。

此外，為推進(jìn)人才培養(yǎng)與社會需求間的協(xié)同，積極與上海建工集團(tuán)股份有限公司等企業(yè)合作開設(shè)技術(shù)前沿課程，聯(lián)合編寫智能建造相關(guān)新形態(tài)教材。開展校企合作項目，建立實(shí)習(xí)實(shí)踐基地，比如建立中國建筑第八工程局有限公司卓越工程師實(shí)踐教學(xué)基地、中國長江三峽集團(tuán)有限公司烏東德水電站水工專業(yè)實(shí)習(xí)基地、中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司實(shí)習(xí)基地以及大連新機(jī)場沿岸商務(wù)區(qū)實(shí)習(xí)基地等，支撐智能建造專業(yè)課程體系中實(shí)驗、實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等實(shí)踐環(huán)節(jié)的開展，為智能建造專業(yè)學(xué)生學(xué)科融合知識運(yùn)用能力的培養(yǎng)提供了堅實(shí)的保障。

（三）管理機(jī)制創(chuàng)新

建立與新專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的創(chuàng)新性管理機(jī)制，保障智能建造專業(yè)課程體系建設(shè)的順利實(shí)施。智能建造專業(yè)建設(shè)涉及土木工程、水利工程、交通運(yùn)輸工程和建設(shè)管理等，需要學(xué)校統(tǒng)一部署，逐步落實(shí)。

從教師層面出發(fā)，制定《建設(shè)工程學(xué)部本科課程主講教師選聘與教學(xué)質(zhì)量考核評價實(shí)施方案（試行）》，明確任課教師能力需求與工作職責(zé)，通過嚴(yán)格的教學(xué)過程監(jiān)督與教學(xué)質(zhì)量保障管理，提升智能建造專業(yè)師資水平。從學(xué)生層面出發(fā)，智能建造專業(yè)以“智慧基礎(chǔ)設(shè)施與土木類創(chuàng)新班”形式招生，區(qū)別于學(xué)校既有的土木工程專業(yè)大類招生，有針對性地制定《建設(shè)工程學(xué)部創(chuàng)新班管理辦法（試行）》，建立“創(chuàng)新班”動態(tài)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出與推研激勵等機(jī)制，使學(xué)生適應(yīng)跨學(xué)科融合課程以及多元混合式教學(xué)模式。此外，為推進(jìn)教育理念與培養(yǎng)模式創(chuàng)新，以構(gòu)建拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系為突破口，學(xué)校針對智能建造專業(yè)開展“本研貫通培養(yǎng)計劃”試點(diǎn)工作，為學(xué)生施展才華搭建平臺。綜上，通過實(shí)施從教師層面到學(xué)生層面的系列管理舉措，逐漸建立系統(tǒng)的成效評價機(jī)制，及時總結(jié)經(jīng)驗、查漏補(bǔ)缺，促進(jìn)專業(yè)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，發(fā)揮智能建造專業(yè)“創(chuàng)新班”培養(yǎng)模式的引領(lǐng)示范作用，進(jìn)而帶動土木類既有專業(yè)的升級改造。

五、結(jié)論

面向?qū)W科交叉融合需求，本研究明確了智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，借助CDIO教育模式，以大連理工大學(xué)智能建造專業(yè)為例，既提出了從具體課程到課程體系改革的基本思路，又提出了保障課程體系建設(shè)順利進(jìn)行的三個具體措施，即教師隊伍建設(shè)、教學(xué)資源匹配與管理機(jī)制創(chuàng)新。本研究在一定程度上解決了工程教育領(lǐng)域?qū)W科交叉融合不夠深入等問題，助力我國高等學(xué)校工程教育模式的改革，并為其他高校智能建造專業(yè)建設(shè)提供了借鑒與參考。但智能建造專業(yè)課程體系建設(shè)不是一蹴而就的，需要在人才培養(yǎng)實(shí)踐中持續(xù)總結(jié)經(jīng)驗并優(yōu)化完善。

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［責(zé)任編輯：蘇祎穎］