生成式人工智能背景下“橋梁工程”課程的改革與實踐

摘要 生成式人工智能的快速發展正持續推動高校課程改革。針對“橋梁工程”課程教學中存在的若干問題，文章進行了生成式人工智能背景下“橋梁工程”課程的改革與實踐，包括優化教學內容、革新教學模式與方法、改進學生考核方式等，旨在解決該課程的諸多共性問題，使課程更好地契合時代發展需求，進而助力橋梁工程領域新質人才的培育。

關鍵詞 生成式人工智能；橋梁工程；教學內容；教學模式；學生考核方式

中圖分類號 G642 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0183-03

0 引言

自2022年11月OpenAI推出ChatGPT以來，生成式人工智能進入快速發展階段。2023年，全球范圍內涌現出一系列具有較大影響力的生成式預訓練大語言模型，包括LLaMA、百度的文心一言、科大訊飛的星火大模型、阿布扎比技術創新研究院的Falcon，以及谷歌的Gemini等。到2024年底，隨著Gemini-2.0、GPT-o3的發布，標志著生成式人工智能逐漸走向成熟。生成式人工智能，與之前判別式人工智能有很大區別，它有強大的自然語言處理能力、啟發性內容生成能力、對話情境理解能力、思維鏈邏輯推理能力、序列任務執行能力，以及多功能、多語言代碼能力[1]；它不僅具備分析功能，還具備理解、推理及再創作的能力，能夠實現價值的創造[2]。在教育領域，生成式人工智能技術的應用已超越了單純的輔助教學工具范疇，正逐漸演變為一個多功能的教學參與者，從而深層次地參與到教育中。生成式人工智能正與教育深度融合，重塑人類教育與學習的形態，改變教育的歷史敘事，并將激發未來教育領域的變革[3]。由此可見，生成式人工智能為教育改革帶來了歷史性的機遇和動力，研究生成式人工智能背景下的教育教學改革不僅是趨勢所在，更是緊迫必要的任務。

“橋梁工程”是土木工程專業道橋方向必修的發展方向課程，在土木工程人才培養中具有非常重要的地位。但在長期的教學實踐中，不論是教學內容、教學模式、教學方法還是學生評價方式上，都存在許多重要難題未得到解決[4]。為此，貴州師范大學橋梁工程課程團隊進行了生成式人工智能背景下“橋梁工程”課程的改革，以期更好地適應生成式人工智能時代教育發展的新趨勢，并探索解決“橋梁工程”教學實踐中的難題。

1 “橋梁工程”教學現狀及分析

1.1 課程內容待優化、課時安排少

“橋梁工程”涉及的知識非常繁雜，包括梁橋、拱橋、索橋三種基本體系橋梁和組合體系橋梁；每種體系又涉及構造和計算；結構復雜、理解困難，計算煩瑣，對力學掌握水平要求高，用到的規范條文也多。與此同時，由于受“厚基礎、寬口徑”指導思想的影響，該課程學時有所減少，多數學校僅48學時。另外，該課程傳統教材內容枯燥，大篇幅公式推導，缺乏與時俱進的融合，對新材料、新技術、新工藝少有提及。

1.2 學生基礎參差不齊，教學模式、教學方法待改進

學校出于多方面的考慮，橋梁工程教學班制多為大班教學。貴州師范大學土木道橋專業平均每班超過60人，且同一班級可能同時有原班學生、轉專業學生、專升本學生、留級學生、參軍退伍學生、外國留學生等，其中部分學生的數學、力學及其他基礎知識很薄弱。學生基礎參差不齊且兩極分化嚴重，難以兼顧不同層次的學生要求。

對于橋梁工程的教學模式，目前仍以板書+多媒體課件的講授模式為主，相關教師包括筆者也試圖嘗試其他模式，比如翻轉課堂、基于慕課的學習、基于愛課程平臺的學習等，結果依然難以滿足各個層級學生的需求，學生學習動力依舊不足、興趣依舊不大[5]。事實上，這些模式并不能產生“以學生為中心”的激勵效果，其本質上和在教室被動灌輸并無多大差別，甚至因為缺少了和老師同學們的互動而變得更加無趣。究其本質，這些模式受限于支撐互動的技術和設施，更多地局限在具體知識的分享上而不是立足學習過程，而有價值、有意義的學習過程比學習到知識更加重要。橋梁工程的課程目標為學生在面對復雜的地質地形條件、不同的荷載條件、各種功能要求下，能夠熟練地設計與計算，這就不僅僅要求學生們只是理解橋梁設計的相關知識，更重要的是培養學生們的分析、推理、評價和創造等高階思維，而這些高階思維則需要從學習過程中來，但是被動灌輸式的學習過程不利于甚至有害于高階思維的產生。筆者一直在嘗試啟發式、討論式、探究式、開放式的教學方法，比如在橋梁基本體系的教學過程中，首先分別講解梁、拱、索三大基本體系，然后提問：三大基本體系的受力特點？學生基本能夠回答受彎、受壓、受拉。接著問：這些受力特點對材料的利用效率如何？學生開始有所遲疑，通過討論也僅有部分同學能夠回答，由筆者進行補充。接著問：三大基本體系能否組合產生其他橋型的橋梁，學生根據教材回答：斜拉橋、剛架橋。該過程雖包含互動、啟發、討論、探究與開放性等要素，但多停留于表面，形式較為單一且質量欠佳。部分問題僅需學生查閱課本即可作答，缺乏深度拓展與延伸，未能有效激發學生的高階思維能力。

1.3 學生考核方式待改進

高校橋梁工程課程成績一般為平時成績（30%）＋期末成績（70%）。期末成績的考核方式為閉卷筆試，期末考題多是書本固有的知識點，學生只需考前突擊即可通過；平時成績也以考勤及上課回答問題的表現為主。這樣的考核方式重結果輕過程、重知識點輕思維及能力，不能反映學生學習的品質。另外，考核評價方式也缺乏對新技術的擁抱和響應。

2 生成式人工智能背景下“橋梁工程”課程改革

“橋梁工程”教學實踐中的難題由來已久，卻一直未能實質性解決，生成式人工智能的迅速發展為這些難題的解決提供了良好契機。以下是生成式人工智能背景下，貴州師范大學“橋梁工程”課程的改革與探索。

2.1 優化教學內容、豐富教學內容呈現的方式

生成式人工智能背景下，信息、知識甚至一些技能將不再重要，重要的是創造性思維、批判性思維、溝通（提問）、品格等。在最新一輪教學過程中，課程精簡了許多涉及信息、簡單知識的內容，調整了很多重要內容的教學重心，引入了人工智能在橋梁工程中的應用，并引導學生嘗試用生成式人工智能解決橋梁設計計算中的問題。與此同時，讓學生在這一過程中感受和思考：隨著生成式人工智能的發展，橋梁工程的設計方式、設計內容、施工養護及檢測方式等，也會發生根本性的變化，甚至將出現基于生成式人工智能的新的橋梁設計范式，并徹底改變現有的基于模擬的橋梁結構設計模式；同時，設計的內容也會變化，其呈現形式也會變得更豐富、更直觀；生成式人工智能既是學習的工具，也將與土木工程專業進行深度融合。

以下是優化教學內容的幾個示例：（1）精簡了“橋梁發展動態”的教學內容，提前布置學生課前觀看《中國橋梁》《了不起的工程》等紀錄片，課上僅作簡要概述，但引入人工智能在橋梁工程中的應用案例，比如橋梁檢測機器人的應用；同時，也引導學生體會橋梁工程智能化的發展方向，推薦有余力的同學自己閱讀或與生成式人工智能協作閱讀周緒紅、張喜剛院士論文：《以“智能橋梁”為特征的“第三代橋梁工程”》[6]。（2）刪除“板橋構造”中實心板橋的內容，對空心板橋也僅做很簡單的講述，對其構造圖、鋼筋圖的講授也相應減少，因為在生成式人工智能的背景下，構造圖、鋼筋圖的表現將會是更立體、更空間的形式。（3）基于對創新性思維、批判性思維的培養，在教學內容上強化基本底層概念，并對基本概念進行重現，比如對荷載橫向分布系數的計算，只強調荷載橫向分布這個概念如何產生，而不強調具體的計算公式。（4）優化“上承式拱橋內力計算”的內容，簡化內力計算公式繁復的推導與演算細節，強化力法求解超靜定結構的基本原理，強調計算程序。此外，指導學有余力的同學利用生成式人工智能強大的多功能、多語言代碼能力，輔助編程計算單跨上承空腹式拱橋內力。

對于教學內容的呈現方式，除已有的主教材、教案、教師參考書、學習指導書、視頻教程、網絡課程、試題庫等外，團隊在教與學的過程中開始嘗試以生成式人工智能為基礎，從最新的研究、文獻中實時新編教學內容。

2.2 教學模式和教學方法的改革

現階段，橋梁工程的教學模式除了傳統的板書+多媒體，主要還有翻轉課堂、基于慕課的學習、基于愛課程平臺的學習等模式。這些模式本質上還是基于資源，只是增加了知識獲取的途徑，很難針對不同基礎的學生作出相應的響應，缺乏交互性與實時反饋性等。如果將生成式人工智能引入教學，那么情況將完全不一樣。由于生成式人工智能掌握了高價值信息記憶、多輪對話理解、復雜邏輯推理、新知識學習應用進化等能力，加之引入生成式人工智能以后學生和老師均可從中獲得知識能力，那么三個教學參與者的角色將得到轉變與升華。引入生成式人工智能后，整個教學過程由單向不閉合結構模式將轉變成雙向完全閉合的結構模式。因此，建設基于生成式人工智能的橋梁工程智慧課程是大勢所趨[7]，團隊已著力在超星智慧平臺上建設基于生成式AI+知識圖譜的橋梁工程智慧課程。與此同時，針對前文所述傳統教學模式中啟發、討論、探究等多停留于表面，方式單一，質量不高，缺乏對學生高階思維的培養等問題，團隊在最新一輪的課堂教學中，嘗試加入與生成式人工智能的交互環節，學生興趣明顯得到提高，討論與探究也具備一定的深度和廣度。

以下是引入生成式人工智能后橋梁基本體系這一小節的教學過程：課前老師與生成式人工智能互動，基本熟悉生成式人工智能對橋梁基本體系問題的解答，并利用智能體模擬學生與老師對話，切身體會學生學習中可能遇到的難點及潛在的思維發散點，老師在這個互動過程中教學視角得以拓寬，專業知識的邊界也得到擴展。[8]

值得說明的是，為保持學生的好奇心與主動交互的興趣、激發學生的即時反應以展現真實探索與思考過程，該節內容要求學生不需要進行預習。課中首先分別講解梁、拱、索三大基本體系，然后向同學提問：三大基本體系的受力特點？學生基本能回答受彎、受壓、受拉。接著問：這些受力特點對材料的利用效率如何？學生開始有所遲疑，即使相互討論后也不能完全理解，教師引導學生與通用生成式人工智能、土木工程垂域大模型比如CivilGPT，以及橋梁工程課程教學智能體交互，學生逐漸理解各種受力對材料的利用效率，并在這個點上有所發散，有些同學在理解受壓受拉有利于材料效率的發揮后向生成式人工智能提問：能不能讓橋梁在荷載作用下只受壓或只受拉？如何實現？學生在交互過程中獲得很大的成就感，興趣好奇心也隨之增加。教師在交互后再做總結，將結構是力與建筑的統一理念植入學生心中。最后問：三大基本體系能否組合產生其他橋型的橋梁？同學們開始時而思考，時而翻書，時而在草稿紙上涂畫，時而問老師，時而與生成式人工智能對話交流，時而在圖像生成式人工智能上操作。最終不但得到了教材陳述的斜拉橋和剛架橋兩種橋型，還了解了斜拉與懸索組合橋、懸帶橋等，還有同學提出曲線梁橋也是一種彎扭組合橋梁的觀念，更驚喜的是有同學在圖像生成式人工智能上操作出一種新型的傘形支撐式，類似于斜拉橋關于主梁鏡像的橋型。

2.3 改進學生考核方式

在生成式人工智能背景下，將更加看重創造性思維、批判性思維、溝通等品質，橋梁工程課程的教學內容、教學模式、教學方法也在發生著變化，學生考核評價方式也需作出改變。最新一輪的橋梁工程課程成績，已改為平時成績（40%）＋期末成績（60%）。期末成績的考核方式為開卷筆試，增加了理解、分析、運用的占比；對于平時成績，除了對考勤及課堂表現的考核外，更加注重對過程、思維品質的考查，比如從學期開始布置一個橋梁設計的大作業貫穿教學過程，鼓勵學生應用圖像生成式人工智能工具進行創新方案設計、鼓勵學生利用生成式人工智能工具輔助編程進行結構計算，引導學生積極擁抱新技術。與此同時，團隊也在積極探索基于生成式人工智能，并結合智慧教育平臺、智慧教室的過程性評價。

3 結語

隨著生成式人工智能變革性的發展，它與教育的深度融合是必然趨勢，這將重塑人類教育與學習形態、啟發未來教育變革。進行生成式人工智能背景下“橋梁工程”課程的改革，能更好地適應生成式人工智能時代教育發展的新趨勢，有利于解決橋梁工程教學實踐中的難題。未來，生成式人工智能將不斷發展，教師需要進一步反思教學目標、教學內容、教學模式及評價方式等，助力橋梁工程課程持續演進，助推橋梁工程領域新質人才的培養和發展。

參考文獻

[1]劉邦奇，聶小林，王士進，等.生成式人工智能與未來教育形態重塑：技術框架、能力特征及應用趨勢[J].電化教育研究， 2024（1）：13-20.

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[3]邱燕楠，李政濤.挑戰·融合·變革：“ChatGPT與未來教育”會議綜述[J].現代遠程教育研究， 2023（3）：3-12+21.

[4]焦馳宇，龍佩恒，喬宏.新工科下基于科教融合的“橋梁工程”教學改革[J].教育教學論壇， 2024（3）：69-72.

[5]鄧友生，莊子穎，陳國軍，等.基于“互聯網+”與新工科背景下的橋梁工程課程建設研究[J].重慶建筑， 2024（9）：85-87.

[6]周緒紅，張喜剛.以“智能橋梁”為特征的“第三代橋梁工程”[J].建設機械技術與管理， 2020（3）：18.

[7]吳安杰，武藝.基于知識圖譜的橋梁工程課程教學改革探討——以貴州理工學院為例[J].教育觀察， 2024（30）：40-43.

[8]祝智庭，趙曉偉，沈書生.融智課堂：融入AI大模型的創新課堂形態[J].電化教育研究， 2024（12）：5-12+36.

收稿日期：2025-01-06

作者簡介：牟洪仲（1984—），男，碩士研究生，講師，主要從事橋梁工程方面的教學和科研工作。

基金項目：貴州省高等學校教學內容和課程體系改革項目“生成式人工智能背景下《橋梁工程》課程的改革與探索”（2023047）。