融合AI大模型和4C/ID模型的智能建造實(shí)踐教學(xué)研究

文章編號(hào)：1671-489X（2025）14-0016-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.14.016

0 引言

智能建造作為建筑行業(yè)的重要改革方向，正在重塑傳統(tǒng)的建造實(shí)踐。技術(shù)的飛速進(jìn)步，尤其是人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等的快速發(fā)展，催生了對(duì)掌握這些先進(jìn)技能的智能建造專(zhuān)業(yè)人才的迫切需求。面對(duì)這一趨勢(shì)，教育體系必須進(jìn)行轉(zhuǎn)型，不僅要及時(shí)更新課程內(nèi)容，納入建筑信息模型（BIM）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等尖端技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，還要著力培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維和數(shù)據(jù)分析技能、提高對(duì)可持續(xù)性和綠色建筑的認(rèn)知、樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的意識(shí)等，以確保他們能夠靈活適應(yīng)技術(shù)環(huán)境的持續(xù)演變和行業(yè)需求的日益增長(zhǎng)。

實(shí)踐教學(xué)作為培養(yǎng)這些專(zhuān)業(yè)人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接關(guān)系到學(xué)生能否將理論知識(shí)有效轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問(wèn)題的能力。因此，探索和實(shí)施有效的實(shí)踐教學(xué)方法對(duì)智能建造教育具有重要意義。本研究旨在通過(guò)融合AI大模型和4C/ID模型，提出一種創(chuàng)新的智能建造實(shí)踐教學(xué)方案，以期提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，滿(mǎn)足行業(yè)對(duì)高素質(zhì)人才的需求。

1AI大模型和4C/ID模型的特點(diǎn)

1.1AI大模型在建筑行業(yè)中的應(yīng)用及其特點(diǎn)

AI大模型在建筑行業(yè)的應(yīng)用展現(xiàn)了其在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、交易、成本、施工、運(yùn)維、綜合管理等關(guān)鍵領(lǐng)域的全面覆蓋能力，為建筑項(xiàng)目的各階段提供定制化解決方案。大模型運(yùn)用深度學(xué)習(xí)和自然語(yǔ)言處理技術(shù)，能夠理解和響應(yīng)復(fù)雜的行業(yè)查詢(xún)，提供精準(zhǔn)信息。

在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，AI大模型能夠分析歷史數(shù)據(jù)和市場(chǎng)趨勢(shì)，輔助設(shè)計(jì)師和規(guī)劃師作出更明智的決策。在交易和管理階段，AI大模型通過(guò)實(shí)時(shí)更新的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范信息，確保交易的合規(guī)性和項(xiàng)目管理的有效性。在成本控制方面，AI大模型通過(guò)分析預(yù)算和支出模式優(yōu)化資源分配，提高成本效益。在施工階段，AI大模型支持現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和進(jìn)度管理，通過(guò)預(yù)測(cè)分析降低延誤和超支的風(fēng)險(xiǎn)。在運(yùn)維階段，AI大模型能夠通過(guò)分析設(shè)備性能和維護(hù)記錄，提升建筑的能效和使用壽命。此外，AI大模型在綜合管理領(lǐng)域通過(guò)集成不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，提供全面的項(xiàng)目視圖，幫助管理者進(jìn)行協(xié)調(diào)和決策。

AI大模型的實(shí)時(shí)更新和動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)能力確保了其在快速變化的建筑行業(yè)中保持信息的準(zhǔn)確性和相關(guān)性。其交互式問(wèn)答和個(gè)性化推薦功能可以提高用戶(hù)檢索效率，增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。同時(shí)，AI大模型的安全性和私保護(hù)措施保障了敏感數(shù)據(jù)的安全。

AI大模型通過(guò)其在建筑行業(yè)各個(gè)階段的深度應(yīng)用，不僅提高了工作效率，還推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為建筑行業(yè)的專(zhuān)業(yè)人士提供了一個(gè)全面、高效、可靠的知識(shí)查詢(xún)和決策支持平臺(tái)。

1.24C/ID模型的特點(diǎn)

在教學(xué)領(lǐng)域中，4C/ID模型[即四元教學(xué)設(shè)計(jì)（Four-Component Instructional Design），是一種全面的教學(xué)設(shè)計(jì)模型。這種教學(xué)設(shè)計(jì)模型應(yīng)對(duì)綜合性學(xué)習(xí)任務(wù)，通過(guò)整合知識(shí)、技能和態(tài)度，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和職業(yè)素養(yǎng)。模型包含四個(gè)基本元素：學(xué)習(xí)任務(wù)、相關(guān)知能（相關(guān)知識(shí)與技能）、支持性信息和專(zhuān)項(xiàng)操練，如圖1所示。

圖14C/ID模型

1）4C/ID模型特別強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)任務(wù)（LearningTasks）的復(fù)雜性。這些任務(wù)通常基于實(shí)施項(xiàng)目的情境，要求學(xué)生整合知識(shí)、技能和態(tài)度來(lái)完成。這種復(fù)雜性不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能培養(yǎng)他們面對(duì)挑戰(zhàn)的能力。

2）在4C/ID模型中，相關(guān)知能（RelatedKnowledge）旨在發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)生性技能，即那些能夠揭示特定學(xué)習(xí)領(lǐng)域知識(shí)結(jié)構(gòu)和問(wèn)題解決策略的技能。學(xué)生需要培養(yǎng)基于圖式的加工能力，從具體細(xì)節(jié)中抽象出一般信息，構(gòu)建模式和方法，用于解決問(wèn)題、推理、決策等。

3）4C/ID模型提供支持性信息（SupportiveInformation），即那些能夠輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的信息和資源，旨在幫助學(xué)生理解和完成學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生在圖式熟練中發(fā)展認(rèn)知規(guī)則和動(dòng)作規(guī)則，用以滿(mǎn)足學(xué)習(xí)任務(wù)的前提需求。圖式熟練能力是指學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中通過(guò)不斷練習(xí)和實(shí)踐，能夠逐漸形成并熟練運(yùn)用特定的認(rèn)知模式或規(guī)則，以應(yīng)對(duì)各種學(xué)習(xí)任務(wù)和問(wèn)題；認(rèn)知規(guī)則是指學(xué)生在處理信息和解決問(wèn)題時(shí)形成的一般性規(guī)則或策略，幫助他們組織和加工知識(shí)，進(jìn)行推理和決策；動(dòng)作規(guī)則是指學(xué)生在執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)形成的規(guī)則或程序，幫助他們進(jìn)行行動(dòng)和操作。支持程序應(yīng)采用直接方式指導(dǎo)，學(xué)生熟練后及時(shí)撤除支架。

4）4C/ID模型還包括專(zhuān)項(xiàng)操練（ProceduralSkills），是一系列針對(duì)性的練習(xí)，旨在加強(qiáng)學(xué)生在特定領(lǐng)域的技能和能力。通過(guò)反復(fù)練習(xí)和應(yīng)用，學(xué)生能夠提高技能水平和應(yīng)對(duì)各種情境的能力。

2融合AI大模型和4C/ID模型的智能建造實(shí)踐教學(xué)研究設(shè)計(jì)

2.1 學(xué)習(xí)過(guò)程

本項(xiàng)研究聚焦智能建造領(lǐng)域的一個(gè)核心課程單元—“建筑信息模型（BIM）的應(yīng)用”。選擇這一單元的原因在于，BIM的應(yīng)用是一項(xiàng)高度復(fù)雜的技術(shù)能力，不僅涉及對(duì)建筑信息模型基礎(chǔ)知識(shí)的教授，還注重學(xué)生對(duì)BIM工具的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和操作規(guī)范的掌握與應(yīng)用，旨在提升學(xué)生綜合運(yùn)用BIM技能的能力[2]。

首先，BIM應(yīng)用技能的培養(yǎng)適合通過(guò)綜合性學(xué)習(xí)路徑來(lái)實(shí)施，并通過(guò)歸納、精細(xì)加工、編輯和強(qiáng)化四個(gè)子學(xué)習(xí)過(guò)程來(lái)構(gòu)建和熟練掌握BIM應(yīng)用的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

其次，四要素教學(xué)設(shè)計(jì)，包括學(xué)習(xí)任務(wù)、相關(guān)知能、支持性信息和專(zhuān)項(xiàng)操練，為BIM應(yīng)用技能的四個(gè)子學(xué)習(xí)過(guò)程提供了支持。

最后，學(xué)校現(xiàn)有的智慧教室資源，如多媒體系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和房屋建筑學(xué)課程中的BIM實(shí)訓(xùn)軟件，能夠有效地支持學(xué)習(xí)任務(wù)的展示、相關(guān)知識(shí)與技能的傳授、支持性信息的實(shí)施和專(zhuān)項(xiàng)操練的完成，從而促進(jìn)BIM應(yīng)用技能的認(rèn)知結(jié)構(gòu)構(gòu)建與熟練掌握，確保學(xué)生能夠精通BIM應(yīng)用技能。

融合AI大模型和4C/ID模型的BIM應(yīng)用技能的綜合學(xué)習(xí)過(guò)程如圖2所示。

圖2融合AI大模型和4C/ID模型的BIM應(yīng)用技能綜合學(xué)習(xí)過(guò)程

2.2學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)

“建筑信息模型（BIM）的應(yīng)用”單元旨在培養(yǎng)學(xué)生在建筑信息模型領(lǐng)域的綜合應(yīng)用能力。基于之前討論的智慧教室對(duì)BIM技能綜合學(xué)習(xí)過(guò)程的支持，內(nèi)容將涵蓋創(chuàng)造性和再生性學(xué)習(xí)活動(dòng)，并依據(jù)4C/ID模型框架構(gòu)建核心學(xué)習(xí)流程：1）通過(guò)真實(shí)案例（BIM軟件）激發(fā)興趣，建立初步認(rèn)知圖式（情境化學(xué)習(xí)任務(wù)）；2）提供領(lǐng)域認(rèn)知規(guī)則（建模步驟）和概念性知識(shí)，支持圖式構(gòu)建（創(chuàng)生性技能培養(yǎng)）；3）通過(guò)即時(shí)反饋支架（教師指導(dǎo)），內(nèi)化操作規(guī)則；4）在真實(shí)場(chǎng)景中重復(fù)操練程序性技能，促進(jìn)技能遷移（再生性技能強(qiáng)化）。具體如表1所示。

表1“建筑信息模型（BIM）應(yīng)用”技能綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

2.3 研究過(guò)程

為了驗(yàn)證融合AI大模型和4C/ID模型的“建筑信息模型（BIM）應(yīng)用”技能綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的有效性，本研究選取了智能建造專(zhuān)業(yè)的40名學(xué)生，將其隨機(jī)分配為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，每組各20人。首先，通過(guò)前測(cè)問(wèn)卷評(píng)估學(xué)生的先驗(yàn)知識(shí)水平，結(jié)果顯示所有學(xué)生對(duì)BIM應(yīng)用技能均缺乏深入理解。隨后，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生參與基于4C/ID模型的“建筑信息模型（BIM）應(yīng)用”技能綜合學(xué)習(xí)計(jì)劃，而對(duì)照組則接受傳統(tǒng)的教學(xué)方法，包括教師講授、學(xué)生聽(tīng)講、觀察模型并進(jìn)行歸納總結(jié)。為控制實(shí)驗(yàn)變量確保教學(xué)內(nèi)容、課時(shí)等條件一致，實(shí)驗(yàn)中使用了相同的模型、教材和視頻資料。在教學(xué)活動(dòng)結(jié)束后，對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行綜合測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容涵蓋知識(shí)掌握、問(wèn)題解決策略、規(guī)則理解和技能應(yīng)用四個(gè)維度。

3應(yīng)用效果評(píng)估

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和訪談的方式，對(duì)AI大模型和4C/ID模型在智能建造本科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估。調(diào)查問(wèn)卷涵蓋基本信息、教學(xué)方案滿(mǎn)意度、實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力、學(xué)生作品分析四個(gè)方面。問(wèn)題包括“您對(duì)本學(xué)期智能建造領(lǐng)域教學(xué)方案的總體滿(mǎn)意度如何？”“您認(rèn)為大語(yǔ)言模型提供的個(gè)性化學(xué)習(xí)支持對(duì)您的學(xué)習(xí)幫助大嗎？”“您認(rèn)為自己在智能建造領(lǐng)域的實(shí)踐能力/創(chuàng)新能力有提升嗎？”“您認(rèn)為您的作品在創(chuàng)新性和實(shí)用性方面的表現(xiàn)如何？”等，全面調(diào)查學(xué)生對(duì)教學(xué)方案的滿(mǎn)意度。

3.1 學(xué)生反饋

學(xué)生普遍對(duì)AI大模型和4C/ID模型的應(yīng)用表示滿(mǎn)意，認(rèn)為AI大模型不僅為他們提供了智能輔導(dǎo)，還拓展了他們的知識(shí)視野，幫助他們更深入地理解專(zhuān)業(yè)知識(shí)。4C/ID模型設(shè)計(jì)的實(shí)踐任務(wù)因其挑戰(zhàn)性和綜合性，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。

3.2 教師評(píng)價(jià)

教師對(duì)這兩種模型的應(yīng)用給予了積極評(píng)價(jià)。教師認(rèn)為，AI大模型作為一種新型教學(xué)工具，極大地輔助了教學(xué)的實(shí)施，使教師對(duì)學(xué)生問(wèn)題的解答和對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)更為高效。4C/ID模型則通過(guò)設(shè)計(jì)深度學(xué)習(xí)任務(wù)促進(jìn)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和問(wèn)題解決能力的提高，提升了教學(xué)質(zhì)量和效果。

3.3 教學(xué)成果

實(shí)踐表明，AI大模型和4C/ID模型的應(yīng)用顯著提升了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。學(xué)生完成的智能建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案和實(shí)踐報(bào)告展現(xiàn)了高水平的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。此外，通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作和有效溝通，學(xué)生的技能得到了明顯增強(qiáng)，這為他們未來(lái)的職業(yè)生涯打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3]。

教學(xué)實(shí)施后，通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在智能建造領(lǐng)域的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力顯著提升。問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)教學(xué)方案的滿(mǎn)意度高，特別是對(duì)AI大模型提供的個(gè)性化學(xué)習(xí)支持和4C/ID模型設(shè)計(jì)的實(shí)踐任務(wù)表示認(rèn)可4， 20% 的學(xué)生表示非常滿(mǎn)意， 60% 的學(xué)生表示滿(mǎn)意， 15% 的學(xué)生表示一般，僅有 5% 的學(xué)生表示不滿(mǎn)意。學(xué)生作品分析顯示，設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新性和實(shí)用性較之前有明顯提高。

研究結(jié)果表明，融合AI大模型和4C/ID模型的實(shí)踐教學(xué)方案能夠有效提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維[5]。AI大模型的個(gè)性化學(xué)習(xí)支持為學(xué)生提供了靈活的學(xué)習(xí)路徑，而4C/ID模型的任務(wù)設(shè)計(jì)則促進(jìn)了學(xué)生的深度學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作。

4結(jié)束語(yǔ)

本研究提出的融合AI大模型和4C/ID模型的智能建造本科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)方案，為該領(lǐng)域的教學(xué)提供了新的視角和方法。該方案通過(guò)AI大模型提供的自主學(xué)習(xí)資源和4C/ID模型設(shè)計(jì)的任務(wù)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)智能建造知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)和掌握，提高了他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。4C/ID模型通過(guò)整合程序性信息和部分任務(wù)練習(xí)可以有效幫助學(xué)生逐步掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，并注重學(xué)習(xí)的遷移，使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的解決。AI大模型則通過(guò)不斷學(xué)習(xí)新的數(shù)據(jù)，持續(xù)提升性能，為學(xué)生提供了豐富的學(xué)習(xí)資源和專(zhuān)業(yè)知識(shí)拓展的機(jī)會(huì)。在實(shí)施過(guò)程中，教師的指導(dǎo)作用至關(guān)重要。教師需要及時(shí)解決學(xué)生在實(shí)踐中遇到的問(wèn)題并增強(qiáng)評(píng)價(jià)機(jī)制，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。盡管研究取得了一定成果，但仍然存在一些局限，例如，參與研究的樣本數(shù)量有限，這可能會(huì)限制研究結(jié)果的廣泛適用性。此外，教學(xué)方案的長(zhǎng)期效果和在不同教育環(huán)境下的適用性仍需進(jìn)一步研究。

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