基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土木工程智能化施工課程達(dá)成度評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2025）26-0009-06

Abstract：Withourcountryseconomyenteringanewstageofhigh-qualitydevelopment，smartconstructionhasbecomean inevitabletrendinthedevelopmentoftheonstructionindustryaswellasintheindustrialtransformationandupgradinghich mainlyicludestreeaspects：intellintdesign，inteligentconstructio，nditeligentoperationndmintenance.Ielent ConstructioninCivilEngineringisthecorecourseofsmartconstruction，whosequalitystandards，knowledgesystemand evaluationmethodsarestillintheexploratorystage.Lessonachievementevaluationisanimportantpartofprofsional accreditationinengineeingeducation.ThispapertakesthecourseofIntellgentConstructioninCivilEngineeringinChina UniversityofMiningandTechnologyastheresearchsubject.Firstly，thispaperpresentsthequalitystandardsforthiscourse. Subsequently，anachievementevaluationmethodbasedonneuralnetworktechnologyisproposedusingtheteachingdata. Moreover，thefindingswillbeutizedtoproposeenhancementsforteachingpractices.Thispapershowsthatneuralnetwork technologycanbeusedtoreasonably，accurately，andscientificallevaluatetheachievementofcourseobjectives，whichhelpsto promote high-quality development in undergraduate engineering education.

Keywords： Intellgent Constructionin CivilEngineering;smartconstruction；courseachievement;neuralnetwork；enginering education

建筑業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)推動(dòng)我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。傳統(tǒng)建筑業(yè)屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，存在建造方式粗獷、資源消耗大、碳排放量高、生產(chǎn)效率低、工人老齡化嚴(yán)重、用工成本高等問(wèn)題。智能建造是新一代信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)與傳統(tǒng)建筑業(yè)融合形成的工程建造創(chuàng)新模式，是實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。

2020年7月，《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門(mén)關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，強(qiáng)調(diào)要以建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化為動(dòng)力，形成涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營(yíng)等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系2。自2018年同濟(jì)大學(xué)首先設(shè)置智能建造本科專(zhuān)業(yè)以來(lái)，全國(guó)共有106所高校開(kāi)設(shè)了智能建造專(zhuān)業(yè)（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截至2023年底）。智能建造專(zhuān)業(yè)主干課程主要涉及智能規(guī)劃與設(shè)計(jì)、智能裝備與施工、智能運(yùn)維三個(gè)模塊，而土木工程智能化施工是智能建造專(zhuān)業(yè)的主干課程之一。土木工程智能化施工課程的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、知識(shí)結(jié)構(gòu)體系、評(píng)價(jià)方法尚處于探索初始階段。課程的達(dá)成度評(píng)價(jià)，將直接影響智能建造專(zhuān)業(yè)工程教育質(zhì)量認(rèn)證水平。因此，針對(duì)土木工程智能化施工的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和達(dá)成度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行詳細(xì)研究尤為迫切。

土木工程施工是土木工程專(zhuān)業(yè)的主干課程，主要講述各工種工程的施工工藝、施工方法、技術(shù)要求，以及施工組織的原則與特點(diǎn)、流水施工基本原理、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)和施工組織設(shè)計(jì)，常涉及土石方工程、基礎(chǔ)工程、混凝土結(jié)構(gòu)工程、結(jié)構(gòu)安裝工程、道路工程、橋梁工程、地下工程、腳手架工程、防水工程及裝飾裝修工程，知識(shí)體系呈現(xiàn)“大而全\"的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)土木工程施工課程不同，土木工程智能化施工的核心在于將人工智能技術(shù)、智能化機(jī)械設(shè)備、BIM軟件、3D打印技術(shù)、檢（監(jiān)）測(cè)感知系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等智能化技術(shù)應(yīng)用到施工組織與管理中，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化4。顯然，土木工程智能化施工的課程知識(shí)體系與傳統(tǒng)土木工程施工課程存在顯著不同，若仍借鑒傳統(tǒng)施工課程“大而全、多點(diǎn)深人\"的思路開(kāi)展教學(xué)工作是不現(xiàn)實(shí)的。因此，應(yīng)針對(duì)高校辦學(xué)特色，制定土木工程智能化施工課程的個(gè)性化質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系。

課程目標(biāo)達(dá)成情況的評(píng)價(jià)是工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的重要環(huán)節(jié)，常通過(guò)過(guò)程監(jiān)測(cè)和結(jié)果評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式對(duì)課程效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[-8。過(guò)程監(jiān)測(cè)除了考察學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度外，更側(cè)重于考核學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、自主學(xué)習(xí)能力和參與度等情況；而結(jié)果評(píng)價(jià)多以考試、測(cè)驗(yàn)和報(bào)告等形式，即通過(guò)分?jǐn)?shù)進(jìn)行客觀量化學(xué)生知識(shí)掌握程度。目前，基于成果導(dǎo)向教育（OutcomeBasedEducation，OBE）的評(píng)價(jià)方式，是進(jìn)行課程達(dá)成度評(píng)價(jià)的主流方法，該方法重視學(xué)生能力和學(xué)習(xí)成果的培養(yǎng)，而非重視內(nèi)容和分?jǐn)?shù)的傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法9。需要指出的是，上述評(píng)價(jià)形式往往是對(duì)教學(xué)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)分析，缺少可預(yù)測(cè)性和智能化。鑒于此，陳志雄等[10]提出了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的課程達(dá)成度評(píng)價(jià)方法，并對(duì)重慶大學(xué)的土力學(xué)課程進(jìn)行了實(shí)施，驗(yàn)證了所提出方法的科學(xué)性和有效性。

本文以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的土木工程智能化施工課程為研究對(duì)象，首先針對(duì)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)能源特色院校的特點(diǎn)，制定了該課程的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。其次，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的課程達(dá)成度評(píng)價(jià)方法，并以一學(xué)期的教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)施。最后，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的達(dá)成度評(píng)價(jià)模型，為后續(xù)的教學(xué)改進(jìn)提供建議和參考。

土木工程智能化施工課程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

（1） 課程目標(biāo)

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握土木工程智能化施工常用的施工機(jī)具、施工方法和施工工藝，具有針對(duì)特定復(fù)雜工程優(yōu)化選擇適宜施工措施的能力；具有運(yùn)用智能化施工技術(shù)基本理論知識(shí)以及國(guó)家現(xiàn)行施工驗(yàn)收規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，分析、判斷以及保證工程施工質(zhì)量的能力；具有根據(jù)土木工程項(xiàng)目的客觀實(shí)際情況，運(yùn)用現(xiàn)代流水施工管理知識(shí)，編制單位工程施工組織設(shè)計(jì)，確定施工方案、施工進(jìn)度計(jì)劃和施工場(chǎng)地布置圖的能力；同時(shí)通過(guò)以上各方面能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷、工程責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識(shí)、頑強(qiáng)拼搏精神和發(fā)展創(chuàng)新能力。

課程目標(biāo)1：使學(xué)生掌握土木工程智能化施工常用的施工機(jī)具、施工方法和施工工藝，具有針對(duì)特定復(fù)雜工程優(yōu)化選擇適宜施工措施的能力，支撐本專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)2.3。

課程目標(biāo)2：具有運(yùn)用智能化施工技術(shù)基本理論知識(shí)以及國(guó)家現(xiàn)行施工驗(yàn)收規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，分析、判斷以及保證工程施工質(zhì)量的能力，支撐本專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)3.3。

課程目標(biāo)3：具有根據(jù)土木工程項(xiàng)目的客觀實(shí)際情況，編制單位工程施工組織設(shè)計(jì)，確定施工方案、施工進(jìn)度計(jì)劃和智慧工地布置的能力，支撐本專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)4.1。

課程目標(biāo)4：培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷、工程責(zé)任意識(shí)、頑強(qiáng)拼搏精神和創(chuàng)新能力，即課程思政教學(xué)目標(biāo)。

畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)、課程目標(biāo)及能力要求見(jiàn)表1。

表1畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)、課程目標(biāo)及能力要求

由表1可知，土木工程智能化施工課程主要對(duì)應(yīng)于工程教育認(rèn)證\"12條\"基本要求中的\"專(zhuān)業(yè)知識(shí)\"“復(fù)雜工程問(wèn)題”和“解決方案”觀測(cè)點(diǎn)任務(wù)。

（二） 課程內(nèi)容

針對(duì)上述課程目標(biāo)，土木工程智能化施工課程共設(shè)置56個(gè)學(xué)時(shí)的教學(xué)工作量，其中包括40學(xué)時(shí)的課堂學(xué)時(shí)和16學(xué)時(shí)的課外學(xué)時(shí)。課堂教學(xué)的主要教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配和課程思政等要求匯總于表2，課外學(xué)時(shí)的教學(xué)內(nèi)容和要求列于表3。

課程考核與達(dá)成度評(píng)價(jià)

（1） 課程的考核環(huán)節(jié)

課程考核包括平時(shí)考核和期末考核，平時(shí)成績(jī)、期末考試成績(jī)和總成績(jī)，均為百分制，其中平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)占總成績(jī)的比例分別為 40% 160% ，考核細(xì)則見(jiàn)表4。為保證課堂教學(xué)效果，避免學(xué)生出現(xiàn)功利性和流于表面的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，課程采用了“課堂表現(xiàn) + 課后作業(yè)\"相結(jié)合的方式，通過(guò)課堂表現(xiàn)考核方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性；通過(guò)課后作業(yè)考核方式，了解學(xué)生對(duì)所教授知識(shí)點(diǎn) 的掌握程度。

表2課堂學(xué)時(shí)主要教學(xué)內(nèi)容、要求及學(xué)時(shí)分配

表3課外學(xué)時(shí)安排內(nèi)容、要求及學(xué)時(shí)分配

表4考核細(xì)則

（二） 課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)方式

課程目標(biāo)達(dá)成情況計(jì)算方式詳見(jiàn)表5。

三 課程達(dá)成度分析

（1） 各學(xué)生達(dá)成度情況

本文以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)智能建造專(zhuān)業(yè)的土木工程智能化施工課程2022—2023學(xué)年第二學(xué)期的教學(xué)數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，本學(xué)期共有38名學(xué)生，根據(jù)課程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每位學(xué)生的達(dá)成度情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。各學(xué)生平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)的四個(gè)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況繪于圖1。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，平時(shí)成績(jī)各目標(biāo)達(dá)成度均較好，這主要是因?yàn)槠綍r(shí)成績(jī)構(gòu)成是由課堂表現(xiàn)：平時(shí)作業(yè)：小組匯報(bào) 三部分構(gòu)成，學(xué)生課堂表現(xiàn)和作業(yè)完成情況很好，小組匯報(bào)參與度較高；相對(duì)而言平日成績(jī)中G4（課程思政）達(dá)成度離散性比較大，這因?yàn)槭遣糠滞瑢W(xué)未完成第一次開(kāi)放論述作業(yè)，尤其是三位重修同學(xué)，開(kāi)課一周后才開(kāi)始上課

表5課程目標(biāo)達(dá)成情況計(jì)算表

注：1.表中 A_i，B_i 分別為課程對(duì)應(yīng)于各畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)的分值； S_ij 為課程對(duì)畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn) i.j 的支撐度； R_i 為課程目標(biāo) i 的達(dá)成情況；2.表中 _A，B 分別為學(xué)生在相應(yīng)考核點(diǎn)取得的分值； \"/\" 后的數(shù)字代表相應(yīng)考核點(diǎn)的滿分值。

另外，從期末成績(jī)看，G2（問(wèn)題分析、復(fù)雜工程等）達(dá)成情況一般，這與授課過(guò)程反饋一致，即計(jì)算類(lèi)題目掌握不理想，下學(xué)期課程教學(xué)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)。

（二） 課程總體達(dá)成度情況

將38名學(xué)生的整體達(dá)成情況匯總于表6，可以發(fā)現(xiàn)，課程目標(biāo) _G1，G2 和G3的達(dá)成情況分別為0.72、0.72、0.79，評(píng)價(jià)結(jié)果為達(dá)成；課程目標(biāo)G3的達(dá)成情況最高，整體達(dá)成情況均衡。另外，課程目標(biāo)G3主要支撐畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)4.1，較高的達(dá)成情況說(shuō)明學(xué)生具有能夠針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題設(shè)計(jì)解決方案。

四基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的課程達(dá)成度評(píng)價(jià)代理模型

（一）人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)在土木工程領(lǐng)域中應(yīng)用已有幾十年歷史，廣泛用于解決土木工程領(lǐng)域中的智能材料、智能設(shè)計(jì)、智能建造、智能運(yùn)維和智能防災(zāi)等問(wèn)題。

建造過(guò)程中圍繞施工人員、機(jī)械設(shè)備、物料、工法和環(huán)境五大要素將產(chǎn)生龐大的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，通過(guò)不同類(lèi)型的傳感器采集這些數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)建造過(guò)程全要素的狀態(tài)感知、質(zhì)量感知和位置感知，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換與傳輸[12-13]。劉占省等[14]通過(guò)融合物聯(lián)網(wǎng)、BIM和有限元模型，提出了基于數(shù)字孿生和智能決策平臺(tái)的智能建造方法，對(duì)比實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與理論模型數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)際施工過(guò)程進(jìn)行調(diào)整與修正。目前，計(jì)算機(jī)視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于建造場(chǎng)景的人員安全狀態(tài)識(shí)別、施工機(jī)械安全監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)辨識(shí)[。針對(duì)建造場(chǎng)景中的視頻圖像，可以通過(guò)建立基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測(cè)和語(yǔ)義分割模型，識(shí)別視頻圖像中的諸多不安全因素，包括人員是否佩戴防護(hù)裝備、大型施工器械的危險(xiǎn)姿態(tài)等，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤預(yù)警[1]。

圖1學(xué)生達(dá)成度情況分析

表6課程整體達(dá)成度情況

（二） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

本文提出通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立替代傳統(tǒng)課程達(dá)成度分析的智能評(píng)價(jià)模型，其一般形式可表示為是，本文用于訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)樣本較少，輸人層特征值應(yīng)進(jìn)一步完善。

式中： 表示人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值或輸出 ;f（?） 是六種常用的激活函數(shù)Purelin、Log-sigmoid ? Tan-sigmoid、RectifiedLinearUnits （ReLu）Softplus和Softmax函數(shù);輸人數(shù)據(jù) X_m，i 表示包含 ?_m 個(gè)特征值或 m 行的列向量。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有3個(gè)組成部分： ① 輸入層，用于饋送輸入變量的信息； ② 隱含層，用于從輸入層到輸出層添加非線性和提取特征； ③ 預(yù)測(cè)ANN結(jié)果的輸出層。以平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況，合計(jì)共8個(gè)變量作為網(wǎng)絡(luò)模型的輸入特征值，以課程整體達(dá)成度作為模型的輸出特征值，變量信息見(jiàn)表7。

表7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出變量

（三）基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能達(dá)成度評(píng)價(jià)模型

本文提出采用BP（誤差反向傳播算法）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練課程達(dá)成度評(píng)價(jià)代理模型，模型參數(shù)設(shè)置為① 選取 65% 的輸入輸出數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集、 15% 的數(shù)據(jù)作為測(cè)試集、剩余數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集； ② 輸入層設(shè)置5個(gè)神經(jīng)元，選用Log-sigmoid函數(shù)作為輸人層激活函數(shù)；② 最大訓(xùn)練次數(shù)為5000步、學(xué)習(xí)速率0.2、最小誤差1×10^-5 。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的擬合優(yōu)度如圖2所示，該訓(xùn)練模型具有較好擬合情況。

為進(jìn)一步驗(yàn)證訓(xùn)練模型的準(zhǔn)確性，將測(cè)試集的目標(biāo)值和預(yù)測(cè)值對(duì)比情況繪于圖3，并將預(yù)測(cè)值相對(duì)目標(biāo)值的誤差繪于圖4。從圖3和圖4中不難發(fā)現(xiàn)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練結(jié)果較好，理想狀態(tài)下可替代傳統(tǒng)達(dá)成度評(píng)價(jià)方法或豐富達(dá)成度評(píng)價(jià)結(jié)果。需要指出的

圖2訓(xùn)練模型擬合優(yōu)度

圖3測(cè)試集目標(biāo)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖4訓(xùn)練模型預(yù)測(cè)值相對(duì)目標(biāo)值的誤差

五結(jié)束語(yǔ)

智能建造是一種智能化的建造模式，將BIM、物聯(lián)網(wǎng)、3D打印、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)工程建造有機(jī)融合。作為智能建造專(zhuān)業(yè)的主干課程，土木工程智能化施工的課程目標(biāo)達(dá)成情況關(guān)系著我國(guó)智能建造專(zhuān)業(yè)的國(guó)際認(rèn)證水平。將智能化技術(shù)切實(shí)融入到課程教學(xué)和評(píng)價(jià)的全過(guò)程中，有利于更新評(píng)價(jià)機(jī)制和方法、提升教學(xué)數(shù)據(jù)利用效率和改進(jìn)教學(xué)效果。本文所開(kāi)展的工作，為智能建造專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中課程建設(shè)、改革和評(píng)價(jià)方式創(chuàng)新提供了參考和借鑒。

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