“新工科”背景下引入人工智能理念的“結(jié)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計”課程的構(gòu)建

馬曉雨 生龍

摘? 要：基于“新工科”建設(shè)對地方高校土木工程專業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求，將課程改革創(chuàng)新與學(xué)科競賽相結(jié)合，交叉融合計算機(jī)學(xué)科人工智能領(lǐng)域和土木工程專業(yè)知識，構(gòu)建了“機(jī)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計”課程建設(shè)方案，制定了課程的教學(xué)目標(biāo)與大綱和課程的具體組織與實施環(huán)節(jié)。實踐成果表明，將學(xué)科競賽與課程改革有機(jī)結(jié)合，融合跨學(xué)科的工程解決方案，是培養(yǎng)大學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題能力的有效途徑。

關(guān)鍵詞：“新工科”建設(shè);教學(xué)改革;學(xué)科競賽;復(fù)雜工程問題

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）06-0036-03

Abstract： Based on the requirements of the "new engineering" construction for the ability training of civil engineering students in local colleges and universities， the combination of curriculum reform and innovation with the discipline competition， cross-integration of the field of artificial intelligence and civil engineering expertise in computer science， and the construction of "institutional concepts and innovative design". The curriculum construction plan has formulated the teaching objectives and outline of the curriculum and the specific organization and implementation of the curriculum. The practical results show that the combination of subject competition and curriculum reform and the integration of interdisciplinary engineering solutions are effective ways to cultivate students' comprehensive knowledge of the ability to solve complex engineering problems.

Keywords： "new engineering"construction; teaching reform; subject competition; complex engineering problems

根據(jù)教育部發(fā)布的《2017年中國教育事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國共有普通高等學(xué)校2631所，各類高等教育在學(xué)總規(guī)模達(dá)到了3779萬人，校均規(guī)模10430人，其中本科學(xué)校14639人。面對如此龐大的高等教育學(xué)生群體，企業(yè)卻面臨著“無人可用”的困境。與此相對應(yīng)，畢業(yè)生則同時面臨“就業(yè)難”的問題。麥肯錫全球研究院的報告指出，我國工程類院校的學(xué)生培養(yǎng)普遍存在重認(rèn)知教育和應(yīng)試能力，對學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力以及應(yīng)用新興信息技術(shù)的能力培養(yǎng)重視不夠。此外，傳統(tǒng)的地方院校工科類人才培養(yǎng)模式缺乏人文社科理念的融入，導(dǎo)致“土木”類學(xué)生設(shè)計作品欠缺“藝術(shù)美學(xué)”，限制了學(xué)生的創(chuàng)新能力[1]。

為提高我國高等工程教育水平，探索未來新型工科技術(shù)人才的培養(yǎng)模式，使我國工程教育從規(guī)模大國走向質(zhì)量強(qiáng)國，2017年教育部在“‘新工科’建設(shè)復(fù)旦共識”的基礎(chǔ)上啟動了“新工科”發(fā)展研究工作，隨后的“天大行動”、“北京指南”，將具有新理念、新特征、新知識、新模式、新機(jī)會、新人才特點[2]的“新工科”人才培養(yǎng)的改革創(chuàng)新之路推向了高潮。對地方工程類高校的學(xué)科交叉融合[3，4]、實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)[5]提出了更高要求。做為冀南地區(qū)唯一一所綜合性工程院校，河北工程大學(xué)十分注重培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新實踐能力，加重了本科生研討類和專題討論類課程的建設(shè)強(qiáng)度，積極引導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生競賽實踐活動?！敖Y(jié)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計”課程正是在“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽”的背景下重點建設(shè)的一門創(chuàng)新實踐類課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)和結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力，教學(xué)面向主要是土木工程類專業(yè)大三學(xué)生。在課程建設(shè)中，結(jié)合“新工科”復(fù)合型工程人才培養(yǎng)的要求，在“大學(xué)計算機(jī)——Python程序設(shè)計”通識課程的基礎(chǔ)上，將“人工智能”相關(guān)算法理念和土木工程專業(yè)力學(xué)相關(guān)課程有機(jī)結(jié)合，提出了“學(xué)科競賽+智能創(chuàng)新”的教學(xué)模式，其中“學(xué)科競賽”主要指國家級、省級和校級大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，“智能創(chuàng)新”指“人工智能”相關(guān)理念和土木專業(yè)力學(xué)類課程內(nèi)容相結(jié)合。本文提出了“結(jié)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計”課程“新工科”建設(shè)背景下課程的教學(xué)目標(biāo)與大綱，構(gòu)思與設(shè)計，組織與實施等具體內(nèi)容。

一、教學(xué)目標(biāo)與大綱

“結(jié)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計”課程基于研究創(chuàng)新型教學(xué)理念，在學(xué)習(xí)完大學(xué)物理、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)等基本理論知識的基礎(chǔ)上，圍繞“全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”中涉及的前沿和熱點工程問題，結(jié)合人工智能相關(guān)算法理念，選擇創(chuàng)新實踐性較強(qiáng)的若干專題供學(xué)生學(xué)習(xí)和研究，采用啟發(fā)式、翻轉(zhuǎn)式和案例式等課堂教學(xué)方法開展與計算機(jī)學(xué)科交叉的研究型教學(xué)，學(xué)生在知識探究中發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力、解決問題的能力和工程實踐能力。課程以土木工程專業(yè)知識和人工智能相關(guān)理念相結(jié)合為切入點，主要教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

二、課程的組織與實施

本課程的理論教學(xué)部分以結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和人工智能相關(guān)理念的傳授為主，實踐部分結(jié)合“全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”題目的要求引入人工智能理念進(jìn)行專題結(jié)構(gòu)設(shè)計方案制定。

（一）教學(xué)過程

1. 導(dǎo)論講授和專題介紹。課堂上以教師理論講授和案例教學(xué)的方式進(jìn)行相關(guān)知識的導(dǎo)論講授和“全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”的專題分析。每周4課時，歷時4周。

2. 個人子課題與小組選題。由教師組織引導(dǎo)，參考往屆“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”題目，學(xué)生自主選擇感興趣的方向，自由結(jié)組，進(jìn)行專題調(diào)研，通過資料查閱、相互交流，確定個人研究方向，擬定小組設(shè)計題目。課上2學(xué)時。

3. 研究方案研討。在設(shè)計方案初稿的基礎(chǔ)上，采取組內(nèi)討論的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計方案的修改和完善，重點理清設(shè)計思路、步驟和進(jìn)度，以及可能存在的技術(shù)、倫理問題。1周時間，課下進(jìn)行。

4. 研究方案匯報交流。在組內(nèi)討論的基礎(chǔ)上，教師課上匯報和交流。每組設(shè)計PPT課件進(jìn)行初步改進(jìn)方案匯報，就選題依據(jù)、研究意義、社會價值、組織架構(gòu)、設(shè)計內(nèi)容、進(jìn)度安排、預(yù)期成果、可能存在的問題等方面進(jìn)行匯報和討論。課上交流，6學(xué)時，課程課堂部分到此結(jié)束。

5. 研究方案優(yōu)化改進(jìn)。課程課堂部分結(jié)束后，各小組要在課下結(jié)合研究方案匯報交流的信息，相互取長補(bǔ)短，對設(shè)計方案進(jìn)行再次優(yōu)化改進(jìn)。2周時間，課下進(jìn)行。

6. 個人子課題提交和方案總結(jié)。課程課堂部分結(jié)束后，每個設(shè)計小組有2周時間進(jìn)行最終方案的優(yōu)化和完善。最后每名學(xué)生要求提交個人課題總結(jié)報告1份，每個小組要求提交項目申請書和項目設(shè)計方案各一份。同時，各組要參加校級“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”，選其中成績優(yōu)異者參加省級比賽。

（二）教學(xué)方法

本課程延續(xù)CDIO工程教育模式，結(jié)合“新工科”建設(shè)對地方高校工科類專業(yè)的改革要求，以“工程教育認(rèn)證”為目標(biāo)，交叉了計算機(jī)學(xué)科中的人工智能領(lǐng)域和土木工程專業(yè)的相關(guān)知識，采用案例式、啟發(fā)式和翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)理論研究解決建筑結(jié)構(gòu)中復(fù)雜工程問題的方法，并提出具體解決方案。以“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽”為依托，培養(yǎng)土木工程學(xué)生的結(jié)構(gòu)概念創(chuàng)新思維，強(qiáng)化學(xué)生工程實踐能力，同時加強(qiáng)師生互動，以學(xué)習(xí)、研究、實踐、檢驗的形式，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣、強(qiáng)化工程能力、提升理論水平的目的。

（三）考核方式

本課程以問題為引導(dǎo)，采取組內(nèi)、組間和教師三級評價相結(jié)合的考核評價方式，各占20%比重。此外，校內(nèi)“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”成績占40%。成績評定設(shè)為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五個檔次，比例控制在10%、30%、50%、5%和5%。本課程的考核方式充分體現(xiàn)了學(xué)生個人興趣、開放式學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)和學(xué)科競賽的有機(jī)結(jié)合。通過跨學(xué)科的綜合知識學(xué)習(xí)，鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、持續(xù)學(xué)習(xí)和知識綜合能力。

三、結(jié)束語

我校自“結(jié)構(gòu)概念與創(chuàng)新設(shè)計”課程開設(shè)以來，以“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”為平臺，將人工智能與土木工程兩個領(lǐng)域的專業(yè)知識相結(jié)合，繼承我校CDIO教學(xué)模式的改革經(jīng)驗，在“新工科”建設(shè)的大背景下，以“工程教育認(rèn)證”為目標(biāo)，探索了研究型教學(xué)、創(chuàng)新型設(shè)計和學(xué)科競賽相結(jié)合的教學(xué)改革模式。截止目前，依托該課程，我校共組織了3屆校內(nèi)“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”，參加了2屆“河北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”，1屆“中國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”，取得全國二等獎1項，省一等獎1項，省二等獎1項，課程建設(shè)團(tuán)隊（5人）在教學(xué)能力和專業(yè)素養(yǎng)方面得到了較大提高，為我校其它相關(guān)課程的改革明確了方向。

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