基于土木工程智能結構微課程的復合型人才培養模式探索

方成 王偉 楊欣悅

摘要：為主動應對工科產業多元化發展需求，順應 “中國制造2025”“工業4.0”等國家戰略，基于同濟大學“共性基礎+個性培養”的人才培養總體框架，深入闡述了土木工程智能結構微課程的培養內涵以及實施的迫切性和必要性，以復合型、國際化培養為導向，深化教學改革，探索基于多學科交叉培養理念的課程體系、教學方法以及課程考核機制，以期為智能結構課程知識體系的建立和講授新模式、新方法的提出提供借鑒。

關鍵詞：土木工程;智能結構;微課程;人才培養;教學改革

中圖分類號：G642.0?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2021）01-0043-06

新一輪世界范圍的科技革命和產業變革撲面而來，為主動應對工科產業發展需求，支撐以科技創新為出發點的“中國制造2025”等一系列國家戰略，在傳統工科培養模式的基礎上推進多學科交叉融合，培養適應產業變革的高素質復合型人才，已成為“新工科”發展大環境下最關鍵的內涵與目標之一[1]。同濟大學土木工程學院在“共性基礎+個性培養”的人才培養總體框架下，面對新工科建設的迅速推進和土木工程行業轉型的緊迫形勢，著力啟動了“土木工程+微專業/微課程群”建設，以彌補傳統培養模式下學生實踐能力欠缺、畢業生能力與行業發展需求脫節的不足。智能結構是新時代土木工程發展最迫切需要吸納的知識體系之一，對于提升土木工程學科畢業生的國際競爭力意義重大。為此，針對土木工程智能結構微課程的開設背景、課程體系、教學模式、國際化人才培養思路，以及多元化考核機制展開討論。

一、智能結構微課程建設的必要性與迫切性

（一）符合國家戰略發展

傳統制造業面臨轉型，智能建造專業是順應工業4.0和“中國制造2025”戰略的必然產物。從培養方案看，智能結構是土木工程與智能建造專業的一個重要新興分支，是新工科知識體系建設中的重要一環。

智能結構是多方向高度交叉的新興前沿學科方向，其發展潛力巨大，應用前景廣闊，現已成為國內外科研與教學的熱點方向之一。智能結構課程以土木工程專業課程為基礎，面向國家戰略需求和建筑業轉型升級需要，融合了機械設計制造及其自動化、電子信息及其自動化、工程管理等專業的課程內容。目前，部分高校已經開始逐步建構智能建造專業培養框架，智能結構的相關教學實踐在傳統土木工程專業中并不完善，為此，需緊跟國家戰略發展需求，結合傳統土木行業培養的優勢與新興產業的創新點，進行相應的土木工程智能結構微課程培養模式探索和課程體系設計，以順應國家智能化基礎設施發展的需求。

（二）符合“新工科”人才培養的趨勢

作為建筑行業人才培養改革的推動者和探索者，同濟大學于2018年獲教育部批準開設國內首個智能建造本科專業，目前很多高校也相繼開設或正籌劃開設相關專業。智能結構課程體系

作為智能建造專業的關鍵組成部分，應順應建筑行業發展的主流趨勢，科學設置，有效提升學生的工程技術能力和學科交叉能力，增強學生的學科前沿意識。如何有效地在同濟大學現有土木工程人才培養體系的基礎上完善智能結構的教學構架，進一步推進土木工程+課程改革，對同濟大學乃至全國相關高校的復合型人才培養具有重要意義[2]。

二、土木工程智能結構微課程改革思路探索

（一）“土木工程+智能結構”微課程教學內容規劃與課程體系建設

結合同濟大學土木工程專業智能結構微課程的培養理念，制定智能結構課程教學大綱，服務于本專業以及其他相關專業的在校學生及畢業生，形成明確的知識體系。以智能結構體系概述、智能材料、智能監測與檢測、智能施工與管理、建筑3D打印、機器人工業化建造、機器學習入門等為主要教學模塊，構建每個教學模塊的知識點，收集案例庫，建立習題庫，完成全套“土木工程+智能結構”微課程教學多媒體課件制作，形成全面、實用、前沿的智能結構課程知識體系。每個教學模塊3個課時，具體課程內容安排如下。

1.智能結構體系概述模塊

智能結構是一門多方向高度交叉的新興前沿學科方向，其發展潛力巨大，應用前景廣闊，但內容繁多、涉及面廣。該教學模塊作為課程第一課，將首先梳理土木工程智能結構體系的基本概念與發展歷程、結構智能化歷程的層次劃分，包括自感知智能結構，自診斷智能結構、智能材料、智能控制、智能設計、智能管理等不同分支的特點、內涵，闡述不同的結構智能化目標，最后結合實例介紹智能結構體系在高層建筑、橋梁、基礎設施等工程領域中的前沿應用，使學生初步建立智能結構概念。

2.智能材料教學模塊

科技的創新往往伴隨材料的發展，與材料科學的齊頭并進無疑將成為未來幾十年內引領土木工程學科發展的重要手段。智能材料中最具有代表性的當屬形狀記憶合金（SMA），SMA主要有兩種顯著特性：奧氏體狀態下的超彈性（偽彈性）效應和馬氏體狀態下的形狀記憶效應[3]。該教學模塊首先討論SMA兩種效應的機理與觸發方式，使學生掌握材料微觀晶體相變的基本知識，隨后討論SMA在土木工程中的應用現狀，聚焦主動控制、半主動控制、被動控制三個方面的創新應用以及力學原理，展現SMA工程應用的經典案例，包括意大利S. Giorgio教堂、St. Francis Basilica教堂，以及美國密西根 Sherman路大橋等，最后簡要介紹SMA的數值模型與仿真模擬方法。

3.智能監測與檢測教學模塊

借助智能監測與檢測系統對結構進行全壽命健康診斷能有效避免及解決結構在服役過程中產生的多種安全隱患，對于土木工程結構的維護具有重大意義。該教學模塊首先討論不同參數（應變、加速度、速度、位移、溫度、頻率等）的測量原理及特征信息的提取方法，簡要介紹HHT、ICA、小波分析等經典方法[4]。隨后討論智能傳感器的基本構成，介紹微處理機控制下傳感器的采集、處理和交換信息的基本原理，最后介紹新型智能傳感元件，包括形狀記憶合金、壓電材料（壓電陶瓷）、磁致伸縮材料、光導纖維等。

4.智能施工與管理教學模塊

現代化的智能施工與管理離不開建筑信息模型（BIM）。BIM不僅包含空間信息，而且還包含進度信息（4D）、成本信息（5D）、質量信息（6D）、安全信息（7D）等，通過對相關數據進行結構化管理，不僅使建筑本身數字化，而且使建筑過程數字化[5]。該教學模塊首先介紹BIM的基本概念和應用技術，闡述基于BIM的人員管理、物料管理、質量管理、安全管理、成本管理、施工綜合管理、機電安裝、施工過程監測等基本概念，最后介紹BIM的基本建模知識，利用REVIT軟件建立建筑三維模型進行房屋建筑設計的基本步驟，以及結合Navisworks軟件進行施工組織設計并建立建筑施工4D模擬動畫的基本流程。

5.建筑3D打印教學模塊

3D打印依托新興的增材制造技術給建筑行業帶來革命性的變化，對于具有復雜幾何構型的結構與構件而言，3D打印可提高建造效率、優化結構受力、減少材料消耗和浪費，加快設計建造過程，這是未來智能結構領域的重要技術之一。該教學模塊將著重討論混凝土3D打印、復材3D打印和金屬3D打印技術，闡明立體光固化成型法、熔融層積成型法、SLS選區激光燒結法、分層實體制造法等打印方式及其基本原理，分析現有建筑3D打印經典工程案例（包括Winsun houses、Castilla-La Mancha 3D橋、Gemert自行車橋、MX3D人行橋等），最后對3D打印的應用限制、3D打印與傳統建造技術混合應用策略，以及3D打印在結構加固方面的應用前景進行探討。

6.機器人工業化建造教學模塊

工業機器人是集機械學和微電子學于一身的機電一體化技術，是支撐智能建造的重要裝備與技術。如今5G通信技術、工業互聯網的應用將為工業機器人產業帶來更大的機遇。該教學模塊首先介紹工業機器人的背景及發展歷史，隨后重點介紹工業機器人在建造行業的典型應用案例，包括挪威nLink移動機器人、澳大利亞3D建筑機器人HadrianX、美國砌磚機器人山姆100、日本清水建設的噴涂和焊接機器人等，隨后介紹現有建造裝備的遙控化、半自主化智能升級方案，最后利用編程模擬軟件進行訓練，基于簡單的預設目標培養學生基本的機器人編程思維。

7.機器學習入門教學模塊

機器學習是一門多領域交叉學科，致力于研究計算機怎樣模擬或實現人類的學習行為，以獲取新的知識或技能，達到重新組織已有的知識結構和不斷改善自身性能的目的，該學科對土木工程邁向人工智能時代具有重要意義。該教學模塊首先介紹機器學習的基本原理、發展歷程和分類方法，重點介紹機器學習在結構損傷圖像識別領域的發展，隨后講述基于MATLAB的機器學習的基本入門知識，建立簡單的模型執行分類任務、從多個文件導入數據、根據原始信號計算特征、訓練并使用機器學習模型進行預測。最后討論幾類監督學習模型，包括線性分類器（LR）、樸素貝葉斯（NB）、集成模型、回歸相關模型的優缺點、數學假設、評測指標及計算方法。

（二）“土木工程+智能結構”課程的教學模式

對于本校的本科生和研究生以選修課的形式開展課堂教學和輔助機房教學，主要教學手段包括課堂授課、隨堂練習、情景演練、方案辯論等。針對每一教學模塊設計符合各自特點的小專題，學生可選擇感興趣的專題，提交個人學習報告，或者通過團隊協作解決問題，提交團隊研習報告;按照不同的培養等級和需求，明確不同階段學生的培養目標并合理有效分配課后教學拓展資源，提交拓展學習日志。同時可采用校企合作培養產學研相結合的教學模式，根據學生就業發展以及企業的實際需求開展工程案例分析。

為了使智能結構微課程的教學內容更加全面、系統，增強學生對課程知識融會貫通和靈活應用的能力，適應校內外教學需求，有必要在微課程課堂教學的基礎上，進一步豐富教學手段，依托多媒體、移動互聯網等技術，提高教學效率與覆蓋面，通過在線問答、短視頻教學、遠程講座等教學方式，進一步促進學生與教師、業界的頻繁互動，激發學生的學習興趣，提高創新能力。

（三）“土木工程+智能結構”課程的國際化人才培養

經濟全球化需要國際化的人才和全球化的工程教育。為滿足“新工科”對國際化高素質復合型人才的需求，課程改革也將隨之適應國際化競爭需求，適當增加英文教學元素，引入最新的國際前沿研究，提供相關英文文獻及英文教輔資料，促進與國外合作院校的課程學分互認與銜接，制定統一的學分標準，構建院校間學分互認平臺，充分利用和共享國際優質教育資源，實現微課程教學國際化、開放式發展;了解國外高校師生線上線下的互動、授課模式及學生學習情況反饋機制，及時與國際優質教學課堂接軌;緊跟國際智能結構工程的前沿發展，

適時邀請合作單位中具有國際工程實踐經驗的海內外專家以微講座的形式與學生開展上線下交流。

微課程的開設應該兼顧國際工程教育專業認證的需求。同濟大學土木工程學院將培養“全球意識、跨文化交流、具有國際視野、通曉國際規則、參與國際合作與競爭能力”的卓越人才作為人才培養的重要目標，建立了與歐美工程教育專業認證相融合的培養體系。這是同濟大學培養國際化人才的重要途徑，也是大力發展智能建造本科專業以及智能結構微專業的關鍵。目前，智能建造本科專業剛剛起步，培養理念與英國土木工程師學會（ICE）、英國結構工程師學會（IStructE）、美國土木工程師學會（ASCE）等國際重要學會專業認證所必須達到的核心目標群（Core objective）的協同性尚有待明確。目前，“土木工程+智能結構”課程可以國際工程師執業資格核心目標群為導向，提出符合新階段智能建造專業國際工程教育認證要求的培養目標、教學要求和訓練方案，形成面向國際工程教育專業認證的微課程教學培養計劃。

（四）“土木工程+智能結構”微課程的多元化考核機制

微課程考核不采用單一考試模式，更關注學生的職業素養、專業技術能力、洞察力、多學科協調組織能力，以及溝通能力、團隊意識等。加入個人專題學習、團隊研習報告、日志記錄存檔、產品制作等多元化的考核方式，綜合評判學生在整個學習過程中的活躍度，包括學習記錄、團隊討論情況、任務分配與管理記錄、方案分析記錄、文獻考察分析及個人見解等。此外，還需要進一步完善微專業證書發放要求、微專業培訓證明與學分認證體系。

值得一提的是，

對于微課程的考核中要避免“一刀切”，可借鑒英國執業資格核心目標要求，建立最低知識掌握要求分級體系（即A-K-E-B體系），完善本科生課外學分認證體系。以英國結構工程師學會（IStructE）為例，強調13個強制性核心目標，概述了候選人所需的各方面的基本能力，涉及所有類型的結構工程技術、相關學科知識，以及其他與管理、法律、溝通等相關的能力。每一個核心目標都需滿足相應的最低要求。英國執業資格認證普遍采用四級要求指標，從低到高分別為A、K、E、B。A即Appreciation：有一定的了解，清楚該內容與其他內容的相互關聯。K即Knowledge：掌握基本內容，具備基礎應用能力。E即Experience：可在指導下完成任務，并且有一定的創新能力。B即Ability：可以獨立完成或組織團隊完成任務，并展現較強的能力。這樣的知識分級體系值得“

土木工程+智能結構”微課程以及其他相關課程借鑒，以完善評價和考核體系。針對智能結構微課程，對7個模塊中的每個關鍵知識點及關鍵任務進行最低要求分級，明確學生需要達到的目標。以建筑3D教學模塊為例，需要考核的學生能力包括打印方式及其基本原理（最低要求：K）;經典工程案例分析（最低要求：E）;傳統施工方法與3D建筑打印優缺點分析（最低要求：E）;相關文獻查閱、梳理與分析能力（最低要求：B）;團隊合作能力（最低要求：B）;研習報告撰寫能力等（最低要求：B）。同樣，這些能力可以通過多種方式進行量化與考核，包括測試、報告分析、口頭匯報等。

三、結語

在新工科建設的迅速推進和土木工程行業轉型的新形勢下，土木工程智能結構微課程改革以學生為中心，以新工科教育為導向，系統、全面地梳理了同濟大學現階段土木工程智能結構方向的相關教學資源，以現有的教學經驗為基礎，推進新型教學方法的研究與應用，促進高校內各學科間的融合和特色課程體系的交匯，在傳統土木工程教學框架的基礎上開展特色鮮明的“土木工程+智能結構”微課程內涵建設，建立了涵蓋材料、結構、建造、監測、檢測等多方面的專業課程群，形成了新工科多元化培養鏈，改革創新教學模式，形成了國際化人才培養教學理念和多元化考核機制，對于推進高素質復合型新工科人才培養具有重要的借鑒意義。參考文獻：

[1]范圣剛，劉美景. “新工科”背景下土木工程專業建設與改革探討[J].高等建筑教育， 2019，28（4）： 16-20.

[2]羅素蓉， 吳愷云， 李旭紅. 新形勢下“大土木”專業課程建設及復合型人才培養模式[J]. 高等建筑教育， 2019，28（6）：13-19.

[3]方成， 王偉， 陳以一. 基于超彈性形狀記憶合金的鋼結構抗震研究進展[J]. 建筑結構學報， 2016， 40（7）：1-12.

[4]周智，歐進萍.土木工程智能健康監測與診斷系統[J].傳感器技術，2001，20（11）：1-4.

[5]馬智亮，蔡詩瑤. 基于BIM的建筑施工智能化[J].施工技術，2018，47（6）：70-72.

Exploration of multidisciplinary talent training mode based on

civil engineering mini-curriculum of intelligent structures

FANG Cheng， WANG Wei， YANG Xinyue

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China）

Abstract：

In order to actively meet the demands of diversified development of the engineering industry， and to cater to the “Made in China 2025”， “Industry 4.0” and other national strategic plans， this paper deeply explores the training connotation of civil engineering intelligent structures mini-curriculum and explains the urgency and necessity of the implementation of such courses. The teaching reform should be carried out with the objectives of internationalization and diversification and build a multi-disciplinary cross training curriculum system， teaching methods， and curriculum assessment system. This study forms the basis for the new teaching model and method and for the establishment of the knowledge system of intelligent structure mini curriculum

Key words：

civil engineering; intelligent structures; mini-curriculum; talent training; teaching reform

（責任編輯 梁遠華）