研究生巖土工程大數據和機器學習課程混合課程建設探索

摘要：高等教育發展任務包括適應信息化時代教育教學形態的改變，促進信息技術與教育教學的深度融合。重慶大學土木工程學院以巖土工程大數據和機器學習線上線下混合課程建設為契機，開展了以研究生培養質量提升為目標的改革與探索。針對巖土工程研究生群體新興學科素養和信息化水平不足、高水平科研論文產出較難、科研產出單一、國際重要學術會議上學術獲獎較少等問題，課程著重開展了培養模式、培養途徑、培養方式、培養成果多樣化四個方面的創新。課程采用國外知名教授全英文線上授課和線下授課結合的形式，結合科研項目、實踐項目等加強研究生的科學創新精神和國際交流合作能力，并引入“過程測驗”重點關注研究生的能力提升情況。實踐證明，通過混合課程的建設，研究生科研素質與分析能力得到了明顯的提升，課程建設獲得了多方面的培養成果，有效推動了信息化技術在高等教育中的實施。

關鍵詞：混合課程；巖土工程；大數據；機器學習方法；研究生培養

中圖分類號：G642；TU43 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）05-0064-06

基金項目：重慶市級研究生教改項目（yjg223004）；重慶大學研究生教改項目（cquyjg21205）；重慶大學教學案例項目（20210329）；重慶大學教學改革研究項目（2017Y60）

混合課程指使用不同形式教授同一門課程，如在線課程和面授課程，這種模式的優勢是學生可以靈活學習課程內容，與教師和其他學生面對面交流。適應信息化時代教育教學形態的改變，促進信息技術與教育教學的深度融合是高等教育發展的關鍵，是提升我國在世界高等教育體系中競爭力與吸引力的重要舉措?！盎ヂ摼W+”背景為混合課程帶來了機遇，混合課程既配備豐富的線上教育資源，又具備線下教學優勢，打破了空間的隔閡和場所的限制。本文介紹了重慶大學土木工程學院以巖土工程大數據和機器學習課程建設為契機，打造高品質混合課程的實踐，總結了培養模式創新、培養途徑創新、培養方式創新、培養成果多樣化四個方面的探索經驗。

一、巖土工程大數據和機器學習混合課程的建設目的

巖土工程專業是土木工程的分支，主要運用工程地質學、土力學、巖石力學解決各類工程中關于巖石、土體的技術問題。巖土工程的建設材料和介質的力學參數和物理特性具有天然的不均勻性，導致其在建模中表現出高度不確定性。近三十年來，大數據和機器學習方法在巖土工程領域得到了日益廣泛的運用，解決了傳統方法預測高度復雜系統時精度較低的問題。目前巖土工程專業研究生的培養存在以下問題。

（一）研究生群體的新興學科素養和信息化水平不足

研究生階段是學習和開展科研的關鍵時期，在這個階段，學生不僅要學習和掌握專業知識，而且要培養自己的創新思維和研究能力。隨著信息技術的發展，許多新興學科已經成為研究生教育的重要組成部分，如信息科學、計算機科學和電子工程等。但是，巖土工程作為傳統的基礎學科，研究生課程內容很大程度側重于傳統的力學分析，較少涉及新興學科及其交叉應用的學習。

（二）研究生群體中高水平科研論文產出較難

高水平學術論文的發表是研究生培養質量的重要評價指標。由于課題經驗不足，科研閱歷欠缺，研究生尚不具備成熟的科研素養，撰寫高水平科研論文難度較大。研究結果表明[1]，阻礙研究生發表高水平科研論文的原因主要有五點：（1）研究方法不當和選題缺陷，占總數的31.7%，在統計中占比最高；（2）分析論證能力欠缺，占總數的18.8%；（3）論文結構設計未能達到高水平學術論文的刊發標準，占總數的17.4%；（4）語言組織能力差，邏輯不清晰，占總數的14.2%；（5）序言和結論不能較好地總結工作創新性，占總數的12%。第一點主要由研究生科研思想不成熟造成，后四點主要由缺乏論文寫作鍛煉導致。

（三）土木工程專業研究生科研產出單一

研究生的科研成果集中在單一領域或單一類型的論文上，這可能會錯過一些新的、有前途的研究方向，導致學術知識儲備不足和能力欠缺。例如，一位巖土工程研究生一直致力于計算方法的研究，忽略新型巖土工程材料方面的研究，若工作涉及新型巖土工程材料，則可能面臨工作難以開展的情況。此外，如果針對土木工程其他領域和類型的研究較少，就可能出現研究熱點的集中，造成學科發展的偏向性。

（四）研究生在國際重要學術會議上獲獎較少

由于研究生的科研能力不強，對科研前沿和熱點的追蹤不夠，難以產出影響力強、有較好創新性、有建樹的觀點。同時，研究生較少參加國際重要學術會議，缺少在國際重要學術會議上的獲獎。

針對以上巖土工程專業研究生培養的不足[2-4]，重慶大學巖土工程大數據和機器學習混合課程通過課程項目建設，進行了培養模式創新、培養途徑創新、培養方式創新、培養成果多樣化四個方面的創新探索。

二、巖土工程大數據和機器學習研究生混合課程的建設實踐

研究生混合課程的優勢在于課程能夠更好地滿足學生的需求。首先，研究生混合課程中的在線課程部分可以提供豐富的學習材料，如視頻講解、電子書籍和在線測驗等，這些資源可以幫助學生更好地理解課程內容，并為他們提供更多的學習機會。其次，研究生混合課程能夠促使學生自主學習。在線課程中，學生可以自己控制學習進度，根據自己的時間安排和學習進度完成課程任務，這有助于培養學生的獨立學習能力和自我管理能力。最后，研究生混合課程還能夠提高學生的參與度。通過參與小組合作、項目和論文選題，自主選擇材料生成學習內容，自主把控學習進度等方式有助于激發學生的學習興趣，提升學習效果。

雖然研究生混合課程具有許多優勢，但是也存在一些缺陷。首先，研究生混合課程需要學生具備較強的自主學習能力和自我管理能力，學生必須合理規劃學習流程和控制學習進度，對于缺乏這些能力的學生而言，可能很難適應在線學習的環境。其次，研究生混合課程的教學質量可能受到教師的影響，由于在線課程的教學方式與傳統的實體課程不同，教師可能面臨更大挑戰，比如如何吸引學生的注意力和如何保證學生的學習效果。最后，由于缺乏面對面的交流，教師難以了解學生的學習情況，學生遇到困難時缺乏相應的幫助。

為了發揮混合課程的優勢，提升巖土工程專業研究生的培養質量，重慶大學巖土工程大數據和機器學習混合課程建設基于Geotechnical Big Data and Reliability、Excavation and earth retaining sys？ tems、Application of Machine Learning Optimization Algorithm in Civil Engineering三門研究生課程，就人工智能、大數據、數據挖掘和數據驅動、深基坑支護設計等與海外專家合作開展教學改革。混合課程的合作外國專家包括挪威巖土工程研究所Suzanne Lacasse院士、Liu Zhongqiang研究員，南洋理工大學Goh ATC教授，香港理工大學Andy Leung教授，新加坡國立大學Wang Zezhou研究員，印度理工學院Samui Pijush教授。在線上線下混合課程的建設過程中，通過補充與更新課程教學內容，不斷將巖土大數據與可靠度、深基坑支護開挖、機器學習、深度學習等作為土木工程學院研究生基本科研素養的培養內容。例如，Wang Zezhou研究員在線講授和研討的課程為Machine learning algo？ rithms and applications，而Samui Pijush教授主要講授各種具體的機器學習算法。

本課程選用了課程負責人重慶大學土木工程學院仉文崗教授編寫的復雜建筑環境下深基坑支護與擋土系統設計（Design of Deep Braced Excavation and Earth Retaining Systems Under Complex Built Environment）作為主要教材。通過將巖土工程大數據和機器學習與傳統巖土工程問題的結合，使學生掌握決策樹、集成學習、啟發式算法、代理優化算法、神經網絡、隨機森林、貝葉斯分類器、聚類、降維等技術，了解人工智能的發展過程和機器學習的應用方法。課程涉及深基坑開挖的變形預測、深基坑開挖的支護內力分析、巖土參數估計、邊坡穩定性預測、降水對開挖的影響分析等方面的巖土工程應用，培養研究生多視角看待、分析、解決問題的能力。班級以微信為主要工具，設立班級群組，學生可在群內完成考勤，實時聯系交流。同時，利用網上學習平臺共享電子教材、課件和文獻資源；利用VooV Meetin、ZOOM等軟件進行跨國在線授課；利用網絡教育系統布置任務，進行效果檢查，使混合課程教學得以圓滿完成。該項目旨在提升研究生的科學素養和合作能力，豐富研究生的學術成果，確保培養質量，從而充分踐行“立德樹人”根本任務。

研究生培養模式創新的目的是使研究生教育更加符合時代發展的需要，提高教學質量，培養具有創新精神和實踐能力的高級人才。重慶大學巖土工程大數據和機器學習混合課程研究生培養模式的創新圍繞四個方面展開。（1）強化研究生的科學精神和創新能力?？茖W精神是研究生教育的基本精神，也是創新的基礎，本課程通過課程任務和論文課題結合的方式讓研究生養成獨立思考、勇于探索、敢于創新的習慣。學生可以根據個人興趣或論文方向選擇課題，完成機器學習的課程任務，包括用機器學習法對指定的基坑進行安全系數預測、地震液化位移預測、巖土工程領域的大數據技術應用等，如表1所示。（2）提高研究生的實踐能力。研究生教育不僅要培養研究生的理論知識，還要培養他們的實踐能力，本課程通過科研項目、實踐項目等，讓研究生能夠在接近實際的工作和研究中積累經驗和能力?？蒲许椖?、實踐項目包括重慶市某橋梁錨碇基坑、南京市某區中心區地下空間二期項目基坑群等。（3）注重研究生的職業發展。研究生培養模式的創新不僅要提高研究生的學術水平，還要注重他們的職業發展，本課程借助和中國建筑西南勘察設計研究院有限公司建立的重慶市研究生聯合培養基地，為研究生提供職業規劃和就業指導，以幫助他們在畢業后找到適合自己的工作和發展道路。（4）加強研究生的國際交流與合作。通過結合外籍教授全英文授課和研討的途徑，加強對研究生的國際交流與合作能力的培養，讓他們能夠在國際化的環境中學習和工作。

為了滿足日益增長的科技創新和人才需求，研究生培養途徑和方式需要不斷創新。傳統的研究生培養途徑和方式是讓學生在導師的指導下開展學習和研究，然而，這種方法的局限在于學生往往缺乏運用知識的實踐機會。為了解決這個問題，本課程嘗試推行“實踐型研究生”的培養途徑。結合研究生聯合培養基地，模擬工作環境，讓學生在實際項目中運用所學知識。學生既可在實踐中加深對知識的理解，又有機會與行業內的企業和專家進行交流，為他們的職業發展打下基礎。此外，本課程還嘗試“跨界研究生培養”模式，讓學生在不同學科和領域之間進行學習和研究，以便受到多方面的指導，培養跨界思維和創新能力。

本課程還致力于研究生培養成果的多樣化，著力培養學生的一系列技能、知識和能力，例如，競賽技能、統籌策劃和推進項目的能力、英語學術論文的寫作能力、匯報展示成果的能力等。通過提供各種學習機會并支持學生發展個人優勢，可以幫助學生發揮其潛能，為未來的職業做好準備。例如，基于項目的學習，使學生積累了解決問題的經驗，能夠在實際環境中運用知識和技能，提升創造力和溝通能力。

傳統的考核主要通過試題測驗的成績來衡量學生具體知識點的掌握情況，然而，此評價方式無法反映學生的科學研究水平和整體能力的培養情況。針對上述缺陷，本課程采用“過程測驗”的方法，著重追蹤研究生的能力提升情況。例如，針對每部分教授的知識，請學生從文獻分析中查找理論的來源和演化歷史；在科研或實踐性項目中，請學生按照論文撰寫需求整理相關資料，相關工作計入最終的評定。與此同時，按照小組中成員的職責分配工作，并根據參與程度和成果評定工作情況。通過多種方式強化學生之間的合作與交流，培養學生探究與思考的能力，促進學生之間科學思想的相互激化。通過項目與課題的互補，學生能夠清楚地認識其工作目標，做到理論與實踐相結合。

三、課程建設和探索的成果

重慶大學項目巖土工程大數據和機器學習混合課程通過培養模式創新、培養途徑創新、培養方式創新、培養成果多樣化四個方面的創新探索，提升了研究生融合信息化新興學科與土木傳統學科的混合思維能力。學生綜合能力得到明顯提升，獲得了豐富多樣的培養成果，如表2所示。93.5%的學生反映通過該課程的學習，個人的科研能力有了明顯提升，2020—2023年，研究生發表了相關高水平SCI論文30余篇，20余人次參加了相關國際重要學術會議，其中，崇智發表的《Prediction of undrained shear strength using extreme gradient boosting and random forest based on Bayesian optimiza？ tion》入選2021年中國百篇最具影響國際學術論文，獲得《Georisk： Assessment and Management of Risk for Engineered Systems and Geohazards》2021年度最高引用論文獎。

四、結語

重慶大學土木工程學院以巖土工程大數據和機器學習課程建設為契機，開展了以提升研究生培養為目標的線上線下研究生混合課程改革。實踐證明，通過培養模式、培養途徑、培養方式、培養成果多樣化四個方面的創新探索，提升了研究生融合信息化新興學科與巖土工程傳統學科的能力，學生綜合能力得到了明顯提升，獲得了多樣化的培養成果。

參考文獻：

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Exploration on geotechnical engineering big data and machine learning blended course construction for graduate students

ZHANG Wengang， CHEN Zhixiong， DING Xuanming， ZHOU Hang， XIAO Yang

（a. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area； b. School of Civil Engineering； c. National Joint Engineering Research Center of Geohazards Prevention in the Reservoir Areas， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract： The development tasks of higher education include adapting to the change of teaching mode in the information age and promoting the deep integration of information technology and education.School of Civil Engineering of Chongqing University takes the opportunity of the construction of geotechnical engineering big data and machine learning online and offline mixed courses to carry out reform and exploration with the goal of improving the quality of postgraduate education. In view of the problems of insufficient emerging discipline literacy and information technology level among geotechnical engineering graduate students，the difficulty in output of high-level scientific research papers，the single output of scientific research， and the few academic awards in important international academic conferences， the curriculum focuses on four aspects of training mode， training approach， training methods and the diversification of training results. The course adopts a combination of online and offline teaching in English taught by famous foreign professors， strengthens the spirit of scientific innovation and international communication and cooperation ability of graduate students by combining research projects and practical projects，and focuses on the ability improvement of graduate students by means of process assessment. Practice has proved that through the construction of online and offline blended courses，graduate students have significantly improved their scientific research quality and analytical ability， and the course construction has obtained many achievements， which effectively promotes the implementation of informatization in higher education.

Key words： blended courses；geotechnical engineering； big data； machine learning；postgraduate training

（責任編輯 代小進）