土木、水利與交通工程專業“五強一化”課程體系探索與實踐

摘要：基于新工科背景下的高素質復合型和管理型人才培養已經成為土建類專業的目標需求，培養體系中課程的迭代更新則是其中的關鍵。以浙江大學建筑工程學院土木、水利與交通工程新工科專業為例，結合新時代發展和新工科建設的實際需求，創新性地提出“土水交融通”的先進教育理念，構建了土木、水利與交通工程專業以強智能和強實踐為核心的“五強一化”課程新體系，探討了土木、水利與交通工程專業在創新與實踐、前沿與智能化兩個方面的改革和實踐經驗。“五強一化”課程新體系實現了大土木融通的培養模式，開辟了土建類本科人才培養改革的新方向，可為高校開展新工科專業建設和人才培養提供參考。

關鍵詞：土水交融通；“五強一化”；強智能；強實踐；新工科

中圖分類號：TU-4 """""文獻標志碼：A """""文章編號：1005-2909（2024）01-0076-09

當前百年未有之大變局背景之下，我國知識生產模式正朝多元性、網絡性與耦合性發展方向快速邁進，對創新人才的培養提出了“厚基礎、寬口徑、專業化、創新型”的新要求。2021年4月19日，習近平總書記在清華大學考察時強調：要加強基礎學科培養能力，打破學科專業壁壘，對現有學科專業體系進行調整升級，瞄準科技前沿和關鍵領域，推進新工科、新醫科、新農科、新文科建設，加快培養緊缺人才。為了培養引領未來技術和產業發展的優秀人才，教育部在2017年開始通過一系列的政策和措施積極推進新工科建設^［1-3］。隨著新工科的快速建設，一批嶄新的高等工程教育形態已經形成^［4-8］。

根據20世紀70年代蘇聯教育學家巴班斯基提出的教學過程最優化理論^［9］，教學設計應從系統論角度出發，運用系統觀點對整體教學過程的有機組成部分和要素進行整體優化^［10］，包括教學內容的最優化和教學方法的最優化，這為新工科的課程體系設計提供了理論支撐。關于教育理論與實踐關系的基本認識，卡爾（Carr，"W.）認為：“理論與實踐是相互構成的，而且是辯證相關的”^［11］。因此不僅需結合教學理論內容，還需從實際教學情況出發，探討新背景下的課程體系構建和教育方式更新。隨著新興智能技術的不斷發展，如計算機科學、神經科學等為高等教育課程體系的建設提供了新的理論基礎和發展方向，豐富了課程教育體系，實現了更好地將理論與實踐應用相結合。

自2018年開始，面向國家重大戰略和經濟社會發展需求，浙江大學立足學科專業一體化建設，以高水平學科為支撐、寬口徑培養為導向^［5］，主動優化本科專業布局，實施一流專業綜合改革，升級優勢專業、迭代低效專業、布局新興專業，共撤銷合并本科專業共計37個。結合浙江大學專業優化之后的新工科建設現狀，本文重點探討了浙江大學建筑工程學院優化之后的新專業——土木、水利與交通工程（以下簡稱“土水交工程”專業），通過以強智能、強實踐為核心的“五強一化”課程新體系^［12］探索和實踐，可為新工科土建類專業的建設和人才培養提供一定的參考建議。

一、傳統土建類專業課程體系主要教學問題

浙江大學建筑工程學院歷時10余年，經過廣泛調研與實踐，積極探索大土木的跨學科復合型人才培養體系，依托學院多專業優勢，首次提出了“土水交融通”培養理念。結合學校“雙一流”建設高校的定位和責任，將原土木工程、水利水電工程和交通工程三個本科專業進行了合并與優化，新開設了土水交工程專業。2020年土水交工程專業獲教育部審批通過，同年被認定為教育部新工科研究與實踐項目。經過3—4年時間的建設，土水交工程專業在“寬口徑、厚基礎”“土水交融通”培養和本（碩）博一貫制課程體系等方面取得了顯著的成效。在這一過程中，基于原土木工程、水利水電工程和交通工程三個專業的新專業課程體系構建與持續優化是土水交新工科人才培養的核心。

原有的土木工程、水利水電工程和交通工程三個專業是為學生接受單一專業的訓練而建立，是全國土木、水利與交通工程學科本科人才培養的普遍模式。根據行業劃分的專業設置與人才培養模式，在一定程度上人為割裂了土木、水利與交通工程領域之間的關聯與交叉，限制了學生綜合性、系統性和交叉創新性思維能力的培養。隨著全球化進程加速，人類命運共同體和環境可持續性發展要求日益突出，對綜合性復合型人才的需求比以往任何時期更加迫切，“一帶一路”“新型城鎮化”“交通強國”等國家倡議與重大戰略的實施對土建類綜合性人才需求越發凸顯。

傳統土建類專業課程體系存在的主要教學問題如下。

（一）"“水土不合”，知識結構單一

在國家城鎮化快速發展，土建行業“高、大、深”和綠色生態等發展理念指導下，迫切需要多專業交叉的跨學科復合型和創新型人才。然而，目前土建類不同學科間存在巨大的壁壘，缺乏足夠的關聯與融通，難以適應國家重大基礎設施建設的行業綜合素質人才培養需要。學科劃分過細給土建類人才的培養帶來了局限性，土建類學科融合不夠，造成“水土不合”“水土不服”“交通不通”等現象。譬如，隧道雖然是土木、水利、交通工程等行業領域的重要工程結構，但隧道只與橋梁一起列入土木工程學科中的二級學科，而道路與鐵道工程是交通運輸工程學科中的二級學科，導致“路橋隧”分在兩個學科。

（二）"知識結構陳舊，智能化課程建設不足

土木、水利與交通工程行業雖然是我國國民經濟支柱之一，但存在發展模式粗放、知識結構陳舊、智能化水平較低等問題。世界正在快速進入以信息產業為主導的經濟發展時期，需要把握數字化、網絡化和智能化融合發展的契機。同時，“一帶一路”“長三角一體化”“交通強國”等國家倡議和重大戰略部署，也給傳統土建行業提出了更高的要求，大土木復合型和領導型人才的培養對傳統土木工程的知識結構也提出了新的挑戰，尤其新工科建設對人工智能、大數據和互聯網等需求越來越高。然而，傳統專業課程存在知識結構陳舊、智能化課程設置還不夠等問題突出。

（三）"專業創新實踐能力不足

隨著土木工程、水利工程和交通工程三大專業優化成土水交工程專業之后，學院原有的實訓實踐平臺、實踐課程等則展露出較大的局限性。專業優化前的實訓實踐平臺較為單一，盡管專業性很強，但僅針對土木工程、水利工程和交通工程三個專業開設了各自的實踐平臺，課程體系中缺少創新性設計類課程，不符合新工科對大土木專業的新要求。另外，課程體系中的第三、四課堂形式通常比較單一，缺少足夠的數字化實踐環節，使得新專業的實踐能力嚴重不足。為適應土建類行業的變革與轉型，創新能力正成為土建類專業學生越來越重要的能力培養目標^［13］。

二、構建“五強一化”新課程體系

為解決前述教學問題，建筑工程學院在“土水交融通”“大土木”等先進教育理念引領下，積極構建以目標為導向的教學體系、以問題為導向的創新能力實踐體系，共同致力于建設土建類卓越人才“貫通”和“融合”的立體式培養體系。“土水交融通”在課程體系上的融通主要體現為兩個方面：一是專業課程上針對土木工程、水利工程和交通工程核心知識點進行融通，如工程經濟、工程導論、施工管理等課程在講授中同時包含三個專業的核心知識點；二是鼓勵學生選擇“雙模塊”進行專業方向上的知識學習，而不僅僅限于2個學分的模塊外課程。

另外，專業優化時對標國際一流，注重“通、專、跨和國際化”，構建了以強智能、強實踐為核心的“五強一化”課程體系，如圖1所示，以服務于新工科土建類卓越人才培養。

新構建的“五強一化”課程體系突出強智能、強實踐的人才培養理念，兼顧強思政、強基礎、強融通和國際化。其課程體系與課程內容優化的具體實施路徑主要包括：1）突破專業瓶頸，推進頂層設計與知識結構優化；2）打通學科壁壘，建立院—基層教學組織—系—課程組四級聯動機制；3）加強組織實施，促進新工科教材建設與實踐平臺創新；4）突顯新工科建設特點，打造智能與前沿新課程；5）整合優質資源，深入推進高水平國際化人才培養。

（一）"新“五強一化”課程體系

土水交工程專業“五強一化”課程體系如圖2所示。“強思政”，即通過引入土水交工程專業課程的思政元素，強化學科高端人才和教學名師的全程思政引領作用；“強基礎”“強智能”，即在課程體系中進一步夯實數理化和專業基礎，強化AI、大數據和云計算等信息化和智能化課程；“強融通”，即前述專業課程融通和“雙模塊”教育；“國際化”，即加強國際化模塊課程建設，經認定的國際化環節包括海外實踐、全英文課程、聯合畢業設計、聯合培養項目和海外課程；“強實踐”，即專題設計、創造性設計和第三、四課堂教學等，增強學生在創新性和數字實踐方面的能力。科教協同，促進“課堂教學—基礎科研—工程實踐”全鏈條培養，構建“縱橫貫通”“基礎強化”“交叉前沿”“思政引領”和“強國際化”的立體化培養體系。

“五強一化”課程體系的構建兼具概念性、原理性、邏輯性和系統性等特質，推動了專業高質量教育體系的建設，對“新工科課程體系應該是什么”“什么是更好的新工科教育”進行了嘗試性的解答，幫助改變教育者們對既有教育圖景的認知，嘗試建構了一種新的教育圖景，對“什么應該是更好的教育”進行評估與指引，促進學科間視野的融合，深化高質量教育體系的建設。

（二）"前沿與智能化

針對土木工程、水利工程和交通工程原有課程體系的不足，學院專門開設了體現環境持續性和土木、水利與交通學科新專業知識前瞻性、智能化、信息化的全新課程，及時提升智能化、可持續等前沿知識在專業課程體系中的比例。同時，在授課過程中融入智能化手段，授課內容中融入可持續理念。經討論研究，在優化后的土水交工程專業課程體系中新增前沿和人工智能等新課程，以建立學生智能化、可持續和學科前沿相關知識體系。同時，增加專業核心課程中信息技術和人工智能等相關知識點，以豐富新工科建設的內涵。

以鋼筋混凝土結構課程為例，主講教師在教學中積極采用新技術和新方法，如通過虛擬仿真試驗技術可以提高教學效果，培養學生的工程思維與實踐能力，實現理論知識的綜合應用，彌補實驗條件限制，降低教學成本等。浙江大學國家級土建類虛擬仿真實驗教學中心通過鋼筋混凝土結構受力破壞虛擬仿真實驗平臺建設，使學生可以直觀觀察混凝土結構在荷載作用下的變形、斷裂過程，理解相關理論知識，提高了學生的學習效果。同時，在虛擬仿真試驗中可以模擬復雜的工程場景，成為學生進行課程設計與創新實驗的重要工具。學生在虛擬環境中進行方案設計、參數優化等，可以理清解決實際工程問題的思路，進而培養工程創新思維。另外，虛擬仿真技術作為新技術范疇，如圖3和圖4所示，在教學過程中應用虛擬仿真試驗平臺，可以讓學生直接體驗新技術在工程中的運用情況，進而熟練使用相關軟件或設施。

結合新工科背景下鋼筋混凝土結構的發展方向，主講教師在鋼筋混凝土結構基本原理課程教學中講解新思維、新方法與新技術，如BIM技術、智能結構、智能建造技術與方法等，通過在課程中引入計算機應用與仿真技術，采用結構優化算法和仿真軟件進行結構布置、截面選擇等方案的優化計算和分析，有助于培養學生的計算機應用和優化設計能力。通過介紹混凝土結構的智能監測技術，將結構性能計算與監測技術相結合，讓學生理解結構監測技術如何檢驗結構力學行為，以培養學生的創新精神和實踐能力。注入綠色、節能與可回收利用等新理念，讓學生了解可持續發展在工程實踐中的重要性，培養學生的可持續發展意識。在混凝土結構課程教學中，加強理論與技術的融合、傳統知識與新技術的結合、知識學習與工程實踐的關聯，推動專業教育發展，培育未來工程技術領域亟需復合型人才。

（三）"創新與實踐改革

為提高學生的創新實踐能力，新專業扎根學院優質競賽土壤（如全國大學生結構設計競賽^［14］、美國土木工程競賽等），充分發揮科研競賽獲獎在本科生推免和評獎評優等環節中的加成機制，鼓勵學生積極參加國家級、省部級和院級科研競賽。同時，將競賽作為知識實踐與拼搏競技相輔相成的第二課堂，使學生能夠貫通知識、開闊視野、聚焦前沿、拓展思路、積累實踐和協同團隊，實現自我綜合素質的全面提升。

依托國家一級重點學科資源優勢，學院著力搭建了基礎實驗、實踐基地和交叉科研一體化的創新實踐平臺，通過一二三四課堂貫通式開展實踐教育。結合港珠澳大橋、大興機場、鳥巢等國家重大工程實踐，依托超重力離心模擬與實驗裝置國家重大科技基礎設施等重大平臺，切實提升學生的創新實踐能力。目前，學院建有七大創新實訓平臺和卓越工程培養與創新實踐基地，聚焦綠色建筑技術、防災減災、裝配式建筑、智慧城市、地下空間、建筑信息化和智能結構與材料等方向，建筑信息化實訓平臺彌補了傳統實訓實踐平臺不足。學院建設的超重力離心模擬與實驗裝置，可模擬從瞬態到萬年時間尺度、從原子級到千米級空間尺度、從常溫常壓到高溫高壓等多相介質物質運動的實驗環境，配有邊坡與高壩實驗艙、巖土地震工程實驗艙、地質過程實驗艙、深海工程實驗艙和深地工程與環境實驗艙，不僅是教師從事土木、水利與交通工程行業科研的優質平臺，也為土水交工程專業的學生提供了良好的科研實踐平臺。

為培養學生的創新、數字化等綜合能力，學院開展了創新性實踐課程建設，包括土水交專題設計課程、創新性課程等。同時，在第三課堂、第四課堂中開展了數字化實踐教育。譬如，學院開設了創造性設計課程，成功申請了省級高等教育教學改革項目，教改項目相關成果反映在省級教學成果一等獎“面向重大工程建設需求的土木工程卓越人才培養體系與實踐”中，課程同時入選省級一流課程。創造性設計課程的核心是創新與合作，要求學生在規定的時間內運用創造性思維完成一項創新設計任務，并根據設計方案制作模型，最后進行項目匯報與展示^［15］。在此過程中可培養學生的創新能力、決策能力、表達能力，以及團隊合作過程中的溝通理解、交流與合作的能力，使學生的能力獲得綜合提升。課堂教學模式改變了“教師講—學生聽”的傳統授課方法，采用啟發式、開放式、研討式等多種形式，通過方案設計、模型制作、匯報交流、作品評價等環節，讓學生在教學過程中擁有學習課程的主導權。

創造性設計課程的設計主題主要圍繞土水交工程新專業展開，給學生留下足夠的放飛思想空間，鼓勵學生放眼未來進行大膽設想。同時，結合工程實際情況實現項目的創新與突破，讓學生在對專業知識的理解和應用中開創發展、推陳出新。設計主題有較強的綜合性和前沿性，有利于促進學生跨土水交工程專業進行學習，拓寬自身知識面，鍛煉學生的全局把控和細節處理能力。如圖5所示，創造性設計課程在2020年的設計主題為“人工智能與土木工程”，要求學生設計團隊將人工智能和土木工程兩個學科相結合，創想未來人工智能化的土木工程。以此為基礎，學生需綜合考慮經濟、環境、文化等多種因素，選擇一處合適的地址，設計一個智能化的土木工程建筑（建筑功能不限），并給出工程設計、施工、管理、養護等階段中一個或多個階段的人工智能化方案。2021年創造性設計課程的設計主題為“零碳主題公園”，要求學生團隊選取零碳主題公園作為設計對象，深入考慮功能分區（如生態游覽、康體健身、碳匯科普、互動體驗、文化娛樂等）、地勢地貌、水資源、可再生能源應用、新型低碳技術、先進科學技術（如數字化、智能化）等設計信息，圍繞碳循環與“碳中和”理念來確定所設計的主題。

綜合型人才的培養對于實踐性很強的土木工程、水利工程與交通工程專業而言尤為重要。創造性設計課程通過結合智能、綠色低碳等設計主題教學，可充分培養學生的創意創新和創造能力，提高學生的創新實踐能力。

三、改革與實踐成效

通過改革與實踐，學院土水交工程專業已經建立了較為完善的“五強一化”課程體系，基于“土水交融通”的復合型和創新型人才培養理念也在土建類本科生培養中成效凸顯。

目前，在專業優化和課程體系優化過程中，學院對材料力學、鋼結構設計原理、鋼筋混凝土結構基本原理、工程經濟等14門專業核心課程進行了土木、水利與交通工程知識點融合，打破了專業界限，通過融通課程內容，補充了共性知識和拓展了知識范圍，并以實際工程案例等為導向對課程內容進行了重新編排。具體成效上，榮獲國家級土建類虛擬仿真實驗教學中心新立項項目4項；4門虛擬仿真實驗課程順利通過省級“十三五”高校虛擬仿真實驗教學項目驗收；校外實踐教育基地獲批省級大學生校外實踐教育基地立項。依托土水交課程體系優化，獲得了一批國家級和省級新工科研究與實踐項目立項，增開了多門人工智能和前沿性課程，包括土木工程工業化、土木工程信息化、智能建造、智慧水利工程、結構智能監控技術、交通規劃、給水排水管網系統、運籌學、國際工程管理等課程，在個性修讀課程中增開了混凝土結構及組合結構最新研究進展、超重力試驗原理與實踐等前沿性課程，并對工程抗震、鋼筋混凝土結構基本原理、工程水文學等多門傳統課程進行了智能化內容革新。另外，《大跨空間結構》等14部教材獲批住房和城鄉建設部高等教育職業教育住房和城鄉建設領域學科專業“十四五”規劃教材；智能建造管理與技術等5部新工科教材獲省級普通本科高校“十四五”首批新工科、新醫科、新農科、新文科重點教材建設項目，新工科課程和教材建設成效顯著。

以土水交工程專業交叉融通為手段，以“五強一化”課程體系優化為抓手，學院土建類人才培養成效顯著，學生綜合學術素養、科研能力和實踐能力等均獲得了顯著提升。譬如，通過全國大學生結構設計、美國土木工程競賽等學生競賽和創新性設計等課程訓練，極大地鍛煉了土建類學生的創新創意創造能力。圖6所示為學生參與創造性設計課程的部分模型照片。

四、結語

培養德智體美勞全面發展、具有全球競爭力的高素質復合型新工科人才是土建類新工科建設的目的。面對“一帶一路”國家倡議、“長三角一體化”“交通強國”等重大戰略需求，以及人工智能、云計算、大數據等顛覆性技術帶來的各種機遇和挑戰，積極主動探索新工科教育的創新模式成為全國高校科研教學工作當務之急。本文介紹了新形勢下傳統土建類課程體系存在的主要教學問題，針對這些教學問題介紹了浙江大學專業優化后的土水交工程新專業"“五強一化”課程體系，并以強智能、強實踐為核心闡述了新工科課程建設、綜合性實踐性平臺建設、創新性課程開設的部分改革和實踐經驗，可為我國高校開展新工科專業建設和人才培養提供了新思路和參考建議。目前，“五強一化”課程體系已經過3-4年的實踐檢驗，未來該課程體系在國際化人才培養、專業協同實踐平臺建設和思政內容方面的建設還需要進一步加強。另外，受學校培養方案中的學分限制，課程體系中新增的前沿和智能課程設置尚需進一步完善。

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Exploration and practice of “five-strengths and one-internationalization” curriculum system for civil， hydraulic and transportation engineering major

XU Yueping，"ZHAO Yuxi，"XU Xian，"XIA Jin，"LU Linlin

（College of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University， Hangzhou 310058， P.R.China）

Abstract： Based on the background of new engineering disciplines， high-quality composite and management talent training has become the target demand for the cultivation of civil engineering students， while the iterative updating of the curriculum in the cultivation system is the key. Taking the new engineering disciplines of civil， hydraulic and transportation engineering in the College of Civil Engineering and Architecture of Zhejiang University as an example， combining with the development of the new era and the actual needs of new engineering disciplines， we innovatively puts forward an advanced education concept of integration of civil， hydraulic and transportation engineering. And we constructs a new curriculum system of “five-strengths and one-internationalization”"for the majors of civil， hydraulic and transportation engineering， which is centered on the core of strong intelligence and strong practice. We explores some reforms and practical experiences of civil， hydraulic and transportation engineering majors in two aspects of innovation and practice， frontier and intelligence. The new curriculum system of “five-strengths and one-internationalization”"realizes the training mode of whole civil engineering integration， opens up a new direction of civil engineering undergraduate talent training reform. It can provide reference for universities to carry out construction of new engineering disciplines and talent cultivation.

Key words： integration of civil， hydraulic and transportation engineering; “five-strengths and one-internationalization”; strong intelligence; strong practice; new engineering disciplines

（責任編輯""崔守奎）

修回日期：2023-12-01

基金項目：浙江省高等教育“十四五”教學改革項目“新工科辦學示范區促進人才培養的改革與實踐”；浙江省課程思政教學項目“水科學與工程模塊課程思政體系建設與實踐”；浙江大學建筑工程學院重點教改項目“基于結構設計競賽3.0版的教學改革與實踐”

作者簡介：許月萍（1975—），女，浙江大學建筑工程學院教授，博士，主要從事水災害研究，"（E-mail）yuepingxu@zju.edu.cn。