“土木工程+AI”本科人才培養現狀分析

摘 要：人工智能（AI）技術發展迅猛且應用廣泛，在各行各業都展現出巨大潛力和價值。目前，隨著AI向更高階段的通用人工智能（AGI）進化，其對各學科的影響勢必更為深入，且與前序AI初級階段有著本質不同。土木工程作為最古老的學科之一，如何將AI融入人才培養以應對新挑戰和把握新機遇，已成為該學科急需摸索和回答的關鍵問題。鑒于此，首先搜集100所高校（國內50所，國外50所）在土木工程學科的本科人才培養方案，進而對培養方案進行比較和總結，分析國內外高校在土木工程學科融入人工智能本科教育方面的現狀與不足。最后，提出人才培養方案改革策略，為土木工程學科AGI時代人才培養提供參考。

關鍵詞：通用人工智能；土木工程；人才培養模式；現狀分析；教育改革

中圖分類號：C961 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）35-0017-07

Abstract： The rapid development and wide application of Artificial Intelligence （AI） technology have shown tremendous potential and value across various industries. Currently， as AI evolves towards a higher stage of Artificial General Intelligence （AGI）， its impact on various disciplines is bound to deepen， presenting fundamentally different challenges and opportunities from the initial stages of AI. Civil engineering， being one of the oldest disciplines， is now urgent to answer the key question of how to cultivate students for unprecedented challenges and opportunities under the empowerment of AGI. This paper first collects the undergraduate training programs of 100 universities around the world （50 domestic and 50 international） in the discipline of civil engineering， compares and summarizes these programs， and analyzes the current state and deficiencies of integrating AI education into civil engineering disciplines at home and abroad. Based on this， it proposes reform strategies for undergraduate training programs， offering a reference for evolvement of the civil engineering discipline in the era of AGI.

Keywords： artificial general intelligence; civil engineering; talent training mode; analysis of current situation; education reform

土木工程是最古老的學科之一，亦是人類文明的承載體和重要表現形式。隨著時代和技術的發展及人類社會基建工程的大型化、綜合化、復雜化，土木工程學科的內涵不斷得到拓展和豐富。現代土木工程學科內涵囊括了傳統土木工程、水利工程、市政工程、地質工程和管道工程等，是一門多領域交叉的大土木工程學科。

在大土木工程學科背景下，人工智能與土木工程相結合形成新的學科領域成為必然，亦是該學科當前的發展前沿和路徑。隨著通用人工智能時代的臨近，這種結合已然開始加速，并在多類土木工程場景中展露出巨大的應用前景。例如，人工智能技術可以有效提高工程設計、施工、運維、決策等環節的效率和精度，降低成本，提升安全性。具體應用包括工程審圖[1-2]、無人機巡檢[3]、機器人救災搶險[4]、地鐵隧道缺陷智能識別[5]、巖土體力學性質計算[6]等。人工智能的發展及其與土木工程學科的融合，促使土木工程教育從業者思考該學科的發展新方向，也為其教育改革提供了新的思路。

現代土木工程人才培養積極融入人工智能元素，提升土木工程專業學子在新時代運用人工智能解決工程問題的能力，是該學科自身發展的內在需求，亦是滿足強人工智能時代大土木工程基礎設施建設的外在需求。

為應對新時代的挑戰，全球部分院校已開始采納和實施一系列先進的教育理念與實踐。例如，采用項目式學習（Project-based Learning）和開放教育資源（OERs）方法，將現實世界的工程項目作為教學案例，使學生在解決實際工程問題的過程中，學習和應用人工智能技術[7-8]。此外，跨學科的課程設置也被認為是培養未來土木工程師不可或缺的一部分，其能夠幫助學生從更寬廣的視角理解人工智能技術，并掌握和推動其在土木工程中的應用。面對這一機遇和挑戰，高等教育機構、行業組織和政策制定者需要共同努力，為土木工程學科的未來發展奠定基礎[9-11]。

對于土木工程院校而言，有效整合人工智能技術到土木工程人才培養既需要更新和優化現有的教學資源和設施，也需要教師隊伍在專業知識和教學方法上進行相應的更新和提升。但這兩個大方面的前提，是土木工程與人工智能融合型的人才培養方案或大綱的制定。無論是高等院校或者職業技術學院，人才培養方案中的人工智能元素（例如與人工智能息息相關的課程等），是“土木工程+AI”人才培養創新模式與現狀的最直接體現。鑒于此，本文對國內外100所高校在土木工程學科的本科人才培養方案進行比較和分析，以期勾勒出當前土木工程學科融入人工智能本科教育與人才培養方面的現狀，為后續持續教育改革與創新提供思路。

一 歷史回溯：土木工程培養方案變革進程

通過回顧土木工程學科發展歷程，有利于讀者厘清該學科的發展邏輯與演化過程，從而更好地理解土木工程與人工智能結合的必要性和必然性。實際上，國內外土木工程學科均為階段式發展模式，且階段劃分基本相同，因此，本小節以我國的情況為例進行闡述，但其仍不失一般性和普遍性。我國土木工程人才培養模式已經經歷了從初步探索、模式定型、深化改革到適應新時代發展需求的變化過程。這一過程不僅反映了我國高等教育體系的成熟與完善，也體現了土木工程專業對社會、技術進步和經濟發展變化的積極響應。

（一） 初步探索階段（1950—1970年）

在新中國成立初期，國家重建和經濟發展需要大量土木工程專業人才。教育部門開始建立和完善高等教育體系，土木工程教育此時處于摸索和建立階段，主要依托若干綜合性和工科大學的工程系。此時期的人才培養模式偏重于理論教學，注重學生基礎理論知識的學習，實踐環節相對較少，教育資源有限。

（二） 模式定型與擴張階段（1980—1990年）

隨著改革開放的推進和經濟體制的轉型，國家對基礎設施建設的需求大幅增加。土木工程教育開始迅速發展，專業設置更加多樣化，培養模式開始向實踐教學傾斜。這一階段，土木工程教育加強了與工業界的聯系，注重產學研合作，增加了實習、實訓等實踐教學環節，強調理論與實踐相結合，培養學生的工程實踐能力。

（三） 教育改革深化階段（2000—2010年）

進入21世紀后，隨著全球化和信息技術的飛速發展，土木工程領域出現了許多新技術、新材料和新工藝，國內土木工程教育面臨著更新知識結構、改進培養模式的挑戰。此階段的教育改革注重提升學生的創新能力和國際競爭力。引入了項目驅動學習、綜合設計項目等先進教育理念和教學方法，鼓勵學生參與科研項目和國際交流，以培養學生綜合素質和全球視野。

（四） 適應新時代發展需求的創新階段（2010年至今）

面對新一輪科技革命和產業變革，尤其是人工智能等新技術對土木工程領域的深刻影響，土木工程教育需進一步適應數字化、智能化建設的趨勢。這一階段可按ChatGPT出現的時間點細分為兩個亞階段；在ChatGPT出現后，土木工程學科的智能化發展進程明顯加速。當前，國內土木工程教育十分重視跨學科融合，強化軟件應用和信息技術在土木工程中的應用教學，著重培養學生的數據處理、智能設計和項目管理等能力。同時，注重培養學生的可持續發展觀念、創新精神和社會責任感。

通過歷史回溯，可以清晰地看到國內土木工程人才培養模式在不同歷史階段所做出的適應與調整。從重視基礎理論教育到強調實踐能力的培養，再到適應新技術革命的創新教育模式，每一步的變革都是對時代發展需求的積極響應。土木工程教育探索與時俱進的人才培養模式，培養更多具備堅實理論基礎、實踐能力和創新精神的土木工程人才，是該學科推動整個社會持續進步與發展的貢獻。

二 現狀研判：國內外土木工程人才培養現狀

為了解國內外土木工程院校在土木工程學科融入人工智能教育方面的現狀，為土木工程人才培養改革提供參考依據，本文搜集了國內外100所高校（表1）在土木工程學科的培養方案，并對這些培養方案的課程設置進行詳細分析和總結。調研發現，大部分院校除了開設傳統工程教學的課程外，還開設了與人工智能學科關系密切的課程，例如計算與人工智能概論、機器學習、工業機器人和智能建造等。

調查顯示，100所高校中約54%的院校在土木工程專業中開設了與人工智能相關的課程。值得注意的是，國內院校開設人工智能課程的比例高達82%，遠遠高于國外院校的26%，如圖1所示。這些AI相關課程的開設形式多樣，包括直接開設的人工智能課程和間接開設的人工智能課程（與土木工程結合，如智能建造等）。國內以間接開設人工智能課程為主，比例為58.5%；而國外的情況恰恰相反，直接開設的人工智能課程更多，占53.8%，具體情況如圖2所示。但整體上，國內外在直接與間接人工智能課程開設比例上相差不大。

如圖3所示，在國內，AI相關課程主要在大二之后開設，占比75.6%。僅有不到10%的院校在大一學年開設人工智能相關課程，而且大一開設的人工智能課程類型主要是智能建造導論、人工智能概論這兩類課程。約15%的院校大一和大二學年均開設人工智能相關課程。在國內，土木工程院校開設的AI相關課程約50%為人工智能概論，30%為智能建造導論，其他課程則為20%。類似地，在國外，AI相關課程也是主要在大二學年以上開設，占比76.9%，僅有23.1%的院校會在大一學年開設AI相關的課程，而且這些院校還會在大二學年以后的培養方案中繼續開設AI相關課程。在國外，土木工程院校開設的AI相關課程中約38.5%為人工智能概論，38.5%為機器學習+機器人這類的人工智能某一具體方面的課程，其他課程則為23%。

圖1 國內外院校開設人工智能相關課程情況

調查還發現，如圖4所示，在國內土木院校課程中更多地將AI相關課程設置為選修課，其僅作為選修課開設比例高達56.1%，而僅作為必修課開設的比例為17.1%；作為必修課和選修課都開設的情況占比26.8%。國外土木院校在培養方案中AI課程設置為必修課的比例更高，僅作為必修課的占比46.1%，接近一半；僅作為選修課的情況占比38.5%。可以看出，國內院校更傾向于將AI課程作為選修課程融入培養方案，給予學生更自由的選擇權，而國外院校則更傾向于將AI課程作為核心課程融入課程體系，強制土木學生學習人工智能知識。這種差異反映了國內外院校在土木工程人才培養上更廣泛的教育理念、戰略和優先級差異。

在調查的100所院校中，僅開設一門人工智能相關課程的國內外土木院校占比較高，均超過50%，分別為國內58.5%、國外53.8%，如圖5所示。僅約20%土木院校開設2門或3門以上的人工智能課程，國內外均如此，且比例非常接近。這表明，盡管現在國內外院校在土木工程人才培養上都逐漸意識到了人工智能的重要性，但培養方案改革仍處于初步階段。這有可能意味著大多數院校只是引入或者科普人工智能技術，實質上尚未在教學方案中真正深度融入人工智能技術。

圖2 國內外院校開設人工智能課程形式

（b） 開設課程情況

圖3 國內外課程設置

圖4 國內外院校必修選修課情況

圖5 國內外院校人工智能課程開設數目情況

此外，與國內相比，大約有30%的國外院校會提供自由選修課，學生在這一課程模塊可以探索任何感興趣的課程，如圖6所示。可以發現，在這些院校中，土木工程專業的排名大多都位于前100名。而且，這些在培養方案中開設自由選修課的院校，澳大利亞的院校數量是最多的，其次是美國。通過自由選修課，學生可以探索自己專業領域之外的知識，促進跨學科的學習和思維能力。這種跨學科的知識結構不僅可以擴展學生的視野，還能增強他們解決復雜問題的能力。而國內的選修課存在一定限制，且自由探索的程度不高。

圖6 國外開設自由選修課情況

在國內有越來越多的院校開始設立智能建造專業，從2018年同濟大學首先創辦智能建造專業以來，國內開設智能建造專業的數量每年都在逐步增加，到2024年總共有161個智能建造專業建立[12-14]，如圖7所示。然而，與2024年新增的48個智能建造專業相比，同年土木工程卻只增加三個，其中還有兩個是第二學士學位輔修。在現有的544所開設土木工程專業的學院中，新開設的智能建造專業在土木工程學院中達到了29.6%的比例，如圖8所示。可以看出，國內各大院校其實已經在通過建立新專業的方式將人工智能融入土木工程學科中，而原有的土木工程專業改革進程則較為緩慢，依舊是以傳統教學為主。這種做法的好處是可以快速完成土木工程與人工智能的結合；而其弊端是它未能給所有土木工程專業大類學子提供相同的培養資源，只對部分學生采取試點培養。建立新專業僅是“土木工程+AI”人才培養模式改革與創新的一種方法，只有將人工智能深度融入所有土木工程專業的培養方案中，才能真正培養出適應新時代的土木工程人才。

圖7 我國開設智能建造專業的高校數量增長圖

圖8 我國土木類院校開設智能建造專業占比圖

三 未來方向：人工智能深度融入土木工程人才培養

隨著人類快速向通用人工智能時代過渡，土木工程學科的人才培養模式迎來了新的挑戰和機遇。要實現人工智能與土木工程的深度融合，培養出符合時代需要的智能土木工程人才，首先需要清晰地認識到當前“土木工程+AI”人才培養面臨的關鍵問題，并在此基礎上提出有效的教育改革與創新策略。

（一） 當前土木工程人才培養面臨的關鍵問題

1）課程設置相對滯后：盡管國內外許多土木工程院校已經開始在人才培養方案中引入人工智能相關課程，但這些課程數量較少，且往往注重人工智能基礎理論學習，而與土木工程的實際應用聯系不夠緊密，未能將最前沿的AI技術與土木工程的實際需求高度融合。

2）工程實踐能力不足：目前的培養模式過于注重理論學習，缺乏足夠的實踐機會，使得學生在應用人工智能技術解決土木工程實際問題的能力較弱。

3）創新能力培養缺失：在傳統的教育模式下，學生的創新能力和解決復雜工程問題的能力培養不足，不利于培養適應未來技術發展的高素質人才。

（二） 推進人工智能深度融入土木工程人才培養的策略

1）更新課程體系，加強AI與土木工程的融合教學：結合土木工程專業的特點，設計與人工智能技術結合緊密的新課程，如智能建筑設計、智慧城市建設、AI在土木工程中的應用案例等，使學生能夠學習到最前沿的知識并掌握其在土木工程中的應用。

2）強化項目驅動的實踐教學：通過與企業合作，參與真實的工程項目，讓學生在項目中實踐AI技術，如使用智能算法優化建筑設計、施工過程中的資源管理等，從而提升學生的實踐能力和解決工程問題的能力。

3）建立跨學科學習平臺：鼓勵土木工程與計算機科學、數據分析、人工智能等相關學科的交叉學習，通過設置跨學科課程、聯合培養計劃等方式，促進學生全面發展，為土木工程學科注入新的活力和創新能力。

4）培養創新意識和終身學習能力：在教學過程中引入創新元素，如創新設計競賽、研討會、AI輔助工程設計等，激發學生的創新思維和問題解決能力。同時，培養學生的終身學習能力，使其能夠不斷適應技術發展和行業變化的需求。

通過上述策略的實施，可以有效推進人工智能技術在土木工程人才培養中的深度融合，培養出更多具備高級技術應用能力、創新能力和國際競爭力的土木工程專業人才，為未來土木工程行業的發展提供堅實的人才支撐。

（三） 應用人工智能輔助教學

在推進人工智能深度融入土木工程人才培養的過程中，人工智能輔助教學技術的應用成為一大亮點或主要教學輔助工具。這不僅能夠提高教學效率和質量，還能夠為學生提供個性化學習路徑，促進其全面發展。

1）個性化學習路徑：通過人工智能技術，可以根據學生的思維方式、學習進度、興趣愛好和學習能力，定制個性化的學習模式與資源，幫助學生更有效地汲取知識和掌握技能。

2）智能教學平臺：建立智能教學平臺，利用人工智能技術進行學習數據分析，實時反饋學生學習狀態，為教師提供教學輔助決策支持，優化教學方法和內容。

3）虛擬實訓環境：利用人工智能技術創建虛擬實訓環境，如模擬建筑設計和施工過程，讓學生在虛擬環境中進行實踐操作，增強學習體驗和實踐能力。

4）智能評估系統：開發智能評估系統，通過機器學習算法對學生的作業、設計項目等進行客觀評價，提供個性化反饋，促進學生主動學習和持續改進。

通過將人工智能技術應用于教學，可以極大豐富教學手段和內容，提高教學的質量和效率，為土木工程學科的創新人才培養提供有力支持。在國內，許多院校已經開始探索和實踐使用人工智能輔助教學的方法，這些方法旨在通過人工智能技術優化教育質量和效率，提升學生學習體驗。表2羅列了部分國內院校在使用人工智能輔助教學方面的一些具體手段。

四 結束語

隨著人工智能技術的迅猛發展，土木工程領域迎來了前所未有的變革。面對這一挑戰，土木工程教育必須及時做出反應，通過更新課程體系、加強實踐教學、推動跨學科交流和創新、應用AI輔助教學技術等多方面措施，深度融合人工智能技術，培養出能夠適應未來通用人工智能社會發展需求的新型工程技術人才。這不僅是對土木工程教育模式的革新，也是對傳統工程教育觀念的挑戰與突破。面向未來，只有通過不斷探索和實踐，土木工程教育才能夠培養出更多具有創新精神和國際視野的工程技術領軍人才，為全球土木工程行業的發展作出更大貢獻。

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