基于新工科信息技術的研究生培養模式探索

摘 要：如今新工科背景下信息技術快速發展，傳統的研究生教學與培養面臨著諸多挑戰，例如教學方式單一、理論知識與工程實踐存在脫節、培養體系缺乏可持續性以及創新型人才培養理念落后等。本文依托中山大學土木工程學院研究生課程授課與培養，通過深化教學改革，將新工科發展戰略和信息化技術融入研究生教學，實現多領域交叉融合的創新型人才培養。并基于研究生課程“工程風險、可靠度與決策”開展信息化技術助力實踐與理論融合的研究生培養模式的探索與實踐。

關鍵詞：研究生培養；新工科；信息技術

中圖分類號：G642.0" 文獻標識碼：A

研究生培養是高等教育的重要組成部分，是教育強國建設的引擎，在培養高層次創新人才方面具有非常直接和現實的意義［12］，其中工科研究生教育是促進高質量教育體系建設和創新型國家發展的重要戰略支撐。李保忠［3］通過對21世紀以來關于工科研究生教育的五千余篇文獻進行分析后發現我國工科研究生教育研究在政策、理論、觀點或經驗的歸類、整理和加工等方面仍面臨諸多挑戰。一是部分研究仍停留在經驗總結上，缺乏理論性的深入闡釋；二是工科研究生教育研究的平臺尚不完善；三是研究隊伍較為松散，研究機構的影響有限。

新工科建設是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才［4］。我國正在快速進入數字經濟時代，數字技術與社會各個領域的融合速度明顯加快。黨的二十大首次將“教育數字化”寫進報告，提出將教育、科技、人才作為全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐，為新時代進一步發展教育數字化指明了方向［5］。

技術的不斷迭代更新是變革的直接動力，人工智能、大數據、5G、區塊鏈等數字技術快速發展，并逐漸融入高等教育領域，為高等教育邁向更高水平提供了重要動力。數字技術大大優化了教育環境，將物理空間和虛擬空間連接起來，打破了原先教育系統的平衡狀態，突破了傳統的學位教育理念和教育方式，不斷推動教育的全要素和全過程轉型，并助力解決轉型過程中的復雜問題。新型數字技術在給予學位教育數字化轉型以新的能量和動力的同時，也對其進一步深入發展提出了新的發展要求，需要其始終為適應不斷變化的外部環境做好準備［67］。

在如今百年未有之大變局的時代背景下，如何將先進的信息技術與研究生教育培養相融合，緊跟現代科技發展趨勢，適應多學科交叉融合的人才培養新要求，對培養我國面向未來發展的創新型工程技術人才具有重要意義。本文依托中山大學土木工程學院開展研究生教學與培養工作，剖析傳統培養模式存在的困難和面臨的挑戰，結合AI、大數據機器學習等信息技術手段，介紹新工科背景下研究生培養理念和體系方面的相關探索與實踐。

一、傳統研究生培養模式面臨的挑戰

傳統教學多以教師為中心，學生的自主學習和獨立思考能力未能充分發揮。同時，信息化教育技術在研究生教學中的應用仍有提升空間，如數字化課程內容、在線學習平臺和虛擬實驗室的建設尚未全面覆蓋，導致學習方式的靈活性和多樣性受限。此外，師生互動形式相對單一，課堂外的深度交流較少，課程內容更多側重理論知識的傳授，工程實踐能力的培養相對薄弱。部分導師在學術指導上傾注較多精力，但在工程實踐指導方面略顯不足，導致學生在實際工作中面臨一定挑戰。同時，科研成果在實際工程中的應用潛力尚未得到充分挖掘，理論與實踐之間存在一定距離。課程設置在一定程度上未能完全跟上新興技術的發展節奏，學科之間的融合課程較少，影響了學生跨領域學習能力的提升。此外，培養理念仍偏重學術研究，創新能力與實踐能力的塑造相對薄弱，與社會對復合型、創新型人才的需求還有一定差距。

二、基于信息技術的研究生培養模式思考與探索

（一）深化教學改革，將信息化技術融入研究生教學

首先，為方便信息技術的融入，可以先建設一個綜合性在線學習平臺和資源庫，基于該平臺整合多種學習資源，包括慕課、電子書籍、學術論文及相關學習工具，為研究生提供多樣化的學習選擇。學生可以根據個人需求自主安排學習計劃，無需受制于傳統課堂的時間和地域限制。這種資源庫還可以動態更新，及時引入前沿知識與最新研究成果，幫助學生跟上學術和行業發展的步伐。其次，引入互動式教學工具可以有效提升教學互動體驗，通過在線討論平臺、虛擬班級、網絡課堂等形式，學生和教師能夠進行實時互動與深度交流。例如，利用虛擬實驗室模擬工程場景，組織在線研討會促進跨學科交流，或通過實時反饋系統提高師生溝通效率。這些工具不僅豐富了教學形式，還能激發學生的學習興趣，增強主動性與參與感，使教學效果更加顯著。再次，推廣個性化學習與自主學習模式是提升教育質量的重要環節，利用大數據與人工智能技術，可以為學生制定個性化學習路徑，并通過在線評估系統實時反饋學習成果。學生可根據個人進度調整學習計劃，從而實現更有針對性的知識掌握，提高學習效率。從次，提供適當的學習激勵機制，如獎勵高質量的課程參與者和優秀的研究成果產出者，這也能進一步提升學生的學習積極性。最后，加強師資隊伍建設和教學培訓是必不可少的，例如通過舉辦教學技能培訓與競賽、信息化教育技術研討會等活動，幫助研究生導師熟練掌握信息化教育工具，提升其教學能力和創新意識。教師不僅需要適應信息化技術帶來的新挑戰，還應成為創新教學的引領者，為學生提供更豐富的學習體驗。

（二）信息化技術助力實踐與理論融合的研究生培養模式

為提升研究生的實踐能力和工程素養，一方面可以建設基于虛擬仿真技術的虛擬實踐平臺，提供與實際工程實踐高度相似的虛擬環境和場景。這一平臺不僅能夠有效彌補實驗設施和資源的不足，還能為研究生在理論學習之外創造實踐機會。例如，學生可以在虛擬平臺上完成工程建模、實驗模擬以及風險評估等任務，在不受場地和設備限制的情況下積累豐富的實踐經驗。同時，平臺可以根據行業發展更新場景內容，確保其與實際工程需求保持一致。還可以引入實時互動技術，提升實踐教學的真實感與參與度。例如通過遠程實時控制、視頻直播等技術手段，研究生可以參與實際工程項目的設計與實施，即便身處遠端也能實時了解工程進度，并與一線工程師進行直接交流。這不僅加深了學生對工程項目的了解，還讓他們能夠從實踐者的角度出發，更全面地掌握理論知識的實際應用。此外，推廣項目化學習模式，將研究生置于以團隊合作為核心的實踐環境中也是一種可行的方案。例如，設置實際工程項目為學習任務，讓學生從需求分析、設計方案到項目實施全程參與。這種學習方式能夠將理論知識轉化為實際技能，同時培養研究生的協作能力、問題解決能力和創新意識。在團隊分工中，學生可以根據個人特長承擔不同角色，從而提升多學科協作能力和領導潛力。通過虛擬仿真技術、實時互動工具以及項目化學習的全面結合，研究生不僅能夠深化對理論知識的理解，還能顯著提升工程實踐能力和創新能力，從而培養出兼具理論與實踐素養的高層次綜合型人才。

（三）融入新工科發展戰略，實現多領域交叉融合的創新型人才培養

首先，為提升研究生的學習體驗，可以通過智能化課程設計和個性化學習路徑，利用人工智能和大數據分析為學生量身定制課程。這種方法能夠根據個體需求和興趣提供個性化的學習路徑，從而提高學習效率和滿意度。其次，鼓勵跨學科合作和項目式學習，通過實際問題的項目式學習，學生可以將所學知識應用于實踐，提高解決問題的能力。再次，遠程導師的指導，特別是在專碩培養中的行業導師，能夠為學生提供更廣泛的專業知識和經驗，社交學習網絡則促進了學生之間的交流與合作。最后，采用數字化評估和反饋機制，通過自動化評估工具及時反饋學生的學習進度和表現，有助于提升教學質量和學生的自我管理能力，進一步推動學習效果的提升。

三、信息技術融入研究生課程“工程風險、可靠度與決策”的探索與實踐

本課程主要介紹巖土工程可靠度和風險分析的基本概念，以便學生理解可靠度分析的目的和意義，之后對概率和統計的基礎知識進行回顧，為介紹可靠度分析的具體方法做鋪墊，接下來分別對可靠度分析的幾種重要方法進行詳細闡述，包括一次二階矩法、Monte Carlo模擬、響應面等機器學習方法以及系統可靠度分析法，最后介紹巖土工程可靠度設計原理。融合信息技術的課程探索主要體現在以下兩個方面。

（1）開發在線學習軟件：針對課程特定章節內容設計自由度較高的學習模塊，學生除了可以直接使用軟件內置的算法進行相關計算，還可以自己編寫算法進行測試，并與系統內置算法進行計算精度、預測效果的對比。如圖1是教學團隊開發的《基于BIM的盾構隧道虛擬仿真試驗》，該試驗已上線國家虛擬仿真試驗教學課程共享平臺。本試驗設計了基于機器學習的盾構隧道開挖面前方不良地質識別模型，基于大數據機器學習算法對潛在的不良地質體進行無損識別預警，從而降低工程風險。學生可以對比既有算法的精度和效率，也可以自己編寫新的算法進行對比，在此過程中提升學習與科研的積極性。

下一步擬在系統內設置定期推送不同類別算法表現的排行榜。學生不僅能夠實時獲得反饋提升學習興趣，還能夠在以賽促學的過程中主動學習并掌握最新的研究理論。

（2）建設虛擬實踐平臺：依托中山大學虛擬仿真試驗教學平臺，結合壩道工程醫院（平輿）試驗場以及學院專碩行業導師，開發適合課程特定章節的工程實踐平臺（見圖2）。例如針對暴雨影響下公路邊坡風險與可靠度評估，可依據平輿現場地勘數據建立三維模型，考慮暴雨、地震和近接施工等各類風險源建立滑坡、路面塌陷等災變模型，通過機器學習等相關算法映射模型參數與模型響應的聯系，學生在室內進行風險評估和可靠度計算，然后通過現場實時畫面和監測數據進行對比驗證，在此過程中掌握宏觀層面的實際災變過程以及背后的可靠度理論。

結語

以新工科建設為契機，以新經濟、新科技的迅猛發展為背景，從服務國家戰略、滿足行業需求和面向未來發展為出發點，本文針對新興技術與工程教育內容的跨界融合中存在的問題與挑戰，建立了信息化技術與實踐相結合的特色研究生培養模式，順應了跨界融合成為“互聯網+”背景下我國高等工程教育改革的必然趨勢，能夠與我國發展戰略和當下科技發展水平的有機結合。在該方向上將信息化技術應用于創新人才培養的各個環節，有助于培養一批具有“創新意識、創新思維、創新技能、創新視野”的土木工程領域亟須的具有多學科交叉融合的創新能力的人才。本文結合本單位實踐情況進行了一些實踐與討論，供土木、水利等相關專業同仁參考，共同推動我國研究生高等教育的發展。

參考文獻：

［1］崔建峰，林韻豐，張靜.新時代地方高校研究生培養的主要問題與改進舉措［J］.大學，2024（01）：8588.

［2］曲江勇，鄔旭然，王緒敏.地方綜合院校研究生培養模式研究：以煙臺大學生命科學學院研究生培養為例［J］.吉林廣播電視大學學報，2021（02）：9597.

［3］李保忠.國外工科研究生教育研究述評：主題演繹與價值取道［J］.化工高等教育，2023，40（06）：820.

［4］曲柳，柳泉，陶紹虎.新工科背景下材料熱力學與動力學“四位一體”教學模式的探索［J］.學園，2024，17（09）：2123.

［5］范永茂，王俊粉.專業學位研究生教育的數字化轉型：動因、定位和變革路徑［J］.教育理論與實踐，2024，44（06）：37.

［6］祝智庭，胡姣.教育數字化轉型的實踐邏輯與發展機遇［J］.電化教育研究，2022，43（01）：515.

［7］茍斐斐.智能時代我國高等教育數字化轉型的PESTSWOT研究［J］.高等理科教育，2022（05）：4857.

基金項目：本項目獲中山大學2024年度研究生教育創新計劃項目經費資助

作者簡介：趙辰洋（1988— ），男，漢族，江蘇常州人，工學博士，副教授，博士生導師，主要從事巖土工程教學與科研方面的工作。