中職建筑教育信息化中的智能教學(xué)平臺應(yīng)用

一、前言

中職建筑教育作為培養(yǎng)建筑行業(yè)技術(shù)技能人才的重要陣地，正面臨前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，建筑業(yè)信息化與智能化的快速發(fā)展，對從業(yè)人員的專業(yè)素養(yǎng)以及技術(shù)能力提出更高要求，傳統(tǒng)的教學(xué)模式與手段已難以滿足新形勢下人才培養(yǎng)需求。智能教學(xué)平臺集成了資源管理與數(shù)據(jù)分析以及交互反饋等功能，能夠為建筑專業(yè)教學(xué)提供全方位支持。如何有效設(shè)計并應(yīng)用智能教學(xué)平臺實現(xiàn)教學(xué)過程的精準(zhǔn)化與個性化，成為推進(jìn)中職建筑教育改革的關(guān)鍵問題，當(dāng)前迫切需要探索適應(yīng)建筑專業(yè)特點的平臺架構(gòu)設(shè)計方案，構(gòu)建符合教學(xué)規(guī)律的實施路徑，充分發(fā)揮智能教學(xué)平臺在提升教學(xué)質(zhì)量與創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式方面的作用。

二、中職建筑教育信息化現(xiàn)狀與需求分析

（一）中職建筑教育面臨的挑戰(zhàn)

中職建筑教育作為培養(yǎng)建筑行業(yè)技術(shù)技能人才的重要途徑，正面臨諸多挑戰(zhàn)，在生源質(zhì)量方面，中職院校學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)習(xí)慣欠佳，學(xué)習(xí)興趣不高，導(dǎo)致專業(yè)知識學(xué)習(xí)效果不理想[1。在教學(xué)內(nèi)容方面，傳統(tǒng)教材內(nèi)容滯后于行業(yè)發(fā)展，難以反映建筑業(yè)新技術(shù)與新工藝以及新標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用[2。BIM技術(shù)與智能建造以及綠色建筑等前沿知識在教學(xué)中的融人度不足，造成學(xué)生所學(xué)內(nèi)容與行業(yè)需求脫節(jié)。在教學(xué)模式方面，受限于傳統(tǒng)的課堂講授方式，難以充分展現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的空間特征以及施工工藝的動態(tài)過程，學(xué)生對抽象概念理解困難。在實踐教學(xué)方面，受場地與設(shè)備以及安全等因素制約，學(xué)生難以獲得真實的施工現(xiàn)場體驗，實踐技能培養(yǎng)效果受限。在教學(xué)評價方面，現(xiàn)有考核方式過于單一，難以全面評估學(xué)生的專業(yè)能力以及職業(yè)素養(yǎng)，制約了教學(xué)質(zhì)量的提升。

（二）信息化教學(xué)平臺建設(shè)需求

中職建筑教育信息化轉(zhuǎn)型對智能教學(xué)平臺提出了明確需求，《教育信息化2.0行動計劃》中明確指出：“因應(yīng)信息技術(shù)特別是智能技術(shù)的發(fā)展，積極推進(jìn)‘互聯(lián)網(wǎng) + 教育’，堅持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合”[3]。在資源建設(shè)層面，需要構(gòu)建包含建筑設(shè)計與施工技術(shù)以及工程管理等專業(yè)課程的數(shù)字化資源庫，整合圖文與音視頻以及三維模型等多媒體資源，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的立體化呈現(xiàn)。在教學(xué)功能層面，平臺需具備虛擬仿真實訓(xùn)與在線互動教學(xué)以及智能答疑等功能，支持教師開展混合式教學(xué)。在數(shù)據(jù)分析層面，平臺應(yīng)能實時采集并分析學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，為教師提供教學(xué)決策支持，為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)。在技術(shù)架構(gòu)層面，平臺需采用模塊化設(shè)計，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性，支持新技術(shù)與新功能的持續(xù)集成。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范層面，平臺建設(shè)需符合職業(yè)教育信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)互通共享，在安全保障層面，需建立完善的數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)機(jī)制，確保教學(xué)活動安全可控。

圖1智能教學(xué)平臺架構(gòu)圖

（三）信息化教學(xué)平臺在中職建筑教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，部分中職院校已開始嘗試引人智能教學(xué)平臺輔助建筑專業(yè)教學(xué)。一些平臺提供了豐富的建筑專業(yè)課程資源，包括電子教材、教學(xué)視頻、虛擬仿真實驗等。例如，通過虛擬仿真實驗，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行建筑施工流程的模擬操作，直觀地感受建筑施工的各個環(huán)節(jié)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實踐教學(xué)中因場地、設(shè)備等限制而無法充分開展實踐操作的不足。同時，智能教學(xué)平臺還實現(xiàn)了線上教學(xué)與線下教學(xué)的融合，教師可以通過平臺布置作業(yè)、批改作業(yè)、在線答疑等，學(xué)生也可以隨時隨地通過平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)和交流。

三、智能教學(xué)平臺系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

（一）平臺架構(gòu)與技術(shù)路線智能教學(xué)平臺采用分層設(shè)計思想，構(gòu)建“基礎(chǔ)層一數(shù)據(jù)層一功能層一應(yīng)用層”四層架構(gòu)，如圖1所示。基礎(chǔ)層采用Docker容器技術(shù)實現(xiàn)資源調(diào)度以及運行環(huán)境配置，通過Kubernetes編排系統(tǒng)實現(xiàn)容器集群管理，確保系統(tǒng)的彈性伸縮與高可用性。數(shù)據(jù)層采用混合存儲架構(gòu)，MongoDB負(fù)責(zé)處理教學(xué)資源與學(xué)習(xí)行為等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，Neo4j構(gòu)建專業(yè)知識圖譜數(shù)據(jù)庫，Elasticsearch提供全文檢索服務(wù)[4]。功能層基于 Spring Cloud 微服務(wù)框架開發(fā)，將資源管理與智能交互以及學(xué)習(xí)分析等核心功能解耦為獨立服務(wù)，通過服務(wù)注冊中心Eureka實現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)，采用 Zuul 網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一管理服務(wù)入口，使用Ribbon實現(xiàn)負(fù)載均衡，Hystrix提供熔斷降級機(jī)制，應(yīng)用層采用前后端分離架構(gòu)，后端提供RESTfulAPI接口，前端基于React框架開發(fā)響應(yīng)式界面，使用Redux管理狀態(tài)，AntDesign組件庫構(gòu)建用戶界面，系統(tǒng)間通信采用RabbitMQ消息隊列實現(xiàn)異步處理，Redis提供緩存服務(wù)提升訪問性能，整個平臺采用分布式架構(gòu)，通過DockerSwarm實現(xiàn)容器編排，Jenkins實現(xiàn)持續(xù)集成部署，ELK架構(gòu)進(jìn)行日志收集分析。

（二）建筑專業(yè)資源庫構(gòu)建

建筑專業(yè)資源庫基于分布式文件系統(tǒng)構(gòu)建，采用CDN技術(shù)優(yōu)化資源訪問性能。資源存儲采用MinIO對象存儲系統(tǒng)，支持大規(guī)模分布式部署，實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余備份以及故障自動恢復(fù)，在資源組織方面，按照“專業(yè)一課程一模塊一資源”四級目錄結(jié)構(gòu)設(shè)計存儲體系，資源描述采用LOM元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)注，包含教學(xué)目標(biāo)與適用對象以及難度等級等屬性標(biāo)簽，資源格式支持包括3D模型（IFC與RVT格式）、CAD圖紙、BIM構(gòu)件庫與VR/AR資源包等專業(yè)資源，通過FFmpeg實現(xiàn)視頻轉(zhuǎn)碼，ImageMagick處理圖片壓縮以及格式轉(zhuǎn)換。資源管理模塊提供RESTfulAPI接口，實現(xiàn)資源的上傳與檢索以及預(yù)覽等功能，系統(tǒng)采用分級存儲策略，利用Redis緩存熱點資源，定期將冷數(shù)據(jù)遷移至對象存儲。資源同步采用分布式任務(wù)調(diào)度框架Quartz，確保多節(jié)點間數(shù)據(jù)一致性。針對大文件傳輸，采用分片上傳以及斷點續(xù)傳技術(shù)，使用MQ消息隊列進(jìn)行異步處理，資源索引采用Elasticsearch集群構(gòu)建，支持全文檢索與多維度聚合分析。

（三）智能交互引擎開發(fā)

智能交互引擎采用微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計，集成深度學(xué)習(xí)算法提供智能化服務(wù)，引擎核心基于Transformer架構(gòu)構(gòu)建多模態(tài)模型，實現(xiàn)文本與圖像以及語音等多種輸入形式的處理。自然語言處理模塊采用BERT預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行文本特征提取，使用 Word2Vec 訓(xùn)練專業(yè)領(lǐng)域詞向量，結(jié)合BiLSTM-CRF模型實現(xiàn)專業(yè)術(shù)語識別。知識推理模塊整合Neo4j圖數(shù)據(jù)庫，采用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行知識關(guān)系推理，引擎核心采用注意力機(jī)制優(yōu)化模型響應(yīng)時間。視覺分析模塊集成YOLOv5模型進(jìn)行建筑構(gòu)件識別，使用ResNet50網(wǎng)絡(luò)提取圖像特征，通過遷移學(xué)習(xí)方式適應(yīng)建筑專業(yè)場景。對話管理模塊采用狀態(tài)追蹤機(jī)制，維護(hù)對話上下文信息，結(jié)合規(guī)則引擎處理特定領(lǐng)域查詢，系統(tǒng)采用gRPC框架處理服務(wù)間通信，使用ProtocolBuffers作為數(shù)據(jù)序列化方案。模型服務(wù)采用TensorFlowServing部署，通過Kubernetes實現(xiàn)彈性伸縮。引擎集成了語音識別以及合成功能，采用WebRTC技術(shù)實現(xiàn)實時音視頻交互，系統(tǒng)通過Redis緩存頻繁訪問的推理結(jié)果，提升響應(yīng)速度。

（四）學(xué)習(xí)分析模塊設(shè)計

學(xué)習(xí)分析模塊采用流式計算架構(gòu)，實現(xiàn)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的實時處理以及分析。數(shù)據(jù)采集層使用Flume進(jìn)行日志收集，結(jié)合Logstash解析非結(jié)構(gòu)化日志，通過Kafka消息隊列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)預(yù)處理使用SparkStreaming進(jìn)行實時清洗以及轉(zhuǎn)換，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，特征工程模塊采用滑動窗口機(jī)制計算時序特征，使用主成分分析進(jìn)行特征降維。系統(tǒng)引入KnowledgeStateVector計算模型評估學(xué)習(xí)狀態(tài)。建模分析層集成機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫，包括協(xié)同過濾與決策樹以及支持向量機(jī)等算法，構(gòu)建知識狀態(tài)評估以及學(xué)習(xí)路徑推薦模型，系統(tǒng)采用A/B測試框架評估算法效果，通過模型版本控制實現(xiàn)算法迭代更新[5。數(shù)據(jù)存儲采用Lambda架構(gòu)，combining batch and stream processing，使用HBase存儲原始數(shù)據(jù)，Elasticsearch存儲分析結(jié)果。數(shù)據(jù)可視化基于ECharts庫開發(fā)，提供多維度的數(shù)據(jù)展示界面，系統(tǒng)采用Airflow管理分析任務(wù)流程，通過DAG圖配置任務(wù)依賴關(guān)系，數(shù)據(jù)安全方面，采用數(shù)據(jù)脫敏以及訪問控制策略，確保用戶隱私保護(hù)。

四、智能教學(xué)平臺在建筑專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用方法

（一）構(gòu)建數(shù)字化教學(xué)資源體系

在鋼筋工程施工技術(shù)教學(xué)里，教師借助智能教學(xué)平臺構(gòu)建層次化資源包。以鋼筋綁扎為例，平臺提供綁扎工具與綁扎方法以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等微課資源，每個微課當(dāng)中都嵌入交互式3D模型讓學(xué)生能從不同角度觀察綁扎節(jié)點細(xì)節(jié)，平臺會自動記錄學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的暫停與回放等操作行為，教師通過平臺采集施工現(xiàn)場的實景視頻并將視頻轉(zhuǎn)化為知識點講解素材（如雙扣綁扎法與梅花扣綁扎法的標(biāo)準(zhǔn)動作分解）。在模板工程教學(xué)時，平臺整合模板支設(shè)的工序資源，把支模與加固以及拆模等環(huán)節(jié)制作成課件，每個課件當(dāng)中都內(nèi)嵌BIM構(gòu)件模型，教師可通過模型分解功能展示各構(gòu)件之間的連接關(guān)系，學(xué)生通過拖拽與組裝等操作掌握模板支設(shè)要領(lǐng)。平臺設(shè)置施工工藝資源制作模板統(tǒng)一課件格式以及知識點標(biāo)簽，將施工方案與技術(shù)交底以及質(zhì)量驗收等資料整合為完整教學(xué)資源包。在施工測量課程中，平臺提供測量儀器操作與放線方法等虛擬演示資源，配套測量數(shù)據(jù)記錄表格以及計算工具。平臺資源庫還包含工程案例資源收錄典型建筑工程的施工組織設(shè)計與施工方案等實務(wù)資料，每個案例都配備現(xiàn)場施工照片以及視頻讓學(xué)生可通過案例學(xué)習(xí)、掌握施工技術(shù)要點。教師可基于平臺資源管理功能將碎片化資源按知識點重組形成系統(tǒng)化數(shù)字課程包，支持按工種與技能等級對資源進(jìn)行分類組織，方便學(xué)生按需調(diào)用學(xué)習(xí)。

（二）開展虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)

在高層建筑測量放線實訓(xùn)教學(xué)中，智能教學(xué)平臺構(gòu)建多層建筑的虛擬施工場景。學(xué)生通過虛擬全站儀對軸線進(jìn)行測量放樣，系統(tǒng)設(shè)置坐標(biāo)偏差與水準(zhǔn)誤差等關(guān)鍵參數(shù)，實時檢測學(xué)生的儀器操作以及數(shù)據(jù)記錄。當(dāng)測量數(shù)據(jù)超出規(guī)范允許誤差時，平臺自動提示并指導(dǎo)正確操作方法。在基礎(chǔ)工程實訓(xùn)中，平臺模擬基坑放線與土方開挖以及基礎(chǔ)施工等環(huán)節(jié)，學(xué)生需完成坡度控制與放坡支護(hù)以及降水處理等操作任務(wù)，系統(tǒng)采集開挖深度與放坡角度以及支護(hù)間距等數(shù)據(jù)，對不符合安全規(guī)范的施工方案進(jìn)行預(yù)警。在模板工程實訓(xùn)中，平臺構(gòu)建整層樓板模板支設(shè)場景，學(xué)生按照施工規(guī)范完成立桿排布與水平桿連接以及剪刀撐設(shè)置等工序，系統(tǒng)實時檢測支設(shè)間距與連接節(jié)點以及加固構(gòu)件的規(guī)范性，提供糾錯指導(dǎo)。平臺配備多視角觀察功能，支持第一人稱以及第三人稱視角切換，幫助學(xué)生全面觀察施工細(xì)節(jié)。在質(zhì)量檢查環(huán)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)驗收規(guī)范自動生成檢查要點，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行施工質(zhì)量自檢。針對樓層結(jié)構(gòu)施工，平臺提供鋼筋綁扎與混凝土澆筑等虛擬操作環(huán)境。學(xué)生可在虛擬環(huán)境中完成鋼筋間距控制與保護(hù)層設(shè)置以及振搗密實等關(guān)鍵工序。

（三）優(yōu)化在線互動教學(xué)模式

在建筑施工組織課程教學(xué)里，教師借助平臺開展基于工程案例互動教學(xué)，精心選取某高層住宅工程施工組織設(shè)計案例并上傳包含施工平面布置圖以及進(jìn)度計劃表等資料。課前，學(xué)生通過平臺認(rèn)真預(yù)習(xí)案例材料并使用標(biāo)注工具在施工平面圖上標(biāo)記施工場地布置疑問點。課堂上，教師組織學(xué)生分組進(jìn)行討論，每組使用平臺協(xié)同編輯功能完成各自負(fù)責(zé)施工部分。例如，A組負(fù)責(zé)臨時道路規(guī)劃，要通過平臺畫圖工具在總平面圖上標(biāo)繪運輸路線，同時填寫路線說明；B組負(fù)責(zé)機(jī)械設(shè)備布置，需在平臺上標(biāo)注塔吊與施工電梯等設(shè)備位置。在鋼筋工程課程教學(xué)中，教師通過平臺組織鋼筋翻樣實踐，學(xué)生利用平臺鋼筋算量工具完成鋼筋下料表編制，且系統(tǒng)自動統(tǒng)計鋼筋用量并檢查計算準(zhǔn)確性。針對施工工藝難點，教師通過遠(yuǎn)程操作功能實時演示操作要領(lǐng)（如鋼筋綁扎方法與預(yù)埋件定位等）。平臺支持分屏展示功能，可同時顯示施工圖紙、構(gòu)造詳圖以及操作視頻，方便學(xué)生對照學(xué)習(xí)。課后，系統(tǒng)根據(jù)課堂表現(xiàn)智能推送針對性練習(xí)（如施工方案優(yōu)化與工序穿插安排等任務(wù)），學(xué)生完成后可獲得即時反饋。平臺記錄學(xué)生在線學(xué)習(xí)軌跡（包含資料訪問、互動參與以及作業(yè)完成等數(shù)據(jù)）并形成學(xué)習(xí)分析報告。

（四）實施精準(zhǔn)化學(xué)習(xí)評價

在建筑制圖課程評價方面，平臺會針對施工圖繪制全過程進(jìn)行跟蹤記錄。以某住宅樓施工圖繪制來說，系統(tǒng)會詳細(xì)記錄學(xué)生在CAD環(huán)境里的具體操作情況，涵蓋圖層設(shè)置與繪圖工具使用以及修改歷程等相關(guān)數(shù)據(jù)。教師可通過回放功能來分析學(xué)生的制圖方法。例如，檢查立面圖繪制時投影規(guī)律運用是否正確與剖面圖剖切位置選擇是否合理。在建筑施工技術(shù)課程當(dāng)中，平臺會結(jié)合虛擬實訓(xùn)數(shù)據(jù)對學(xué)生的操作技能進(jìn)行評估。在砌筑工程評價時，系統(tǒng)采集砌筑過程垂直度控制與灰縫厚度以及砌筑方法等關(guān)鍵指標(biāo)，進(jìn)而生成詳細(xì)的操作數(shù)據(jù)報告，針對模板工程，平臺建立起包含支設(shè)規(guī)范性與節(jié)點連接以及加固措施等多維度的評價指標(biāo)體系，通過傳感器采集支模過程中的受力數(shù)據(jù)以及位移數(shù)據(jù)評估施工質(zhì)量。在工程測量課程里，系統(tǒng)會對學(xué)生的儀器操作規(guī)范性以及數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確性進(jìn)行智能檢測并提供及時糾錯指導(dǎo)。平臺整合各課程的評價數(shù)據(jù)來構(gòu)建學(xué)生專業(yè)技能畫像，直觀展示學(xué)生知識掌握程度以及技能達(dá)成水平。系統(tǒng)定期生成個性化學(xué)習(xí)診斷報告（包含知識盲點分析與技能短板識別以及學(xué)習(xí)建議），為教師開展精準(zhǔn)化教學(xué)提供數(shù)據(jù)支持，并且平臺支持過程性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合，以確保評價的全面性以及客觀性。

五、結(jié)語

智能教學(xué)平臺的應(yīng)用為中職建筑教育轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了新思路，通過平臺架構(gòu)設(shè)計以及功能開發(fā)，實現(xiàn)了教學(xué)資源的智能化管理與教學(xué)活動的多樣化開展以及學(xué)習(xí)評價的精準(zhǔn)化實施。但在實踐中仍面臨平臺功能有待完善與教師應(yīng)用能力需提升，以及教學(xué)資源建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題。未來需要持續(xù)優(yōu)化平臺性能，加強(qiáng)教師培訓(xùn)，完善資源標(biāo)準(zhǔn)，深化產(chǎn)教融合。同時，要始終堅持技術(shù)服務(wù)教育的理念，確保平臺應(yīng)用切實提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)符合建筑業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)技術(shù)技能人才。

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作者單位：紹興技師學(xué)院、紹興市職業(yè)教育中心

責(zé)任編輯：王穎振 鄭凱津