学科交叉融合需求下智能建造专业课程体系建设与实践

［摘要］面向学科交叉融合新需求，如何改进高等工程教育模式以提高育人成效，成为各高校需要解决的问题。文章明确了智能建造专业人才培养需求，遵循CDIO教育模式，借鉴全球顶尖高校工程教育复合型人才培养机制与策略，以大连理工大学智能建造专业为例，提出了从具体课程到课程体系改革的基本思路，进一步探索了学科交叉融合需求下智能建造专业课程体系建设的具体途径和保障措施，以期为学科交叉融合需求下高等学校工程教育以及智能建造专业建设提供参考。

［关键词］学科交叉融合；智能建造；课程体系；工程教育

［中图分类号］G642.3 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）11-0015-06

引言

从工业革命的蒸汽技术和电气技术，到科技革命的信息化、数字化与智能化技术，新一轮产业变革在全球飞速发展，全球工程教育体系也迎来从微观改革到范式变革的新阶段。学科边界日渐模糊，学科交叉融合需求日益凸显，拔尖创新人才培养改革不断深化升级，推动我国从工程教育大国走向工程教育强国[1-2]。

全球顶尖大学如斯坦福大学、香港科技大学、东京大学、伦敦大学、麻省理工学院等坚持推动高等工程教育的创新发展，培育了能够引领科技革命和产业变革的卓越工程科技人才与技术创新人才。比如，斯坦福大学采取了拓展学科基础知识和促进学科交叉融合的专业设置模式——大学院制，打破了学科壁垒，促进了学科交叉融合。麻省理工学院在CDIO （Conceive—Design—Implement—Operate，构思—设计—实施—操作）教育模式基础上推行了“新工程教育转型计划”，重构了学校工程教育模式[3]。伦敦大学针对所有本科生提出了全面教育改革计划，即“综合工程计划”，实施以学生为中心、基于项目的教学，使学生在真实的情境中开展工程实践。一些全球高等工程教育顶尖高校的工科课程体系已经体现出明显的学科融合性，通过学院、年级、学科/专业、课程/项目的融合，形成了影响广泛的跨学科工程教育项目机制。

目前，我国部分高校的工程教育模式仍存在以下问题[4-5]：一是没有形成与时俱进的学科交叉融合育人体系；二是没有形成全方位的学科交叉融合育人机制；三是学科交叉融合不够深入，在育人过程中，课程堆砌、简单叠加、交而不融、止于表层的情况仍然存在。本研究将以大连理工大学智能建造专业为例，提出完整的课程体系建设方案与实施保障机制，助力解决上述关键问题。

一、学科交叉融合需求下智能建造专业人才培养需求

党的二十大报告明确提出要加快建设人才强国，着力造就拔尖创新人才。近年来，在学科交叉融合需求的驱动下，全国各类土木院校积极探索智能建造专业改革[6-9]。2018年，同济大学设立了智能建造专业，开创了建筑与基础设施领域学科交叉融合人才培养的先例。截至2023年7月，通过教育部审批的开设有智能建造专业的高校达106所，分布情况如图1所示。我国高校在智能建造人才培养机制优化方面取得了一定成效，学生创新实践能力也有所提高[10-11]。

为明确当前行业和社会对学科交叉融合人才的具体能力需求，研究团队采用了问卷调查与半结构化访谈方式，对土木、水利、交通领域数十家知名企业和科研院所开展了调研。其中，调查问卷针对走访企业定向发放，获取的数据直接支持定量分析；半结构化访谈则通过面对面、电话、微信等多渠道同步进行，且不限于走访企业，访谈记录用来补充和检验问卷调查分析结果。最终获取来自上海建工集团股份有限公司、中交雄安建设有限公司、中交公路规划设计院有限公司、中国建筑第二工程局有限公司、中国建筑第八工程局有限公司等企业的完整反馈，有效问卷共计11份。经统计，被调研企业对复合型人才能力需求如图2所示。

由图2可知，调研企业对工程、机械、管理与计算机等多学科知识交叉融合需求占比较高，尤其土木工程、计算机科学与信息类技术知识的融合是当前业界关注较多的，这与前期半结构化访谈结果基本一致。因此，智能建造专业人才能力培养目标至少应包括以下4个方面。

（1）具有扎实的人文社科、自然科学和智能建造专业理论基础知识和信息领域的前沿知识；

（2）具有综合运用智能建造专业知识解决关于土木、水利、交通工程等信息化、智能化的集成规划、设计、施工和运维方面复杂工程问题的能力，具有实践创新能力，具备从事技术开发、社会服务与管理的能力；

（3）具有健全的人格、良好的人文素养和高度的社会责任感，遵守工程职业道德规范，具备正确的工程伦理观；

（4）具有团队精神、国际视野和国际竞争力，具备不断学习和创新发展的能力。

二、学科交叉融合需求下智能建造专业课程体系设计思路

基于CDIO教育模式，在充分调研我国建筑与基础设施领域对土木类人才新需求的基础上，研究团队深入了解了智能建造专业人才培养目标，全面梳理了复合型工程人才应具备的知识、能力和素质。以大连理工大学智能建造专业为例，进一步探讨了学科交叉融合需求下智能建造专业课程体系建设的思路与途径。

大连理工大学于2021年设立智能建造专业，2022年以土木类创新班的形式完成了首届招生工作。该专业是以土木工程、水利工程与交通工程为基础，通过整合工程管理、材料科学与工程、电子信息工程、计算机科学与技术、机械设计制造及其自动化等专业后形成的新工科专业，包括建造、水务与交通3个方向。同时，该专业依托建设工程学部进行专业建设和人才培养，相比依托土木学院或工程管理专业建设的其他兄弟院校，其还涉及土木工程、水利工程、交通运输工程、信息与通信工程、计算机科学与技术、管理科学与工程等10个一级主干学科，结构工程、防灾减灾工程及防护工程、电工理论与新技术、工程管理、计算机软件与理论等16个二级主干学科，学科交叉融合范围更广、融合程度更深。

大连理工大学智能建造专业立足土木、水利、交通等优势学科，融合信息、机械等多学科办学经验，培养了“力学不断线、工程视野广、智能思维强”的创新复合型人才，切实做到了工程类知识与智能类知识的深度融合。因此，在设计该专业课程体系时，将课程知识划分为工程类知识、智能类知识与融合类知识，重视多学科理论与方法的交叉融合，突出智能类知识为工程实践赋能，工程类问题用智能手段解决，融合类知识与教学设计、课程群设计、毕业设计融合，培养学生跨学科交叉融合与工程系统思维。工程类知识包括传统力学、工程原理、工程结构、工程技术知识；智能类知识包括智能语言、智能原理、智能技术知识。基于上述分析，本研究明确了智能建造专业课程体系设计总体思路，如图3所示。

三、学科交叉融合需求下智能建造专业课程体系构建的具体方案

面向学科交叉融合需求，聚焦智能建造专业人才培养目标，在智能建造专业课程体系设计的思路框架指导下，本研究进一步提出了从具体课程到体系建设的智能建造专业课程体系构建的具体方案。

（一）融合多学科知识的系列特色课程建设

在具体课程建设方面，研究团队从单一土木类学科或智能类学科教学转向宽口径、多学科的交叉融合教学，并在教学过程中有机融入课程思政。工程类知识与智能类知识融合后的专业课程不是土木类知识、信息技术类知识与思想政治理论的简单叠加，而是跨学科、跨领域知识的深度融合，是对既有课程的重新改造与创新设计。

基于课程目标与专业培养目标，打破传统思维桎梏，重塑跨学科融合类课程内容，将智能类与工程类知识有机融合，形成系列特色课程。比如，将传统土木工程施工课程升级为土木工程智能施工课程，将钢筋混凝土结构设计课程升级为钢筋混凝土结构智能设计课程，将水资源规划及利用课程升级为现代水资源规划课程，将交通系统课程升级为智能交通系统课程等。引入现代信息技术，更新教材内容，保留基础理论概念，融入课程思政。引入相关案例及数值解法、计算机技术等创新性的教学内容，激发学生的开拓性思维。此外，设计全新的学科交叉融合类课程，比如设计工程机械原理与建筑设备、土木工程自动控制原理以及工程智能感知技术等课程，使学生既能掌握新型技术与设备的理论知识，又能得到相应的实践技能训练。

（二）强化系统思维与创新实践的课程体系

在课程体系构建方面，明确智能建造专业培养方案各个模块的具体课程，优化专业知识结构，如从注重特定能力训练转变为强化全局系统思维，从强调专业理论知识调整为突出创新实践能力。

各个模块课程调整优化后，以强化全局系统思维、突出创新实践能力培养为目标，以解决工程项目实际问题为出发点，构建学科交叉融合需求下的“土木类+智能类”课程群设计模式，创新实践教育，建设数字化、网络化和智能化的实习实践平台。全面开展校企联合授课、联合指导毕业设计、联合举办创新竞赛、设立学生创新联合项目、开展师资培训等，实施“课堂—项目—竞赛—毕业设计”四维联动的创新教学模式。依托中国建筑第八工程局有限公司、上海建工集团股份有限公司等企业，建立校外复合型人才培养实习实践及产学协同育人创新基地，加强理论与实践的一体化建设。在不超过160总学分的前提下，合理确定单门课程学分，规划整个课程体系学分分布，以达到不同课程模块与不同修读学期学分配比均衡的目的。此外，邀请学校内外相关专家共同研讨，通过多轮修订论证，完善课程体系，实现对学生专业知识素养、跨界从业技能、集成复合能力以及创新实践能力的培养。

综上所述，学科交叉融合需求下智能建造专业课程体系如图4所示。

四、学科交叉融合需求下智能建造专业课程体系构建实施保障

在智能建造专业课程体系建设过程中，需要以充分的教学资源与完善的管理机制为支撑，以此保障课程体系得以顺利实施并取得良好效果。其实施保障措施主要包括以下三个方面。

（一）教师队伍建设

跨学科融合人才培养对任课教师提出了更高的要求，必须打造高水平、高素质的教学团队。

教学能力基本要求：任课教师应聚焦智能建造专业培养定位及所授课程目标，创新教学方法，引入国内外前沿知识、标志性工程案例，完成教学内容设计；做好所授课程与前修、后修课程的衔接，完善教学大纲。比如，工程数据结构与数据库基础课程需与先修课程Python语言程序设计衔接，以此解决同一学期智能建造学科概论、理论力学等相关课程提及的工程案例问题，并为工程数据算法与人工智能等后修专业课程的学习奠定基础。此外，任课教师还需要深度参与相关课程群设计，合作开展实践教学，并负责推动课程配套的软硬件落实与使用管理等工作。

教学团队水平提升：一方面，引导任课教师积极参加各类智能建造相关教学培训，强化自身对新知识、新工具和新方法的学习与适应，以应对ChatGPT等带来的机遇与挑战[12]，掌握多元混合式教学模式的应用，获取多渠道教学资源，全面提升教学水平，以适应新形势下的新挑战；另一方面，加强跨学院、跨学科的沟通交流，注重优势互补，形成面向课程群设计或毕业设计的系列教学团队。教学团队合作制订教学大纲，协同编写教材，联合指导学生，实现理论知识与实践能力协同培养，培养学生“从独立到协作” 解决复杂工程问题的能力[13]。

（二）教学资源匹配

依托土木水利实验中心国家级教学平台，成立智能建造专业实验室，以满足本专业建造、水务和交通3个模块课程体系建设所需的教学设备要求。比如，定制开发智能施工机器人（含运行平台），实现自动抹灰、喷涂等，培养学生机器人实操及二次开发能力，支撑画法几何及BIM制图、土木工程智能施工及工程经济与项目信息化管理课程群设计；集成定制一体化水文气象站，培养学生对城市水文气象过程的观测与数据分析能力，支撑城市水循环与水安全课程实验教学及相关技能训练；开发包括交通信号控制设备、交通流检测设备与管控分析平台在内的韧性交通智能管控系统，培养学生掌握交通管理与控制系统的设计逻辑、数据采集原理、通信及数据算法等知识，支撑交通管理与控制、智慧交通系统课程实验教学及其课程群设计。

此外，为推进人才培养与社会需求间的协同，积极与上海建工集团股份有限公司等企业合作开设技术前沿课程，联合编写智能建造相关新形态教材。开展校企合作项目，建立实习实践基地，比如建立中国建筑第八工程局有限公司卓越工程师实践教学基地、中国长江三峡集团有限公司乌东德水电站水工专业实习基地、中国铁建大桥工程局集团有限公司实习基地以及大连新机场沿岸商务区实习基地等，支撑智能建造专业课程体系中实验、实习、毕业设计等实践环节的开展，为智能建造专业学生学科融合知识运用能力的培养提供了坚实的保障。