土木工程专业智能建造方向课程体系建设

郭雪源，武立伟，杨志年，王宁

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210；2.华北理工大学 以升创新教育基地，河北 唐山 063210)

在国家新工科发展背景下，传统土木、建筑工程向“智能建造”的转变，对土建工程人才的培养引发了崭新的诉求，推动着新一轮教育体制改革[1]。对符合土建行业发展愿景需求、顺应传统产业向新工科产业进化的新兴智能化工程人才的培养道路的探索，承托着我们国家从工程建造大国走向工程建造强国的期盼[2]，为此一个全新的专业方向——“智能建造专业方向[3]”应运而生。

麻省理工学院的自动化装配实验室、南加州大学的数字模块项目小组、Cornell大学的Collective Embodied Intelligence试验室等国外高校科研团体，初步探讨了智能建造专业的可能性[4]。国内自2018年获教育部批准同济大学设立了首个智能建造专业[5]，至2021年教育部已公布44所成功获批高校。由于本专业人才培养还处于初步探索阶段，且各高校基础条件各异，尚未形成统一、成熟的人才培养模式。

以建筑行业的发展趋势为前瞻，智能建造方向专业人才的社会需求为基本出发点，明确该专业方向学生的综合能力需要，确定研究应用型新工科人才的培养目标，构建以培养目标为导向的模块化课程体系，建立所设置课程与提升能力期望之间的明确对应关系。

一、重新营建智能建造专业培养目标，探索课程体系建设新模式

能清晰地确定行业标准、职业素养、专业能力所需抵达的培养目标，并以此依据，指引课程体系建设新模式的探索。着重知识、能力与技能的同步提升。在专业知识和技术能力的传授上，要侧重造就“工匠精神”和创新素质。不但要培养学生恶劣施工条件下吃苦耐劳的工作品质，还需注意引导学生的成体系的智能化施工思想，提升处理工程实际难题的本领。从单一的掌握专业知识，转变为专业技能、创新创业能力和专业素质的全面提升。具体来说，培养目标既包括能够胜任一般土木工程项目或装配式项目的BIM设计、智能施工、智能管理等工作的“交叉型应用型人才”，也包括具备审美能力、创新精神、良好的人文素养与职业道德，自主学习能力、国际视野的“高素质人才”。

二、重构专业课程实质，呈现金字塔式知识布局

在传统土木、建筑工程专业知识结构基础上，深化研究机械工程及自动化、电子信息工程、工程管理、测绘工程与土木建筑工程的深远交融趋势，把握智能建造专业人才培养目标和诉求，依托京津冀一体化地域优势和学校特色，推动课程讲授内容的扩展和创新，打造包含智能化新要素的综合学科模块化知识体系，持续改进所授知识的组织形式，形成通识教育平台，学科基础平台，专业教育平台，实践教学课程群和专业扩展课程组，共5个教学模块，打造具有金字塔式知识结构的新兴智能建造专业课程群(见图1)。

图1 金字塔式知识结构图

“通识教育平台”开展全面的通识内容，强调培养学生的理工科基础学习能力，发散的思考习惯，对多学科融合领域的理解和勇于革新的勇气。“学科基础平台”侧重用于数理、信息等工具性课程，巩固对Python编程等基础信息语言的研习，为专业设计软件的学习奠定基础，以满足未来智能建造专业全面的知识和能力需求。“专业教育平台”模块包括专业必修课和专业选修课，其中“专业选修课”对课程的选择体现相关各学科知识间的交叉融合，引入能凸显智能建造元素的课程，悉数研发智能建造专业导论、机械工程概论、运筹学原理、工程环境保护与可持续发展、现代材料结构分析、BIM与工程造价、创新思维与智能设计、建筑结构新技术、计算机网络等贴合建筑智能化发展前景的特色课程，体现“智能化”“信息化”和“自动化”为内涵的金字塔式知识体系的知识面，支撑彰显智能建造专业学生特点的特性化成长。“专业必修课”既需囊括经典的施工技术和工艺，也包括结构、构件的预制加工工艺、施工过程的智能化组织管理等信息工程知识，逐步将单一学科专业知识，转化为蕴含绿色建造、装配式结构和BIM技术等智能要素的综合知识体系，在知识、技能和创新创业能力上符合智能建造专业的学科综合交织发展需求。此外，专业必修课着重实施以“BIM+装配式结构”为载体的教学内容及教学模式深度创新，建设专业核心课程，彰显金字塔式层次结构。将Revit等BIM建模类软件引入传统土木专业课之中，依照制定的专业人才培养目标，在已有土木工程概论、土木工程施工和建筑结构设计等专业课程的教学基础之上，发挥建筑信息模型的可视化、协调性、三维化、模拟性、可出图性等多重优点，结合装配式建筑的构件规模化生产、模块化拼装标准，对原有课程体系进行剖析建构，响应土木工程专业认证和一流学科建设的要求。开发BIM技术及应用、装配式结构课程设计、BIM虚拟设计、BIM工程项目管理、建筑智能化施工、装配式结构设计、智能化施工仿真实训等智能建造核心课程。按照各教学段落的课程特征和同学们学习能力的变化，按照每部分内容要求，建立条理清晰、循序渐进、重点突出的数字化设计、装配化施工、信息化管理、智能化应用的课程群。

此外，金字塔式知识结构的广度不仅表现为课程体系所包含智能建造技术知识的广泛范围，还体现为充分发挥课程思政教育资源，实现课程思政全覆盖，引领符合社会主义核心价值观的专业人才培养。

三、重新整理专业课程排序

从教学时间安排、学科知识逻辑和心理状态阶段性特征等角度，开展智能建造专业课程排序研究。

结合学校智能建造专业发展特色、软硬件教学条件和师资队伍情况，研讨决定智能建造专业开设专业课程名单，明确国家专业认证对所选各门课程的课时要求，初步确定总课时数和各学期需安排课时量，形成课时计划。

分析智能建造专业各门课程间，学科知识的前后逻辑关系和知识体系的一贯性。即研究哪两个或多个课程间存在比较严格的依次教学的顺序关系，以及开设课程间是否需要知识的连续性教学。例如，学生对装配式建筑设计的课程内容不理解，就很难学懂装配式结构设计课程，因此装配式建筑设计的课程要开课在前，装配式结构设计课程开课在后；此外，装配式建筑设计作为与装配式结构设计知识体系连贯的前置课程，两门课程应设置在相邻学期。

从学生学习的心理状态阶段性特征出发，考究各专业课程的理论性和实践性特点，安排专业课的排课顺序、学期和学期时间段，使之符合学生专业课学习心理的认知规律。例如：学期初，学生经过长假期的身心修整，学习劲头足，安排装配式结构设计等难度较大、理论性较强课程；学期中，安排装配式结构课程设计、智能化施工仿真实训等课程设计、校内实习和校内实训课程，开展本学期理论课程的实战演练，从实践中获得专业能力提升的成就感；学期末，安排智绘测量实习、智能建造生产实习等实训演练类校外实践课程，使学生从心理上深切体会所学专业知识和技能是学有所用的。

基于以上考虑，开发以智能化建造技术为主要脉络的“整体—分项—综合”专业课程排序。先开设智能建造专业导论，引导学生对智能建造有一个全面了解。然后，开设BIM虚拟设计、装配式结构设计、装配式结构课程设计、建筑智能化施工、BIM工程项目管理、建筑结构新技术等专业课程，引导学生在BIM、装配式结构、智能施工等关键领域进行深化而广度的学习。最后，通过实践教学环节和毕业设计，培养学生面对复杂工程技术问题时综合分析求解的思维习惯。

四、结合自身特点，凸显工程实践教学

以实际工程应用为培养方向，将知识性教学与实践性教学、课堂教学与实验室、实训基地实习交叉展开，构筑包括总体规划、概念设计、细节设计、建筑分析、结构分析、日照能耗分析、5D施工、运营维护和爆破拆除在内的映射建筑生命周期的工程实践教育新思路。有意识地设置多种形式的综合性工程实践，包括智能建造认识实习、智绘测量实习、智能建造生产实习、BIM虚拟设计、混凝土结构课程设计、钢结构课程设计、房屋建筑学课程设计、工程造价课程设计、基础工程课程设计、智能化施工课程设计、装配式结构课程设计、智能化施工仿真实训、毕业实习与毕业设计等环节。涵盖了各门理论课的课程设计、实验课，专业认识实习，工程实践训练，校内外生产实习，创新创业活动和毕业设计等环节。既要保留原有土木工程专业方向重要实践教学课程，又涉及智能建造专业方向实践教学的开发革新。在实践教学课程群课程安排时，总体上要注重符合土木工程专业认证的要求，考量曹妃甸新城的地域特征对寻求实习实践基地的机遇和挑战，形成实践内容、实训设备、实练模式等环节的标准，合理安排教学实践活动的主题、开展方式和开展学期，注意调研拟开展实践活动性质与人才能力培养目标间的支撑关系，实践教学的时间长短要合理，注重校外实践教学的效果反馈。

开展的实践性教学环节课程建设关键举措具体包括：

①培养方案突出数字技术、装配技术、信息技术和智能技术，对原有的土木工程专业课程进行重新设计。例如：施工技术课程更新为建筑智能化施工，土木工程认识实习更新为智能建造认识实习，土木工程生产实习更新为智能建造生产实习，建筑施工课程设计更新为智能化施工课程设计等。

②实行专业实践导师制度，一位专业导师带领一个专业实践小组，包括3～5名学生，参与各类创新创业活动、设计竞赛和学术讲座；引导学生加入导师科研工作之中，以研带学、以学促研，了解学科发展前沿知识，锻炼科学研究实践能力。

③整合智能建造相关专业已有实践课程、教学设备和试验仪器，发动教师将科研方向转向智能建造相关领域，以科研成果促进新教学设备和试验仪器的研发更新；校企融合，即吸引一线智能建造企业新技术、新设备和创新型人才进校交流，以科研成果促生产，以生产需求和实践促进人才培养。

④联合采用智能建造技术的国内外知名建筑企业，将“智能建造”技术作为主题，结合现有资源确定每个实践环节内容，搭建学生个性化发展的校外实践平台，让学生真正走向智能建造生产一线参与实习，以培养学生创新精神和实践能力。

⑤聘请国内外智能建造领域一流企业的工程师参与到专业培养方案中实践教学模块的撰写中来，从实践出发确立课程类别及内容设置需求；在智能建造企业内部工人中抽取样本开展问卷调查，获得一线工人的反馈，用于培养方案的持续改进。

⑥课堂理论教学与实习实训教学相结合，不仅使学生做到心中有数，还要手底有活；调研相关领域国内外最新研究进展，持续革新实践教学课程内容，使其始终与智能建造技术发展前沿相适应，所培养毕业生真正掌握智能建造领先技术。

五、智能建造方向课程体系建设实践

综合运用上述课程体系建设理念和方法，形成了土木工程专业智能建造方向课程体系初步成果(见表1)，以供高等教育机构智能建造专业建设参考。课程体系建设实施持续改进机制，即通过小组交流、调查问卷等方式建立培养目标达成度考核机制及效果反馈机制，不断总结经验和发现问题，促进各门课程内容的改进和更新，形成一个动态改进闭环，不断丰富、完善与更新课程体系。

六、结论

响应我国土木建筑行业转型升级的时代需求和高校新工科专业发展需要，华北理工大学建筑工程学院于2019年初开始了智能建造专业方向培养方案的探索。经不断总结经验，形成了适用于智能建造专业的课程体系建设理念和方法，以供智能建造及相关新工科专业建设参考。智能建造专业课程体系建设建议以高素质交叉应用型智能建造人才培养为目标导向；搭建通识教育、学科基础、专业教育、实践教学和专业扩展课程教学模块，剖析建构金字塔式知识布局；从教学时间安排、学科知识逻辑和学生心理状态阶段性特征等多维角度出发，优化专业课程排序；以动画、数字仿真技术、智能化施工实操视频和线上线下混合式教学扩展传统课堂教学方式；广泛开展形式多样的综合性工程实践。采用该方法形成的课程体系已开始服务于华北理工大学2021级智能建造方向本科生培养，并将在人才培养实践中不断接收反馈，有针对性地持续改进。