面向智能建造的土木工程专业实践教学改革探索

［摘 要］ 智能建造是信息技术与建筑业的融合创新，为建筑业转型升级提供了重要支撑。着眼于土木工程专业实践教学的现状，结合智能建造的发展趋势，提出了开展面向智能建造的土木工程专业实践教学改革的建议；为了适应智能建造时代的需求，建议采用以校企合作平台为基础的矩阵式实践教学大纲框架体系，为学生提供更为综合和实用的课程内容；最后，以北京工业大学“智能建造全过程课程设计”课程为例，介绍了面向智能建造的土木工程专业典型课程设计的教学安排。

［关键词］ 智能建造；土木工程专业；实践教学；课程设计

［基金项目］ 2024年度北京工业大学教育教学研究项目“基于虚拟仿真与实践相结合智能建造本科专业课程教学应用研究”（ERCJ202208）

［作者简介］ 徐克龙（1988—），男，吉林德惠人，博士，北京工业大学建筑工程学院讲师，主要从事结构工程与智能建造研究；柳美玉（1979—），女，北京人，博士，北京工业大学建筑工程学院副教授（通信作者），主要从事道路规划研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）48-0053-04 ［收稿日期］ 2024-06-25

引言

目前，建筑行业广泛存在着碎片化、粗放式和高能耗的建造模式，导致效率低下、资源浪费和环境污染等问题较为突出，亟待行业的转型升级。将大数据、人工智能、移动互联网、物联网、云计算等信息技术引入工程建造领域，推动智能建造的发展，已成为建筑业发展的主要趋势。通常而言，智能建造是指将工业化、信息化和智能化等技术应用于勘察、设计、生产、施工和运维等工程建设的全过程，旨在实现智能设计、建设和运维［1］。借助智能建造技术，可以实现更协同的设计、更高效的施工建设以及更严格的质量控制和安全生产，从而提高建设项目的整体效益。

近年来，高校与建筑企业在智能建造领域取得了显著成果。在高校层面，同济大学、东南大学等高校依托土木工程专业，设立智能建造专业和研究机构，致力于培养建筑业的新型复合人才。卢昱杰等［2］针对新工科背景下的挑战，构建了基于“要求—挑战—响应”框架的教学新模式，为高校发展提供指导。刘世平等［3］从工程认证角度出发，对智能建造教学方案进行了深入思考和设计，提出了教学管理和师资建设的建议。廖维张等［4］总结专业建设背景和需求，展示了人才培养路径。刘占省等［5］提出基于数字化教学平台，构建了智能建造专业课程体系。在企业层面，中国建筑、中国铁建等公司积极采用智能建造技术，通过BIM、人工智能、机器人等提升了建造效率和质量。万科、恒大等企业也在智能建造领域积极探索，推动行业智能化、数字化转型。面对未来对智能建造技术的迫切需求，企业需提升智能化水平，优化项目管理，并培养掌握BIM、施工管理系统、大数据分析等技术的人才，以增强创新力和竞争力。为适应这一趋势，高校土木工程专业应开展面向智能建造的实践教学改革，更新教学内容，强化跨学科能力培养，促进技术创新融合，培养支撑产业转型升级的智能建造人才，为建筑业发展做出贡献。

然而现阶段，智能建造领域的产学研工作仍面临一些痛点问题。例如，部分高校新专业教学改革相对激进，传统土木工程专业课程被大量替换，导致学生结构相关基础薄弱；部分建筑企业更注重项目的包装展示，忽略了智能建造的本质价值；此外，建筑企业与高校存在重复研发的现象，而现阶段部分企业对高校智能建造专业的人才培养仍存疑虑，部分岗位仍更倾向于选择土木工程专业的毕业生。因此，本文建议应加强高校与建筑企业之间的交流，基于传统土木工程专业，打造校企合作平台，面向智能建造，开展专业实践教学改革，形成以校企合作平台为基础的矩阵式实践教学大纲框架体系，设置“课内实验及上机+创新创业训练+实习实训+课程设计+毕业设计”等模块化实践教学内容，通过“专业认知阶段—专业实习阶段—交叉训练阶段—课程设计阶段—生产实习阶段—毕业设计阶段”等实践教学环节，为高校土木工程专业学生提供更加实用的知识和技能，同时也为行业提供更加适合需求的人才。

一、土木工程专业实践教学现状分析

实践教学是人才培养的重要环节，也是帮助学生更深入理解和应用知识的关键。对于土木工程专业而言，其课程体系中的理论推导、计算公式和标准条文繁多，综合性强，因此更应注重实践教学［6］。

以北京工业大学土木工程专业本科教育为例，其实践教学体系主要包括各种实验、实习、课程设计和毕业设计等形式。其中，实验包括物理实验、材料力学实验、结构试验与检测等；实习包括认识实习、测量实习、工程地质实习、工作实习、创新实践等；课程设计包括房屋建筑学课程设计、混凝土与砌体结构课程设计、钢结构课程设计、土木工程施工课程设计、地下结构课程设计等；毕业设计包括科研论文、工程设计等。

现阶段土木工程专业实践教学存在以下问题：（1）受教学任务、企业效益和施工进度等因素影响，土木工程专业实习面临着实习企业资源不足、实习连续性和稳定性不足、实习指导不足等问题；（2）实验教学内容陈旧，学生局限于按照实验指导书进行验证性实验，缺少创新性和探索性实验的机会；（3）课程体系缺乏弹性，培养方案跟不上建筑业的发展步伐，新的智能建造技术和方法未能及时在教学中得到体现；（4）专业课程主要以理论教学为主，实践教学只是作为理论教学的补充。尽管教学计划包括认识实习和施工生产实习，但只能提供有限的认识和经验积累，无法达到全面深入地理解结构受力性能和设计原理的目的。

二、面向智能建造的实践教学新要求

随着信息技术与建筑行业的深度融合，土木工程师须具备信息技术能力和智能化思维。实践教学应重点培养学生的跨学科能力，使其在掌握土木工程知识的同时，能够应用先进技术进行建筑信息化管理和智能施工。同时，教学还应强化团队合作和创新精神的培养，以适应智能建造对多领域协作的需求［3］。

在教学内容方面，应根据智能建造的要求更新课程，融入信息技术和智能化建造知识。通过实践教学，学生将深入理解智能建造核心技术，并培养解决实际工程问题的能力。行业转型对专业改革提出要求，培养智能建造人才成为高校的重要任务。高校须改革实践教学内容，制订符合需求的人才培养方案，推动多专业技术创新，培养交叉复合型人才，为建筑业发展贡献力量，实现行业全面升级。

三、面向智能建造的土木工程专业实践教学体系构建

实践教学是人才培养的重要组成部分，是深化课堂教学的重要环节，是提升学生实践能力和创新能力的重要途径。面对智能建造的发展趋势及相应的人才需求，土木工程专业的实践教学体系应及时做出调整，在保留原有土木工程专业实践教学课程的基础上，不仅要将智能建造元素融入各个环节，还要强调和展现智能建造的特点。

在智能建造的背景下，土木工程专业实践教学需要与时俱进，深化改革。应从多个方面入手，包括修订实践教学大纲、完善培养方案、加强师资培养和校企合作等措施。通过建设教学案例库、推广企业家进课堂等方式，将实践教学与行业需求更好地对接，为学生提供更广阔的发展平台和更丰富的实践经验。这种全方位的改革将为学生提供更加实用的技能和知识，提升其在智能建造领域的竞争力。

（一）基于校企合作平台的实践教学大纲

参考成果导向教育理念（outcome-based education，OBE），以学生毕业后具备土木工程扎实专业知识和智能建造前沿基本概念为目标，应合理构建实践教学大纲，加强学生实践能力和专业素养。校企合作平台能够提供土木工程专业学生实践教学的真实场景和实际项目，加强专业实践教学的实践性和应用性。基于此，可以搭建以校企合作平台为基础的矩阵式实践教学大纲框架体系，如图1所示。在实践教学大纲体系中，教学内容主要包括课内实验及上机、实习实训、课程设计、创新创业训练和毕业设计等板块。教学过程层层递进，从专业认知阶段开始，逐步发展至专业实习阶段、交叉训练阶段、课程设计阶段、生产实习阶段，最终以毕业设计阶段作为闭环，为学生提供一个完整的实践教学路径。通过校企合作平台，学生在实践中获得的能力和经验将更加深入和丰富，为其未来的工作和发展提供强有力的支持。

（二）面向智能建造的课内实验及上机

实验和上机是土木工程教育中至关重要的环节，可以帮助学生将抽象的理论知识转化为具体的实践能力，提升操作技能，深化对土木工程学科的理解。

引入与智能建造技术相关的实验和上机内容，让学生在实践中探索智能建造技术的原理和应用，如利用传感器和机器视觉等技术进行建筑结构监测、智能施工等。同时实验室内添置智能建造试验设备和设施，如智能施工机器人、智能建筑材料测试设备、虚拟现实仿真平台、3D打印机等。引入智能建造相关软件，让学生通过软件模拟不同智能建造技术在土木工程项目中的应用，培养他们的技术应用能力和解决问题的能力。

（三）面向智能建造的创新创业训练

在智能建造的背景下，培养土木工程专业学生的创新创业能力尤为关键。创新创业能够提高学生的竞争力、拓宽视野、提升实践能力、培养团队合作能力，为其未来发展打下更加坚实的基础。

为促进学生创新创业能力的培养，组织学生参与各类创新创业实践项目，如BIM建模大赛、结构设计竞赛和创业导师计划等，帮助学生在实践中学习如何运用专业知识和技能进行创新，培养团队合作和领导能力。同时，可以增开讲座与研讨会等，邀请业界或企业专家给学生讲解最新的智能建造技术和发展趋势，分享行业最新动态和企业案例，帮助学生深入了解智能建造技术在实际工程中的应用以及未来发展方向。

（四）面向智能建造的实习实训

实习是学生在建筑工程中将所需的知识和技能进行深入学习及实践的重要环节，也是学生在专业领域进行实际工作经验获取的过程。

在认识实习中，引入智能建造技术的基本概念和应用案例，组织学生参观智能化施工水平领先的企业和工地，并与智能建造技术企业进行交流，以提升学生对智能建造的认识和了解。在专业实习中，可以增加与智能建造相关的实践内容，如智能建筑设计软件的使用、智能监测设备的操作等。在交叉训练中，安排学生参与智能建造项目的实际施工过程，了解智能建造技术在实际工程项目中的应用情况。生产实习可以与智能建造技术企业或相关机构进行合作，让学生在毕业实习中深入了解智能建造领域的发展趋势和前沿技术，同时注重解决智能建造领域的实际工程问题，为毕业设计做好准备工作。

（五）面向智能建造的课程设计和毕业设计

课程设计和毕业设计是将理论知识与实际应用相结合的重要工具，是提升学生综合运用所学知识的有效途径。毕业设计更是对学生能力和潜力的一次全方位检验，既要求学生完成具有一定难度和复杂性的工程项目或研究任务，也需要学生展现自己在学术和实践中的水平及成果。通过课程设计和毕业设计，学生能够全面发展自己，并为未来的工程实践和学术研究打下坚实基础。

四、面向智能建造的典型课程设计案例

为积极响应加快建筑工业化升级的发展动向，推进发展智能建造技术、加大智能建造人才培育力度的相关政策，北京工业大学建筑工程学院创新性地开设“智能建造全过程课程设计”课程。该课程涵盖智能建造基本概念、基础共性技术、智能规划与设计、智能生产、施工、运维等内容。

“智能建造全过程课程设计”是北京工业大学土木工程专业面向智能建造领域开设的创新性实践课程之一，要求学生任选项目参与主体，依靠所学知识、借助智能化工具和信息化技术，完成工程项目全过程方案设计，包括初步设计、材料采购、施工计划、施工过程管理、运营维护等主要过程。学生可以选择符合自己兴趣和专业背景的建筑、道路、桥梁工程项目等，确保能够贯穿工程项目全寿命周期的各个环节。课程最终的考核环节中，将邀请智能建造校企合作平台专家库的校外专家以及任课教师共同完成考核工作，根据学生的平时表现、课程设计质量、结课答辩等多因素综合评定学生的学习成绩。