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    1. “新工科”背景下高校智能建造實驗室建設探索

      發布時間:2025-07-27 20:32:13   來源:心得體會    點擊:   
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      孔曉璇, 盧海峰, 劉重羊, 吳志軍

      (武漢大學土木建筑工程學院,武漢 430072)

      當前正處于以智能制造為主導的第四次工業革命時期,各行業利用信息通信技術和網絡空間虛擬系統相結合的手段逐步向智能化轉型。2015 年5 月,國務院正式印發《中國制造2025》,與德國“工業4.0”合作對接,全面推進制造強國戰略。社會經濟發展與環境資源持續利用之間的矛盾、知識形成過程與信息傳播途徑的改變以及信息化與智能化時代對人才需求的變化與挑戰等都深刻影響著工程教育的發展與改革。教育部2017 年啟動了以“新理念、新模式、新質量、新方法、新內容”為核心的新工科建設,推動以科技創新和產業發展為主導的教育改革,意在探索引領全球工程教育的中國模式和經驗[1-2]。

      傳統工科專業需要改變長期以來形成的相對穩定的專業內涵和結構[3-4],面向新技術、新經濟、新產業和新業態,以大數據、智能化和數字化為關鍵詞重構和增設工科專業。土木類的智能建造是順應傳統建筑業轉型升級而增設的新工科專業,培養能夠完成智能設計、智能施工和全過程運行維護管理的卓越土木工程師。智能建造專業的課程體系中理論知識與實踐能力并重,以基礎課程實驗為主的傳統工科實驗室無法滿足新工科人才培養需求[5-7],因此,探索“新工科”背景下智能建造實驗室的建設方案,對高校工科專業實踐教學改革與創新型人才培養具有重要意義。

      1.1 智能建造行業發展趨勢

      土木工程學科的發展始終與時代發展、科技進步和產業革命緊密相關,在不同的時代背景下具有不同的發展機遇與挑戰:以蒸汽驅動設備為代表的第一次工業革命,促發了鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構和鋼結構為代表的工程結構革新和施工機具的升級;
      以電力驅動設備的大規模生產帶來了第二次工業革命,土木工程的施工逐步邁進機械化和電氣化進程,汽車和航運業的發展也為大規?;A設施的建設提供了契機;
      以信息技術為主導的第三次工業革命,促發了建筑設計和建造的數字化發展,工程中的生產方法、工藝流程、生產組織和管理逐步規范化和標準化;
      以人工智能、物聯網技術、大數據與云計算等技術為代表的第四次工業革命,不再局限于某一特定領域,而是整個系統的創新,建造行業也隨之開始了建筑信息化和智能化轉型升級。

      新一代信息技術與人工智能技術的應用與革新為全生命周期建筑產業鏈實現建筑設計、建造和管理的智慧化提供技術上的解決方案[8]。建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技術與物聯網集成形成實時施工模型,用于施工過程中可視化監控與仿真模擬;
      工程設計數據、施工監測數據以及施工企業信息系統的業務數據等工程建造過程中的大量數據,構成施工企業級的大數據資源,人工智能進行大數據挖掘和分析后支持建造過程趨勢預測和決策;
      面向建筑施工領域的人工智能算法將通過對大數據挖掘分析,為項目管理知識發現及建造過程趨勢預測提供決策支持[9]。云平臺為BIM、物聯網與大數據應用提供了一個虛擬化的計算環境,虛擬現實(Virtual Reality,VR)技術進一步增強了他們之間的協作能力,所有工程項目參與者可以利用集成工程建設各項活動統一平臺全局化分析處理問題。此外,基于數據庫的分布式智能決策技術優化項目調度、協同控制建造資源,在增強現實(Augmented Reality,AR)技術的輔助下對現場施工人員的作業進行實時反饋與遠程協助。

      第四次工業革命中建造業變革是以多學科、多領域、多集群技術創新為特征,將產生極其廣泛而深遠的影響。作為對變革進程影響最大的高等教育也面臨新技術、新產業、新業態和新模式形成和發展的重大挑戰。在土木類專業中增設“智能建造”新工科專業相應土木工程行業向智能建造行業轉型過程中對專業人才的迫切需求[10-11]。

      1.2 智能建造專業人才培養模式

      為了適應國家戰略需求和建筑業轉型升級,將建筑施工與電子信息、機械自動化、工程管理等技術相互融通發展而開設了新工科專業——智能建造(專業代碼081008T)。同濟大學于2017 年獲批增設智能建造專業,是我國第一個智能建造專業,位于土木工程學院,招生大類為工科試驗班(土木與環境類)。此后,獲批教育部普通高校本科專業備案智能建造專業的高校逐年增多,至2021 年累計獲批的高校數量已達72所(見圖1)。

      圖1 新增智能建造本科專業備案的高校數量

      武漢大學智能建造專業獲批2021 年度普通高校學校本科專業備案,作為新專業智能建造的專業定位、人才培養方案和課程體系設置都處于探索階段,為此,土木建筑工程學院組織學院領導和教師前往同類院校調研智能建造專業發展情況,前往大型建筑企業調研企業人才需求。提出了智能建造專業內涵和本質,“智能建造專業立足于未來國家基礎設施建設和社會發展的需求,堅持學?!畡撛?、創新、創業’教育理念,培養德智能體美勞全面發展,基礎理論扎實、專業知識寬廣、實踐能力突出,具有崇高的科學精神、深厚的人文社科素養、開闊的國際視野、強烈的社會責任感和職業道德使命,既能在智能建造領域從事智能設計、智能施工、智能運維,又能在人工智能和現代信息技術領域從事科技開發與組織管理,人格健全、引領未來社會進步和人類文明發展的領軍人才”,其人才培養模式的定位如下:

      (1)培養“厚基礎、寬口徑、強能力、高素質”的卓越工程師。為打破學科界限、順應交叉學科融合發展趨勢,智能建造專業以大類工科試驗班的形式進行招生,實行分段式培養的模式,第1 學年大類培養,夯實數理基礎提升工程基礎素養,促進學科知識交叉融合,后3 學年專業培養,以土木工程專業課程為基礎,融合計算機應用技術、機械自動化、工程管理等專業課程,完善課程體系,推進實踐教學改革,加強課程國際化建設,著力提升學生的工程素質,增強工程意識并和積累工程實踐經驗。

      (2)培養具備項目全局意識的行業領軍人才。為滿足智能時代工程建設需要,工程師需要具備跨學科知識體系和解決工程建設過程中復雜問題的能力,以管理為導向,技術為支撐,以系統思維為核心,掌握工程項目全局的關鍵點,在工程項目的策劃、設計、生產、施工、運維等全壽命周期中進行智能化、信息化的整體架構。高校肩負著培養引領建造行業工程建造技術和工程管理的系統性變革領軍人才的重任,從建造方式、組織模式、行業管理等方面重塑建筑業。

      (3)培養具有實踐和創新能力的復合型人才。建造行業面臨著轉型升級的嚴重挑戰,從“互聯網+”發展到“智能+”,以大數據、物聯網、人工智能等新一代信息技術正融入傳統工程領域,新技術、新業態、新模式的應用推動著建造產業改造提升。傳統產業升級需要大量具有實踐和創新能力的復合型人才,高校應強化工業基礎和技術創新能力,提升學生創新創業能力、工程實踐能力和信息化技術能力,助力建設建造強國。

      1.3 智能建造課程體系的構建

      根據智能建造的學科特征和行業需求分析[12],依照本科創新人才培養新模式、新體系,在傳統土木建筑類課程體系基礎上,增設人工智能、計算機技術、機械工程和自動化控制技術等專業知識與技能,制定智能建造專業課程教學大綱,形成系統的知識體系(見圖2)。實踐教學是培養和鍛煉學生動手能力和科技創新能力的主要途徑[13-15],在課程體系中占有重要地位,實踐性課程體系主要包括基礎課程、專業課程實驗教學、學科綜合實訓實踐和創新探索研究實踐。

      圖2 智能建造實踐課程體系構成圖

      基礎課程實驗教學主要包括與理論課程配套的基礎性實驗和驗證性實驗,幫助學生鞏固和加深理論知識,構建專業理論知識框架,掌握基本實驗技能和方法,例如材料力學、土力學、土木工程材料、混凝土基本構件實驗和鋼結構基本構件等實驗;
      專業課程實驗教學包含專業課的課程設計和實習實踐,將專業課程中的知識點直接運用于設計和實踐中,通過工程模塊構建智能建造知識體系,對學生的基本技術應用能力和解決實際問題的綜合能力進行訓練,提高學生專業理論的實踐能力,例如房屋建筑學課程設計、智能建造綜合課程設計、智能測繪實習和工程地質實習;
      學科綜合實訓實踐包括認識實習、生產實習、畢業實習、生產勞動與工程訓練和畢業設計,是對4 年所學知識和技能進行系統化和綜合化運用、總結和深化的過程,培養學生綜合運用基礎理論、專業知識、基本技能應對和處理問題的能力;
      創新探索研究實踐將最新科研成果與學生競賽引入教學環節,提高解決實際工程問題的動手能力和創新精神,包括大學生創新創業訓練計劃項目和全國大學生先進成圖技術、全國大學生BIM-CIM大賽、互聯網+和挑戰杯大賽等一系列競賽。

      2.1 實驗室建設目標

      實踐教學是提高學生實踐能力、創新精神的主要途徑[16-17],為了滿足智能建造教學和實踐需求,學校探索建立新的專業實驗室——智能建造實驗室。智能建造實驗室以服務于國家智慧城市建設和“一帶一路”倡議實施對智能建造人才培養要求為目標,堅持“緊跟學科發展,立足社會需求,夯實實踐能力,強化工程技能,培育團隊精神,提高創新能力”的實驗教學理念,虛擬仿真實驗教學和智能建造實訓教學作為實踐能力和創新能力培養的重要環節并融入實踐教學體系,整合先進的BIM技術、物聯網技術、3D 打印技術、人工智能技術等先進技術,將實驗室建設成為資源豐富、開放共享、水平一流、效益突出、特色鮮明的智能建造技術實驗教學中心。

      學院確定了“整合資源、集聚優勢、注重研發、突顯特色”的建設思路,結合雙一流建設學科土木工程已有的實驗實訓資源,建立包含虛擬仿真實驗平臺和智能建造實踐平臺的實踐教學實驗室。虛擬仿真實驗平臺利用多媒體、互聯網、虛擬現實和人機交互等技術建立虛擬實驗環境,對具有高風險或高成本的實驗項目和大型綜合訓練與實習項目進行仿真模擬,建設可提供虛擬仿真實驗的教學資源和教學平臺。智能建造實踐平臺包含智能建造工程概論、BIM 協同設計、3D打印混凝土、TBM 智能掘進等實踐教學模塊,既可以單獨支持核心課程的專業級綜合實驗,又可以相互組合支持交叉創新實驗的學科級創新實踐平臺。

      智能建造實驗室以實驗教學內容、教學方法改革和建設共享優質實驗教學資源為核心,探索和建設培養學生綜合實踐能力和創新能力的實驗教學模式,創建了“多層次、系統化、研究型、共享式”實驗教學培養體系;
      產、學、研協同發展,建設智能建造實驗教學隊伍。全面促進學生自主學習、自主實驗、自主創新,擴大受益面,共享優質實驗教學資源,全面提高學生創新精神和實踐能力。

      2.2 實驗室建設方案特色

      (1)創建“多層次、系統化、共享式”智能建造實驗體系。智能建造實驗室構建了基礎課程、專業課程、學科綜合實訓實踐和創新探索研究實踐多層次虛擬仿真實驗教學內容,梯次提升學生的工程素養。按照“虛實一體、虛實交叉融合”的思想,組織實驗教學資源,系統化貫穿到課堂教學實驗、實習實訓、學生自主科研、野外科學考察全過程中,全面培養學生在“大數據、互聯網+”條件下的綜合能力。實驗室的實驗教學資源采用模塊化設計,可對接校內資源,例如我校人工智能實驗室、工程訓練與創新實踐中心、工科其他院系實驗室,充分發揮雙一流學科集群優勢,此外實驗室也可以作為平臺,直接接入課程模塊,擴展實驗室教學資源的深度和廣度,學生能夠通過資源共享,采用主動、自主學習的方式,實現“厚基礎、寬口徑”復合型人才培養,社會各界能夠共享虛擬仿真實驗教學資源,服務于機構和企業的繼續教育,實現資源共享、協同創新。

      (2)構建虛實結合、校企聯動、協同創新的人才培養模式。實驗室以國家基礎設施建設的人才需求為導向,以重點培養學生的創新創業能力為目標,加強學生學科群基礎,促進跨學科復合型人才的培養,強調通過教學與科研相結合、學校教育與工程訓練一體化、虛擬實驗與真實實驗相結合等多樣化的教學模式。充分利用學校品牌優勢與國內外著名企業合作,探索校企聯合實驗室建立機制,將企業的先進技術、市場需求和行業經驗引入實踐教學中,利用企業已有的虛擬仿真資源和工程實際案例,實現校企全方位、多層次深度合作,打造以教學、科研、培訓為一體的工程師培養基地,并通過云計算平臺實現開放共享,從而構建虛實結合、校企聯動、協同創新的人才培養模式,引領智能建造實驗教學的發展。

      (3)配置信息化、多元化實驗教學資源。注重將教師科研項目、學生創新創業和合作企業大型工程案例等項目轉化成學生探索型實驗,拓展實驗教學范圍和教學內容。利用虛擬現實、多媒體交互、3D 可視化等信息化技術,自主和聯合攻關研發,形成BIM 建模與應用實驗平臺、3D 打印實訓平臺、智能掘進實訓平臺、地下工程智能施工虛擬仿真實驗等平臺,形成覆蓋智能設計、智能施工、智能運維的工程全過程的實驗教學資源。實驗項目具有先進性和前瞻性,開創了虛擬仿真和真實實驗協同育人的新局面,提升了學生的方案設計、數據處理分析、工程實踐、自主學習及創新研究能力。

      (4)提供開放式自主學習環境。智能建造實驗室以培養學生創新能力與專業知識工程綜合運用能力為目標,為學生提供開放式自主學習環境。①虛擬仿真實驗教學資源的開放,利用現代化信息技術實現虛擬仿真實驗課程平臺的開放共享,引導學生在數字環境下自主學習,學生可以利用手機和電腦等移動設備隨時隨地進行實驗;
      ②對實驗課程安排、儀器設備管理、實驗開放預約等實行網絡化、數字化管理,促進了實驗教學在時間、內容、空間上開放,推動了實驗室各類資源的共享共用,形成了良好的網絡支撐體系和現代化的高效運行機制;
      以科研項目、大學生創新創業項目、學科競賽等為驅動,全面促進學生自主學習、自主實驗、自主創新,為學生的自主學習和個性發展創造良好條件,全面提高學生創新精神和實踐能力。

      (5)重視實驗課程思政建設。學校堅持課程思政育人導向,高度重視課程思政建設工作,于2020 年12月發布的“武漢大學課程思政建設實施方案”,對學校課程思政建設進行頂層設計,明確建設目標,制定總體方案和實施計劃,全面推進思想德育工作。實驗教學是工科專業課程教學的重要環節,將思政主題內蘊于智能建造專業實驗教學中,以實驗課程思政作為課程教學改革創新的突破口,是推進高校思政教育隱性化和融合性模式的重要嘗試。在習近平總書記系列育人講話的引導下,將思想政治教育在實驗實踐中融入學生的學習動機,構建智能建造專業課程思政的全員育人、全程育人、全方位育人的三全育人大格局,在培養學生基礎理論扎實、專業知識寬廣、實踐能力突出的同時,具有崇高的科學精神、深厚的人文社科素養、開闊的國際視野、強烈的社會責任感和職業道德使命。

      2.3 實驗室建設實施

      智能建造實驗室確定了“整合資源、集聚優勢、注重研發、突顯特色”的建設思路,結合智能建造專業培養方案,以實驗教學內容、教學方法改革和建設共享優質實驗教學資源為核心,利用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術,結合真實工程案例數據,創建“多層次、系統化、共享式”智能建造實驗體系。實驗室構建了6 個實驗實訓模塊(見圖3),串聯起智能規劃與設計、智能施工、智能監測和智能運維等工程全生命周期過程。

      圖3 智能建造實驗室實訓模塊

      具體如下:

      (1)智能建造工程概論模塊。智能建造作為一個新增設的專業,是多學科交叉的新興前沿專業學科,學生尤其是大一新生對智能建造產業的基本概念、發展歷程、前沿技術與設備和未來發展方向的了解并不深入,智能建造工程概論模塊設立4 個高清顯示屏幕,播放有關智能建造產業發展、數字建造、智慧工地和綠色建筑等方向的介紹視頻、熱點新聞和宣傳片,視頻定期更新補充,讓學生了解以智能交通、人工智能、機器人為代表的智能科技在建造產業的快速推廣與應用,初步建立智能建造概念,認識并熱愛這個專業,激發社會責任感和職業道德使命。

      (2)虛擬仿真實驗教學模塊。虛擬仿真實驗教學硬件設施方面配備LED小間距顯示屏幕、培訓椅和配備電腦設備的六角桌,學生可以利用實驗室電腦或者自帶電腦完成虛擬仿真教學實驗,實驗室有包含省級項目的虛擬仿真實驗教學項目和正在建設的多個地下工程智能施工虛擬仿真項目軟件。虛擬仿真實驗教學模塊可以彌補真實實驗在實驗環境、實驗手段不足及時間、安全、經費等條件的制約,與真實實驗教學結合,相互補充,拓展學生的專業基礎知識,將學科前沿研究成果或重大工程技術突破轉化虛擬仿真實驗教學資源,能及時讓學生接觸最新的工程技術,與室內與現場實驗實踐教學相結合形成相輔相成、優勢互補的新型實驗教學模式。

      (3)沉浸式VR實訓模塊。由于工地的安全風險管控加強和疫情的影響,學生進入施工現場實習的機會減少,沉浸式VR實訓能夠模擬真實的工程場景,學生戴上頭盔,手持操控手柄進入虛擬環境,在該模擬環境中進行交互,模擬真實施工場景,學生沉浸到該環境中能夠感知和操作模擬建筑工程的各項施工技術與施工工藝以及各項管理措施。此外學院計劃與施工企業合作將更多大型工程案例轉化成VR 實訓項目,并鼓勵老師和學生參與VR 實驗場景的制作與開發,拓展虛擬仿真實驗教學范圍和教學內容。

      (4)BIM協同設計實訓模塊。BIM建筑信息模型是在建筑領域應用信息技術,實現對設計、施工和管理過程仿真和模擬的一種技術和管理方法,通過對相關數據進行結構化管理使建筑過程數字化,是智能建造的核心技術。該實訓模塊:①幫助學生熟練掌握相關軟件建立建筑三維模型進行房屋建筑設計的基本步驟,提升就業核心競爭力,②運用BIM 信息處理及動態仿真功能,營造生動立體的可交互式施工現場模擬場景,模擬建筑施工現場的各部分工作。此外,鼓勵師生利用課外時間走進實驗室,積極利用BIM協同設計實訓平臺參加相關BIM職業技能大賽。

      (5)3D打印混凝土實訓模塊。3D打印混凝土建造技術在土建領域取得了快速的發展和應用,能夠提高建造效率、優化結構受力、減少材料消耗和浪費,加快設計建造過程,這是未來智能結構領域的重要技術之一。學生在這一實訓模塊中運用計算機制圖設計作品的三維設計圖,操作混凝土3D 打印機,通過分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料來將成品打印建造出來的,充分發揮創新能力和實踐能力,嘗試設計制作探索結構的穩定性。

      (6)TBM智能掘進實訓模塊。全斷面巖石掘進機(TBM)以機械化自動化程度高、掘進速度快、成洞質量高、施工擾動小、綜合經濟社會效益高、安全文明環保等顯著優勢,逐漸成為國際上隧道修建的首選施工方法。TBM智能掘進實訓模塊提供TBM 掘進機模型,直觀的展示TBM 的構件組成、施工的作業方案和流程,與虛擬仿真實驗教學項目結合,模擬各系統設備運行控制界面、隧道掘進作業過程和施工工藝流程,實現了TBM智慧掘進和安全控制的展示和教學,提升了學生對地下智慧施工的人事和現代工程技術水平。

      此外,實驗室計劃籌建智建造工業機器人和智能監測與檢測實訓模塊,擴充實驗室實踐教學資源。

      智能建造實驗室以提高學生的實踐能力和工程素養為目標,目前實驗室在培養學生的創新精神和創新實踐能力上發揮了積極的作用。

      在智能建造實驗室平臺的支撐下,我院學生在全國、本省各類學科競賽和創新大賽中屢獲佳績,僅2021 年獲得第十二屆全國高等院校學生“斯維爾杯”BIM-CIM創新大賽中獲得規劃設計專項、綠色建筑分析專項的全國一等獎,工程造價專項、工程管理專項和綜合三項的全國二等獎,在第二屆全國大學生智能建造與管理創新競賽中獲得特等獎,湖北省“挑戰杯”競賽獲得特等獎,第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽獲得湖北省省賽一等獎。

      智能建造專業是順應“工業4.0”和“中國制造2025”戰略的必然趨勢,智能建造專業的課程體系設置理論知識與實踐能力并重,以基礎課程實驗為主的傳統工科實驗室無法滿足新工科人才培養的需求,因此,土木建筑工程學院建設智能建造實驗室,結合智能建造專業培養方案,以實驗教學內容、教學方法改革和建設共享優質實驗教學資源為核心,利用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術,結合真實工程案例數據,創建“多層次、系統化、共享式”智能建造實驗體系,探索和建設培養學生綜合實踐能力和創新能力的新工科人才培養模式,對其他新工科專業的實驗室建設具有一定的借鑒和參考。

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