多线程融合的智能建造专业课程体系建设

朱颖杰，白玉星，纪颖波，刘心男

（北方工业大学 土木工程学院，北京）

一 智能建造专业人才培养要求

智能建造作为新工科专业，对人才能力的培养要求也会与传统专业有所不同。智能建造专业最为显著的特征是多学科交叉融合，本科教育阶段应培养具有宽口径知识结构体系，具有较强综合能力的人才[1-2]。北方工业大学智能建造人才培养的总体目标为：适应国家建设需要，培养学生德、智、体、美、劳全面发展，具有较好的数学和力学基础，能熟练掌握土木工程专业的基本知识，掌握工程结构智能设计原理、构件生产和施工技术，能够应用相关计算机开发语言和工程建造的一般机械和控制工程原理，完成现代土木工程的智能设计、智能生产、智能施工和全过程运行维护管理，并具备终身学习能力、创新能力和国际视野的行业人才。

智能建造新专业的课程体系建设是人才培养的重要基础和核心内容。课程体系的建设需牢牢把握智能建造专业对人才能力的需求，在四年制的学科教育中，有针对性地培养学生多方面的能力。但作为新开设的专业，其课程体系的建设在全国范围内仍处在探索阶段[3-4]。本文提出了多线程融合的课程体系建设方案，以北方工业大学智能建造专业课程体系为例展开分析。

二 多线程理论课程体系建设

理论课程包括通识教育课程、专业基础课程和专业教育课程，如图1所示。智能建造专业的通识教育课程和专业基础课程与传统工科的差别不大，可以沿用传统土木学科的课程体系，本文主要讨论专业教育课程体系的建设思路。

图1 多线程的智能建造专业课程体系

1. 土木学科线程（图2）：传统土木学科的核心理论课程是智能建造专业的重要理论基础。智能建造的立足点和根本目标在于工程建设，因此智能建造专业人才培养和课程体系建设中不能偏离工程这个“本”，特别要注意不能舍本逐末，简单堆砌一些信息技术类课程，削弱学生工程基础[5]。因此，在必修课程中，经典力学课程如理论力学、结构力学、流体力学、材料力学是必不可少的。同时在选修课程中设置了“材料力学提高”“弹性力学与有限元”和“结构力学提高”三门课程，可供有深造意愿的学生选择，强化和扎实力学基础。

图2 土木学科线程课程

混凝土结构设计原理、钢结构设计原理、土力学与地基基础等课程是土木学科的经典和核心理论课程，因此同样需要在专业教育课程的必修环节有所设置。由于学分和课程数量有限，为了实现多学科多线程的课程体系安排，传统土木学科的部分必修课程不得不转换为选修课程。由于智能建造专业多学科交叉的特点，在人才培养方案的制定和课程体系的设置中不可能做到面面俱到。不管是设置智能建造新专业还是在传统专业基础上进行改革，每所学校都应根据结合其自身专业特色在智能建造专业建设中针对某一或某几个方向有所侧重。北方工业大学根据本学校专业特色，将人才培养重点放在了房屋建筑工程上，在必修环节中设置了“画法几何”“混凝土结构智能设计原理”“钢结构智能设计原理”“智能施工”“智能测绘”“土力学与地基基础”六门课程，其中“混凝土结构智能设计原理”又分为了各为4学分和3学分的两门课，分别讲授基本构件设计以及装配式建筑、高层建筑结构和抗震设计理论。在专业教育课程的选修环节设置了“智能建筑材料”“房屋建筑学”“结构检验”“大跨房屋结构”“结构选型”等课程作为土木学科专业知识的重要补充和理论支撑。

2.建筑信息模型线程（图3）：建筑信息模型是智能建造所需的重要工具之一，随着建筑行业信息化建设的发展，建筑信息模型及其应用的相关课程也是课程体系中的一个重要线程。北方工业大学在专业教育课程的必修环节设置了一门“BIM技术基础”课程，系统讲授建筑信息模型的基础理论知识并安排上机实践。在选修环节则设置了“BIM工程应用”“建筑信息模型与应用”等课程，其中“BIM工程应用”着重讲解BIM全专业建模能力，“建筑信息模型与应用”着重讲解BIM管理模型建立和应用，使学生了解和掌握建筑信息模型从基础理论到工程应用的相关知识。

3.计算机学科线程（图4）：必修课程应具有一门计算机语言。智能建造离不开人工智能的应用，尽管人工智能的核心算法依赖于C/C++语言，但作为智能建造专业人才，更为重要的能力是在理解和基本掌握人工智能算法的基础上结合土木学科进行应用。而在人工智能的应用层面，Python语言易于上手，具有很好的包装能力，可扩展性、可组合性和可嵌入性良好，在目前人工智能应用领域被普遍采用。因此北方工业大学选择“python程序设计”作为专业教育课程体系计算机学科线程中的必修课程。在必修课程基础上，在选修课程中进一步设置“Matlab程序设计应用”“人工智能数据分析”“智能感知网”“结构工程大数据及应用”“数据采集与集成技术”“云计算与虚拟化技术”等课程，使学生了解、掌握智能建造专业所需的计算机相关专业知识，并为学生提供其在土木学科中的部分应用场景与案例。

图4 计算机学科线程课程

4.机械及控制工程线程（图5）：智能建造的实现离不开智能机械、智能设备等智能硬件。在北方工业大学智能建造专业教育课程的必修环节中设置了一门“机械控制理论基础”课程，使学生对机械控制的基本理论有所掌握。相应地在选修部分，“智能控制”课程可以进一步使学生了解人工智能与机械设备的结合。

图5 机械工程线程课程

5.工程管理线程（图6）：智能建造涉及规划设计、施工、运维全过程的工程管理，同时传统的工程管理方式将无法满足新型工程建设的需求。结合北方工业大学国家一流专业工程管理专业的特长，在智能建造专业课程体系中增加工程管理线程。该线程的课程均在选修环节，包括“工程估价”“工程项目管理与法规”“工程经济学”等课程。

6. 绿色建筑线程（图7）：绿色建造与智能建造关系密切，绿色建筑的内涵是包括绿色建造的全过程的。智能建造的最终目标是交付绿色工程产品，实现绿色可持续的工程建设与运营服务；绿色建造的实现也需要智能建造提供必要的技术支撑。北方工业大学结合学院绿色建筑相关专业教师资源，在选修课程中增加绿色建筑方向特色模块，让学生能了解绿色建筑从设计到建造再到运营的整个知识体系和实现过程。主要包括“建筑热工基础”“室内人工环境智能控制”“建筑智慧能源系统”“建筑能耗模拟分析”“绿色建筑运行维护原理”五门专业教育课程。

图7 绿色建筑线程课程

三 多线程实践课程体系建设

实践课程体系同样采用了多线程的课程设置方式，但与理论课程体系建设中的多线程模式有所不同，实践课程的线程根据实践内容的范围进行区分。实践课程体系包括通识教育实践课程和专业教育实践课程，本文主要讨论对象是专业教育实践课程，多线程专业教育实践课程如图8所示。

图8 多线程专业教育实践课程

1. 实践课程的第一个线程是与专业理论课程小范围精准匹配的实践课程，即与某一门或两门相关性很强的专业理论课紧密结合，如北方工业大学智能建造专业教育实践课程必修环节设置了“智能测绘实习”（对应理论必修课：“智能测绘”）、“BIM技术基础实习”（对应理论必修课：“BIM技术基础”）、“装配式钢结构课程设计”（对应理论必修课：“钢结构智能设计原理”）、“装配式混凝土结构课程设计”（对应理论必修课：“混凝土结构智能设计原理”）、“BIM5D施工组织设计课程设计”（对应理论必修课：“智能施工”）。在选修环节的“室内环境系统设计”（对应理论选修课：“室内人工环境智能控制”）、“结构力学综合训练”（对应理论必修课：“结构力学”）等。

2. 实践课程的第二个线程是土木学科经典实践课程。尽管将来智能装备将逐步取代人工实施设计和建造工作，但智能建造的发展仍需立足在了解现有工程建设方法的基础上，因此土木学科经典实践课程仍有必要加入智能建造课程体系中。以北方工业大学为例，在专业教育实践课程选修环节开设了“认识实习”“钢筋混凝土受弯构件”“混凝土配合比设计”“建筑结构的模态分析试验”“砂浆配合比设计”等课程。

3. 实践课程的第三个线程是能力拓展类的实践课程，并不专门对应某门专业理论课程，而是立足行业发展大环境，面向某个新技术、新方法展开针对性的实践，拓展学生的能力范围。以北方工业大学为例，在专业教育实践课程选修环节开设了“Python智能建造二次开发”课程，专门针对基于Python的参数化建模展开教学并指导学生进行实践，特别鼓励学生参与知名企业举办的竞赛，充分锻炼学生实践和创新能力。又如选修课“无人机技术智能测绘”“新型建筑材料实验技术实训”“不等截面叠合梁纯弯试验”等。

4. 实践课程的第四个线程是综合能力培养与锻炼的实践课程，这类课程以“企业工程实践”和“毕业设计（论文）”为典型代表。企业工程实践是智能建造专业教学计划中的系列实践环节。因课程总学分有限（165分），通过企业工程实践，让智能建造专业的学生到生产第一线，直接接触行业智能建造技术，深入智能建造工程实际，参加具体项目的组织、管理等方面的实际工作。学生可全面了解项目的运作过程，自然进入多学科交叉培养环境。学生通过向工程技术人员及项目管理人员学习智能建造生产工艺过程和施工管理知识等，锻炼学生分析和解决实践问题的能力，进一步巩固课堂所学知识，并激发学生自学兴趣。同时，学习智能建造企业项目管理人员、工程技术人员等的优秀品质和奉献精神，培养学生的综合素质，使学生更加明确所从事的工作范畴和应承担的责任，为以后实际工作打下坚实的基础。

北方工业大学智能建造专业的企业工程实践分别在短二、短三小学期各设置了3周，在第7学期设置了6周，学生需完成至少6周该实践环节，并满足相应考核要求。组织和管理采用以下模式：基于企业与学生之间的双向选择；采用企业导师与学校教师共同指导的“双管理”模式；校内导师职责：组织衔接、过程指导、监督管理、成果考核等；校外导师职责：选择学生、制定项目、过程指导、技术培训、成果考核、企业文化传递等。

四 多线程课程体系的融合

多线程融合的课程体系重点不仅在于“多”，更在于“融合”。智能建造专业因为涉及多个学科交叉，课程体系建设特别要注意避免不同学科课程的简单堆砌，而是要将计算机学科、材料学科、机械学科、管理学科与土木学科有机融合，以工程建造需要为基础，培养人才要服务于“工程”的主线。但另一方面，因为智能建造仍处于动态发展中，不应过于局限学科融合的方式和场景，应给予学生更广阔的思路和视野，激发学生的自主学习和创新探索。

以北方工业大学为例，课程体系建设中，土木学科理论线程中的课程是在传统专业课核心内容基础上，补充信息化、数字化和智能化的新技术、新方法的教学内容[6]，形成“混凝土结构智能设计原理”“钢结构智能设计原理”“智能施工”“智能测绘”等新专业课程。又如计算机学科线程中，除“Python程序设计”外，其他课程均立足于土木工程基础环境，如“结构工程大数据及应用”讲授大数据技术的基础知识，同时着重介绍其在结构工程中的应用，“智能感知网”则在讲授人工智能和计算机视觉基础知识的基础上，给予学生数个试验场景让学生多角度多环境体验智能感知，激发学生对智能感知在土木工程领域拓展应用的思考。

五 结语

智能建造专业作为新工科专业，课程体系建设是实现人才培养目标的重要基础。本文提出了多线程融合的智能建造专业课程体系建设方案，以北方工业大学新设智能建造专业的课程体系为例，分别针对多线程理论课程体系建设、多线程实践课程体系建设和多线程课程体系的融合进行了分析和思考，以期能够对正在开展智能建造专业建设的院校有所启发，促进新专业建设的完善和发展。