面向未来的创新型工程科技人才培养

文｜本刊记者 陈昕

“十三五”时期，我国建筑业支柱产业作用不断增强，发展质量和效益不断提高。港珠澳大桥、北京大兴国际机场等一批世界级标志性重大工程设计施工技术已经达到国际先进水平，建筑业加快“走出去”，对服务“一带一路”建设发挥了重要作用。

尽管我国已经建成举世瞩目的超高层建筑、超大跨度桥梁和超深超长隧道，但建筑业仍然没有摆脱劳动密集型的产业窠臼。建筑行业缺乏核心技术，难以应对未来发展和国际竞争力，整个行业缺乏应对未来科技与工程发展的人才和人才培养模式。

国家新型城镇化规划、智慧城市建设、“一带一路”战略、绿色可持续发展，以及人工智能、BIM、区块链等技术为我国建筑业高质量发展提供了主要驱动力。除了外在的驱动力外，建筑行业也有着内生驱动需求，例如过去常规静态的荷载正逐步转变为多重动态复杂荷载，之前日常的施工环境越来越多涉及到恶劣施工环境，极寒环境、高空作业和深海建设情况更为频繁，劳动密集型转变为装备与技术密集型工作方式。从建筑业内部来说，新时代的建设需求倒逼技术、工艺与环境的跨越式变革和整个行业的转型升级。

智能建造引领建筑业发展方向

这实际上不仅仅是中国建筑业面临的问题，以建筑行业机器人为例，各国政府与企业都针对建筑技术自动化开展了一系列的研发工作，并对智能建造倾注全力，推动技术革新。例如澳大利亚机器人公司Fastbrick Robotics 研发的世界上第一台全自动砌砖机器人Hadrian X，可以通过安装在挖掘机或卡车上的伸缩臂来铺设砖块；法国Effidence 开发的Doxel 漫游者可应用在现场巡检，使用高清晰度摄像机和“光成像、探测和测距”传感器进行建筑现场检查，并与设计模型和程序进行比较；瑞士苏黎世联邦理工学院研发了可以自动绑扎钢筋的机器人 insitu fabricator robot；上海建工集团的数字化建造设备可用于3D 打印。英国最大的设计、施工和资产管理集团巴尔弗-贝蒂公司曾大胆预测：2050年，建筑工地将不会再有人类工作。当然，这是一个非常大胆的预言，但这一预言也为我们指明了一个方向，即未来施工现场的自动化、智能化机器设备将逐渐替代人力劳动是一个不可逆的趋势。

智能建造是传统建筑业转型的机遇与途径，也是土木工程学科的延伸和拓展。纵观智能建造全球发展趋势，可以发现，全球主要经济体都在大力发展智能建造，以助推智慧城市建设，从而升级智能社会。例如美国在2007年就规定所有重要工程项目都要使用BIM 技术，通过使用信息技术实现低碳绿色发展，并先后提出3D-4D-BIM 计划、智能设计建造（ICD）战略、基础设施重建战略规划等。德国出台了“高科技战略2025”，提出加大促进科研和创新，储备人工智能专业力量，加大各领域人工智能的应用，利用人工智能型商业模式及人工智能产品激发新一轮创业动力。日本制定了“i-Construction”战略，为建筑企业和建筑行业制定了发展目标，着力提升建筑产品的品质、安全和效益。世界各国都在争先恐后地抢占智能建造的战略高地。中国也相继出台了一系列的相关政策和指导意见，《中国制造2025》《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》的出台，逐步揭开了中国智能建造发展的序幕，《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》则进一步明确了推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导思想、基本原则、发展目标、重点任务和保障措施，为当前和今后一个时期建筑业转型升级、实现高质量发展提供了具体指导。

同济大学土木工程学院教授卢昱杰表示，在全球化的浪潮下，中国更应该通过研究和实践引领全球智能建造、智慧城市与社会的发展浪潮。智能建造最主要的一项核心技术就是人工智能。人工智能技术强调三个空间，即物理空间、人类社会空间和信息空间，三者互相交互共融。将物理空间和信息空间融合，可以实现智能感知、自主装备和机器人之间的协同与群智；通过物理空间和人类社会进行交融，可以实现自然科学、工程技术的协同；通过人类空间和信息空间融合，可以更好地实现人机交互，同时实现大自然和物联网社区的不断涌现，最终在信息空间中实现学习和认知，并不断涌现新的知识，从而更好地指导物理空间现实世界的相关工作。

卢昱杰认为，人工智能技术不仅仅对建筑行业产生深刻影响，同时在智慧城市、智能制造、智慧医疗、智能农业和智能军事等多个方面都发挥着重要的作用。他举例到，智慧城市领域，人工智能可以提高城市运行效率、提升人类幸福指数；智能制造方面可以解放更多劳动力，释放生产力；智慧医疗领域，可以延长人类寿命，保证健康生活；智能农业领域，可以解放我国农民劳动力，解决更多绝对贫困人口生活；智能军事则可以提升国防实力，保障和维护国家安全。

产业变革与人才升级

人工智能引领了一系列产业变革，而产业变革也进一步引起了传统学科的升级改造。例如人工智能+交通汽车转变为智慧交通，人工智能+医学生命变为智能医疗，人工智能+经营人文、建筑规划则转变为智能城市，人工智能+电子信息和机械航空升级为智能制造，人工智能+环境科学转变为智能农业，人工智能+土木测绘则升级为智能建造。

以智能建造为例，智能建造专业人才培养需要重点关注三个方向，一是智能设计与规划，二是智能装备与施工，三是智能运维与管理。卢昱杰介绍到，针对智能建造专业，同济大学设计了人才培养顶层设计，确定了人才培养战略与目标：一是面向未来科技与工程发展的人才培养，二是要培养20年以后的精英和栋梁。对人才培养具体的转变则体现在三个方向：空间上，从单体部件发展到工程系统，学生不仅仅是某一结构工程、力学专业，而是整个工程系统，包括经济、社会、人文、管理、材料等都需要进行学习，从而培养复合型人才；时间上，从使用安全发展到全寿命周期；深度上，从单一土木学科深化到依靠多学科的交叉与综合。

围绕上述人才培养方向，结合同济大学土木工程学科的人才培养传承和人才培养创新模式，包括共性基础和专业培养等，同济大学以土木工程院系牵头，联合学校7 个院系，共同成立智能建造专业，并于2018年获批成为全国首个智能建造专业。

智能建造是教育部于2018年正式批准新设的全国首个“新工科”专业，其以土木工程为基础，以信息技术为纽带，以机械工程和控制工程等技术为工具，融合建筑学、材料工程、工程管理等学科知识，涵盖建筑与基础设施的设计、制造、运输、装配、运营和维护等生命周期完整链条。同济大学利用自身学科优势首个设置“智能建造”专业，引起了美国加州伯克利大学、马里兰大学、德国慕尼黑工业大学等著名高校的广泛关注，并集聚了相关国际顶级人才。

智能建造专业是以土木工程和机械工程为载体基础，以信息技术和人工智能为手段，突破专业壁垒，融合土木、建筑、机械、材料、信息、控制、工程管理等学科知识的交叉学科。卢昱杰认为，对智能建造专业的学生提出的要求是三维的教育，包括知识教育、能力培养和素质提升，使学生不仅拥有专业技能，也能够在毕业后有充分的社会责任担当，具有家国情怀。具体的培养目标一是面向未来科技与工程发展，适应国家发展战略和建设需求，德智体美全面发展；二是基础理论扎实、专业知识宽广、综合能力突出、科学与人文素养深厚；三是掌握土木工程、机械工程、电子信息科学与工程、控制科学与工程、工程管理等学科的基本原理和基本方法；四是能胜任建筑和交通基础设施的智能规划与设计、智能装备与施工、智能运维与服务等工作；五是具有终身学习能力、创新能力、国际视野和领导能力。

筑根汲养 打破知识结构桎梏

目前，智能建造专业人才培养也面临着诸多挑战。针对高校土木专业相关教职人员的问卷调研（2020年3月）显示，目前智能建造发展面临五大主要挑战：一是囊括各个交叉学科，同时保证广度、深度的课程体系尚未构建；二是具有实际工程意义、培养学生创造能力的实践课程尚未普遍开设；三是掌握综合系统知识的师资力量尚未成型；四是可供学生实践的建筑实操基地等硬件设施尚未普及；五是有利于交叉学科发展的学校人事激励制度、成果管理制度等尚未落实。对此，卢昱杰表示，需要进一步明确专业培养目标，打破传统课程体系、知识结构的桎梏，创新教学模式，进一步加强师资队伍建设、平台建设、制度建设，为智能建造专业的发展夯实基础。

以同济大学土木工程学院为例，目前主要从专业实践、全过程培养、国际化三个方面推进智能建造专业的建设。在本科生学习环节，强调大类通识课程、专业基础课程、专业核心课程和交叉特色实践，以土木工程为主，附加人工智能核心开展的教学。随着本研知识一体化的推进，在硕士阶段则更多强调多学科交叉学习。对于本科生和研究生的培养重点也有所区别，本科生注重筑根汲养，培养有专业意识的人，打牢基础、提升综合素质，强调人的培养；研究生则强调在某个阶段、某个专业有一定特长，重点在“专业+”。在具体的教学内容设计方面，一是重构教学内容，从强调知识到强调方法和思维方式，以通识教育为基础，专业基础为核心，专业技术为抓手，梳理知识点和知识体系，关注共性的方法和思维模式。二是任务驱动教学，从零散知识到工程系统，精心设计工程任务，锻炼自学能力、系统思维，强化课内课外全学时，强调个人作用于团队协作相辅相成。三是搭建创新实践平台，从单一能力训练到全方位能力培养，建立科学研究与人才培养联动机制，企业合作实践学习。四是加强师资队伍建设。