应用型地方本科高校智能建造专业建设探索与实践——以河南城建学院为例

武海荣,宋新生,宋帅奇,何宗耀,朱 凯

(河南城建学院 土木与交通工程学院,河南 平顶山 467036)

新一轮科技革命和产业变革正在兴起,大数据、云计算、物联网、建筑信息模型、人工智能、移动互联网等为代表的新信息技术开始向建筑产业渗透,传统建筑行业步入转型升级。智能建造作为新一代信息技术与工程建造融合形成的工程建造创新模式[1],将促进建筑产业发生深刻的变革,而支撑这一变革成败的则是专业人才培养。2017年开始,“复旦共识”[2]“天大行动”[3]和“北京指南”[4]对新工科的内涵与特征、建设路径、人才培养要求和模式创新等做了指导和要求,培养多样化、创新型卓越工程科技人才成为工科高校的重要任务。

针对如何培养全面发展的智能建造人才,不同层次高校对于办学定位与办学理念、专业建设、课程体系构建、实践教学环节设计、跨学院的日常教学活动的组织等有诸多思考和探索,但总体来讲,智能建造专业的建设还处于初始阶段。河南城建学院作为城建类的应用型地方本科高校,于2022年开始智能建造专业的招生工作。本文介绍了智能建造的内涵、智能建造专业的发展,通过河南城建学院智能建造专业的培养目标、课程体系、实践教学环节的设计、教学运行等,结合应用型地方本科高校的定位,给出了智能建造专业的“城建思考”,为应用型本科高校智能建造人才的培养提供参考和借鉴。

1 智能建造及其技术

根据相关学者和专家作出的定义总结[5-11],智能建造的关键要素主要涵盖以下几个方面:(1)智能建造强调新一代信息技术对工程建造活动的赋能,先进技术手段是基础支撑;(2)智能建造强调工程建造全过程,即勘察、规划、设计、施工和运维等各个阶段在数据链驱动下的服务一体化集成与高效率协同;(3)智能建造强调建造过程的高弹性、高效率、高质量以及安全与环境友好,也强调绿色节能的建筑产品的交付;(4)智能建造是一种新的工程建造方式。

智能建造技术是以“三化”“三算”为特征的新一代信息技术,包含了面向全产业链一体化的工程软件、面向智能工地的工程物联网、面向人机共融的智能化工程机械、面向智能决策的工程大数据等相关技术。以此为基础,最终形成了支持工程建造全过程、全要素和产业转型的智能建造体系[12]。住房和城乡建设部于2021年遴选了自主创新数字化设计软件、部品部件智能生产线、智慧施工管理系统、建筑产业互联网平台以及建筑机器人等5大类智能建造设备和124个具有较强借鉴意义和具有推广价值的新技术产品创新服务工作案例[13]。徐阳等[14]从材料、设计、建造、运维、防灾等多个维度的智能化建造研究归纳了当前土木工程智能科学与技术的研究现状。

2 智能建造专业的发展

智能建造专业是2018年由教育部正式批准的“新工科”专业。2018年同济大学首次招收智能建造专业学生。目前同济大学的智能建造专业已获批国家级一流本科专业建设点。

2.1 智能建造专业的培养目标

由于高校层次和人才培养定位不同,不同高校智能建造专业的培养目标存在一定的差异。根据同济大学、华中科技大学、东南大学、重庆大学等对智能建造专业培养目标的描述,得出以下结论:智能建造人才应具有跨学科发展能力、终身学习能力和创新能力,既要在知识结构上具有宽泛的知识面,将材料、计算机、控制等学科相关知识与土木学科的知识进行交叉与融合,也要在某一方面具备足够深入的专业知识,能够在未来的科学研究或工作中进一步深造[1]。

2.2 智能建造专业的发展现状

截至2022年3月,共有5个批次、71所高校获批开设智能建造专业(见表1),其中985/211高校14所、建筑老八校5所、建筑类特色高校4所、河南省高校3所。目前仅同济大学拥有第1批智能建造专业毕业生。

表1 国内普通高等学校智能建造专业开设情况

以上高校智能建造专业的主干课程一般分为4大类,即传统课程类、传统课程+智能类、智能类(计算机科学与技术类、机械与控制科学类)、智能+传统类等。这些主干课程在实际的课程内容和教学组织中,普遍存在跨学科、跨学院的授课模式。同时,各高校在人才培养方案修订的过程中,对于计算机科学与技术类、机械与控制科学类课程有所取舍,例如部分学校减弱了机械与控制类课程,更强调土木与计算机科学与技术的深度融合,加强了编程语言、数据处理方法、信息感知与传递、视觉与图像等方面的能力培养。

3 智能建造专业的“城建思考”

河南城建学院是以“城建”为特色的省属公办本科高校,确定了“建设高水平应用技术型河南建筑工程大学”的应用型定位和发展目标,2021年入选河南省“十四五”时期重点建设的示范性应用技术类型本科高校。新型建筑工业化是该校土木工程、建筑、环境工程、能源、交通、管理等若干传统重点学科的交叉方向。智能建造专业建设作为新工科建设的重要方向,是对河南省发展战略与学校本科发展规划的积极响应,也是对河南城建学院新工科建设的补充和推进。

3.1 河南城建学院智能建造专业的培养目标

在现有优势学科和专业的基础上,调查和思考智能建造专业对人才能力的要求,围绕学校城建类学科门类齐全的优势,持续优化人才培养方案、梳理知识体系和知识逻辑、构建与应用技术型本科相适应的课程体系和教学内容,进行特色鲜明的智能建造专业人才培养。河南城建学院智能建造专业的培养目标是:培养面向未来国家建设需要,适应建筑业转型升级和高质量发展需求,德智体美劳全面发展,基础理论扎实、知识面宽广、实践能力突出、科学与人文素养深厚,具有终身学习能力和跨界发展能力,能够在建筑产业全链条活动中胜任智能化、信息化的集成规划、设计、施工和管理等工作,具有良好职业素养、团队合作精神、系统思维和创新意识的高素质应用型复合人才。

3.2 智能建造专业的建设基础

河南城建学院先后通过了教育部普通本科高等学校教学工作合格评估和审核评估。该校土木工程专业通过了住建部高等教育专业评估、工程教育专业认证,是国家级一流本科专业建设点、河南省高校综合改革试点专业以及河南省一流本科专业建设点。该专业所在的土木与交通工程学院具有国家级大学生实践教学基地、省级特色专业、省级重点现代产业学院(智慧建造产业学院)、省级实验教学示范中心、省级虚拟仿真实验教学中心、省级产业集聚区产学研共建工程研发创新平台、省级工程研究中心、省级重点学科及多门省级一流课程。土木工程及相关专业的深厚积淀,加上学校“城建类”学科门类齐全、相关支撑专业门类宽泛的工科院校优势,对智能建造专业人才培养具备较强的支撑度。

3.3 智能建造专业的人才培养路径

同济大学卢昱杰等[15]对不同层次院校的不同类型教师开展了问卷调查,提出目前智能建造专业建设的挑战主要为:具有一定广度和深度的智能建造专业课程体系尚未完全构建;具有实际工程意义、培养学生创造力的实践课程尚未普遍开设;可供学生实践的建筑实操基地等硬件设施十分有限;可以覆盖全部课程体系的师资队伍尚未建立;有利于交叉学科发展的学校相关制度有待进一步建立健全。

围绕以上5点挑战,根据河南城建学院智能建造专业的建设过程和成果,总结了几点经验和思考,供相关高校借鉴:

(1)人才培养方案的制定紧扣学校定位,体现应用型特色。

综合分析土木工程、管理学、电子信息及自动化、计算机科学与工程、机械及自动化等方向,理清相关知识对智能建造专业支撑的内置逻辑,紧扣河南城建学院应用型人才培养定位,架构了体现应用型特色和城建类学科优势的人才培养方案。课程体系包含传统土木工程课程(工程制图、工程力学Z1、结构力学Z、工程地质、土力学与基础工程、混凝土结构设计原理、钢结构设计原理、建筑结构设计、装配式建筑等)、土木+智能课程(计算机绘图与BIM建模、土木工程材料、工程结构大数据和云计算、土木工程智能施工、工程测量与数字测绘、工程结构全寿命运维、房屋建筑科学、土木工程试验与智能监测等)、智能+土木类课程(Python语言程序设计、传感器与信息融合、智能建造装备与机器人等)、智能类课程(电工电子学、智能信息处理技术、智能控制等)。

在制定培养方案时,对传统土木工程课程进行升级改造,对跨学院开设的智能类课程进行多学院联合授课,对程序语言和BIM技术应用能力进行4年贯通式培养,最终达到“智能”和“建造”相互融合、相互凸显。这样就可以在具体的人才培养和课程建设过程中,避免知识的简单堆砌,实现各学科之间的有机融合,使培养的智能建造专业人才同时掌握信息技术与土木工程知识,真正成为具有复合知识体系的人才。

(2)重视实践课程建设与实践平台搭建,架构完善的实践教学体系。

工程的科学性和实践性是工程专业人才培养的固有特征,提高综合能力也是工程教育的重要内容,应当贯穿于专业人才培养全过程[1]。智能建造专业知识体系涉及多个学科的交叉融合,知识结构是网络、半网络结构,不是线性结构,需要通过不间断的综合训练,使学生形成工程思维。同时,实践性教学要引入新设备、新内容[16]。

河南城建学院智能建造专业的人才培养方案中注重实践教学环节的整体性、系统性、综合性以及创新性,特别考虑了专业实践教学内容及其与课程体系的相互融合。在土木工程专业原有的校外实习基地的基础上,结合结构工程省级虚拟仿真实验教学中心、平顶山市装配式建筑与BIM技术研究中心,先后搭建了工程结构展示、无人机航测、建筑数字产业互联网创新及虚拟现实技术展示、大型机械臂与3D打印等实习实践平台。与多家智能建造前端企业建立联系。逐步购进支撑虚拟教学可变场景创建的设备,例如:VR、智慧工地、3D打印机械臂、3D扫描仪、无人机等。

(3)建设符合智能建造专业需求的师资队伍。

师资力量、学时、跨学科组织、校企协同办学机制、经费等因素中,师资力量对智能建造专业建设的影响最大。河南城建学院依据工科院校和城建类特色的优势,不断加强智能建造专业师资队伍的适应性建设,逐年引进具备交叉学科背景的青年教师。河南城建学院智能建造专业目前有15名教师,他们除具备土木工程专业背景外,多数还具有较强的程序设计语言能力、BIM技术能力、工程实践能力等,特别是有些教师具备机械工程专业背景或人工智能专业背景。

(4)产业学院与专业集群双轮驱动,推进智能建造专业人才培养。

智能建造专业所属学院为土木与交通工程学院。该学院联合河南省30余家建筑业龙头企业和行业协会,成立了河南城建学院智慧建造产业学院,并于2021年获批河南省首批重点现代产业学院。学校立足城建行业,对接地方产业,构建了“规划与建筑设计”“工程建造”等7个应用型专业集群。这些专业集群涵盖了以“城建类”主体专业为核心的全校90%以上的专业。

智能建造专业依托智慧建造产业学院和7个应用型专业集群,推进产教融合,促进相关学科专业交叉融合,形成智能建造专业链,对接新型建筑工业化全产业链,将新产业、新业态、新技术、新模式融入教育教学改革,培养智能建造新工科人才,同时带动土木工程、工程管理、建筑学、计算机科学与技术、物联网、电气工程及其自动化等专业的升级改造和人才培养。

4 结束语

智能建造专业作为新生的工科专业,相关高校的专业建设仍处于探索阶段,还未形成成熟的培养模式。同时,由于开设此专业的高校层次不同,对于智能建造人才的培养定位亦不相同。本文阐述了智能建造与智能建造专业的缘起和发展现状,并立足于应用型地方本科高校的办学定位和发展规划,对智能建造专业的定位、课程体系、实践教学体系和人才培养路径等方面进行分析,总结了应用型地方本科高校视角下智能建造专业人才培养路径探索与实践的经验。高校新工科建设是一种跨专业跨学科的组织模式,特别需要学校层面的牵头推进,并给予配套的条件支持和政策激励。