基于土木工程智能结构微课的复合型人才培养模式探索
引文格式
欢迎按以下格式引用：方成、王伟、杨新月。基于土木工程智能结构微课的复合型人才培养模式探索[J].高等建筑教育，2021，30(1)：43-48。
关于作者
方成（1985—），男，同济大学土木工程学院副教授、院长助理，主要从事钢结构和抗震韧性结构研究，（Email） Chengfang@。
文章摘要
为主动应对工程行业多元化发展需求，顺应“中国制造2025”、“工业4.0”等国家战略，基于同济大学“共同基础+个性培养”的整体人才培养框架，本文深入阐述了土木工程智能结构的微观结构。课程的培养内涵和实施的紧迫性和必要性要面向复合型、国际化培养，深化教学改革，探索基于多学科交叉培养理念的课程体系、教学方法和课程考核机制，为智能结构课程知识体系的建立以及新的教学模式和方法的提出提供参考。
文章全文
世界新一轮科技革命和产业变革正在来临。为主动响应工程行业发展需求，以科技创新支撑“中国制造2025”等一系列国家战略，我们将在传统工程人才培养模式的基础上推进。多学科交叉融合、培养适应产业变革的高素质复合型人才，成为“新工科”发展环境下最关键的内涵和目标之一。在“共同基础+个性培养”的人才培养总体框架下，面对新工科建设的快速推进和土木工程行业转型的紧迫形势，同济大学土木工程学院推出“土木工程+微专业/微课群”建设，弥补传统培养模式下学生实践能力的不足以及毕业生能力与行业发展需求的脱节。智能建筑是目前最受关注的专业之一。为此，本文对土木工程专业的背景、课程体系、教学模式等进行了探讨。土木工程智能结构微课国际化的人才培养理念、多元化的考核机制。
一、建设智能结构微课的必要性和紧迫性
（一）符合国家战略发展
传统制造业面临转型，智能建造行业是顺应工业4.0和“中国制造2025”战略的必然产物。从培养计划来看，智能结构是土木工程和智能建造的重要新兴分支钢结构课程设计摘要，是新工程知识体系建设的重要组成部分。
智能结构是一门多方向高度交织的新兴前沿学科。具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。目前已成为国内外研究和教学的热点课题之一。智能结构课程以土木工程专业课程为基础，面向国家战略需求和建筑行业转型升级需求。集机械设计、制造及其自动化、电子信息及其自动化、工程管理等专业的课程内容于一体。目前，一些高校已开始逐步构建智能建造专业培养框架。传统土木工程专业智能结构的相关教学实践并不完善。因此，有必要紧扣国家战略发展需求，结合传统土木工程行业培训的优势与新兴行业的创新点，进行相应的土木工程智能结构微课程培训模式探索和课程体系设计。是为了满足国家智能基础设施发展的需要而开展的。
（二）符合“新工科”人才培养趋势
作为建筑行业人才培养改革的推动者和探索者，同济大学于2018年获教育部批准开设全国首个智能建造本科专业。目前，不少大学也已开设或正在筹划开设相关专业。智能结构课程体系作为智能建造专业的关键组成部分，应顺应建筑行业主流发展趋势，科学设置，有效提高学生的工程技术能力和跨学科能力，增强学生的工程意识。前沿学科。如何在同济大学现有土木工程人才培养体系的基础上，有效完善智能结构专业的教学结构，进一步推进土木工程+课程改革，对于同济大学乃至全国相关高校的复合型人才培养具有重要意义。国家。
2.土木工程智能结构微课改革思路探索
（一）“土木工程+智能结构”微课教学内容规划及课程体系建设
结合同济大学土木工程专业智能结构微课的培养理念，制定智能结构课程大纲，服务于本专业及其他相关专业的学生和毕业生，形成清晰的知识体系。以智能结构系统概述、智能材料、智能监控与检测、智能建造与管理、建筑3D打印、机器人工业建造、机器学习概论等为主要教学模块，构建各教学模块的知识点、收集案例库，建立习题库，完成全套《土木工程+智能结构》微课教学多媒体课件制作，形成全面、实用、前沿的智能结构课程知识体系。每个教学模块3学时，具体课程内容安排如下。 1.智能结构系统概述模块
智能结构是一门多方向、高度交叉的新兴前沿学科。它具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景，而且内容丰富，涉及领域广泛。作为课程的第一课，本教学模块首先梳理土木工程智能结构系统的基本概念和发展历史，以及结构智能过程的层次划分，包括自感知智能结构、自诊断智能结构等。阐述了结构、智能材料、智能控制、智能设计、智能管理等不同分支的特点和内涵，阐述了结构智能的不同目标。最后通过实例介绍智能结构系统在高层建筑、桥梁、基础设施等工程领域的前沿应用，让学生初步建立智能结构的概念。 。
2.智能材料教学模块
科技的创新往往伴随着材料的发展，与材料科学的携手进步无疑将成为未来几十年引导土木工程学科发展的重要手段。智能材料中最具代表性的是形状记忆合金（SMA）。 SMA主要具有两个显着特征：奥氏体状态下的超弹性（赝弹性）效应和马氏体状态下的形状记忆效应[3]。本教学模块首先讨论SMA两种效应的机理和触发方法，让学生掌握材料微观晶体相变的基础知识。然后讨论了SMA在土木工程中的应用现状，重点介绍了主动控制、半主动控制、被动控制三种方面和力学原理上的创新应用，并展示了SMA工程应用的经典案例，包括S意大利的圣乔治教堂、圣弗朗西斯大教堂和美国密歇根州的谢尔曼路桥。最后，简要介绍了SMA的数值模型和仿真方法。
3、智能监控检测教学模块
利用智能监测检测系统对结构进行终身健康诊断，可以有效避免和解决结构使用过程中出现的各种安全隐患，对土木工程结构的维护具有重要意义。本教学模块首先讨论了不同参数（应变、加速度、速度、位移、温度、频率等）的测量原理和特征信息的提取方法，并简要介绍了HHT、ICA、小波分析等经典方法[ 4]。然后讨论了智能传感器的基本构成，介绍了微处理器控制下传感器采集、处理和交换信息的基本原理。最后介绍了新型智能传感元件，包括形状记忆合金、压电材料（压电陶瓷）、磁电拉伸材料、光纤等。
4.智能建造与管理教学模块
现代智能化建设和管理离不开建筑信息模型（BIM）。 BIM不仅包含空间信息，还包含进度信息（4D）、成本信息（5D）、质量信息（6D）、安全信息（7D）等，通过对相关数据的结构化管理，不仅将建筑本身数字化，还数字化施工过程[5]。本教学模块首先介绍了BIM的基本概念和应用技术，讲解了基于BIM的人员管理、物资管理、质量管理、安全管理、成本管理、施工综合管理、机电安装、施工过程监控等基本概念。等等，最后介绍了BIM的基本概念。基础建模知识、使用REVIT软件建立房屋建筑设计三维建筑模型的基本步骤、使用Navisworks软件设计施工组织、制作建筑施工4D模拟动画的基本流程。
5.建筑3D打印教学模块
3D打印依靠新兴的增材制造技术给建筑行业带来革命性的变化。对于具有复杂几何配置的结构和部件，3D打印可以提高施工效率、优化结构应力、减少材料消耗和浪费。加快设计和施工过程是未来智能结构领域的重要技术之一。本教学模块将重点关注混凝土3D打印、复合材料3D打印和金属3D打印技术，讲解立体光刻、熔融堆叠成型、SLS选择性激光烧结、层状实体制造等打印方法及其基础知识。原理、现有建筑3D打印的经典工程案例分析（包括盈创房屋、卡斯蒂利亚-拉曼恰3D桥梁、Gemert自行车桥、MX3D人行天桥等），最后是3D打印的应用局限性、3D混合应用策略讨论了3D打印与传统施工技术的区别，以及3D打印在结构加固方面的应用前景。
6.机器人产业构建教学模块
工业机器人是机械与微电子相结合的机电一体化技术。它们是支撑智能建设的重要装备和技术。如今，5G通信技术和工业互联网的应用将为工业机器人行业带来更大机遇。本教学模块首先介绍工业机器人的背景和发展历史，然后重点介绍工业机器人在建筑行业的典型应用案例，包括挪威nlink移动机器人、澳大利亚3D建筑机器人HadrianX、美国砌砖机器人Sam 100、以及日本清水建设的喷漆。以及焊接机器人等，随后介绍了现有施工设备的远程控制和半自主智能升级解决方案。最后利用编程仿真软件进行训练，基于简单的预设目标，培养学生基本的机器人编程思维。
7. 机器学习入门教学模块
机器学习是一门多领域的交叉学科，致力于研究计算机如何模拟或实现人类的学习行为以获取新的知识或技能，以达到重组现有知识结构并不断提高自身性能的目的。本学科对于土木工程迈入人工智能时代具有重要意义。本教学模块首先介绍机器学习的基本原理、发展历史和分类方法，重点介绍机器学习在结构损伤图像识别领域的发展。然后介绍了基于MATLAB的机器学习的基本入门知识，并建立了简单的模型来执行分类任务。从多个文件导入数据，从原始信号计算特征，训练和使用机器学习模型进行预测。最后讨论了几种类型的监督学习模型，包括线性分类器（LR）、朴素贝叶斯（NB）、集成模型、回归相关模型的优缺点、数学假设、评估指标和计算方法。
（2）“土木工程+智能结构”课程教学模式
对于我们的本科生和研究生，课堂教学和辅助机房教学均以选修课的形式进行。主要教学方式包括课堂教学、课内练习、情景演练、程序辩论等，每个教学模块都设计了符合自身特点的小课题。学生可以选择感兴趣的课题并提交个人学习报告，也可以通过团队协作解决问题并提交团队学习报告；根据不同的培养水平和需求，确定不同阶段的学生。为实现培养目标，合理有效地分配课外教学开发资源，并提交开发学习日志。同时，可采取产学研结合、校企合作的教学模式，并可根据学生就业发展和企业实际需求进行工程案例分析。
为了使智能结构微课的教学内容更加全面、系统，增强学生综合、灵活运用课程知识的能力，适应校内外教学的需要，需要进一步丰富教学内容。教学方式以微课课堂教学为主，依托多媒体、移动互联网等技术，提高教学效率和覆盖面。通过在线问答、短视频教学、远程讲座等教学方式，进一步促进学生、教师、行业之间的频繁互动，激发学生的学习兴趣，提高创新能力。
（三）“土木工程+智能结构”课程国际化人才培养
经济全球化需要国际化人才和全球工程教育。为满足“新工科”对国际化高素质复合型人才的需求，课程改革也将适应国际竞争的需要，适当增加英语教学元素，引入最新的国际前沿研究，提供相关英国文学和英语教具。推动与国外合作院校课程学分互认和衔接，制定统一学分标准，搭建院校间学分互认平台，充分利用和共享国际优质教育资源，实现国际化、国际化。开放式发展微课教学。 ;了解国外大学师生线上线下互动、教学模式和学生学习反馈机制，及时与国际优质教学课堂接轨；紧跟国际智能结构工程前沿发展，及时邀请具有国际工程实践经验的国内外专家以微讲座的形式与学生进行线上线下交流。
微课程的设立应考虑国际工程教育专业认证的需要。同济大学土木工程学院把培养具有“全球意识、跨文化交流、国际视野、熟悉国际规则、具有参与国际合作与竞争能力”的优秀人才作为人才培养的重要目标，建立了与欧美工程教育专业认证接轨。培训体系。这是同济大学培养国际化人才的重要途径，也是大力发展智能建造本科专业和智能结构微型专业的关键。目前，智能建造本科专业刚刚起步，其培养理念是否符合核心目标群体（Core Objective）还有待明确。目前，“土木工程+智能结构”课程可面向国际工程师资格核心目标群体，提出符合智能新阶段国际工程教育认证要求的培养目标、教学要求和培养计划。建设类专业，形成面向国际的工程教育专业认证。微课教学与培训计划。
（4）“土木工程+智能结构”微课多元化考核机制
微课考核不采用单一的考试模式，而是更注重学生的专业素质、专业技术能力、洞察力、多学科协调与组织能力、沟通能力、团队意识等。考核方式多样化，如：增加个人课题学习、团队学习报告、日志记录归档、产品制作等，全面评价学生整个学习过程的活动情况，包括学习记录、团队讨论、任务分配和管理记录、计划分析等。记录、文献综述与分析、个人观点等。此外，还需进一步完善微职业证书颁发要求、微职业培训认证和信用认证体系。
值得一提的是，微课考核应避免“一刀切”。我们可以借鉴英国职业资格的核心目标要求，建立最低知识掌握要求的分级制度（即AKEB制度），完善本科生课外学分认证制度。以英国结构工程师学会（IStructE）为例，强调13项强制性核心目标，勾勒出考生各方面所需的基本能力，涉及各类结构工程技术、相关学科知识以及与管理相关的其他方面和法律。 、沟通等相关能力。每个核心目标都有相应的最低要求。英国职业资格认证一般采用四级要求指标，从低到高，分别是A、K、E、B。A的意思是欣赏：有一定的理解，知道内容与其他内容之间的关系。 K代表Knowledge：掌握基本内容并具备基本应用能力。 E代表Experience：能够在指导下完成任务，具有一定的创新能力。 B表示能力：能独立完成任务或组织团队完成任务，表现出较强的能力。这样的知识分级体系值得《土木工程+智能结构》微课等相关课程借鉴钢结构课程设计摘要，完善评价考核体系。智能结构微课对7个模块中的每个关键知识点和关键任务进行了最低要求分级，明确了学生需要达到的目标。以建筑3D教学模块为例，需要考核学生的能力包括打印方法及其基本原理（最低要求：K）；经典工程案例分析（最低要求：E）；分析传统施工方法和3D建筑打印的优缺点（最低要求：E）；具有查阅、整理、分析相关文献的能力（最低要求：B）；团队合作能力（最低要求：B）；能够撰写研究报告等（最低要求：B）。同样，这些能力可以通过多种方式量化和评估，包括测试、报告分析、口头报告等。
三、结论
在新工科建设快速推进和土木工程行业转型的新形势下，土木工程智能结构微课程改革以学生为中心，以新工科教育为导向。对同济大学现有土木工程智能结构进行了系统、全面的梳理。方向相关教学资源，在现有教学经验的基础上，推动新的教学方法的研究和应用，促进高校各学科的融合和特色课程体系的交叉，在基础上开展特色教学。传统的土木工程教学框架。特色鲜明的“土木工程+智能结构”微课内涵建设，建立了涵盖材料、结构、施工、监测、测试等方面的专业课程群，形成了新工科多元化的培养链条，改革创新教学模式，形成国际化人才培养教学理念和多元化考核机制，对于促进高素质复合型新工科人才培养具有重要参考意义。
结尾
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