新基建在土木工程学科中的定位及新专业建设研究

庄一舟，林心蓓，孙 博

（浙江工业大学，浙江 杭州 310023）

随着社会经济的发展，大国竞争已逐渐转变为科技和人才的竞争，新型基础设施建设日益受到重视。新型基础设施建设，简称“新基建”，包括人工智能、交通运输、大数据、信息通讯等七大领域，涵盖各大基础产业链，是为推动我国经济转向高质量发展而提出的创新型智慧基础设施体系[1]。相较于传统基础设施建设，新基建是新兴事物，瞄准了产业转型升级，无论在哪个领域都是对既有科技的提升与改良，能够引领新一代的经济革命[2]。

从行业发展的角度来看，新基建对土木工程行业的影响是巨大的。虽然我国是建造大国，但由于对核心建造技术的研发不够深入，粗放型的建造方式产生了一系列诸如资源浪费严重、恶劣环境建造困难、劳动力日益短缺、生产效率低下等问题，且我国建造业发展起步较晚，与发达国家仍存在较大的差距。此外，社会需求的扩大使得工程建造趋于复杂化，土木工程行业迫切需要转型升级。在新基建环境下，德国“工业4.0”“中国制造2025”“一带一路”等战略均强调了要把“智能建造”当成行业的发展目标与发展方向。顾名思义，智能建造强调“智能化”，能极大地提高工程建造的效率与质量，同时促进了各学科之间的交叉渗透，为土木工程学科的发展提供了新的思路。土木工程行业的快速发展对人才需求及培养模式有了新的要求，国内高校越来越注重培养能够顺应时代发展的综合型人才。在新基建背景下，国内外学者对土木工程学科改革进行了大量的探索与研究。徐伟杰等强调了实验室在土木工程学科建设中的重要性[3]，并针对实验室教学资源有限，教学人才匮乏等问题提出了相应的实验室教学改革对策；马晓雨等在土木工程教学中结合学科竞赛热点问题[4]，并融入计算机学科人工智能领域，对土木工程课堂教学进行了改革，同时还介绍了教学方法与考核方式；郑建波阐述了土木工程毕业设计实践教学的现状及存在的问题[5]，并提出了一些有针对性的创新改革方向，明确了教学设计方法；安栋等介绍了智能建造专业给土建制图课程带来的新挑战[6]，探索了BIM技术在土建制图课程中的应用，为新专业建设提供了可行性建议。

传统的教学方式已经难以满足当今高速发展的社会需求，为顺应时代发展目标，提升教学成效，国内已有部分高校开设了“智能建造”专业。该专业是新型复合工科专业，以土木工程学科为基础，与人工智能、自动化、计算机视觉等新技术交叉融合，也是土木工程专业人才培养的新方向。

一、新基建催生智能建造专业

智能建造专业的开设适应了国家战略转型需求，是土木工程学科在新基建环境下的产物。新基建把握了新发展的时代方向，是土木工程学科强大的外推力与动力源泉，这也就意味着未来土木行业对人才的需求与过去不同。“智能化”对人才的知识掌握能力有较高的要求，土木工程专业以三大力学（理论力学、材料力学、结构力学）为基础，涉及弹塑性力学、流体力学、土木工程材料、岩土工程、桥梁工程以及道路勘察设计等学科，而智能建造专业融合了土木工程、机械工程、电子信息科学与工程、控制科学与工程等学科的基本原理。

智能建造的学科背景大致包括以下三个方面的内容。（1）智能规划与设计：基于CPS 技术（信息物理系统）进行数字孪生模型暨建筑一体化设计，例如，同济中车基于模块集成的智能建筑、世界上第一个完全由计算机设计的永久建筑等。（2）智能装备与施工：侧重于建造过程的时变机理及其决策，利用人机协同技术如重载机器人、3D 打印等进行工程项目的施工，如上海世博会阳光谷首创铸模机器人、智能车间及机器人建造技术的应用等。（3）智能防灾与运维：研发基于机器视觉识别和大数据的智能防灾系统，通过开发自主知识产权的BIM软件，进行结构全生命周期的智能运维、智能优化与控制，如桥梁检测与维修机器人的使用、施工现场危险行为智能识别等。

智能建造专业要培养的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，能胜任建筑和交通基础设施工作，具有领导能力和创新能力的专业栋梁。当前，传统土木工程专业学生课程教育的目标通常为掌握土木工程领域坚实的基础知识和系统的专门知识，了解本行业的发展趋势，能够运用合理方法解决工程实际问题，具备独立从事（领域内某一方向）技术工作的能力。而智能建造专业的课程目标应在传统土木工程专业课程目标的基础上大力拓展学生了解国内外土木工程学科理论、设计与应用的前沿性知识，明确土木工程行业智能系统的发展趋势，紧紧围绕智能建造技术在土木工程结构物的设计、建设、监控、养护等环节进行应用创新，培养学生掌握分析土木工程结构物的智能方法，提高对实际工程进行智能化分析的创新能力。全面开展土木工程智能建造技术研发与实践，推动培养模式改革，是土木工程学科的新型发展趋势。

二、国内外调研

为满足新工科建设对人才的大量需求，以同济大学为首，截至2021 年6 月，国内共有24 所高校成功申报智能建造专业，如图1 所示，其中985 高校3 所，211高校3 所，无论是研究型大学、应用型大学还是研究/应用型大学，教育部均鼓励申报该专业。大部分高校依托土木工程专业，而少部分高校依托工程管理专业，开设智能建造专业。还有相当多的高校较为严谨，仅在土木工程专业内新设立一个智能建造方向，或是在工程管理专业内新设智能建设管理方向。

图1 开设智能建造专业的高校

目前，智能建造专业是我国为提高国际竞争力而形成的一个新型工科专业，国外高校并未设置智能建造专业。为了更好地呈现国内外高校土木工程学科课程设置的差异性，本文选取了四所国内开设智能建造专业的高校与四所国外顶级的土木专业强校，通过对比分析，找出国内相关院校人才培养的切入点。

表1 为国内开设智能建造专业高校的课程设置情况。由表1 可见，各高校智能建造专业虽然课程设置有所差异，但总体培养方向都是一致的，均以土木工程为主干学科，融合了计算机科学与技术、机械工程、控制科学与工程等基本学科，打造面向工程与未来科技发展的学科交叉培养模式。与传统土木工程专业相比，智能建造专业知识面更广，学生需要掌握的技能更多，更能适应未来社会的发展需求。

表1 国内开设智能建造专业高校课程设置

表2 为国外著名土木工程强校课程设置情况。由表2 可见，国外高校强调大类通识教育，重视培养高级复合型研究人才，虽未开设智能建造专业，但在土木专业课里开设了较多的结构设计及分析类课程，强调结构分析的计算机软件应用，注重培养学生的创新思维能力与信息化技能。在调研时发现，新加坡国立大学采用了“虚拟岛计划”，学生在自己的计算机上创造一个虚拟岛，大一大二时在岛上进行基础设施规划，例如搭建桥梁、铺设道路、布置房屋建筑等，大三大四时对它们进行模拟施工或者设计，通过这一方式既能提高学生的计算机操作能力，又能培养学生学习兴趣，并对土木工程领域有更为深刻的认识。且国外绝大多数高校与企业合作办学，派遣学生到校外企业实习，为学生打造一个实践平台，有利于学生实现从学校到社会的接轨，值得许多国内高校参考学习。

表2 国外著名土木工程强校课程设置

目前，国内各高校在智能建造专业的建设过程中难免会面临一些困惑，例如智能建造专业的学科范式和专业内涵是什么，如何定位培养模式与人才培养目标，如何打破不同学科之间的壁垒进行知识体系和课程设置，如何创新教学方法与授课形式，如何跨越专业和学院的藩篱重构教学组织模式，如何对这一新型交叉学科的培养方式进行考核评价，毕业生能否满足“智能化”的要求等都是亟待解决的问题，目前为止还没有成熟的经验可以借鉴。另外，高校学生（特别是研究生）的培养质量与师资队伍的建设息息相关，但大部分高校的师资力量对智能建造技术还比较陌生，传统知识结构亟待更新，难以有效地指导研究生开展相关的学术研究和实践活动，预期的人才培养目标完全实现是较为困难的。因此，智能建造专业需要制定合理的人才培养方案，为我国新工科建设发展助力。

三、智能建造专业人才培养建议

笔者结合各高校智能建造专业的实际情况与国内外调研，总结得出了以下几条智能建造专业的人才培养建议。

（一）结合本校特色开设不同专业方向

古人有云，“术业有专攻”，智能建造专业涵盖多种学科知识，要想多者兼顾，在每门学科上都深入钻研，完全可以说是在培养“超人”，这种超能力是一般学生所不具备的。每所高校都有自己的强势专业方向，应以土木工程专业知识为主干，横向交叉信息、管理、机械、电气等专业知识，但切忌贪大求全，应结合本校特色确定交叉哪些学科的哪些知识，并最终落实到具体建造对象的具体建造过程中去。除了通识课与专业基础课外，专业课方向通常可按照建造对象来划分（房建方向、路桥方向、地下方向），也可按照建造过程划分（设计方向、施工方向、运维方向），前者以北京建筑大学为代表，后者以青岛理工大学为代表。唯有同济大学是以所交叉学科来划分方向的，学生本科毕业后均进入所交叉学科学院继续攻读硕士研究生学位，全球独一家，其他高校无该条件。

在此基础上，若以建造过程为X 轴，以建造对象为Y 轴，智能化手段（协同设计、数字管理平台、动态施工设计、实时监控反馈等）为Z 轴，每个方向对应XYZ 空间中的某个落脚点即可。全国各高校所开设的各方向，最终必能覆盖XYZ 空间中的所有落脚点。根据调研结果，结合福州大学既有的专业特色与科研特色，课程方向可进一步分为设计方向（重点为房屋建筑的协同设计）、施工方向（重点为盾构法隧道的动态施工控制）、运维方向（重点为桥梁的健康监测）。各高校应根据自己的培养目标与培养条件，合理开设不同专业方向，一味追求全面或者效仿其他高校，可能会导致事倍功半，得不偿失。

（二）根据专业方向合理选择开设课程

智能建造专业依托于土木工程，在设置课程时应该充分考虑土木这一特点，不能偏离工程建造这个“本”而去过分追求智能化[7]。智能建造专业课程体系的构建应以土木工程专业知识为主干，根据本校设置的不同专业方向合理选择智能建造为辅助课程的比例设置。不同高校专业特色不同，在设置课程时不应对多学科课程进行简单的叠加或大拼盘，课程结构应与该校的专业侧重方向密切相关。同时，应注重学习智能建造的软件分析技术，将其运用到建筑物的设计、施工、监测等环节，通过这些技术分析手段改进传统的土木工程理论与实践脱离的状态，促进土木工程专业的智能化发展。智能建造可开设的课程有：计算机视觉、大数据与云计算、BIM 基础技术、人工智能及其应用、3D 打印技术等。每位学生结合自己的专业方向，在学好土木工程专业课的基础上合理选择部分智能建造相关的选修课，充分利用这些智能化的平台，对提高学生运用现代高科技手段解决工程实际问题的能力有很大帮助。待毕业时每位学生具备掌握一种（计算机、人工智能）软件语言，驱动一个（机械、自动化）硬件设备，完成一项（土木）工程建造活动的能力。

（三）改进课程教学方式与考核方式

近些年的教学改革措施主要都是提倡教师改变教学方式，锻炼学生主动思考的能力，将理论与实践相结合，培养学生的综合素质。然而，部分高校仍然遵循以往的教学模式，课堂教学依旧以教师为中心展开。现在由于融合了人工智能、大数据、物联网等新型技术，对这一目标的实现有了很大的帮助。教师可以充分利用这一技术方法，减少讲课学时，增加辅导与实验学时，搭建一个平台，让学生独立去思考、去实践，并通过智能化的软件完成课程设计，将课堂转变为以学生为中心，调动学生的主动参与性，注重学生各项能力的均衡发展。

同时，土木工程学科课程教学方式可以设置得更加灵活多样，例如开设土木类、计算机类和机械类学生的公共课，鼓励不同专业的学生合作完成小组项目，进行不同领域的思维碰撞。知识汲取、能力锻炼与创新精神的培养同等重要，应在校内建成设备完整的开放性实验室供学生进行学习研究，形成实验和理论双重教学。有资源的高校可以和相关企业进行合作，建立校企合作的实践教学基地，注重智能化的现代应用能力培养，让学生亲自参与到工程项目建设中去。还可以复杂工程问题为依托，面向行业领军企业征集遴选学生毕业设计题目，紧密结合工程实践和行业发展，匹配校内外导师，共同参与课题的指导与论文答辩考核，保障教学目标的有效达成。

采用书面考试或者课堂汇报的形式进行课程打分是较为传统的考核方式，难以考察学生的实践创新能力，且对学生日常学习状态的监督较为困难，无法全面检验学生的学习效果。智能建造技术的普及可以改善传统考核评价方法的不足，教师通过线上课堂互动、课后作业的提交、线上测试等方法对学生的学习效果进行多方式考核，有利于及时发现学生在学习过程中存在的各种问题，并进行提醒纠正。还可将学科竞赛融入到课程考核中，鼓励学生积极参加结构设计竞赛、智能建造大赛以及“挑战杯”竞赛等，对取得优异成绩的学生给予一定的课程考核加分。通过多项考核指标能够有效评价学生的学习效果并建立反馈机制，方便学生进行自我总结与反思。

（四）加强国际交流

目前，我国智能建造技术发展迅速并且日益成熟，但国外发达国家的基础设施建设及技术依旧处于世界领先水平，我国与国外的技术发展仍存在一定的差距。当今中国倡导、各国共建“一带一路”，实现全球化需要与时俱进的基础设施，而支撑全球化的基础设施已经明显老化、滞后。培养国际化的土木工程学科人才一直是个热门话题，学习国外先进的新基建技术是十分必要的。

为了加强国际合作，增强各个国家之间的友谊，国内许多高校招收外国留学生，但外国留学生与国内学生的培养方案不同，生活方式也不同，在一所高校里都难以做到中外沟通，更不用说在全球化背景下同那么多国家进行交流。高校所培养的土木工程学生是国家未来从事土木行业的栋梁，因此必须要加强国际交流。在智能建造专业中可以开设对外工程方向，选择这个方向的学生可与外国留学生一起上课，采用相似的培养方案，使这部分学生在校园内能够和不同国家的人相处，了解东西方工程建设的差异与文化差异，并在今后的出国深造中能更好地融入国际环境，更快地学习国外高端技术。同时，学校还可以聘请外籍教师授课，提高学生的学习兴趣。

（五）加强师资队伍建设

师资力量是一所高校学科建设的重要内容，高校承担着高质量智能建造人才的输出与培养，因此师资力量决定了人才的质量。由于教师的知识结构有限，有些智能建造课程或许会面临无人上课的窘境，智能建造专业的人才培养需要高水平的师资与之匹配。教师不仅应对本学科的专业知识有足够的了解与掌握，还需要做好准备迎接新工科的教育目标，积极主动地学习本学科外的计算机视觉、BIM等前瞻性技术，调整传统的知识体系，汲取新技能。当前，很多年轻教师在研究生毕业后直接于高校就业，虽然具备了较高的学术知识水平和科研能力，但由于没有工作经验，缺少工程实践基础，因此有必要主动同校外企业的工程技术人员进行沟通合作，提升自己的专业综合能力。高校还应健全激励政策，鼓励教师继续教育，进一步提高教师的教学与科研水平，有条件的高校可以支持教师开展对外访学交流活动。此外，高校还可以聘请企业中同时精通计算机、机械方面技术与土木工程专业知识的优秀人才担任学科兼职教师，建立专业齐全的师资队伍。

四、结语

新型基础设施建设能够为我国经济长期稳定发展提供有力的支撑，新基建这一国家战略的展开，给土木行业的发展带来了一个强大的外推力。新基建环境下，国家对智能建造的扶持力度不断加大，为土木工程这一传统学科注入了崭新的血液。我国智能建造技术刚刚起步，正处于探索阶段，大多通过学习国外先进技术来弥补国内技术的不足，在建造理论上仍缺乏进一步的深入探讨，因此我国须不断坚持创新发展战略，在技术与理论上开拓思维，形成符合国情的智能建造核心体系。目前，我国已有部分高校成功开设智能建造专业，未来也将有更多的高校加入到这个行列中来，智能建造专业课程建设与培养模式还需要在未来的教学实践中不断地发展与完善。各高校应时刻关注行业发展现状，紧跟时代发展步伐，培养同时具备多种优秀学科知识的高素质现代新型工科人才，推动我国基础设施建设迈上一个新的台阶。