“新工科”背景下引入人工智能理念的“结构概念与创新设计”课程的构建

马晓雨 生龙

摘  要：基于“新工科”建设对地方高校土木工程专业学生能力培养的要求，将课程改革创新与学科竞赛相结合，交叉融合计算机学科人工智能领域和土木工程专业知识，构建了“机构概念与创新设计”课程建设方案，制定了课程的教学目标与大纲和课程的具体组织与实施环节。实践成果表明，将学科竞赛与课程改革有机结合，融合跨学科的工程解决方案，是培养大学生综合应用所学知识解决复杂工程问题能力的有效途径。

关键词：“新工科”建设;教学改革;学科竞赛;复杂工程问题

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）06-0036-03

Abstract： Based on the requirements of the "new engineering" construction for the ability training of civil engineering students in local colleges and universities， the combination of curriculum reform and innovation with the discipline competition， cross-integration of the field of artificial intelligence and civil engineering expertise in computer science， and the construction of "institutional concepts and innovative design". The curriculum construction plan has formulated the teaching objectives and outline of the curriculum and the specific organization and implementation of the curriculum. The practical results show that the combination of subject competition and curriculum reform and the integration of interdisciplinary engineering solutions are effective ways to cultivate students' comprehensive knowledge of the ability to solve complex engineering problems.

Keywords： "new engineering"construction; teaching reform; subject competition; complex engineering problems

根據教育部发布的《2017年中国教育事业发展统计公报》统计数据，我国共有普通高等学校2631所，各类高等教育在学总规模达到了3779万人，校均规模10430人，其中本科学校14639人。面对如此庞大的高等教育学生群体，企业却面临着“无人可用”的困境。与此相对应，毕业生则同时面临“就业难”的问题。麦肯锡全球研究院的报告指出，我国工程类院校的学生培养普遍存在重认知教育和应试能力，对学生实践能力、创新能力以及应用新兴信息技术的能力培养重视不够。此外，传统的地方院校工科类人才培养模式缺乏人文社科理念的融入，导致“土木”类学生设计作品欠缺“艺术美学”，限制了学生的创新能力[1]。

为提高我国高等工程教育水平，探索未来新型工科技术人才的培养模式，使我国工程教育从规模大国走向质量强国，2017年教育部在“‘新工科’建设复旦共识”的基础上启动了“新工科”发展研究工作，随后的“天大行动”、“北京指南”，将具有新理念、新特征、新知识、新模式、新机会、新人才特点[2]的“新工科”人才培养的改革创新之路推向了高潮。对地方工程类高校的学科交叉融合[3，4]、实践创新能力培养[5]提出了更高要求。做为冀南地区唯一一所综合性工程院校，河北工程大学十分注重培养本科生的创新实践能力，加重了本科生研讨类和专题讨论类课程的建设强度，积极引导学生参加大学生竞赛实践活动。“结构概念与创新设计”课程正是在“大学生结构设计大赛”的背景下重点建设的一门创新实践类课程，旨在培养学生的跨学科学习和结构设计创新能力，教学面向主要是土木工程类专业大三学生。在课程建设中，结合“新工科”复合型工程人才培养的要求，在“大学计算机——Python程序设计”通识课程的基础上，将“人工智能”相关算法理念和土木工程专业力学相关课程有机结合，提出了“学科竞赛+智能创新”的教学模式，其中“学科竞赛”主要指国家级、省级和校级大学生结构设计竞赛，“智能创新”指“人工智能”相关理念和土木专业力学类课程内容相结合。本文提出了“结构概念与创新设计”课程“新工科”建设背景下课程的教学目标与大纲，构思与设计，组织与实施等具体内容。

一、教学目标与大纲

“结构概念与创新设计”课程基于研究创新型教学理念，在学习完大学物理、结构力学和材料力学等基本理论知识的基础上，围绕“全国大学生结构设计竞赛”中涉及的前沿和热点工程问题，结合人工智能相关算法理念，选择创新实践性较强的若干专题供学生学习和研究，采用启发式、翻转式和案例式等课堂教学方法开展与计算机学科交叉的研究型教学，学生在知识探究中发展自主学习能力、解决问题的能力和工程实践能力。课程以土木工程专业知识和人工智能相关理念相结合为切入点，主要教学内容如表1所示。

二、课程的组织与实施

本课程的理论教学部分以结构创新设计和人工智能相关理念的传授为主，实践部分结合“全国大学生结构设计竞赛”题目的要求引入人工智能理念进行专题结构设计方案制定。

（一）教学过程

1. 导论讲授和专题介绍。课堂上以教师理论讲授和案例教学的方式进行相关知识的导论讲授和“全国大学生结构设计竞赛”的专题分析。每周4课时，历时4周。

2. 个人子课题与小组选题。由教师组织引导，参考往届“大学生结构设计竞赛”题目，学生自主选择感兴趣的方向，自由结组，进行专题调研，通过资料查阅、相互交流，确定个人研究方向，拟定小组设计题目。课上2学时。

3. 研究方案研讨。在设计方案初稿的基础上，采取组内讨论的基础上进行设计方案的修改和完善，重点理清设计思路、步骤和进度，以及可能存在的技术、伦理问题。1周时间，课下进行。

4. 研究方案汇报交流。在组内讨论的基础上，教师课上汇报和交流。每组设计PPT课件进行初步改进方案汇报，就选题依据、研究意义、社会价值、组织架构、设计内容、进度安排、预期成果、可能存在的问题等方面进行汇报和讨论。课上交流，6学时，课程课堂部分到此结束。

5. 研究方案优化改进。课程课堂部分结束后，各小组要在课下结合研究方案汇报交流的信息，相互取长补短，对设计方案进行再次优化改进。2周时间，课下进行。

6. 个人子课题提交和方案总结。课程课堂部分结束后，每个设计小组有2周时间进行最终方案的优化和完善。最后每名学生要求提交个人课题总结报告1份，每个小组要求提交项目申请书和项目设计方案各一份。同时，各组要参加校级“大学生结构设计竞赛”，选其中成绩优异者参加省级比赛。

（二）教学方法

本课程延续CDIO工程教育模式，结合“新工科”建设对地方高校工科类专业的改革要求，以“工程教育认证”为目标，交叉了计算机学科中的人工智能领域和土木工程专业的相关知识，采用案例式、启发式和翻转课堂等教学方法，引导学生综合应用所学理论研究解决建筑结构中复杂工程问题的方法，并提出具体解决方案。以“大学生结构设计大赛”为依托，培養土木工程学生的结构概念创新思维，强化学生工程实践能力，同时加强师生互动，以学习、研究、实践、检验的形式，达到培养学习兴趣、强化工程能力、提升理论水平的目的。

（三）考核方式

本课程以问题为引导，采取组内、组间和教师三级评价相结合的考核评价方式，各占20%比重。此外，校内“大学生结构设计竞赛”成绩占40%。成绩评定设为优秀、良好、中等、及格和不及格五个档次，比例控制在10%、30%、50%、5%和5%。本课程的考核方式充分体现了学生个人兴趣、开放式学习能力培养和学科竞赛的有机结合。通过跨学科的综合知识学习，锻炼了学生自主学习、持续学习和知识综合能力。

三、结束语

我校自“结构概念与创新设计”课程开设以来，以“大学生结构设计竞赛”为平台，将人工智能与土木工程两个领域的专业知识相结合，继承我校CDIO教学模式的改革经验，在“新工科”建设的大背景下，以“工程教育认证”为目标，探索了研究型教学、创新型设计和学科竞赛相结合的教学改革模式。截止目前，依托该课程，我校共组织了3届校内“大学生结构设计竞赛”，参加了2届“河北省大学生结构设计竞赛”，1届“中国大学生结构设计竞赛”，取得全国二等奖1项，省一等奖1项，省二等奖1项，课程建设团队（5人）在教学能力和专业素养方面得到了较大提高，为我校其它相关课程的改革明确了方向。

参考文献：

[1]蒋志刚，詹豪，刘飞.CDIO理念与“结构概念设计与创新”课程的构建，2014（8）：128-131.

[2]徐晓飞，丁效华.面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J].中国大学教学，2017（6）：6，10.

[3]尹子涵.计算机在土木工程中的应用[J].计算机工程应用技术， 2017（12）：51-52.

[4]张亚帅.展望未来的智能“土木”[J].科技与创新，2018（4）：70-71.

[5]宋高嵩，林莉，王晓东.采用竞赛方法进行土木工程专业实践教学考核的探讨[J].佳木斯大学社会科学学报，2018，36（3）：176-178，182.