人工智能背景下土木工程研究生培养模式研究

王 斌,邹 雪,王家滨

(西安工业大学建筑工程学院,陕西西安,710021)

研究生作为新时代创新的主体,是推动社会经济发展的高层次人才,对实施创新驱动发展战略有着举足轻重的作用,其培养质量对提升国家科技文化水平及综合国力具有重要影响。2018年以来,教育部印发了《高等学校人工智能创新行动计划》《关于“双一流”建设高校促进学科融合加快人工智能领域研究生培养的若干意见》等文件,其旨在引导高校将人工智能与其他学科融合发展,培养适应时代发展的“人工智能+X”复合型人才。[1-2]高校作为具有创新能力与合作精神的高层次人才培养基地,应针对国家战略发展需求和社会发展变化实现人工智能对相关学科的赋能改造,形成“人工智能+X”的复合型人才培养模式。[2]由于土木工程专业传统的研究生培养与行业发展需求逐渐脱节,因此部分高校以教育部文件为导向,开始了课程体系改革、创新创业教育以及交叉学科人才培养的探索,但是其目前对“人工智能+土木工程”研究生复合型人才培养模式的探索仍处于初步阶段。

因此,本文基于人工智能与土木行业发展背景,对现有人才培养模式进行探索与分析,总结复合型人才培养面临的问题,提出“人工智能+土木工程”深度融合的复合型人才培养模式,以期为“人工智能+土木工程”研究生复合型人才培养提供借鉴。

一、发展背景

目前,人工智能已推进人类社会发展从信息时代迈向智能时代,而争夺人工智能技术和“人工智能+X”复合型人才已成为各国抢占新一轮科技革命和产业变革的制胜关键。近年来,各国针对人工智能领域相继发布了战略计划[3],德国率先发布了工业4.0计划,接着英、法、美、日等国家相继发布了《人工智能:未来决策制定的机遇与影响》、《人工智能国家战略》、人工智能研究与发展战略计划以及超智能社会5.0计划。

为了抢抓人工智能发展的重大战略机遇,我国发布了《新一代人工智能发展规划》,明确指出人工智能是新一轮科技革命和产业变革核心技术。[3]面对明确的政策导向和发展目标,土木工程行业也在加快步伐,将人工智能技术应用于土木工程设计、建造、保养维护的全生命周期中,深刻改革土木工程的发展,全面提升土木工程行业的数字化、自动化、信息化和智能化。当前,人工智能在一定程度上对建筑设计、生产建造及保养维护实现了智能化赋能,但土木工程行业尚未将深度学习、机器学习算法、计算机视觉、3D打印、BIM、数字孪生等技术深度融合应用于工程项目中。因此,土木工程行业急需一大批“人工智能+土木工程”复合型人才,以此加快人工智能技术与土木工程行业的深度融合。

二、高校“人工智能+土木工程”人才培养探索

面对国家发展战略要求和行业发展需求,国内高校纷纷开启了“人工智能+X”复合型人才培养模式的探索。目前,已有部分高校开始了“人工智能+土木工程”复合型人才培养模式实践,并结合本校专业特色优势制定了相应的培养目标,如表1所示。

表1 国内部分高校“人工智能+土木工程”的复合型人才培养目标

由表1可知,目前大部分高校“人工智能+土木工程”复合型人才培养层次以本科和硕士研究生为主。其中,硕士研究生的培养目标更加个性化,以华侨大学为例,其培养目标以实践项目需求为导向,将土木工程专业进行细分,在不同的专业方向领域下开展“人工智能+X”人才培养模式试点。此外,部分高校能够结合自身所在的传统土木行业特色与学科优势,建立个性化的复合型人才培养模式,期望培养出能够促进传统土木行业转型升级,引领土木工程行业未来发展,解决复杂工程问题的复合型高级工程技术人才。本文以硕士研究生为对象开展后续的人才培养模式研究。

三、面临问题

(一)学科交叉融合不足

教学内容目标不明确,专业交叉融合不足。高校针对“人工智能+土木工程”的研究生人才培养模式尚处于初步探索阶段,开设的研究生课程内容仍以专业课知识为主,以人工智能相关课程的基础性知识为辅,教学目的只是让土木工程专业学生对人工智能学科有一定了解,并未将土木工程专业知识与人工智能学科进行深度融合。对于研究生教学,学科交叉融合不能止步于学科知识的简单叠加,而应该进行开拓创新,学科交叉融合应体现在多个维度上,如知识展现、教授形式、交流学习层面等,让研究生从探路者变为先行者,带动学科交叉融合发展。

(二)人才培养方案不科学

高校在“人工智能+土木工程”复合型人才培养中仍然沿用传统的研究生人才培养方案,仅在传统培养方案的某一环节添加人工智能培养元素,并没有达到人才培养模式改革的目的。复合型人才培养应该是在每个环节紧扣人工智能与土木工程交叉融合的新模式、新体系。此外,高校在评审课程体系设置时,应紧跟专业研究前沿和社会发展趋势设置教学内容、更新教学手段,而不是沿用传统课程教学设置。

(三)师资队伍建设紧迫

一方面,目前土木工程专业的研究生导师仅对本专业知识体系了解比较全面深入,对人工智能学科相关的知识了解较少;另一方面,人工智能专业教师对土木工程专业相关知识也了解甚少。指导教师知识体系的不健全造成了“人工智能+土木工程”交叉方向的研究生难以获得有效指导。此外,受制于教师的知识面,“人工智能+土木工程”交叉课程面临无人上课的窘境。[4]在培养师资队伍时,不仅要注重对有知识经验的教师进行交叉学科知识的培养,也要注重对年轻教师的复合型知识体系培养,这有利于学科交叉融合的长远发展。

四、“人工智能+土木工程”深度融合培养方式

(一)改革教学内容与方法

1.基础课程

相较于传统土木工程专业的研究生,复合型研究生不仅要具备扎实的土木工程专业基础知识,也要学习和掌握人工智能学科基础知识。其中,土木工程专业基础知识涉及弹塑性力学、高等混凝土结构理论、有限元理论与应用等,人工智能学科基础知识涉及计算机视觉、自然语言处理、机器学习等。鉴于学习时间限制和人才培养的个性化,研究生基础课程学习应具有针对性,明确学习基础课程的目的是给复合型课程、实践课程以及课题研究项目的学习打下坚实的基础。

2.复合型课程

复合型课程属于“人工智能+土木工程”研究生培养模式的特色课程,该类课程通过专业教师从案例库调取“人工智能+土木工程”工程实例进行教学。教师根据实际案例涉及的人工智能学科、土木工程专业知识以及专业融合点进行分析与讲解,启发研究生从案例中发现问题,思考如何进一步优化解决方案,并以小组汇报与课堂讨论的形式对案例进行深入分析,提升研究生的创新思维能力。

3.实践课程

研究生培养期间应将实践贯穿始终。研究生一年级以听学术讲座、定期组会汇报和参加专业竞赛的形式进行实践。研究生二年级以参加学术交流、学术报告的形式进行实践。研究生三年级则深入课题项目实践,根据课题研究内容,整理自己的毕业成果,参加毕业答辩。不同年级的研究生从不同形式的实践中了解专业前沿与人工智能的融合发展。

另外,学校可提供智能实验室,便于研究生在培养期间展开创新实践。具体而言,教师可以结合一些人工智能技术与土木工程中的案例应用,如混凝土3D打印技术试验、BIM工程实训等[5],让研究生实际模拟操作人工智能技术与工程案例应用的流程,加深研究生对BIM、3D打印、建筑机器人等土木行业领域人工智能技术的理解与应用。

(二)构建新的培养模式体系

“人工智能+土木工程”应属于新的专业方向,需要构建新的培养模式体系。本文根据以往教学模式及土木工程专业特点,对研究生培养路径全过程进行设计,如图1所示。

图1 研究生培养路径

如图1所示的人才培养路径分两条路线同时并进,从研究生一年级到三年级环环相扣,循序渐进。研究生一年级的培养,一方面让研究生通过专业基础课(包括土木工程和人工智能学科)打牢基础,参加学术讲座开拓视野,参与专业竞赛提升创新思维能力。另一方面,通过导师课题组轮转,让研究生选择有意向的研究方向与导师。在课题组轮转期间,研究生与导师课题组的双向选择有利于充分发挥研究生科研兴趣与导师研究议题间的合作效用。[6]研究生二年级的培养,一方面采用案例教学的方法开展复合型课程,提升研究生的实践能力与创新思维能力。另一方面,在确定课题组与研究方向后,研究生展开课题研究。研究生三年级的培养,以研究课题为导向,在设计、分析中培养研究生的创新成果能力。毕业要求方面,由于“人工智能+土木工程”专业融合发展处于探索阶段,因此对创新人才培养的毕业要求应放宽设置,毕业形式多元化,不应唯成果论、唯论文论。培养的最终目的是提升人才的能力,因此,毕业时应注重研究生是否在培养期间得到了能力的提升,可以增加对过程性报告成果的考查,从过程性报告中判断研究生在校期间是否对课题进行了深入探究,能力是否得到了提升。

(三)组建多元化导师团队

一对一导师负责制或双导师制的培养模式难以承担复合型人才培养的重任,急需组建一个以研究课题为主的导师团队。另外,由于高校的大多数导师不具备“人工智能+土木工程”的复合型专业知识,因此在组建导师团队时,高校应针对此种情况分两步走:第一步,导师团队以研究课题为载体,组建“人工智能+土木工程+研究课题对口企业”的专业人才导师团队,同时让土木工程专业的年轻教师对研究方向与人工智能结合的相关知识进行深入学习;第二步,土木工程专业教师已具有人工智能相关知识储备,本专业教师对专业方向前沿了解更加深入,对研究课题方向把握更为准确,形成以土木专业导师为主,人工智能专业和企业导师为辅的培养模式。

(四)搭建共享学习平台

在多元化信息时代,高校、企业之间应共享资源,搭建区域共享人才培养学习平台,这样才能突破资源限制,更好地培养适合行业发展需求的复合型人才。所以,基于复合型课程教学方法,高校和校企可以共同搭建“人工智能+X”案例库,加快案例库建设进程[7],这有利于教师从案例库调取教学案例,然后结合专业知识快速吸收、整理,以复合型课程的形式进行授课,从而推进“人工智能+X”的复合型人才培养。

本文以“人工智能+土木工程”研究生复合型人才培养模式为例,从教学内容与方法、培养体系构建、师资队伍建设和共享学习平台搭建方面对复合型人才培养模式进行了深入的探讨与分析。在教学内容与方法方面,可以利用高校和校企共同搭建的“人工智能+X”案例库学习平台,教师基于案例教学法,同时采用“基础课程+复合型课程+实践课程”的教学形式,将人工智能学科与土木工程专业知识深度融合到教学实践中。在培养模式体系构建方面,可以结合与时俱进的教学内容与方法以及多元化导师团队建设(以研究课题为主的“人工智能+土木工程+研究课题对口企业”的导师团队),构建基于“人工智能+土木工程”复合型人才培养模式的研究生培养路径。

在复杂多元化的时代背景下,未来土木工程研究生的培养必将朝着复合型人才培养方向发展。第一,人工智能技术的广泛应用将要求土木工程研究生具备一定的人工智能基础知识和技能,并且可以透过人工智能的基本原理和方法,将人工智能技术运用到土木工程的实际问题当中。第二,未来研究生培养过程中需要注重实践能力的培养。人工智能技术的应用需要结合实际场景进行调试和优化,因此,高校应加快智能实验室的建设,提升与企业的实践项目合作力度,让研究生可以参与到将人工智能技术实际应用在土木工程的过程中,提高其操作技术和解决问题的能力。第三,由于人工智能技术的快速发展,土木工程研究生需要具备持续学习和创新的能力。在研究生培养过程中,加强工程案例探讨与分析,注重学术交流、跨学科竞赛,参与创新实践项目,通过多方面的锻炼来提升研究生的创新思维能力。第四,人工智能技术在土木工程中的融合应用也将对未来土木工程师的角色和责任提出新的要求。土木工程研究生需要具备跨学科的综合素质,能够与计算机科学、人工智能等领域的专家进行合作,共同解决复杂的土木工程问题。因此,研究生培养模式也需要注重培养学生的综合素质,包括沟通能力、团队合作能力、领导能力等方面的培养。