工作坊教學(xué)模式在智能建造與運(yùn)維人才培養(yǎng)中的實(shí)踐探索

范成 何煒麟 丁志坤

[摘 要]與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)不同，工作坊教學(xué)主要采用“師帶徒”的教學(xué)形式，具有科研屬性強(qiáng)、師生交互度高的“精英式”教學(xué)特點(diǎn)。以工程管理專業(yè)人才培養(yǎng)為背景，以拓展學(xué)生數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識體系和計(jì)算機(jī)編程能力為目標(biāo)，對工作坊教學(xué)模式在智能建造與運(yùn)維領(lǐng)域人才培養(yǎng)中的效果進(jìn)行了探索，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核機(jī)制層面提出了改革思路。

[關(guān)鍵詞]工作坊教學(xué)；數(shù)據(jù)分析；智能建造；實(shí)踐教學(xué)；科研能力

[中圖分類號] G642 ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 1008-2549（2023） 01-0110-03

一、引言

智能建造與運(yùn)維人才的培養(yǎng)對提升我國建造行業(yè)的智能化和精細(xì)化水平有重要作用。[1，2]相關(guān)行業(yè)對人才的信息化技術(shù)和數(shù)理分析能力有較高要求。如何將前沿信息化技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)有機(jī)融入大土木教育體系中，拓展學(xué)生的信息化知識和實(shí)踐技能亟待解決。[3]傳統(tǒng)的課堂教學(xué)易于傳遞經(jīng)典理論知識，但在講授前沿信息化知識和現(xiàn)代化工具方面具有一定局限性，難以讓學(xué)生快速、全面地了解前沿技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力上具有先天劣勢。[4]

工作坊式教學(xué)模式主要采用“師帶徒”的教學(xué)形式，具有科研屬性強(qiáng)、師生交互度高的“精英式”教學(xué)特點(diǎn)。[5，6]這一教學(xué)模式是傳統(tǒng)課堂的自然延續(xù)，對篩選和培養(yǎng)拔尖人才具有積極影響。本文以工程管理專業(yè)人才培養(yǎng)為背景，以拓展學(xué)生數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識體系和實(shí)踐能力為目標(biāo)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核機(jī)制層面探索了工作坊式教學(xué)在培養(yǎng)智能建造與運(yùn)維人才中的價(jià)值。

二、教學(xué)內(nèi)容前沿化：側(cè)重人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的知識更新

智能建造與運(yùn)維側(cè)重信息化和數(shù)字化，因此在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置中應(yīng)特別突出前沿信息化技術(shù)原理和二次開發(fā)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。比如，建筑信息化模型（Building information modeling）是建造領(lǐng)域日趨成熟的信息化技術(shù)之一。傳統(tǒng)教學(xué)側(cè)重軟件工具的直接使用，在編程與二次開發(fā)方面的能力培養(yǎng)欠缺。考慮到不同建設(shè)項(xiàng)目在建造和管理過程中的特異性，現(xiàn)有軟件功能很難滿足項(xiàng)目的特定需求。因此，在工作坊教學(xué)中，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)BIM軟件原理方面的介紹，設(shè)定編程與二次開發(fā)的教學(xué)內(nèi)容，起到進(jìn)階知識的培養(yǎng)功能。

智能建造與運(yùn)維對數(shù)理統(tǒng)計(jì)能力也提出了較高的要求。目前，智能建筑中嵌入了大量的傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，每天產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的運(yùn)維數(shù)據(jù)，全面分析及充分挖掘這部分?jǐn)?shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)建筑智能運(yùn)維的關(guān)鍵。如何在海量傳感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，做出正確有效的工程決策是新時(shí)代工程管理人才應(yīng)具備的特質(zhì)。目前，工程管理專業(yè)在數(shù)理統(tǒng)計(jì)方面的課程注重經(jīng)典知識的講授，如線性回歸模型、基于移動平均的時(shí)間序列分析等，對前沿機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法的涉及較少。在相關(guān)統(tǒng)計(jì)類本科課程的教學(xué)過程中，作者發(fā)現(xiàn)工程管理專業(yè)學(xué)生通常對經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法不感興趣，但是對前沿算法具有一定敏感性和自主學(xué)習(xí)意愿。因此，在工作坊這類“精英式”教學(xué)活動中，建議從分析算法的主要門類入手，分別介紹經(jīng)典和前沿算法代表，提升學(xué)生對分析算法的認(rèn)知。同時(shí)，為了讓學(xué)生更好地理解算法功能及其在建造行業(yè)的應(yīng)用潛力，建議結(jié)合具體計(jì)算機(jī)編程語言展開教學(xué)（如R或Python語言），在鍛煉學(xué)生信息化編程能力的同時(shí)，也在具體任務(wù)中培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)思維和實(shí)踐能力。

據(jù)此，作者設(shè)計(jì)了如下圖所示的教學(xué)內(nèi)容，主要分為算法理論介紹和編程實(shí)操及科研任務(wù)參與三部分。其中，在算法理論介紹方面，從非監(jiān)督類和監(jiān)督類兩大門類入手，分別從淺至深地介紹了相關(guān)代表算法。針對非監(jiān)督類算法，從功能出發(fā)，設(shè)置了聚類分析、關(guān)聯(lián)法則挖掘和異常診斷三部分內(nèi)容，同時(shí)在對應(yīng)環(huán)節(jié)介紹了代表性算法，如K-means聚類算法，Apriori關(guān)聯(lián)法則算法和基于自編碼器的異常檢測方法。針對監(jiān)督類算法，從預(yù)測問題屬性（如回歸或分類問題）和算法復(fù)雜性（如線性或非線性）兩個(gè)層面設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，規(guī)劃了線性回歸、邏輯回歸、支持向量機(jī)、決策樹、集成學(xué)習(xí)、全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容，讓學(xué)生對數(shù)據(jù)分析算法形成大致印象，對解決不同數(shù)據(jù)分析問題形成初步思路。

在編程實(shí)操方面，作者以R語言為工具，從軟件基礎(chǔ)操作出發(fā)，講授了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)可視化、算法實(shí)現(xiàn)、模型解讀與定制化功能開發(fā)的相關(guān)內(nèi)容。學(xué)生在完成教學(xué)內(nèi)容后，不但具備了一定的從事數(shù)據(jù)分析的實(shí)踐能力，同時(shí)也提升了其對計(jì)算機(jī)科學(xué)及編程技術(shù)的認(rèn)識?？紤]到不同的計(jì)算機(jī)語言具有原理互通性和操作相似性，在傳統(tǒng)的大土木工程教育中引入計(jì)算機(jī)編程內(nèi)容具有顯著的跨學(xué)科教育意義，也在一定程度上改變了學(xué)生對傳統(tǒng)土木學(xué)科和行業(yè)的理解。

在科研任務(wù)參與方面，以建筑人行為檢測為落腳點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生以非侵入式的方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人數(shù)與人體熱舒適的實(shí)時(shí)檢測。針對科研任務(wù)的目標(biāo)，學(xué)生需依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)清洗及模型建立等任務(wù)。學(xué)生在親身參與了完整的一次科研任務(wù)后，不但對所學(xué)的各種數(shù)據(jù)分析方法有了更深的理解，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生對科研的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的科研思維。

三、教學(xué)方式多樣化：突出交互式教學(xué)和編程馬拉松的新穎講授方式

工作坊教學(xué)具有較高的靈活性，可以融合多種教學(xué)方式。在算法介紹方面，可以以多媒體教學(xué)素材（如幻燈片和短視頻等）為主，必要的公式和原理示意圖采用板書形式。在該過程中，建議特別突出“師生交互性強(qiáng)”這一教學(xué)特點(diǎn)，鼓勵學(xué)生帶著疑問進(jìn)行學(xué)習(xí)，不強(qiáng)調(diào)具體數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，應(yīng)注重算法原理設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，使學(xué)生真正明白前沿算法相較于傳統(tǒng)算法的性能優(yōu)勢和研發(fā)必要性。在編程實(shí)操方面，可以采用“編程馬拉松”的形式，通過特定的數(shù)據(jù)問題鍛煉學(xué)生的數(shù)據(jù)思維和編程能力。該部分內(nèi)容建議從學(xué)生感興趣的領(lǐng)域（如圖像識別、網(wǎng)站推薦機(jī)制等）出發(fā)，逐漸過渡到建造領(lǐng)域面臨的特定問題，同時(shí)在相關(guān)數(shù)據(jù)分析案例中應(yīng)強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策方式及計(jì)算機(jī)語言編程的效率優(yōu)勢，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。

綜上所述，可針對每一類代表性算法設(shè)計(jì)出相關(guān)的數(shù)據(jù)分析實(shí)操內(nèi)容。比如，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)算法的教學(xué)過程中，作者首先選取圖像識別領(lǐng)域的數(shù)字識別問題為案例，讓學(xué)生通過編程設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，明晰網(wǎng)絡(luò)層數(shù)和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對識別精度的影響規(guī)律。其次，介紹基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型形式及其實(shí)現(xiàn)方法，通過對比模型精度使學(xué)生更好地了解卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)初衷及其在處理圖像數(shù)據(jù)上的性能優(yōu)勢。最后，以建筑能耗預(yù)測為對象，介紹循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)上的獨(dú)特優(yōu)勢。通過以上環(huán)節(jié)，學(xué)生不但可以了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類模型的主要形式，同時(shí)也理解了不同模型的應(yīng)用場景和性能優(yōu)勢。在這一過程中，作者采用“編程馬拉松”的形式帶領(lǐng)學(xué)生逐行編寫代碼，這一方式不但有助于啟發(fā)學(xué)生的數(shù)據(jù)思維，同時(shí)也可以讓學(xué)生更深刻地意識到計(jì)算機(jī)編程這類信息化技術(shù)的便捷性與實(shí)踐價(jià)值，提升其自主學(xué)習(xí)興趣。

在工作坊教學(xué)后半部分，學(xué)生已經(jīng)具備基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析理論基礎(chǔ)和實(shí)操技能。為了使學(xué)生親身體驗(yàn)科研任務(wù)的全流程，可引導(dǎo)學(xué)生參與各種建筑人行為檢測案例分析中，如室內(nèi)占用率檢測、人體熱舒適動作檢測等。上述提及的兩種人行為檢測都是當(dāng)前建筑智能運(yùn)維領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在室內(nèi)占用率檢測的實(shí)驗(yàn)中，作者首先向?qū)W生介紹相關(guān)文獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，引導(dǎo)學(xué)生形成初步的實(shí)驗(yàn)方案。其次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，為學(xué)生配備相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，組織學(xué)生以校內(nèi)建筑為對象，開展室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)與人行為信息的收集實(shí)驗(yàn)。再次，作者帶領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用各種算法，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值檢測、異常值替換、標(biāo)準(zhǔn)化處理等數(shù)據(jù)預(yù)處理過程。最后，引導(dǎo)學(xué)生嘗試多種已學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行建模預(yù)測。學(xué)生之間可互相交流算法性能提升的心得。在此過程中，學(xué)生們的科研思維與算法能力得到了充分的鍛煉和提升。

四、考核機(jī)制精英化：強(qiáng)調(diào)信息化實(shí)踐技能和科研素質(zhì)的拓展培養(yǎng)

工作坊教學(xué)具有精英化屬性，是傳統(tǒng)課堂的延續(xù)，相關(guān)學(xué)生一般具備較好的自主學(xué)習(xí)意愿和理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。在考核機(jī)制方面，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)信息化實(shí)踐技能和科研素質(zhì)的拓展培養(yǎng)。有別于常規(guī)課程采用的理論知識考核形式，應(yīng)鼓勵學(xué)生充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)意愿，以小組形式完成數(shù)據(jù)競賽和相關(guān)科學(xué)研究，通過實(shí)際項(xiàng)目考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

在數(shù)據(jù)競賽方面，可以充分利用線上數(shù)據(jù)平臺，選取學(xué)生感興趣的問題進(jìn)行實(shí)操。該考核方法的好處在于：第一，相關(guān)線上數(shù)據(jù)平臺一般具有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)集，不需要學(xué)生花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理等工作；第二，相關(guān)競賽一般具有國際化用戶社區(qū)，針對不同數(shù)據(jù)分析問題的解決思路積累了大量的互動學(xué)習(xí)資源，有助于學(xué)生進(jìn)一步培養(yǎng)自學(xué)能力，提升合作意識。

在科研素質(zhì)培養(yǎng)方面，建議結(jié)合教師的科研項(xiàng)目展開研究，鼓勵感興趣的學(xué)生提前進(jìn)入課題組，從事相關(guān)科學(xué)研究。這一考核方法的好處在于可以讓本科學(xué)生提前培養(yǎng)科研思維，了解相關(guān)領(lǐng)域的科研動態(tài)，提升其在文獻(xiàn)閱讀、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和論文寫作等方面的綜合能力。

五、結(jié)語

數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展對工程管理專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。如何在傳統(tǒng)的大土木類教學(xué)中有效引入各類信息化技術(shù)，培養(yǎng)面向智能建造和運(yùn)維的復(fù)合型工程管理人才具有重要研究意義。本文以提升工程管理專業(yè)學(xué)生的數(shù)理統(tǒng)計(jì)能力為目標(biāo)，探索了基于工作坊的新型教學(xué)模式，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核機(jī)制三方面進(jìn)行了實(shí)踐嘗試。其中，教學(xué)內(nèi)容側(cè)重機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能領(lǐng)域的前沿知識，旨在拓展工程管理學(xué)生的數(shù)據(jù)分析知識體系。教學(xué)方式充分發(fā)揮工作坊模式的優(yōu)勢，通過互動式教學(xué)和編程馬拉松提高學(xué)生對算法的理解和實(shí)踐能力?？己藱C(jī)制強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)競賽和科學(xué)研究的重要性，突出精英化培養(yǎng)理念，進(jìn)一步提升拔尖人才的信息化實(shí)踐技能和科研素質(zhì)。

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（責(zé)任編輯：張宏玉）

Practical Exploration of Workshop-based Teaching Mode for Talent Cultivation in Smart Construction and Management

Fan Cheng ?He Weilin ?Ding Zhikun

（ Department of Construction Management and Real Estate，

School of Civil and Transportation Engineering， Shenzhen University）

Abstract： ?Unlike the conventional classroom-based teaching mode， the workshop-based teaching adopts the master-apprentice relation for interactive and high-level scientific knowledge dissemination. With the background of the training of engineering management professionals and the goal of expanding students' mathematical statistics knowledge system and computer programming ability， the effect of the workshop teaching mode in the cultivation of talents in the field of intelligent construction and operation and maintenance was explored， and reform ideas were put forward from the level of teaching content， teaching method and assessment mechanism.

Key words： Workshop-based teaching; Data analysis; Smart construction; Practice-based teaching; Research abilities