新工科背景下智能建造專業(yè)材料力學智能元素教學模式的探索與實踐

摘 要：為了讓智能建造專業(yè)的學生更好地掌握專業(yè)相關課程內(nèi)容和工程實踐方法，專業(yè)核心課程需要適時調(diào)整教學方法，融入智能元素，使學生具備創(chuàng)新思維和掌握土木工程智能化設計和施工的基本技能。以材料力學課程為例，以提升新工科背景下智能建造專業(yè)學生的綜合能力為目標，闡述了如何在該課程中通過智能元素逐步滲透的教學模式，探索和實踐新工科理念下智能建造專業(yè)課程教學的新方法。

關鍵詞：新工科；智能建造；材料力學；人工智能

隨著我國創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略的全面推進，工業(yè)領域和建筑行業(yè)正迎來新一輪的技術革命與產(chǎn)業(yè)變革。特別是在國家提出加快培育和發(fā)展新質生產(chǎn)力，以及信息化、網(wǎng)絡化和人工智能技術快速發(fā)展的背景下，對高等學校工科人才的培養(yǎng)目標、培養(yǎng)模式提出了新的挑戰(zhàn)。我國土木工程專業(yè)高等教育經(jīng)過幾十年的發(fā)展與演化，各個高校根據(jù)自身的地方特色和辦學優(yōu)勢，結合近十幾年以來的精品課程建設、卓越工程師計劃和五大“金課”建設以及網(wǎng)絡教學平臺的運用，已經(jīng)在土木專業(yè)人才培養(yǎng)方面逐步探索并形成了較為完善的培養(yǎng)方案、課程體系以及有效的課堂教學模式和專業(yè)實踐體系。然而，在目前新工科建設和信息時代對人才提出更高要求的背景下，土木工程類專業(yè)同樣面臨進一步的改革和創(chuàng)新。

智能建造專業(yè)正是為了適應現(xiàn)代科技，特別是信息網(wǎng)絡和人工智能技術的高速發(fā)展而衍生的新型土木專業(yè)。它將機器人和人工智能技術融合到土木工程中，必將引領建筑行業(yè)朝著信息化和高效化的方向發(fā)展。但是，目前各高校在智能建造專業(yè)學生培養(yǎng)過程中，將信息元素融入教學過程的研究成果相對匱乏。因此，筆者結合新工科建設的發(fā)展趨勢、專業(yè)認證要求以及智能建造專業(yè)的特征，結合材料力學課程教學，探索和實踐了融合“智能元素”的教學方法，旨在為智能建造相關課程的教學改革提供參考。

一、新工科建設和智能建造專業(yè)特點

一般認為，新工科建設涵蓋信息技術、人工智能和智慧制造、機器人和數(shù)控與加工中心等技術的應用，以及對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級和改造。我國于2016年加入《華盛頓協(xié)議》，該協(xié)議被視為當前工科教育的指揮棒，突出了以學生為中心、成果導向和持續(xù)改進的全程、全方位育人理念。智能建造專業(yè)是由傳統(tǒng)的土木工程專業(yè)衍生而來，它不僅保留了傳統(tǒng)的設計、預算、施工和管理等基本的土木工程專業(yè)知識和技能，還引入了網(wǎng)絡信息技術、大數(shù)據(jù)技術以及機器人等智能技術和裝備，對學生進行專業(yè)化及智能化技能的全面培養(yǎng)?；诖耍悄芙ㄔ鞂I(yè)的培養(yǎng)方案和課程體系需要著重凸顯智能思維和基本技能在具體課程內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)中的有機融合。在課程學時有限的情況下，如何有效地把智能元素引入相關的專業(yè)基礎課、專業(yè)核心課和實踐環(huán)節(jié)就顯得至關重要。

二、材料力學課程的特點和專業(yè)地位

材料力學通常是在學生完成高等數(shù)學、大學物理以及理論力學等課程后所開設的一門專業(yè)基礎課，它是工科專業(yè)普遍開設的必修課程，也是工程類專業(yè)學生真正開始接觸工程實際的一門主干課程。該課程從拉伸壓縮、扭轉和梁的彎曲變形等角度出發(fā)，以片段模式向學生介紹常見工程構件發(fā)生破壞和變形的機理，讓學生學習正確分析、建模、計算和校核構件的安全性和經(jīng)濟性。該課程不僅可直接應用于分析和解決工程問題，還是后續(xù)課程如結構力學、基礎工程等課程的基礎，在智能建造專業(yè)的培養(yǎng)體系中占據(jù)著重要地位。

三、材料力學課程智能元素教學模式的構建策略

材料力學課程因其公式繁多、推導過程復雜，學習難度較大。同時，課程內(nèi)容既源于生產(chǎn)實際，又可應用于實踐之中。因此，該課程的教學應體現(xiàn)工程背景和實際工程應用的特點。如何將智能元素引入材料力學課程，筆者認為在課程建設和教學過程中需要關注和完成以下環(huán)節(jié)。

（一）明確教學目標

以新工科理念和工科教育教學認證中的能力培養(yǎng)為導向，明確智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)的目標和任務，培養(yǎng)適應現(xiàn)代土木建筑行業(yè)新要求的應用型人才。就材料力學課程而言，應明確材料力學課程的知識目標，如拉壓、扭轉和彎曲等三大基本變形的分析和計算方法，以及現(xiàn)代測試技術等。同時又要注重能力目標的培養(yǎng)，如正確建立構件變形的力學模型，能夠根據(jù)基本知識綜合分析復雜的組合變形，以及具備一定的實踐動手能力等，為后續(xù)課程如結構力學等提供堅實的知識基礎。

（二）智能元素引入的創(chuàng)新教學模式

材料力學課程所涉及的教學內(nèi)容繁多，但可以根據(jù)課程章節(jié)內(nèi)容融入智能元素，培養(yǎng)學生的現(xiàn)代智能和信息技術在課程中的應用意識和應用技巧。

1.在軸向拉壓章節(jié)講解中，引入肉眼難以觀察到的工程拉伸構件小變形的光彈測試技術，并提出測試應力和變形的智能儀器的設計動議和關鍵技術問題讓學生去思考；在講解構件橫向和縱向變形關系的數(shù)值一般小于0.5的泊松比常數(shù)時，還可以向學生介紹目前泊松比為1的新型“拉脹材料”，這種材料在縱向拉伸時橫向也會膨脹，具有獨特的靜態(tài)和動態(tài)行為以及電磁波異向傳播等特性，可用于制作如吸波隱身材料等多種新型和智能化的材料；在講解樓房架空層立柱的設計和校核時，通過網(wǎng)絡教學超星平臺，指導學生運用BIM軟件技術、有限元ANSYS方法和“盈建科”軟件等新型設計分析軟件對立柱進行初步設計演算、觀察應力和應變云圖，并與材料力學拉壓章節(jié)內(nèi)容計算的結果進行對比。通過這些小作業(yè)，引導和強化學生將智能元素應用于具體設計中。

2.在彎曲變形教學中，可結合工程實例，如橋梁在風載下垮塌、斷裂等，強調(diào)安全校核的重要性。同時，介紹現(xiàn)代遠程遙控激光測試、無人機檢修技術，并與傳統(tǒng)應變儀測試原理進行比較，激發(fā)學生對新型智能型測試儀器的研發(fā)興趣。此外，利用BIM軟件技術、有限元方法和“盈建科”等設計軟件，讓學生在相同荷載和一定的加載位置和材料尺寸下比較懸臂梁、簡支梁和外伸梁的優(yōu)劣，進而了解簡單的樓板設計和計算過程，并引導學生結合大數(shù)據(jù)課程內(nèi)容，思考如何利用現(xiàn)有大量的樓板設計案例數(shù)據(jù)，運用大數(shù)據(jù)技術快速設計樓板的結構形態(tài)、布筋方式和總體尺寸等，將智能設計的思想和元素引入課堂。

3.在材料性能測試和構件組合變形教學中，可從傳統(tǒng)的液壓萬能試驗機、現(xiàn)代電子控制萬能材料試驗機以及應變儀等的演變和改進過程出發(fā)，強調(diào)創(chuàng)新思維和智能測試儀器設備在智能建造中的應用，并指導學生探討機器人在施工過程中的應用方案。通過小作業(yè)形式，引導學生思考如何開發(fā)出能根據(jù)構件的幾種荷載自動識別出其變形形式并給出危險點的儀器設備。同時，指導學生根據(jù)現(xiàn)有的立式拉伸萬能試驗機改進設計出智能化的自動加載和記錄的臥式拉伸和扭轉測試設備等。

（三）改進考核方式，實施多維度評價

材料力學課程圍繞三大基本變形展開，內(nèi)容既相互獨立又可交叉融合。在考核方式上，可以對以往以期末考試為主的考核方式進行改進。除了考慮平時學習通網(wǎng)絡平臺的考勤、日常作業(yè)等環(huán)節(jié)，還可以增設一個難易度適中的整體建筑物的設計和分析案例，例如，港珠澳大橋建設中的海底管節(jié)縱向及接頭處受力分析，或是一些樓房倒塌的安全事故案例分析等。要求學生從BIM建模入手，逐步完成建筑圖、施工圖的設計，再進行ANSYS分析，直至具體構件如梁、柱等的設計，并與材料力學課程內(nèi)容進行對比，強調(diào)智能和自動化要素的引入，如數(shù)據(jù)的自動記錄、利用云圖進行優(yōu)化設計等。案例設計可由學生個人或組隊完成，并計入一定的考核分數(shù)。

綜上所述，在新工科背景下，盡管智能建造專業(yè)已在傳統(tǒng)的土木人才培養(yǎng)方案中增設了如物聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)技術、建筑工程智能檢測技術、自動控制原理、建筑機器人、機器學習等相關課程，但智能建造專業(yè)的課程體系教學改革勢在必行，這包括專業(yè)基礎課程和專業(yè)核心課程等。探索智能元素與課堂教學的融合，旨在將現(xiàn)代智能技術引入土木工程相關課程，形成協(xié)同效應，打破傳統(tǒng)人工畫圖設計和經(jīng)驗設計的局限，把網(wǎng)絡信息技術、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進數(shù)字技術融入土木建筑專業(yè)人才培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)，致力于培養(yǎng)出符合時代需求的應用型專業(yè)人才。

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責編：應 圖