新工科背景下信息化技术在创新型人才培养中的运用
——以土木、水利与海洋工程专业为例

马会环

（中山大学 土木工程学院 广东省海洋土木工程重点实验室，广东 珠海 519082）

进入21世纪以来，全球科技创新进入空前密集活跃的时期，新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构［1］。当今世界已经迈步跨入第四次工业革命，立足新一轮科技革命和产业变革加速演进，处于取得关键突破的历史关口，全球科技产业高速发展，美国、日本、德国等国纷纷提出工程教育改革措施，美国发布《先进制造业国家战略计划》，日本发布《制造业白皮书》，德国提出《工业4.0战略实施建议》［2，3］。要探索建立“新工科”建设的新理念、新标准、新模式、新方法、新技术、新文化，实现从学科导向转向产业需求导向、从专业分割转向跨界交叉融合、从适应服务转向支撑引领［4］。与之前工科专业相比，新时代的新工科具备了新的理念和内涵，以培养多元化和创新型的卓越工程人才为目标［5，6］。我国高等工程教育应当抓住现实的机遇，积极改造和升级传统工科专业，促进各专业之间的融合，促使传统理科向工科应用延伸，真正构建起具有“互联网+”特色的新兴工科专业结构［7］。传统行业与互联网行业之间的跨界融合发展已成为必然趋势。“互联网+”背景下，新兴的互联网信息技术促进传统行业领域的互联网化，迫切要求培养大批新型工程科技创新人才，跨界融合成为“互联网+”背景下我国高等工程教育改革的必然趋势［8］。新工科建设的本质内涵源自工程教育对工业革命需求感知的智能化，响应的快速化、精准化［9］。中国工程教育应当面向世界、着眼未来，培养知识与能力并重、素养与责任并重，具有全球视野、世界眼光的创新型、复合型人才。与以往相比，新工科建设对人才培养模式提出了新的改革要求，尤其体现在教育教学方式、人才培养方案、课程体系设置、教学内容设计等方面［10］。

一、新工科背景下土木、水利与海洋工程专业发展新的挑战

土木、水利与海洋工程专业属于传统工科专业，是一门与人类生产生活息息相关的学科，是高等教育中就业面最广的专业之一。如今面对“互联网+”、3D打印、云计算、智能化、虚拟现实等信息技术，土木、水利与海洋工程专业更应加快专业转型、升级、改造的步伐。与此同时，高校土木、水利与海洋工程专业人才培养亟须建立更多样化、现代化和信息化的工程教育培养方式，突破传统教学内容和课程体系，重视新科技成果给土木工程行业带来的变革，否则培养出来的人才缺乏应对快速变化的创新能力。面向新工科建设的教学应以面向社会产业需求和科技发展为导向，这就要求学校面向行业发展与人才需求深化教学内容与课程体系改革。通过学科渗透、交叉、融合实现工科专业的转型、升级、改造，形成以多学科交叉为依托的土木、水利与海洋工程专业，开展土木、水利与海洋工程专业新工科建设，满足建筑业未来发展需要。面向国家基础设施建设可持续发展、新型城镇化、南海开发、生态文明建设、交通强国和粤港澳大湾区建设等重大战略需求，将土木、水利、交通、海洋等学科融合发展，培养具有多学科交叉融合背景的创新型人才。

二、新工科背景下土木、水利与海洋工程专业创新型人才培养方案

借助科学的管理方法，统筹各方优势资源和保障措施，调动多方积极性，推动新工科下土木、水利与海洋工程专业的创新型人才培养体系的建设。以此为理念，打破相关院系、专业之间的课程界限，构建新的土木、水利与海洋工程专业交叉融合的课程体系，依据创新培养方案，建设以信息化技术为特色的多学科交叉融合的协同创新共享平台，积极运用现代信息技术工具，实现土木、水利与海洋工程专业毕业设计的科学性、交叉性、实践性、综合性和创新性，实施框架如图1所示。

（一）信息化技术在土木、水利与海洋工程专业教学中的运用方案

土木、水利与海洋工程专业是教育部新颁布的新工科专业改革19个项目群中“土木、建筑、水利、海洋类”的主要部分。专业的成立是为了更好地适应我国工程建设领域的高速发展，更好地服务于“一带一路”倡议的建设和人类命运共同体的构建，培养具有更宽领域基础和更强跨界发展潜力的人才。

土木、水利与海洋工程专业面向现代“大土木”工程实行大类招生和大类培养，突出土木、水利、交通、海洋等多学科交叉渗透的特征，以多学科交叉融合的创新能力作为土木、水利与海洋工程专业人才培养的核心目标，满足未来高科技社会对创新型和复合型工程人才的需求。在土木、水利与海洋工程专业人才培养中，需要打破传统土木、建筑、水利、交通、市政、海洋、人工智能、计算机等院系之间的壁垒，充分考虑人工智能、云计算、大数据、数字孪生、VR/AR技术、3D技术等新兴科技的快速发展及其在工程领域的应用现状与前景，构建一系列全新的交叉融合的实践创新创业课程，使学生经过大类通识课理论学习后，在专业课的学习中不再拘泥于书本中的抽象概念，而是将理论知识和专业概念相结合延伸到新领域，获得跨学科的实践性知识，培养创新意识、创新思维与创新技能。

截至2020年，开设土木、水利与海洋工程专业的高校一共有三所，分别为清华大学、中山大学和山东大学。三所高校在大类专业划分上虽有不同，但在培养理念、培养目标与培养方案上却高度相似。在人才培养中，都实行大类招生、大类培养和大类出口，以强化“宽口径、厚基础、强实践、多样化”的通识教育和专业教育融合，满足未来社会对创新型和复合型杰出人才的需求。在本科生培养的模式方面，三所高校都是在学生大一、大二年级进行“大土木”工程基础课程的通识教育，帮助学生建立起坚实宽厚的理论基础，到大三、大四年级再划分具体不同的专业方向，如清华大学的土木工程专业方向、水利科学与工程专业方向、海洋科学与工程专业方向等，中山大学的地下空间工程学科方向、基础设施运维学科方向、海洋土木工程学科方向等。

在交叉融合的课程体系授课中，一方面，加强教育教学信息化建设，建立一系列虚拟仿真实验辅助各类课程课堂教学，尤其针对交叉性强、复杂难操作及危险性实验，充分利用虚拟现实技术的优越性，丰富课堂的教学形式，提升教学效果；另一方面，加强与企业的产学研合作，积极开拓新的合作模式，如校企联合共建一门课程，积极将产业内的新形态、新技术、新发展方向引入教学过程，增强教学内容的时效性和应用性。加强引导学生在解决复杂工程问题时，对新技术的选择、吸收、借鉴和利用，同时基于互联网、大数据、3D打印、BIM、云计算、人工智能、遥感等信息技术，勇于开发更优、更先进的信息技术工具、仪器设备、模拟软件及其他现代科学技术工具，提出解决问题的新思路和新手段。

（二）以信息化技术为特色的多学科交叉融合的协同创新共享平台建设

协同创新共享平台建设是学科交叉融合的重要依托，既能加强新兴前沿学科的互动，也能推动各学科的协调发展。在土木、水利与海洋工程专业的学科交叉研究创新共享平台的建设中，应摒弃以单一学科方向为划分依据的陈旧的实验室建设与管理观念，协同创新共享平台建设将以多学科交叉融合为理念，以先进信息化技术与管理方式为特色，以解决现代工程领域的学科交叉课题为引领，基于前沿科技力量，配置先进实验平台和仪器设备，并基于土木、水利与海洋工程专业，合理提出系列综合性、前沿性的学科交叉实验，培养学生基于先进信息化技术的创新思维、挖掘学生多学科交叉融合的创新能力。在此基础上，基于协同创新共享平台，构建信息化技术与实践相结合的特色人才培养模式，全面建设校企合作平台，进一步强化土木、水利与海洋工程专业学生应用能力的培养。

（三）基于先进的信息技术探索土木、水利与海洋工程专业毕业设计的新方式

毕业设计是工科本科人才培养中一项综合性的实践教学环节，是最后也最重要的一个环节，学生将综合运用所学各科知识完成毕业设计选题。毕业设计环节集知识整合、应用探索和创新实践于一身，是对学生本科期间所学知识和专业能力的检验和强化，对学生的逻辑思维、工作态度和独立工作能力具有深远的影响，是对高等学校教学质量评价的重要方面。首先，传统土木、水利与海洋工程专业的毕业设计选题单一，多为理论知识的简单应用，并未考虑实际工程概况及先进的设计与施工手段，理论与工程实际脱节，且设计选题年复一年重复使用，学生在此环节未曾体验甚至未曾了解先进信息技术是如何应用于实际工程中的。其次，传统毕业设计的实践意义跟不上社会发展，对学生创新能力等方面的考查有限，即使经历了毕业设计的考验，很多学生也对当下的实际工程情况知之甚少。基于先进的信息技术探索土木、水利与海洋工程专业毕业设计的新方式，应以“前沿科研课题”为切入点，发掘多学科交叉融合的教育资源，将信息化技术（互联网、大数据、3D打印、BIM、云计算、人工智能、遥感等）运用到学科交叉融合下本科生的培养中。拓宽毕业设计的选题渠道，设计具有科学性、交叉性、实践性、综合性和创新性的设计题目供学生选择，通过本科毕业设计有效提升学生的综合工程认识、实践创新能力和跨界整合能力。

结语

作为传统工科专业的土木、水利与海洋工程专业更需要适应多学科交叉融合的人才培养新要求，紧跟现代科技发展趋势，将先进的信息技术应用于人才创新能力的培养，包括创新意识、创新思维、创新技能、创新视野等。随着绿色智能建筑、现代智慧城市的快速发展，以及装配式结构、3D打印、BIM技术、综合管廊等新技术的应用推广，土木工程师的创新能力不断面临新的挑战。以多学科交叉融合的课程体系和教学内容为立足点，运用新工科背景下的信息化技术促进创新思维的培养，同时开展多层次、全过程的创新实践以提升创新技能，是提高新工科土木工程人才创新能力的根本途径。高校应积极融合校内外各种教育资源，通过引入互联网信息技术，加强高等工程教育的信息化水平。