“新工科”背景下高校智能建造实验室建设探索

孔晓璇， 卢海峰， 刘重羊， 吴志军

（武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072）

0 引 言

当前正处于以智能制造为主导的第四次工业革命时期，各行业利用信息通信技术和网络空间虚拟系统相结合的手段逐步向智能化转型。2015 年5 月，国务院正式印发《中国制造2025》，与德国“工业4.0”合作对接，全面推进制造强国战略。社会经济发展与环境资源持续利用之间的矛盾、知识形成过程与信息传播途径的改变以及信息化与智能化时代对人才需求的变化与挑战等都深刻影响着工程教育的发展与改革。教育部2017 年启动了以“新理念、新模式、新质量、新方法、新内容”为核心的新工科建设，推动以科技创新和产业发展为主导的教育改革，意在探索引领全球工程教育的中国模式和经验［1-2］。

传统工科专业需要改变长期以来形成的相对稳定的专业内涵和结构［3-4］，面向新技术、新经济、新产业和新业态，以大数据、智能化和数字化为关键词重构和增设工科专业。土木类的智能建造是顺应传统建筑业转型升级而增设的新工科专业，培养能够完成智能设计、智能施工和全过程运行维护管理的卓越土木工程师。智能建造专业的课程体系中理论知识与实践能力并重，以基础课程实验为主的传统工科实验室无法满足新工科人才培养需求［5-7］，因此，探索“新工科”背景下智能建造实验室的建设方案，对高校工科专业实践教学改革与创新型人才培养具有重要意义。

1 智能建造实验室建设的必要性

1.1 智能建造行业发展趋势

土木工程学科的发展始终与时代发展、科技进步和产业革命紧密相关，在不同的时代背景下具有不同的发展机遇与挑战：以蒸汽驱动设备为代表的第一次工业革命，促发了钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和钢结构为代表的工程结构革新和施工机具的升级；以电力驱动设备的大规模生产带来了第二次工业革命，土木工程的施工逐步迈进机械化和电气化进程，汽车和航运业的发展也为大规模基础设施的建设提供了契机；以信息技术为主导的第三次工业革命，促发了建筑设计和建造的数字化发展，工程中的生产方法、工艺流程、生产组织和管理逐步规范化和标准化；以人工智能、物联网技术、大数据与云计算等技术为代表的第四次工业革命，不再局限于某一特定领域，而是整个系统的创新，建造行业也随之开始了建筑信息化和智能化转型升级。

新一代信息技术与人工智能技术的应用与革新为全生命周期建筑产业链实现建筑设计、建造和管理的智慧化提供技术上的解决方案［8］。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术与物联网集成形成实时施工模型，用于施工过程中可视化监控与仿真模拟；工程设计数据、施工监测数据以及施工企业信息系统的业务数据等工程建造过程中的大量数据，构成施工企业级的大数据资源，人工智能进行大数据挖掘和分析后支持建造过程趋势预测和决策；面向建筑施工领域的人工智能算法将通过对大数据挖掘分析，为项目管理知识发现及建造过程趋势预测提供决策支持［9］。云平台为BIM、物联网与大数据应用提供了一个虚拟化的计算环境，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术进一步增强了他们之间的协作能力，所有工程项目参与者可以利用集成工程建设各项活动统一平台全局化分析处理问题。此外，基于数据库的分布式智能决策技术优化项目调度、协同控制建造资源，在增强现实（Augmented Reality，AR）技术的辅助下对现场施工人员的作业进行实时反馈与远程协助。

第四次工业革命中建造业变革是以多学科、多领域、多集群技术创新为特征，将产生极其广泛而深远的影响。作为对变革进程影响最大的高等教育也面临新技术、新产业、新业态和新模式形成和发展的重大挑战。在土木类专业中增设“智能建造”新工科专业相应土木工程行业向智能建造行业转型过程中对专业人才的迫切需求［10-11］。

1.2 智能建造专业人才培养模式

为了适应国家战略需求和建筑业转型升级，将建筑施工与电子信息、机械自动化、工程管理等技术相互融通发展而开设了新工科专业——智能建造（专业代码081008T）。同济大学于2017 年获批增设智能建造专业，是我国第一个智能建造专业，位于土木工程学院，招生大类为工科试验班（土木与环境类）。此后，获批教育部普通高校本科专业备案智能建造专业的高校逐年增多，至2021 年累计获批的高校数量已达72所（见图1）。

图1 新增智能建造本科专业备案的高校数量

武汉大学智能建造专业获批2021 年度普通高校学校本科专业备案，作为新专业智能建造的专业定位、人才培养方案和课程体系设置都处于探索阶段，为此，土木建筑工程学院组织学院领导和教师前往同类院校调研智能建造专业发展情况，前往大型建筑企业调研企业人才需求。提出了智能建造专业内涵和本质，“智能建造专业立足于未来国家基础设施建设和社会发展的需求，坚持学校‘创造、创新、创业’教育理念，培养德智能体美劳全面发展，基础理论扎实、专业知识宽广、实践能力突出，具有崇高的科学精神、深厚的人文社科素养、开阔的国际视野、强烈的社会责任感和职业道德使命，既能在智能建造领域从事智能设计、智能施工、智能运维，又能在人工智能和现代信息技术领域从事科技开发与组织管理，人格健全、引领未来社会进步和人类文明发展的领军人才”，其人才培养模式的定位如下：

（1）培养“厚基础、宽口径、强能力、高素质”的卓越工程师。为打破学科界限、顺应交叉学科融合发展趋势，智能建造专业以大类工科试验班的形式进行招生，实行分段式培养的模式，第1 学年大类培养，夯实数理基础提升工程基础素养，促进学科知识交叉融合，后3 学年专业培养，以土木工程专业课程为基础，融合计算机应用技术、机械自动化、工程管理等专业课程，完善课程体系，推进实践教学改革，加强课程国际化建设，着力提升学生的工程素质，增强工程意识并和积累工程实践经验。

（2）培养具备项目全局意识的行业领军人才。为满足智能时代工程建设需要，工程师需要具备跨学科知识体系和解决工程建设过程中复杂问题的能力，以管理为导向，技术为支撑，以系统思维为核心，掌握工程项目全局的关键点，在工程项目的策划、设计、生产、施工、运维等全寿命周期中进行智能化、信息化的整体架构。高校肩负着培养引领建造行业工程建造技术和工程管理的系统性变革领军人才的重任，从建造方式、组织模式、行业管理等方面重塑建筑业。

（3）培养具有实践和创新能力的复合型人才。建造行业面临着转型升级的严重挑战，从“互联网＋”发展到“智能＋”，以大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术正融入传统工程领域，新技术、新业态、新模式的应用推动着建造产业改造提升。传统产业升级需要大量具有实践和创新能力的复合型人才，高校应强化工业基础和技术创新能力，提升学生创新创业能力、工程实践能力和信息化技术能力，助力建设建造强国。

1.3 智能建造课程体系的构建

根据智能建造的学科特征和行业需求分析［12］，依照本科创新人才培养新模式、新体系，在传统土木建筑类课程体系基础上，增设人工智能、计算机技术、机械工程和自动化控制技术等专业知识与技能，制定智能建造专业课程教学大纲，形成系统的知识体系（见图2）。实践教学是培养和锻炼学生动手能力和科技创新能力的主要途径［13-15］，在课程体系中占有重要地位，实践性课程体系主要包括基础课程、专业课程实验教学、学科综合实训实践和创新探索研究实践。

图2 智能建造实践课程体系构成图

基础课程实验教学主要包括与理论课程配套的基础性实验和验证性实验，帮助学生巩固和加深理论知识，构建专业理论知识框架，掌握基本实验技能和方法，例如材料力学、土力学、土木工程材料、混凝土基本构件实验和钢结构基本构件等实验；专业课程实验教学包含专业课的课程设计和实习实践，将专业课程中的知识点直接运用于设计和实践中，通过工程模块构建智能建造知识体系，对学生的基本技术应用能力和解决实际问题的综合能力进行训练，提高学生专业理论的实践能力，例如房屋建筑学课程设计、智能建造综合课程设计、智能测绘实习和工程地质实习；学科综合实训实践包括认识实习、生产实习、毕业实习、生产劳动与工程训练和毕业设计，是对4 年所学知识和技能进行系统化和综合化运用、总结和深化的过程，培养学生综合运用基础理论、专业知识、基本技能应对和处理问题的能力；创新探索研究实践将最新科研成果与学生竞赛引入教学环节，提高解决实际工程问题的动手能力和创新精神，包括大学生创新创业训练计划项目和全国大学生先进成图技术、全国大学生BIM-CIM大赛、互联网＋和挑战杯大赛等一系列竞赛。

2 智能建造实验室建设方案与实施

2.1 实验室建设目标

实践教学是提高学生实践能力、创新精神的主要途径［16-17］，为了满足智能建造教学和实践需求，学校探索建立新的专业实验室——智能建造实验室。智能建造实验室以服务于国家智慧城市建设和“一带一路”倡议实施对智能建造人才培养要求为目标，坚持“紧跟学科发展，立足社会需求，夯实实践能力，强化工程技能，培育团队精神，提高创新能力”的实验教学理念，虚拟仿真实验教学和智能建造实训教学作为实践能力和创新能力培养的重要环节并融入实践教学体系，整合先进的BIM技术、物联网技术、3D 打印技术、人工智能技术等先进技术，将实验室建设成为资源丰富、开放共享、水平一流、效益突出、特色鲜明的智能建造技术实验教学中心。

学院确定了“整合资源、集聚优势、注重研发、突显特色”的建设思路，结合双一流建设学科土木工程已有的实验实训资源，建立包含虚拟仿真实验平台和智能建造实践平台的实践教学实验室。虚拟仿真实验平台利用多媒体、互联网、虚拟现实和人机交互等技术建立虚拟实验环境，对具有高风险或高成本的实验项目和大型综合训练与实习项目进行仿真模拟，建设可提供虚拟仿真实验的教学资源和教学平台。智能建造实践平台包含智能建造工程概论、BIM 协同设计、3D打印混凝土、TBM 智能掘进等实践教学模块，既可以单独支持核心课程的专业级综合实验，又可以相互组合支持交叉创新实验的学科级创新实践平台。

智能建造实验室以实验教学内容、教学方法改革和建设共享优质实验教学资源为核心，探索和建设培养学生综合实践能力和创新能力的实验教学模式，创建了“多层次、系统化、研究型、共享式”实验教学培养体系；产、学、研协同发展，建设智能建造实验教学队伍。全面促进学生自主学习、自主实验、自主创新，扩大受益面，共享优质实验教学资源，全面提高学生创新精神和实践能力。

2.2 实验室建设方案特色

（1）创建“多层次、系统化、共享式”智能建造实验体系。智能建造实验室构建了基础课程、专业课程、学科综合实训实践和创新探索研究实践多层次虚拟仿真实验教学内容，梯次提升学生的工程素养。按照“虚实一体、虚实交叉融合”的思想，组织实验教学资源，系统化贯穿到课堂教学实验、实习实训、学生自主科研、野外科学考察全过程中，全面培养学生在“大数据、互联网＋”条件下的综合能力。实验室的实验教学资源采用模块化设计，可对接校内资源，例如我校人工智能实验室、工程训练与创新实践中心、工科其他院系实验室，充分发挥双一流学科集群优势，此外实验室也可以作为平台，直接接入课程模块，扩展实验室教学资源的深度和广度，学生能够通过资源共享，采用主动、自主学习的方式，实现“厚基础、宽口径”复合型人才培养，社会各界能够共享虚拟仿真实验教学资源，服务于机构和企业的继续教育，实现资源共享、协同创新。

（2）构建虚实结合、校企联动、协同创新的人才培养模式。实验室以国家基础设施建设的人才需求为导向，以重点培养学生的创新创业能力为目标，加强学生学科群基础，促进跨学科复合型人才的培养，强调通过教学与科研相结合、学校教育与工程训练一体化、虚拟实验与真实实验相结合等多样化的教学模式。充分利用学校品牌优势与国内外著名企业合作，探索校企联合实验室建立机制，将企业的先进技术、市场需求和行业经验引入实践教学中，利用企业已有的虚拟仿真资源和工程实际案例，实现校企全方位、多层次深度合作，打造以教学、科研、培训为一体的工程师培养基地，并通过云计算平台实现开放共享，从而构建虚实结合、校企联动、协同创新的人才培养模式，引领智能建造实验教学的发展。

（3）配置信息化、多元化实验教学资源。注重将教师科研项目、学生创新创业和合作企业大型工程案例等项目转化成学生探索型实验，拓展实验教学范围和教学内容。利用虚拟现实、多媒体交互、3D 可视化等信息化技术，自主和联合攻关研发，形成BIM 建模与应用实验平台、3D 打印实训平台、智能掘进实训平台、地下工程智能施工虚拟仿真实验等平台，形成覆盖智能设计、智能施工、智能运维的工程全过程的实验教学资源。实验项目具有先进性和前瞻性，开创了虚拟仿真和真实实验协同育人的新局面，提升了学生的方案设计、数据处理分析、工程实践、自主学习及创新研究能力。

（4）提供开放式自主学习环境。智能建造实验室以培养学生创新能力与专业知识工程综合运用能力为目标，为学生提供开放式自主学习环境。①虚拟仿真实验教学资源的开放，利用现代化信息技术实现虚拟仿真实验课程平台的开放共享，引导学生在数字环境下自主学习，学生可以利用手机和电脑等移动设备随时随地进行实验；②对实验课程安排、仪器设备管理、实验开放预约等实行网络化、数字化管理，促进了实验教学在时间、内容、空间上开放，推动了实验室各类资源的共享共用，形成了良好的网络支撑体系和现代化的高效运行机制；以科研项目、大学生创新创业项目、学科竞赛等为驱动，全面促进学生自主学习、自主实验、自主创新，为学生的自主学习和个性发展创造良好条件，全面提高学生创新精神和实践能力。

（5）重视实验课程思政建设。学校坚持课程思政育人导向，高度重视课程思政建设工作，于2020 年12月发布的“武汉大学课程思政建设实施方案”，对学校课程思政建设进行顶层设计，明确建设目标，制定总体方案和实施计划，全面推进思想德育工作。实验教学是工科专业课程教学的重要环节，将思政主题内蕴于智能建造专业实验教学中，以实验课程思政作为课程教学改革创新的突破口，是推进高校思政教育隐性化和融合性模式的重要尝试。在习近平总书记系列育人讲话的引导下，将思想政治教育在实验实践中融入学生的学习动机，构建智能建造专业课程思政的全员育人、全程育人、全方位育人的三全育人大格局，在培养学生基础理论扎实、专业知识宽广、实践能力突出的同时，具有崇高的科学精神、深厚的人文社科素养、开阔的国际视野、强烈的社会责任感和职业道德使命。

2.3 实验室建设实施

智能建造实验室确定了“整合资源、集聚优势、注重研发、突显特色”的建设思路，结合智能建造专业培养方案，以实验教学内容、教学方法改革和建设共享优质实验教学资源为核心，利用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，结合真实工程案例数据，创建“多层次、系统化、共享式”智能建造实验体系。实验室构建了6 个实验实训模块（见图3），串联起智能规划与设计、智能施工、智能监测和智能运维等工程全生命周期过程。

图3 智能建造实验室实训模块

具体如下：

（1）智能建造工程概论模块。智能建造作为一个新增设的专业，是多学科交叉的新兴前沿专业学科，学生尤其是大一新生对智能建造产业的基本概念、发展历程、前沿技术与设备和未来发展方向的了解并不深入，智能建造工程概论模块设立4 个高清显示屏幕，播放有关智能建造产业发展、数字建造、智慧工地和绿色建筑等方向的介绍视频、热点新闻和宣传片，视频定期更新补充，让学生了解以智能交通、人工智能、机器人为代表的智能科技在建造产业的快速推广与应用，初步建立智能建造概念，认识并热爱这个专业，激发社会责任感和职业道德使命。

（2）虚拟仿真实验教学模块。虚拟仿真实验教学硬件设施方面配备LED小间距显示屏幕、培训椅和配备电脑设备的六角桌，学生可以利用实验室电脑或者自带电脑完成虚拟仿真教学实验，实验室有包含省级项目的虚拟仿真实验教学项目和正在建设的多个地下工程智能施工虚拟仿真项目软件。虚拟仿真实验教学模块可以弥补真实实验在实验环境、实验手段不足及时间、安全、经费等条件的制约，与真实实验教学结合，相互补充，拓展学生的专业基础知识，将学科前沿研究成果或重大工程技术突破转化虚拟仿真实验教学资源，能及时让学生接触最新的工程技术，与室内与现场实验实践教学相结合形成相辅相成、优势互补的新型实验教学模式。

（3）沉浸式VR实训模块。由于工地的安全风险管控加强和疫情的影响，学生进入施工现场实习的机会减少，沉浸式VR实训能够模拟真实的工程场景，学生戴上头盔，手持操控手柄进入虚拟环境，在该模拟环境中进行交互，模拟真实施工场景，学生沉浸到该环境中能够感知和操作模拟建筑工程的各项施工技术与施工工艺以及各项管理措施。此外学院计划与施工企业合作将更多大型工程案例转化成VR 实训项目，并鼓励老师和学生参与VR 实验场景的制作与开发，拓展虚拟仿真实验教学范围和教学内容。

（4）BIM协同设计实训模块。BIM建筑信息模型是在建筑领域应用信息技术，实现对设计、施工和管理过程仿真和模拟的一种技术和管理方法，通过对相关数据进行结构化管理使建筑过程数字化，是智能建造的核心技术。该实训模块：①帮助学生熟练掌握相关软件建立建筑三维模型进行房屋建筑设计的基本步骤，提升就业核心竞争力，②运用BIM 信息处理及动态仿真功能，营造生动立体的可交互式施工现场模拟场景，模拟建筑施工现场的各部分工作。此外，鼓励师生利用课外时间走进实验室，积极利用BIM协同设计实训平台参加相关BIM职业技能大赛。

（5）3D打印混凝土实训模块。3D打印混凝土建造技术在土建领域取得了快速的发展和应用，能够提高建造效率、优化结构受力、减少材料消耗和浪费，加快设计建造过程，这是未来智能结构领域的重要技术之一。学生在这一实训模块中运用计算机制图设计作品的三维设计图，操作混凝土3D 打印机，通过分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来将成品打印建造出来的，充分发挥创新能力和实践能力，尝试设计制作探索结构的稳定性。

（6）TBM智能掘进实训模块。全断面岩石掘进机（TBM）以机械化自动化程度高、掘进速度快、成洞质量高、施工扰动小、综合经济社会效益高、安全文明环保等显著优势，逐渐成为国际上隧道修建的首选施工方法。TBM智能掘进实训模块提供TBM 掘进机模型，直观的展示TBM 的构件组成、施工的作业方案和流程，与虚拟仿真实验教学项目结合，模拟各系统设备运行控制界面、隧道掘进作业过程和施工工艺流程，实现了TBM智慧掘进和安全控制的展示和教学，提升了学生对地下智慧施工的人事和现代工程技术水平。

此外，实验室计划筹建智建造工业机器人和智能监测与检测实训模块，扩充实验室实践教学资源。

3 智能建造实验室建设成效

智能建造实验室以提高学生的实践能力和工程素养为目标，目前实验室在培养学生的创新精神和创新实践能力上发挥了积极的作用。

在智能建造实验室平台的支撑下，我院学生在全国、本省各类学科竞赛和创新大赛中屡获佳绩，仅2021 年获得第十二届全国高等院校学生“斯维尔杯”BIM-CIM创新大赛中获得规划设计专项、绿色建筑分析专项的全国一等奖，工程造价专项、工程管理专项和综合三项的全国二等奖，在第二届全国大学生智能建造与管理创新竞赛中获得特等奖，湖北省“挑战杯”竞赛获得特等奖，第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛获得湖北省省赛一等奖。

4 结 语

智能建造专业是顺应“工业4.0”和“中国制造2025”战略的必然趋势，智能建造专业的课程体系设置理论知识与实践能力并重，以基础课程实验为主的传统工科实验室无法满足新工科人才培养的需求，因此，土木建筑工程学院建设智能建造实验室，结合智能建造专业培养方案，以实验教学内容、教学方法改革和建设共享优质实验教学资源为核心，利用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，结合真实工程案例数据，创建“多层次、系统化、共享式”智能建造实验体系，探索和建设培养学生综合实践能力和创新能力的新工科人才培养模式，对其他新工科专业的实验室建设具有一定的借鉴和参考。