智能建造專業(yè)鋼結構設計原理課程教學改革

摘要：智能建造是建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，在資源緊張、環(huán)境問題日益突出的背景下，為了培養(yǎng)復合型智能建造技術人才，對交叉融合多學科的結構設計類課程的改革迫在眉睫，并已成為高校研究的熱點。為此應針對鋼結構設計類課程的現(xiàn)狀，按照廣泛涵蓋智能建造相關領域知識、融合跨學科內(nèi)容、強調(diào)系統(tǒng)思維和綜合性能力、引入數(shù)字化設計工具和仿真技術、注重問題解決和創(chuàng)新思維等教學改革要求，通過修訂智能建造背景下的課程內(nèi)容、打造虛實結合高效互動的教學新體驗、構建理實一體化的智慧課堂等教學改革路徑，探索鋼結構設計原理課程改革思路，為區(qū)域建設提供人才保障，促進智能建造專業(yè)課程的建設和人才培養(yǎng)。關鍵詞：設計類課程；鋼結構設計原理；教學改革；智能建造智能建造是建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，它融合了先進的信息技術、人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術，旨在提高建筑行業(yè)的生產(chǎn)效率、質(zhì)量和可持續(xù)性，已被納入國家智能建造的發(fā)展規(guī)劃遠景目標。在當今資源緊張、環(huán)境問題日益突出的背景下，為了培養(yǎng)復合型智能建造技術人才，對交叉融合多學科的結構設計類課程進行改革迫在眉睫，并已成為高校研究的熱點。一、智能建造專業(yè)鋼結構設計類課程教學現(xiàn)狀2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設部等十三個部門聯(lián)合發(fā)文強調(diào)，要以建筑工業(yè)化為支撐，以數(shù)字化和智能化提升為驅(qū)動力，創(chuàng)新關鍵核心技術，加強智能建造在工程建設各階段的應用。次年3月又提出“加速數(shù)字化發(fā)展，構建數(shù)字中國”的目標，強調(diào)國家高度重視數(shù)字化發(fā)展。這為智能建造提供了更廣泛的政策支持，也推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。智能建造專業(yè)的培養(yǎng)目標在于培養(yǎng)學生掌握土木工程、計算機科學與技術、機械工程、系統(tǒng)工程等學科的基本原理和基本方法，具備跨學科發(fā)展的能力，能夠勝任復雜建造工程的智能設計、智能施工、智能運維管理等工作。同時，要培養(yǎng)學生具備強大的學習能力、創(chuàng)新能力、國際視野和領導才能，使其成為業(yè)界的領軍人才［1］。自2017年同濟大學首個智能建造專業(yè)獲得教育部批準以來，累計有152所高校開設該專業(yè)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，未來10年智能建造從業(yè)人員在行業(yè)所有從業(yè)人員總數(shù)占比要達到20%（目前該比例僅為9%），這充分體現(xiàn)了新工業(yè)科技發(fā)展對智能建造技術專業(yè)人才的緊迫需求。鋼結構設計原理是智能建造專業(yè)的學科核心課程之一，多數(shù)高校在本科三年級階段開設。課程內(nèi)容涵蓋廣泛，強調(diào)引導學生主動學習和進行科學實踐。在教學過程中，不僅要進行理論推導，還應針對不同的工程應用項目進行實驗操作和數(shù)據(jù)分析。然而，該課程傳統(tǒng)教學模式在教材、課程設置和實踐性教學等方面未能緊跟智能建造領域的快速發(fā)展，在培養(yǎng)學生過程中可能導致出現(xiàn)與實際工程需要脫節(jié)的問題［2］。例如，隨著鋼材產(chǎn)量的逐年增加和現(xiàn)代鋼結構設計施工技術的發(fā)展，屋蓋結構通常采用鋼管桁架、網(wǎng)架或網(wǎng)殼結構、預應力鋼結構等形式，但教學中仍然講解角鋼屋架設計，其截面形式主要是單角鋼或雙角鋼組成的T形截面，設計內(nèi)容并不能覆蓋鋼結構課程的主要知識點。課程應將原先的鋼屋架設計調(diào)整為鋼框架設計，使之與前面所學的基本構件設計與節(jié)點連接的知識點更加貼近；還要強調(diào)BIM技術、虛擬現(xiàn)實技術的應用，強調(diào)計算機仿真分析在鋼結構設計與施工方面的應用。因此，為了更好地培養(yǎng)適應未來建筑行業(yè)發(fā)展的專業(yè)人才，亟需對鋼結構設計原理的教學進行改革，使其更貼合智能建造的需求，滿足智能建造職業(yè)崗位需要。本文將針對鋼結構設計原理課程探討教學改革措施，以構建更適應智能建造需求的鋼結構教育體系。二、智能建造專業(yè)鋼結構設計原理課程教學的改革要求在智能建造專業(yè)背景下，鋼結構設計原理課程的教學要求應該具有更為寬泛的知識體系，以適應這一領域的快速發(fā)展和綜合性要求。一是要廣泛涵蓋智能建造相關領域知識。鋼結構設計原理課程需要涵蓋智能建造領域的多個方面（如圖1所示），包括但不限于數(shù)字化建模、信息技術在結構工程中的應用、人工智能在結構設計和優(yōu)化中的角色、大數(shù)據(jù)分析對結構性能的影響等。學生需要理解這些知識如何與傳統(tǒng)鋼結構之間的相互關聯(lián)，以更全面地應對未來智能建造的挑戰(zhàn)。二是要融合跨學科內(nèi)容。高度智能化的建造過程需要結構工程師具備跨學科的知識儲備。因此，課程的改革方向應該在鋼結構的基礎上融合計算機科學、數(shù)據(jù)科學、機械工程等相關學科的內(nèi)容，以全面提升學生的知識、能力儲備。這需要跨學科有機融合，改革后的課程必須高度融合創(chuàng)新傳統(tǒng)土木工程與人工智能、大數(shù)據(jù)、云平臺等領域。三是強調(diào)系統(tǒng)思維和綜合性能力。在傳統(tǒng)的鋼結構設計教學中，注重教授構件和連接的設計，而在智能建造背景下，系統(tǒng)思維的重要性也在提升。因此，課程改革應該強調(diào)對整個建筑系統(tǒng)的設計和性能優(yōu)化，包括加入智能化系統(tǒng)集成的內(nèi)容。要使學生能將結構設計放入整體建筑系統(tǒng)的背景中，通盤考慮結構與其他系統(tǒng)之間的相互影響。四是引入數(shù)字化設計工具和仿真技術。在智能建造專業(yè)教學中，數(shù)字化設計工具和仿真技術用以提高設計效率、增強設計質(zhì)量，讓施工者更好地應對復雜項目，如使用BIM軟件可以實現(xiàn)建筑設計的三維可視化，設計師能夠更直觀地進行規(guī)劃和修改，大大減少了設計過程中的錯誤和重復工作，從而顯著縮短項目周期。課程應該引入先進的數(shù)字化設計工具，如建筑信息模型（BIM）軟件、結構分析軟件等。通過實際的項目和仿真，學生更好地理解結構設計在數(shù)字環(huán)境中的應用，提高實際操作水平。五是要注重問題解決和創(chuàng)新思維。智能建造從業(yè)人員常常需要以創(chuàng)新性的思路解決該領域的問題。因此，課程應該培養(yǎng)學生的問題解決和創(chuàng)新思維，鼓勵他們通過結構設計解決實際問題。通過引入真實案例和工程項目，讓學生在解決實際挑戰(zhàn)的過程中鍛煉創(chuàng)新性思維，以適應未來行業(yè)發(fā)展的要求。三、鋼結構設計原理課程教學改革路徑為拓展學生智能建造專業(yè)課程的知識體系，教師需調(diào)整和深化課程內(nèi)容，使該門課程更好適應智能建造專業(yè)的新變化。教學團隊對照上述要求，提出以下適用于智能建造專業(yè)設計類課程教學改革路徑。（一）修訂智能建造專業(yè)的課程內(nèi)容鋼結構設計原理課程涵蓋智能建造的多個領域，并作為智能建造專業(yè)的核心專業(yè)課程，該課程目標強調(diào)對鋼結構基本原理的掌握、設計方法的運用、施工技術的了解以及具備安全評估的能力，以應對未來智能建造的挑戰(zhàn)。因此，教學改革的首要工作是根據(jù)智能建造專業(yè)的育人要求修訂課程內(nèi)容，以滿足未來建筑行業(yè)對智能型人才的需求。本課程將人工智能相關的基礎知識，如機器學習、深度學習、計算機視覺等融入教學內(nèi)容中，并介紹這些技術在鋼結構領域的應用案例，這些案例包括智能監(jiān)測、智能設計、智能施工等方面，讓學生深刻認識到人工智能在鋼結構領域的重要性和優(yōu)勢。通過更新和優(yōu)化課程體系，引入智能建造領域的新技術、新理念和新方法，特別要重視物聯(lián)網(wǎng)技術、智能算法、BIM技術、大數(shù)據(jù)及云計算技術等課程設置的權重。再根據(jù)人才培養(yǎng)方案制訂相應的課程大綱，旗幟鮮明地突出智能建造的教學重點，更新教學內(nèi)容。同時，更新傳統(tǒng)的鋼結構設計、分析和施工方法，引入基于人工智能的優(yōu)化算法和仿真技術，通過以點帶面、以面帶片，將知識體系進行融會貫通。教師可以通過線上平臺發(fā)布拓展學習資源，供學生課后進行自我探究提升。鼓勵學生參與基于人工智能的鋼結構項目，如智能監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)、智能設計軟件的優(yōu)化等。重構后的課程旨在提高學生對鋼結構的學習興趣，進一步加強課程知識的掌握程度。課程大綱要結合最新鋼結構設計、施工與運維管理的相關規(guī)范教學，力求將傳授知識與培養(yǎng)能力相融合。針對教材滯后部分，及時組織專業(yè)骨干教師修改、升級，形成適用于本校教學的教學資源。還可聘請國內(nèi)外智能建造領域頂尖企業(yè)的工程師，參與鋼結構設計原理課程教材改革模塊的編寫。教材內(nèi)容要以實踐需求為導向，通過問卷調(diào)查收集一線建設人員的反饋意見，以不斷改進教材，使之更符合實際工程應用，從而提高學生對理論知識的理解程度和實際運用能力。（二）打造虛實結合高效互動的教學新體驗傳統(tǒng)的教學模式在面對快速發(fā)展的智能建造領域時顯得有些滯后，為了應對這一挑戰(zhàn)，教學團隊采取了虛實結合的教學措施，提高了學生的學習興趣和主動性。如利用虛擬仿真技術，模擬真實的建筑場景和施工過程，讓學生在虛擬環(huán)境中進行學習，并通過反復實踐加深對理論知識的理解。在鋼結構設計原理的課堂上，利用BIM技術構建三維立體模型，展示不同類型鋼結構的設計方案，從而讓學生直觀地理解和學習鋼構件之間的連接方式。例如，引入BIM技術，通過使用相關軟件如Revit、Tekla等，將傳統(tǒng)的2D平面示意圖轉(zhuǎn)換為可以動態(tài)操作的3D可視化立體模型。同時，建立了一個完整的鋼結構3D虛擬模型素材庫，包括梁柱構件、梁柱節(jié)點連接、柱頭和柱腳連接等典型構件（如圖2、圖3、圖4所示）。此外，教學團隊還利用多媒體技術直觀展示鋼結構的構造細節(jié)和受力特點，例如通過動畫模擬鋼結構框架的受力過程，讓學生看到構件的變形和應力分布情況。利用諸如虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術為教學提供了新的視角。VR技術可以讓學生進入虛擬的鋼結構施工現(xiàn)場，體驗安裝過程，了解技術要求和安全措施；AR技術則將虛擬模型疊加到現(xiàn)實環(huán)境中，增強學生對設計和施工的理解。在虛擬仿真學習的基礎上，教學團隊結合實驗室或施工現(xiàn)場實踐操作，再通過3D實體模型帶來的直觀視覺感受，引導學生在實際操作中驗證虛擬仿真的結果，加深對知識的理解和應用，從而使學生對鋼構件截面形式和節(jié)點連接有更深入的理解。同時，在講授鋼結構設計原理課程時，引入重大工程案例，讓學生在課堂中尋找解決實際工程問題的方法。為了彌補實驗資源有限問題，學校構建了虛擬仿真實訓平臺（如下頁圖5所示，包含1個實景教學基地、2個資源平臺、4個仿真實訓系統(tǒng)），擴充專業(yè)實踐教學軟件，打造安全開放的實驗環(huán)境。虛擬仿真實驗實現(xiàn)了一人一機進行實驗操作，不僅能彌補傳統(tǒng)實驗的不足，還能展示新技術成果，從而充實教學內(nèi)容［4］。教學團隊秉持“虛實結合、互為補充、務實為先”的核心理念，致力于激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，將實習實訓、實驗教學與前沿的科學研究和工程實踐緊密融合，從而促進學生的全面發(fā)展。在虛擬仿真實訓平臺上，教師可便捷使用軟件模擬鋼結構各類實體實驗、利用VR全景和BIM技術展示鋼結構智能建造工程案例等。（三）構建理實一體化的智慧課堂為了順應智能化建造的發(fā)展趨勢，滿足智能建造領域職業(yè)崗位需要，在鋼結構設計原理教學過程中應推廣理實一體化教學模式，以避免理論與實踐相脫節(jié)。為此，學校應建設多個實驗室，滿足鋼結構設計原理課程理實一體化教學的需要。例如，在學習鋼結構材料這章內(nèi)容時，學生可以在實驗室內(nèi)直觀看到各種型號的鋼材，對材料種類有了直觀認知；通過操作試驗機，學生深入理解了鋼材在受拉與受壓條件下的力學性能，以及冷彎性能和沖擊韌性等關鍵特性，從而全面掌握了鋼材的力學行為特征；在學習鋼結構連接的內(nèi)容時，學生在實驗室內(nèi)采用機器人進行智能化焊縫控制實驗的操作，包括對接連接、搭接連接、T型連接等，還可以讓學生學習焊接機器人編程與操作，深入理解焊縫連接設計和施工原理；在學習鋼柱、鋼梁的設計理論時，學生分組后在實驗室制作和測試鋼結構框架縮尺模型的力學性能及破壞形式，驗證其設計的正確性和可行性，同時利用軟件對模型進行有限元分析，與實驗結果對比。這些實踐過程有利于培養(yǎng)學生的解決問題能力和技術創(chuàng)新能力。除了實驗室內(nèi)的實驗實訓項目，教師可選擇部分鋼結構構件的典型模型，并運用3D打印技術將其實體化，從而為學生提供直觀的學習材料。在教學課堂中，學生可以親手組裝這些3D打印的模型構件，從而提升專業(yè)技能。鋼結構課程設置課程設計環(huán)節(jié)，并且在生產(chǎn)實習和畢業(yè)設計的環(huán)節(jié)中也涉及鋼結構的實踐范疇，讓學生在實踐中學習、在操作中思考，提升解決問題的能力。在課程設計中，要著重進行鋼結構框架和節(jié)點設計，檢驗學生理論和實踐水平，以做到知行合一。這種實踐性的學習方式不僅使學生更加深入地理解鋼結構構件的原理和設計，更能夠提升學生解決實際問題的能力，為未來的職業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎。此外，學生可通過上述構建的校企合作平臺獲取豐富的鋼結構工程實例和一線真實資料，能夠更直觀地理解工程項目的復雜性