智能建造專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)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(fù)合型智能建造技術(shù)人才，對交叉融合多學(xué)科的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)針對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計類課程的現(xiàn)狀，按照廣泛涵蓋智能建造相關(guān)領(lǐng)域知識、融合跨學(xué)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(shè)計工具和仿真技術(shù)、注重問題解決和創(chuàng)新思維等教學(xué)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(jié)合高效互動的教學(xué)新體驗、構(gòu)建理實一體化的智慧課堂等教學(xué)改革路徑，探索鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程改革思路，為區(qū)域建設(shè)提供人才保障，促進(jìn)智能建造專業(yè)課程的建設(shè)和人才培養(yǎng)。關(guān)鍵詞：設(shè)計類課程；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理；教學(xué)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(jìn)的信息技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，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(yuǎn)景目標(biāo)。在當(dāng)今資源緊張、環(huán)境問題日益突出的背景下，為了培養(yǎng)復(fù)合型智能建造技術(shù)人才，對交叉融合多學(xué)科的結(jié)構(gòu)設(shè)計類課程進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計類課程教學(xué)現(xiàn)狀2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)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(guān)鍵核心技術(shù)，加強智能建造在工程建設(shè)各階段的應(yīng)用。次年3月又提出“加速數(shù)字化發(fā)展，構(gòu)建數(shù)字中國”的目標(biāo)，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(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生掌握土木工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、機械工程、系統(tǒng)工程等學(xué)科的基本原理和基本方法，具備跨學(xué)科發(fā)展的能力，能夠勝任復(fù)雜建造工程的智能設(shè)計、智能施工、智能運維管理等工作。同時，要培養(yǎng)學(xué)生具備強大的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、國際視野和領(lǐng)導(dǎo)才能，使其成為業(yè)界的領(lǐng)軍人才［1］。自2017年同濟(jì)大學(xué)首個智能建造專業(yè)獲得教育部批準(zhǔn)以來，累計有152所高校開設(shè)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(dá)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(shù)專業(yè)人才的緊迫需求。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是智能建造專業(yè)的學(xué)科核心課程之一，多數(shù)高校在本科三年級階段開設(shè)。課程內(nèi)容涵蓋廣泛，強調(diào)引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和進(jìn)行科學(xué)實踐。在教學(xué)過程中，不僅要進(jìn)行理論推導(dǎo)，還應(yīng)針對不同的工程應(yīng)用項目進(jìn)行實驗操作和數(shù)據(jù)分析。然而，該課程傳統(tǒng)教學(xué)模式在教材、課程設(shè)置和實踐性教學(xué)等方面未能緊跟智能建造領(lǐng)域的快速發(fā)展，在培養(yǎng)學(xué)生過程中可能導(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計施工技術(shù)的發(fā)展，屋蓋結(jié)構(gòu)通常采用鋼管桁架、網(wǎng)架或網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)等形式，但教學(xué)中仍然講解角鋼屋架設(shè)計，其截面形式主要是單角鋼或雙角鋼組成的T形截面，設(shè)計內(nèi)容并不能覆蓋鋼結(jié)構(gòu)課程的主要知識點。課程應(yīng)將原先的鋼屋架設(shè)計調(diào)整為鋼框架設(shè)計，使之與前面所學(xué)的基本構(gòu)件設(shè)計與節(jié)點連接的知識點更加貼近；還要強調(diào)BIM技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，強調(diào)計算機仿真分析在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工方面的應(yīng)用。因此，為了更好地培養(yǎng)適應(yīng)未來建筑行業(yè)發(fā)展的專業(yè)人才，亟需對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程探討教學(xué)改革措施，以構(gòu)建更適應(yīng)智能建造需求的鋼結(jié)構(gòu)教育體系。二、智能建造專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)的改革要求在智能建造專業(yè)背景下，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的教學(xué)要求應(yīng)該具有更為寬泛的知識體系，以適應(yīng)這一領(lǐng)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(guān)領(lǐng)域知識。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程需要涵蓋智能建造領(lǐng)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(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用、人工智能在結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化中的角色、大數(shù)據(jù)分析對結(jié)構(gòu)性能的影響等。學(xué)生需要理解這些知識如何與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)聯(lián)，以更全面地應(yīng)對未來智能建造的挑戰(zhàn)。二是要融合跨學(xué)科內(nèi)容。高度智能化的建造過程需要結(jié)構(gòu)工程師具備跨學(xué)科的知識儲備。因此，課程的改革方向應(yīng)該在鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上融合計算機科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)、機械工程等相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，以全面提升學(xué)生的知識、能力儲備。這需要跨學(xué)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(lǐng)域。三是強調(diào)系統(tǒng)思維和綜合性能力。在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計教學(xué)中，注重教授構(gòu)件和連接的設(shè)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(yīng)該強調(diào)對整個建筑系統(tǒng)的設(shè)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(xué)生能將結(jié)構(gòu)設(shè)計放入整體建筑系統(tǒng)的背景中，通盤考慮結(jié)構(gòu)與其他系統(tǒng)之間的相互影響。四是引入數(shù)字化設(shè)計工具和仿真技術(shù)。在智能建造專業(yè)教學(xué)中，數(shù)字化設(shè)計工具和仿真技術(shù)用以提高設(shè)計效率、增強設(shè)計質(zhì)量，讓施工者更好地應(yīng)對復(fù)雜項目，如使用BIM軟件可以實現(xiàn)建筑設(shè)計的三維可視化，設(shè)計師能夠更直觀地進(jìn)行規(guī)劃和修改，大大減少了設(shè)計過程中的錯誤和重復(fù)工作，從而顯著縮短項目周期。課程應(yīng)該引入先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計工具，如建筑信息模型（BIM）軟件、結(jié)構(gòu)分析軟件等。通過實際的項目和仿真，學(xué)生更好地理解結(jié)構(gòu)設(shè)計在數(shù)字環(huán)境中的應(yīng)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(lǐng)域的問題。因此，課程應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的問題解決和創(chuàng)新思維，鼓勵他們通過結(jié)構(gòu)設(shè)計解決實際問題。通過引入真實案例和工程項目，讓學(xué)生在解決實際挑戰(zhàn)的過程中鍛煉創(chuàng)新性思維，以適應(yīng)未來行業(yè)發(fā)展的要求。三、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)改革路徑為拓展學(xué)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(yīng)智能建造專業(yè)的新變化。教學(xué)團(tuán)隊對照上述要求，提出以下適用于智能建造專業(yè)設(shè)計類課程教學(xué)改革路徑。（一）修訂智能建造專業(yè)的課程內(nèi)容鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程涵蓋智能建造的多個領(lǐng)域，并作為智能建造專業(yè)的核心專業(yè)課程，該課程目標(biāo)強調(diào)對鋼結(jié)構(gòu)基本原理的掌握、設(shè)計方法的運用、施工技術(shù)的了解以及具備安全評估的能力，以應(yīng)對未來智能建造的挑戰(zhàn)。因此，教學(xué)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(guān)的基礎(chǔ)知識，如機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、計算機視覺等融入教學(xué)內(nèi)容中，并介紹這些技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用案例，這些案例包括智能監(jiān)測、智能設(shè)計、智能施工等方面，讓學(xué)生深刻認(rèn)識到人工智能在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)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(lǐng)域的新技術(shù)、新理念和新方法，特別要重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能算法、BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)等課程設(shè)置的權(quán)重。再根據(jù)人才培養(yǎng)方案制訂相應(yīng)的課程大綱，旗幟鮮明地突出智能建造的教學(xué)重點，更新教學(xué)內(nèi)容。同時，更新傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)，通過以點帶面、以面帶片，將知識體系進(jìn)行融會貫通。教師可以通過線上平臺發(fā)布拓展學(xué)習(xí)資源，供學(xué)生課后進(jìn)行自我探究提升。鼓勵學(xué)生參與基于人工智能的鋼結(jié)構(gòu)項目，如智能監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)、智能設(shè)計軟件的優(yōu)化等。重構(gòu)后的課程旨在提高學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步加強課程知識的掌握程度。課程大綱要結(jié)合最新鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工與運維管理的相關(guān)規(guī)范教學(xué)，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(xué)的教學(xué)資源。還可聘請國內(nèi)外智能建造領(lǐng)域頂尖企業(yè)的工程師，參與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)向，通過問卷調(diào)查收集一線建設(shè)人員的反饋意見，以不斷改進(jìn)教材，使之更符合實際工程應(yīng)用，從而提高學(xué)生對理論知識的理解程度和實際運用能力。（二）打造虛實結(jié)合高效互動的教學(xué)新體驗傳統(tǒng)的教學(xué)模式在面對快速發(fā)展的智能建造領(lǐng)域時顯得有些滯后，為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，教學(xué)團(tuán)隊采取了虛實結(jié)合的教學(xué)措施，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。如利用虛擬仿真技術(shù)，模擬真實的建筑場景和施工過程，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)，并通過反復(fù)實踐加深對理論知識的理解。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的課堂上，利用BIM技術(shù)構(gòu)建三維立體模型，展示不同類型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，從而讓學(xué)生直觀地理解和學(xué)習(xí)鋼構(gòu)件之間的連接方式。例如，引入BIM技術(shù)，通過使用相關(guān)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(jié)構(gòu)3D虛擬模型素材庫，包括梁柱構(gòu)件、梁柱節(jié)點連接、柱頭和柱腳連接等典型構(gòu)件（如圖2、圖3、圖4所示）。此外，教學(xué)團(tuán)隊還利用多媒體技術(shù)直觀展示鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)節(jié)和受力特點，例如通過動畫模擬鋼結(jié)構(gòu)框架的受力過程，讓學(xué)生看到構(gòu)件的變形和應(yīng)力分布情況。利用諸如虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)為教學(xué)提供了新的視角。VR技術(shù)可以讓學(xué)生進(jìn)入虛擬的鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場，體驗安裝過程，了解技術(shù)要求和安全措施；AR技術(shù)則將虛擬模型疊加到現(xiàn)實環(huán)境中，增強學(xué)生對設(shè)計和施工的理解。在虛擬仿真學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，教學(xué)團(tuán)隊結(jié)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(dǎo)學(xué)生在實際操作中驗證虛擬仿真的結(jié)果，加深對知識的理解和應(yīng)用，從而使學(xué)生對鋼構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程時，引入重大工程案例，讓學(xué)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(xué)校構(gòu)建了虛擬仿真實訓(xùn)平臺（如下頁圖5所示，包含1個實景教學(xué)基地、2個資源平臺、4個仿真實訓(xùn)系統(tǒng)），擴(kuò)充專業(yè)實踐教學(xué)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(jìn)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(shù)成果，從而充實教學(xué)內(nèi)容［4］。教學(xué)團(tuán)隊秉持“虛實結(jié)合、互為補充、務(wù)實為先”的核心理念，致力于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，將實習(xí)實訓(xùn)、實驗教學(xué)與前沿的科學(xué)研究和工程實踐緊密融合，從而促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。在虛擬仿真實訓(xùn)平臺上，教師可便捷使用軟件模擬鋼結(jié)構(gòu)各類實體實驗、利用VR全景和BIM技術(shù)展示鋼結(jié)構(gòu)智能建造工程案例等。（三）構(gòu)建理實一體化的智慧課堂為了順應(yīng)智能化建造的發(fā)展趨勢，滿足智能建造領(lǐng)域職業(yè)崗位需要，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)過程中應(yīng)推廣理實一體化教學(xué)模式，以避免理論與實踐相脫節(jié)。為此，學(xué)校應(yīng)建設(shè)多個實驗室，滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程理實一體化教學(xué)的需要。例如，在學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)材料這章內(nèi)容時，學(xué)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(rèn)知；通過操作試驗機，學(xué)生深入理解了鋼材在受拉與受壓條件下的力學(xué)性能，以及冷彎性能和沖擊韌性等關(guān)鍵特性，從而全面掌握了鋼材的力學(xué)行為特征；在學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)連接的內(nèi)容時，學(xué)生在實驗室內(nèi)采用機器人進(jìn)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(xué)生學(xué)習(xí)焊接機器人編程與操作，深入理解焊縫連接設(shè)計和施工原理；在學(xué)習(xí)鋼柱、鋼梁的設(shè)計理論時，學(xué)生分組后在實驗室制作和測試鋼結(jié)構(gòu)框架縮尺模型的力學(xué)性能及破壞形式，驗證其設(shè)計的正確性和可行性，同時利用軟件對模型進(jìn)行有限元分析，與實驗結(jié)果對比。這些實踐過程有利于培養(yǎng)學(xué)生的解決問題能力和技術(shù)創(chuàng)新能力。除了實驗室內(nèi)的實驗實訓(xùn)項目，教師可選擇部分鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的典型模型，并運用3D打印技術(shù)將其實體化，從而為學(xué)生提供直觀的學(xué)習(xí)材料。在教學(xué)課堂中，學(xué)生可以親手組裝這些3D打印的模型構(gòu)件，從而提升專業(yè)技能。鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)置課程設(shè)計環(huán)節(jié)，并且在生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計的環(huán)節(jié)中也涉及鋼結(jié)構(gòu)的實踐范疇，讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)、在操作中思考，提升解決問題的能力。在課程設(shè)計中，要著重進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)框架和節(jié)點設(shè)計，檢驗學(xué)生理論和實踐水平，以做到知行合一。這種實踐性的學(xué)習(xí)方式不僅使學(xué)生更加深入地理解鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的原理和設(shè)計，更能夠提升學(xué)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(chǔ)。此外，學(xué)生可通過上述構(gòu)建的校企合作平臺獲取豐富的鋼結(jié)構(gòu)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(fù)雜性