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新工科背景下低碳智能交叉融合的土木工程专业教学体系构建

2024-11-11 45 上传者：管理员

摘要：在全球范围内推进低碳发展已成为时代的必然选择，这对土木工程领域提出了新的要求。新工科背景下，土木工程专业的教学体系构建需紧密围绕智能化技术和低碳理念展开，以培养适应未来社会需求的高素质工程技术人才。这种跨学科的交叉融合要求学生掌握传统土木工程的核心知识，同时具备利用新兴技术解决环境和能源问题的能力。该文主要分析了土木工程学科发展中存在的问题，并基于新工科背景提出了低碳智能交叉融合的士木工程专业教学体系构建策略。

关键词：
低碳发展
低碳智能
土木工程
教学体系
新工科
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在21世纪的今天，随着全球气候变化和环境恶化问题的日益严峻，低碳发展已经成为全球共识和迫切需求。同时，智能技术的快速发展，比如，人工智能、大数据和物联网等，为解决这些问题提供了新的思路和工具。土木工程作为直接关系到人类生活环境建设的重要学科，其教学体系的构建自然也需要适应这一时代背景，实现低碳智能的交叉融合。

1、新工科背景下的教育改革需求

随着全球气候变化的日益严峻，低碳发展已成为全球共识，这对土木工程领域提出了更高的要求。人工智能、大数据分析和物联网等迅猛发展为土木工程的设计、施工、管理和维护带来了革命性的变革。在此背景下，传统的教育体系和教学方法已难以满足培养创新型、复合型工程技术人才的需求，这迫切需要教育改革来应对。新工科背景下的教育改革需求体现在教学内容的更新上[1]。传统的土木工程教育内容偏重于基础理论和传统技术，而新的教育体系需要加强对低碳理念、智能技术的教学，使学生能够理解并应对气候变化带来的挑战，掌握节能减排的设计理念和方法。与此同时，传统的课堂讲授和书本知识的传授方式已不能满足新时代对工程技术人才的要求。学校需要采用项目驱动学习、案例教学和协作学习等现代教学方法，增强学生的实践能力和创新能力。结合虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等技术，为学生提供模拟实际工程项目的学习环境，增加学习的互动性和趣味性，提高学生的学习效率和动力[2]。

2、土木工程学科发展中存在的问题

2.1 高等教育人才输出受限

高等教育中土木工程学科的教育模式相对传统，重理论轻实践的倾向仍然明显。在很多高校中，土木工程专业的教学侧重于基础理论的传授，而对实际工程技能的培养和现代工程技术的应用教学不足。这种教育模式导致学生毕业后虽然掌握了丰富的理论知识，但在实际工程项目中解决问题的能力和创新能力却显得不足。此外，缺乏与行业接轨的实践机会，使得学生难以及时了解和掌握行业最新技术和发展趋势，影响了毕业生的就业竞争力和行业适应性。随着科技进步和社会发展，现代土木工程项目往往涉及环境保护、智能化建造和可持续发展等多个领域，这要求土木工程师不仅要具备专业知识，还需要具有跨学科的知识结构和创新能力[3]。然而，当前的土木工程教育体系中，对于学生的跨学科能力培养相对缺乏，这在一定程度上限制学生的视野和能力发展。

2.2 土木建筑行业发展转型

随着全球经济环境的变化、绿色低碳理念的普及以及智能化技术的快速发展，土木建筑行业面临着前所未有的挑战和转型压力。新技术BIM(建筑信息模型)、3D打印建筑和智能施工等的应用极大地推动了土木建筑行业的技术革新和工作效率的提升。然而，这些新技术的快速发展同时也对从业人员提出了更高的要求，包括新技能的学习和旧知识的更新，这对当前的教育体系和在职培训机制提出了挑战[4]。其次，许多企业依然采用传统的工程管理和施工方法，对新技术和新管理理念的接受度不高。这种现象在一定程度上抑制了行业创新能力的提升和转型升级的步伐。同时，行业内部的这种保守态度也影响到学科教育的方向和重点，导致教育与实际需求之间存在脱节。

3、低碳智能交叉融合的土木工程专业教学体系构建策略

3.1 学科发展响应“双碳”战略

在全球气候变化和环境保护日益受到重视的背景下，低碳智能交叉融合已经成为土木工程专业教学体系构建的重要方向。响应“双碳”战略，即实现碳达峰和碳中和目标，不仅是国家层面的战略部署，也是土木工程领域的发展趋势。这要求土木工程教育不仅要传授专业知识和技能，更要培养学生的环境意识、低碳理念和智能化应用能力，以适应未来社会的发展需求。土木工程的新建筑项目建设需要更加注重项目的生态功能和环境质量演变趋势，这就要求工程师具备环境影响评估和碳排放控制的能力[5]。在此基础上，高校土木工程专业的教学内容和方法必须进行相应的调整和优化，引入智能建造、低碳教育和环境影响评估等课程有效提升学生的环境保护意识和低碳设计实践能力。同时，课程中融入人文精神和绿色发展理念，通过绿色建造项目的案例分析，让学生理解到在工程设计和施工过程中，人与自然的和谐共存是非常重要的。在教学方法上，实践教学应成为土木工程专业教学体系的重要组成部分。通过参与真实的工程项目，学生可以亲身体验到低碳技术在项目中的应用，以及智能化工具在工程管理中的作用。高校在培养土木工程专业学生时还需紧密结合行业实时发展的需求，与企业、研究机构建立紧密的合作关系，为学生提供更多的实习和就业机会，使教学内容和教学方法更加贴近实际，确保教育培养的目标与社会需求同步[6]。

3.2 整合低碳设计理念与智能技术课程

在当今社会，随着环境问题的日益严峻和技术发展的飞速进步，低碳智能化已成为土木工程领域发展的必然趋势。在这一背景下，土木工程专业教学体系亟需整合低碳设计理念与智能技术课程，以培养出既具有环保意识又掌握高科技技能的新一代工程师。学校需要在课程设置上进行创新，引入涵盖低碳设计理念的新课程，比如，可持续建筑设计、绿色基础设施规划与建设和碳足迹评估等，对最新的国内外低碳工程案例分析，使学生能够了解和学习到前沿的低碳技术和实践经验。同时，智能技术课程也应作为土木工程教育的重要组成部分，课程内容应覆盖智能材料的选择与应用、智能建筑系统的设计与管理和基于大数据的工程决策支持系统等，这些课程将帮助学生掌握如何利用高新技术优化工程设计、提高工程效率与可持续性[7]。传统的教学模式往往侧重于理论教学，而在整合低碳设计理念与智能技术课程的过程中应更多地采用项目驱动、案例分析和模拟实践等互动式和实践式教学方法。通过与企业和研究机构合作，组织学生参与真实的低碳建设项目，让学生在实践中学习如何将低碳设计理念和智能技术应用于具体的工程项目中。利用虚拟现实(VR)、数字双生(Digital Twin)等技术创建模拟的工程环境，使学生在虚拟环境中进行设计、施工和管理，从而在安全无风险的情况下提前体验并解决实际工作中可能遇到的问题。此外，教师还可以整合线上和线下教学资源，发展开放式在线课程(MOOCs)、翻转课堂等新型教学模式，使学生能够在更加灵活的时间和空间里自主学习低碳设计理念和智能技术知识。

3.3 强化跨学科合作能力的培养

跨学科合作能力的培养需要从教学内容和课程设计开始，教师应当设计一系列包含土木工程的专业知识，涉及环境科学、信息技术和管理学等多个领域。通过这样的课程设计，学生不仅可以在项目中应用自己的专业知识，学会如何吸收和应用其他学科的知识，以实现项目目标。比如，关于可持续城市发展的项目需要学生们不仅要进行结构设计，还要考虑到环境影响、社会经济效益和法律法规约束等因素，这就要求学生们必须与环境科学、经济学和法学等领域的专家或其他学生进行深入的合作与交流。传统的课堂讲授方式很难有效促进跨学科的合作与交流，教育者应当采用项目驱动学习、翻转课堂和案例研究等教学方法，为学生提供更多的实践机会和互动平台。通过团队合作完成项目任务，学生不仅可以在实践中深化对专业知识的理解和应用，还能学会如何在团队中进行有效沟通、协调不同学科的知识和技能、共同解决问题[8]。比如，仿生学原理的应用于建筑设计启示人们从自然界中汲取灵感，设计出既美观又节能高效的仿生建筑，同时推动建筑材料和结构设计的创新。先进复合材料的开发与应用，正使得桥梁、高层建筑等结构变得更加轻质、耐久和经济，极大地拓宽了现代土木工程的设计与施工边界。在这一过程中，3D打印技术的推广更是彰显了跨学科合作的巨大潜力，该技术在建筑领域的应用实现了从建筑构件到整体建筑物的快速、精准制造，极大地提升了工程效率和施工质量。此外，数字化设计与模拟技术的飞速进步，尤其是BIM(建筑信息模型)技术的广泛应用，使得土木工程项目从设计、施工到维护管理的全生命周期得到了精细化、智能化的管理，显著降低成本，提高工程质量和项目管理效率。

3.4 借助物联网、大数据与人工智能实现智能化转型

随着数字化浪潮的不断深入，土木工程领域正经历着一场前所未有的智能化转型。这场转型的核心，在于物联网(IoT)、大数据和人工智能(AI)技术的广泛应用，它们正在根本性地改变土木工程的设计、施工、监测和管理方式。物联网技术的发展让建筑和基础设施得以拥有“感知”能力，通过部署在结构各处的传感器，实时监测和收集关于结构状态和环境参数的数据，这些实时数据的获取为设施的运维管理提供了前所未有的精准度和便利性。而大数据技术的应用则使得从这些传感器中获得的海量数据得以整合和分析，通过挖掘数据之间的潜在关联，预测结构性能的演变趋势，为决策者提供科学的决策支持，优化工程管理和运维策略[9]。在这一过程中，人工智能技术，尤其是机器学习和深度学习算法的应用展现了巨大的潜力。它们能够从大量的工程数据中学习规律，实现对结构健康的实时监测、对施工安全的预警以及对交通流量的精准预测等。借助深度学习技术可以对桥梁等关键基础设施进行更为精准的健康状态评估，及时发现潜在的安全隐患，从而有效避免重大安全事故的发生。同时，利用机器学习算法对交通数据进行分析，不仅可以优化交通流量，还能够为智能交通系统的设计和实施提供强有力的数据支撑。高校和研究机构应当加强与工业界的合作，通过实习、实训和项目合作等形式为学生提供更多接触最前沿技术和参与实际工程项目的机会。

4、结束语

综上所述，随着全球对可持续发展目标的不断追求，以及科技进步对传统行业带来的深刻变革，低碳智能交叉融合的土木工程教学体系的构建就显得尤为重要和紧迫。通过上述探讨和分析可以看到，在新工科背景下，通过整合低碳设计理念与智能技术、推广项目式学习和强化跨学科合作能力等策略可以有效地培养出适应未来建设需求的土木工程新型人才。这些人才不仅掌握坚实的专业技术，更具备环境意识、创新能力和跨学科协作精神，能够在未来的职业生涯中为实现更加绿色、智能和可持续的建设目标作出贡献。

参考文献:

[1]李楠,文一鸣,谢李杰,等.新工科背景下建环专业人才培养与实践[J].高等建筑教育,2023,32(4):49-55.

[2]李秀君,彭斌,宋明洋.新时代“双碳”背景下土木工程材料课程教学改革[J].高教学刊,2023,9(33):12-15.

[3]刘婉娟,田波.基于“双碳”背景下《土木工程材料》课程改革[J].砖瓦,2023(12):160-162.

[4]刘俊霞,杨飞,夏晓敏,等.“土木工程材料”课程思政建设实践研究[J].中原工学院学报,2022,33(5):70-74.

[5]刘庆.土木工程施工节能绿色环保技术[J].模型世界,2022(15):80-82.

[6]江飞飞,马剑,王佳雷.低碳背景下土木工程实践教学——稻壳资源化利用实验分析与探讨[J].四川建筑,2022,42(6):302-304.

[7]姜亚玲.“双碳”战略背景下土木工程专业课程改革路径初探[J].科教导刊(电子版),2023(15):99-101.

[8]潘家瑞,于永强.土木工程中的可持续建筑材料与绿色设计[J].中国房地产业,2024(2):158-161.

[9]丁德春.土木工程施工中绿色建筑材料的质量检测研究[J].装饰装修天地,2023(7):136-138.

基金资助:2023年齐齐哈尔工程学院教育教学改革研究项目(校级重点研究项目)《新工科背景下低碳智能交叉融合的土木工程专业人才培养改革研究》(JGZD2023001);

文章来源:徐喜辉,徐明,郝丽娜.新工科背景下低碳智能交叉融合的土木工程专业教学体系构建[J].林业科技情报,2024,56(04):220-222.