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AI背景下“混凝土结构设计原理”课程混合式教学探讨

2024-09-05 21 上传者：管理员

摘要：随着人工智能(AI)技术的快速发展，混凝土结构设计原理的课程教学面临着前所未有的机遇和挑战。本文探讨了AI技术对传统教学模式的影响，并从丰富教学内容和强化实践教学两大方面，提出了一系列将AI应用于混凝土结构设计原理课程的混合式教学改革策略，旨在推进该课程教学质量的提升，以满足当前AI背景下工程教育的需求。

关键词：
AI技术
人工智能
工程教育
混凝土结构设计
混合式教学改革
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1、概述

“混凝土结构设计原理”课程在土木工程专业中有着举足轻重的作用，是一门实践性很强与现行规范、规程等有关的专业基础课[1],主要教学内容为探讨钢筋混凝土结构的受力特性、梁板柱等基本构件在不同荷载(拉、压、弯、剪、扭)作用下的截面设计与计算方法、混凝土的变形和预应力混凝土构件、配筋结构问题等[2]。该课程对先期课程土木工程材料、结构力学、房屋建筑学和后期课程砌体结构、钢结构设计原理等起到一个承上启下的作用。课程内容以理论为主，包含的工程实例较少，教材的编写是在混凝土结构设计规范的基础上进行的，知识的应用与后续课程的联系度不高[3]。因此，仅仅注重理论教学往往达不到很好的效果，要充分结合工程实践提升教学质量，例如，混凝土构件的设计及制作，构件在外荷载作用下的破坏过程和原因分析等都有助于学生对理论知识有更深入的理解[1]。然而，随着教学改革的不断深入，该课程的课时由最初的80学时缩减到当前的48～56学时[4]。可以看出，对于混凝土结构设计原理的教学而言，传统的教学模式因其受制于空间和时间限制，往往无法满足高质量教学的需求。

人工智能(Artificial Intelligence, AI)作为现代社会的一个重要技术趋势，不仅是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，更是引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量。AI的迅猛发展对许多领域都产生了显著的影响，土木与建筑工程行业也不例外。AI技术的广泛应用不仅辅助了设计、采购、施工、生产等各个环节的数字化仿真，更在针对不同的用户需求进行分析时，取代了大量重复的体力和脑力，从而显著降低了人为的判断错误，在保证精度的前提下，提高了工程的工作效率。为了适应工程实践的最新需求，教育领域也积极探索将AI技术引入课堂教学中。这一举措除了可以强化学生对AI背景下工程建设和学科发展的认识，为他们未来从业生涯打下坚实基础，还可以助力教育者从传统的一对多教学模式向更加个性化、智能化、自适应的教学模式转变，从而提高教育质量和学生的学习效果。在此变革浪潮中，以ChatGPT为代表的AI技术凭借其智能化、个性化的学习指导与解决方案等，为教师和学生提供了强大的工具和崭新的视角，但同时在一定程度上也削弱了传统教师的角色作用，对教师产生了巨大的影响[5]。因此，教师需要借助AI技术重塑自身角色，并重新思考学生的学习方法、团队协作、教学评价等，以应对这一新形势下的挑战。可见，在混凝土结构基本原理课程中，教学改革显得尤为必要。

本文探讨了AI技术对传统教学模式的影响，并从丰富教学内容和强化实践教学两大方面，提出了一系列将AI应用于混凝土结构设计原理课程的混合式教学改革策略，以期推进混凝土结构基本原理课程教学的提质增效，促进教学与实践的紧密联系，为土木与建筑工程专业人才的培养提供更为有效的保障。

2、AI对传统教学模式的影响

AI技术的快速发展对传统教学模式产生了重大的影响，教育的数字化转型(DTE)实现了从传统的课堂教学方法到由信息技术(包括AI)促进的数字教学方法的转变[6]。教育部门利用AI技术成功开发了比传统教学模式更成功的当代学习平台，这些平台是通过从学习者的角度建模学习过程，并将系统以前用户的历史数据经过分析以后纳入系统。因此，AI教学系统能够根据个体学习者的需求，为学习者提供准确和高质量的学习材料[7]。下面将详细探讨AI技术影响传统教学模式的几个主要方面：

2.1 学习路径和课堂内容

AI系统可以根据每个学生的学习风格、能力和需求提供个性化的学习路径和教学内容，通过分析学生的行为数据识别和纠正学生的错误，为学生解决问题提供指导性支持，使教学更加具有针对性[7-8]。另外，教师可以利用AI技术丰富课堂内容，包括多媒体教材、虚拟实验室、在线测验等，使学习过程更具吸引力。

2.2 教师辅助和课堂管理

AI可以有效地辅助教师更高效地完成作文批改和数据分析[9],这不仅可以帮助他们更好地管理课堂，提供教学建议和资源，还可以帮助他们更好地了解学生的学习情况，识别出学生的弱点和优势，从而更有针对性地提供教学支持和指导。另外，聊天机器人和智能助手能够回答学生问题，释放教师的时间，使他们更专注于教学设计和学生互动。

2.3 自主学习和实时反馈

学生可以通过AI技术进行自主学习，随时随地获取知识。智能教辅软件、在线课程和学习应用程序使学生能够在没有教师的情况下进行自主学习。AI系统还可以为学生提供实时反馈，帮助他们了解自己的学习进展，从而激发学习动力。

2.4 数据驱动的决策

AI可以收集和分析大量的学生数据，从中提取有用的信息，包括学生的学习表现、学习进度、解答问题的准确性、在特定知识点上的掌握程度等，帮助教育机构或教育者做出数据驱动的决策。基于这些数据和决策，教育者可以识别学生的学习情况，及时调整教学方法、优化课程设计，以更好地满足学生的需求。例如，如果数据显示大多数学生在某个特定主题上出现困难，教师可以针对这个主题提供额外的教学资源或者调整教学方法，以更好地帮助学生理解；同样，如果某些学生在某个领域表现出色，教师可以提供更具挑战性的学习内容，以加强学生对知识理解的深度。

虽然AI技术的引入使得教育变得更加智能化、个性化和高效化，但同时也提出了新的挑战，例如隐私保护、数据安全、学术诚信等问题需要得到妥善解决。总之，在AI技术的发展过程中，我们需要保持警惕，充分认识到其优势和限制，以确保教育体系的健康和可持续发展。

3、混合式教学改革策略

随着计算机技术的高速发展，书本不再是最主要的知识载体，传统教学模式正朝着网络化、具身化、可视化的方向变革。据此，可以将AI的计算智能、感知智能和认知智能三大技术相融合，应用于混凝土结构设计原理课程，形成以浸入体验式、互动交流式、深入探索式、终端移动化、交互双向化等为主要教学手段的混合式教学新模式[10]。

3.1 丰富教学内容

传统的混凝土结构设计原理教学，往往以课堂板书和PPT授课为主，教学方法单一，学生难以充分掌握课程内容。鉴于此，我们可以借助AI技术和虚拟现实技术，将混凝土结构设计原理课程带入一个全新的学习维度。例如，结合建筑信息建模(BIM)、混凝土结构分析等软件，将虚拟的各类场景通过数字可视化技术、混合现实(MR)技术、虚拟现实(VR)技术等引入混凝土结构设计原理课程的教学中，创造出沉浸式学习环境，丰富课程教学内容。从而，使学生由作为知识接受者的被动方转变为主动学习者，提高学习兴趣、增强理论思维和改善教学效果。具体教学举措举例如下：

(1)借助虚拟仿真技术独特的沉浸感和实时性，建立立体化虚拟实验室。与传统实验室相比，这种虚拟实验室不仅可以降低对设备、空间和预算的要求，而且可以获得与传统实验室相似甚至更良好的学习成果[11]。利用虚拟实验室，学生不仅可以体验构件的制作过程，还可以在不同材料强度、几何尺寸和承载力条件(受弯、受压、受拉、受扭以及复合受力)等参数下构件或结构的破坏过程中，直接看到破坏面的应力或应变分布变化。从而，促进学生更好地理解不同因素对混凝土性能的影响以及背后的机理，并加强学生的实践操作能力。

(2)结合VR技术和BIM软件等，创建交互式三维虚拟建筑情景。这些情景可以实现材料、构件以及结构层次三个不同维度的自由转化，以彩色云图的形式直观地展示钢筋混凝土结构在外部荷载效应下不同维度的力学响应，并建立相应的承载力计算过程。由于虚拟仿真技术不受时间、空间的限制，学生可以对重难点进行重复学习，由难入简，使各章节内容融会贯通，充实教学内涵。

(3)通过AI技术，学生可以对课程知识的学习进行智能化的自检和纠错，教师可以借助学生学习情况的云共享分析教学成效，实时改进教学方法和课程设计。另外，为了防止学生过分依赖AI技术、缺乏自我思考以及学术诚信等问题，在课程教学中加入实时测验，建立惩处机制，形成自我思考为主、AI技术为辅的健康学习模式。

可见，以上教学举措可以有效丰富混凝土结构设计原理课程的教学内容，为学生提供更具体、更直观、更互动的学习体验。学生在这样的学习环境中，既能够加深对课程理论知识的理解，又能够培养实际操作能力和创新思维，使得他们更好地面对未来的实际工程项目和职业挑战。同时，教师在此过程中发挥着更多的引导和促进作用，推动教学不断创新，提高教育质量。

3.2 强化实践教学

由于学生和多数任课教师没有真正接触过工程项目，缺乏实践经验，传统混凝土结构设计原理课程中存在理论教学和实践教学脱节现象，因此实践教学能力有待提高。鉴于此，本节按照“夯实学科基础、强化工程实践、培养创新能力”的总体思路，提出相应的教学举措。

(1)结合实际工程案例进行教学，夯实学科基础。通过分析真实的建筑工程案例，学生能够更加深入地了解理论知识的实际应用，提高学习的深度和广度。邀请业内专家举办讲座，分享实际工程经验，拓宽学生对行业实践的认知。

(2)拟与企业合作，采用AI技术开发模拟立体化的真实工程环境，并实时跟进施工进度，强化工程实践。安排学生参观建筑工地，亲身感受工程实践中的问题和挑战，并将实际工程与虚拟仿真平台相结合，帮助学生掌握结构设计基础知识和企业实际操作经验，为以后毕业设计和就业提高实践性引导。

(3)开设建筑结构项目驱动式课程设计，安排学生自主选择并分组参与实际建筑项目的设计和模拟，利用AI技术模拟项目的材料选择、结构设计、成本估算等，完成从构思到施工图设计的全过程，从而培养学生的团队合作和创新能力。之后，将不同分组的设计数据输入AI系统进行分析，找出最优设计方案，从而学生可以学习如何利用数据进行决策，并通过实践了解最优设计背后的原理。

可见，这些教学举措将有助于缩小理论教学与实践教学之间的鸿沟，使学生更好地理解混凝土结构设计原理，并能够在未来的实际工程项目中应用所学知识，为学生的职业发展奠定坚实基础，进而推动土木与建筑工程领域的发展。

4、结语

在AI的背景下，混凝土结构设计原理的教学需要进行深入的改革和创新，以适应新的技术趋势和社会需求。本文探讨了AI技术对传统教学模式的影响，并从丰富教学内容和强化实践教学两大方面，提出了一系列将AI应用于混凝土结构设计原理课程的混合式教学改革策略，旨在推进该课程教学质量的提升，结合本专业培养适应社会主义现代化建设需要的人才，满足区域经济社会发展需求。只有通过不断的教育改革，我们才能更好地应对人工智能时代的挑战，推动土木与建筑工程领域的发展，培养更多优秀的工程师和科学家，最终迎来一个智能化、创新化的未来。

参考文献:

[1]张宇,屈恩相.《混凝土结构设计原理》实验课教学方法改革研究[J].工作探索,2022,20(8):37-40.

[2]东南大学,天津大学,同济大学.混凝土结构(上册):混凝土结构设计原理(第七版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2020.

[3]王素萍.新工科背景下应用型本科高校教学改革分析——以混凝土结构基本原理课程为例[J].现代交际,2021(12):169-171.

[4]张灵通,张震,李宝元,等.“混凝土结构设计原理”课程教学改革探讨[J].科技与创新,2022(13):110-112+116.

[5]张一春,汤玲,马春兰.人工智能助推教师发展的路径与对策研究[J].学科建设与教师发展,2023,44(10):104-111.

[10]刘彦龙.AI代入背景下高职专创融合教育的内涵､模式及意义[J].教育理论与实践,2022,42(15):16-18.

[11]战怡霏,王静.虚拟现实技术在教育中的应用与困境[J].科技创新与应用,2023,13(20):191-196.

基金资助:浙江科技学院教学研究与改革重大项目(2023-jg03,主持人:金辉);

文章来源:王红伟,金辉.AI背景下“混凝土结构设计原理”课程混合式教学探讨[J].科技风,2024,(25):83-85.