李琼林，袁 冉，张东杰，章浩东

（西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031）

引言

自住房和城乡建设部等十三部门联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》以来，为满足我国在土木建筑领域对智能建造技术与产业发展应用的人才需求，教育部自2018年起开始批准普通高等学校增加智能建造本科专业。智能建造专业以土木工程专业为基础，是融合“三化”（数字化、网络化和智能化）和“三算”（算据、算力、算法）的新一代信息技术而形成的工程建设创新型工科专业［1-2］。

智能建造专业注重多学科交叉融合，不仅要求该专业的学生能解决具体工程问题，还要具有多元化的知识结构。从知识结构看，要求智能建造专业的学生具有广阔的知识面、智能施工设备和3D打印等土木工程领域新技术，充分体现了计算机学、机械学等学科与土木工程的交叉融合和未来发展趋势［3-4］。同时，智能建造专业学生的知识结构也需要具备对工程管理、土木工程等基础学科专业知识足够深入的了解［5］。结合智能建造专业注重学科交叉融合的特点，各高校也根据自身的学科优势制订了相应的智能建造专业学生培养方案。在众多的培养方案中，“土木工程实验教学”始终是一门必修的实践课程［6-7］。不同于传统的“土木工程实验教学”课程注重培养学生应用实验设备去了解各类土木工程材料相关物理力学性质以及工程结构受力特点的能力，智能建造专业的“土木工程实验教学”在传统实验教学的基础上融入了现代化智能设备开发与使用和复杂数据智能化处理与挖掘等环节，着重培养学生应用智能化设备和技术解决复杂工程问题的能力。

鉴于此，西南交通大学岩土工程量测试验教学团队以路基压实质量检测试验为例，通过开发探地雷达（GPR）检测路基压实度检测实验模拟实验教学系统，以面向实际问题进行工程驱动式教学的理念，引导学生应用实验模拟系统完成测试设备安装与调试、监测点位布设与数据采集、数据智能处理与解译等一系列实验教学流程，旨在培养学生解决复杂工程问题的能力，提高学生采用现代智能测试装备开展工程设计、建造和检测的能力，培养学生对于实验流程的思考、计算能力以及学科交叉融合能力，以适应我国土木建筑领域面向智能化发展的需求。

一、土木工程专业实验类课程体系分析

目前我国开设土建专业的高等院校根据各自的培养目标、师资与教学资源，建立符合自身培养目标的实验课程体系，从整体上而言，实验类课程体系主要由基本实验、综合实验和自主创新实验三部分构成。其中，基本实验包括土木工程材料性能测试、土力学性能测试、水力学测试等，该类实验多包含于理论专业课程的教学内容中，通过实验教学内容的实施，使学生加深对专业理论知识的认知与理解，该类实验以材料性能测试类为主。综合实验一般分为结构类综合实验、岩土类综合实验、道路类综合实验和地下隧道类综合实验等，课程根据学生的专业方向进行选课，主要教授在勘察设计、施工建造、施工质量检测以及运营期检测等过程中需要开展的实际工程实验或检测内容，每一类综合类实验中包含多个子项目实验，例如岩土类综合实验中主要包含地基承载力实验和桩基完整性测试实验等。该教学内容一般安排在主要专业课完成后的学期开展，教学过程多以分组形式进行实验理论讲解、实验流程讲解演示、实验实操，以及实验数据处理分析等流程。最后一类自主创新实验一般为任选实验，主要由学生自主申请，主要包括科研训练项目、学科竞赛项目和教师科研项目三个子模块，该类实验以完成创新性目标为导向，通过该课程的开设，实现实验项目的跨课程综合，培养了学生自主创新的能力。

目前，各高校为了提升实验教学在学生工程实践能力和创新能力方面的作用，通常以前述的三层次的实验教学体系为基础，通过调整实验教学内容、提高实验教学条件、改善实验教学方法等持续进行实验教学改革的探索。随着我国现代建筑业提出了以大力发展建筑工业化为载体，以数字化、智能化升级为动力，创新突破相关核心技术，加大智能建造在工程建设各环节的应用，形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产业体系的要求与发展方向。高等院校作为产业人才的培养基地，必须以产业的发展改革为导向，建立符合产业需求的人才培养体系。目前多数土木工程专业的实验教学体系设计中对于智能化的融入显著不足，尚需要在实验教学内容与方式上做出变革，以适应现代建筑产业的人才能力需求。

二、面向“智能化”的“土木工程实验教学”内容改革

高校的工程类专业将科学性与实践性的紧密结合作为人才培养的固有要求，在制订智能建造专业人才培养方案的过程中，除了进行理论教学外，还需设置丰富的实验类课程。实验类课程的设计、制定和实施是智能建造专业培养环节中的重要环节，需要从多维度、多角度、多时间段向学生传授相关专业知识。

（一）改革的目标与方向

智能化的土木工程是多专业融合的行业，需要从业人员掌握土木工程、机械设计制造及其自动化、计算机和工程管理等专业的知识。该专业的目标是培养能熟练掌握土木工程专业的基本知识，精通工程结构智能设计原理、构件生产和施工技术，能够应用相关计算机开发语言和工程建造的一般机械和控制工程原理，完成现代土木工程的智能设计、智能生产、智能施工和全过程运行维护管理的行业人才。因此，土木工程实验类课程的教学方面应当以土木工程行业需求为出发点，以土木工程专业实验为载体，充分考虑现代智能化技术在土木工程检测、监测等工作中的应用，将智能化的元素融入教学内容，使学生在掌握专业实验理论原理和技术流程的基础上，培养使用人工智能技术进行实验技术开发、提升工作效率的能力。土木工程实验课程体系较适用于综合类实验和自主创新类实验。

（二）改革需要遵循的原则

1.以传统的专业知识体系为根本。智能建造专业是从传统土木工程专业中衍生出来的新兴学科。只有扎实掌握土木工程的相关专业知识，如三大力学（理论力学、材料力学、结构力学）等，将智能建造元素与相关理论紧密结合，并以此为基础，通过实践环节的培养，才能更好地开设智能建造这一新专业。

2.面向建筑工业实际需求。土木工程是面向工程实践需求的专业，实验教学的改革必须与现代工程建设产业需求相吻合，新的实验技术与实验教学内容需要源于工程现场需求，且在工程中开始推广应用，切忌片面追求“智能化”，脱离实际工程需要。因此，在制订智能建造专业实践性教学方案时，需要邀请一线技术人员参与其中，让用人单位提出人才培养方面的需求，根据企业和学生走上工作岗位后的反馈，来改进培养方案。

3.融入智能化元素。智能建造主要通过引入人工智能、物联网、大数据、机器人等技术到传统的土木工程建设中，从而实现更高效和更安全的工程建造。因此，智能建造专业的培养方案中势必要增加具有智能建造特点和方向的教学实验内容。

（三）实验教学智能化改革的主要内容与方法

1.面向行业发展需求，丰富实验教学内容，开发实验教学设备。通过走访调研智能建造、建造自动化相关的实验室，以及国内著名的在智能建造方面走在前列的土木施工企业、智能建造工地现场，充分了解目前土木工程行业内实验检测技术的发展现状，特别关注智能化工程检测技术与装备在建筑工业中的应用现状，建立土木工程智能化实验检测技术与装备数据库，通过对比分析既有实验教学体系内容的差距，确定实验教学课程中面向智能化的更新升级内容。智能建造专业是最近一两年内才开设的新专业，是一个多学科交叉专业，要融合多项高新技术，由于工程中的智能化实验与监测的对象、检测流程以及设备通常不具备在实验室有限课时内完成的基本条件，因此很多新的实践教学项目，需要教师来设计、研制设备，不大可能直接从教学仪器公司购买。鼓励教师积极研发实验教学设备，并投入多方力量参与配合具有重要意义。

2.针对智能化实验教学内容，采用现代化教学手段，改革实验教学模式。传统的教学模式以教师为中心，授课方式较为单一。智能建造专业的实验教学应充分利用雨课堂、学习通等智慧教学平台，在讲解+室内实操的传统教学模式的基础上，将教学课程划分为课前、课中、课后和实践四个阶段，并提出了“线上+线下+思政+虚拟+实训”的多元混合式教学模式。在指导学生学习的过程中将多媒体教学、互联网、计算机虚拟实验等手段加以合理利用，着重培养学生的自主创新能力和实践能力。此外，在设计创新性和综合性实验项目时，需要注意可控性和可操作性。尤其是在创新制作型的实践环节，教师应注意项目可行性的把控，确保学生不会因项目工作量过大，而无法在规定时间内达成教学目标。

3.以开放性实验环节为载体，培养学生自主学习创新能力。主要以课后作业的形式，增加探究性的开放式实验教学环节，在该环节中设计以人工智能、机器学习等为解决方案的开放式问题，指导学生采用各类智能化的设备与工具，完成实验问题的建模、分析等步骤。重点培养学生的实践能力、创造力和创新意识，鼓励创新，增强学生自主开发采用人工智能、大数据及机器学习等先进技术手段解决工程中实际问题的能力，积极引导学生的兴趣，拓展学生学习和实践训练的空间。

三、实例：路基压实质量智能检测实验教学设计

（一）路基压实质量检测技术发展

路基压实质量检测是土木工程专业道路方向一项重要的实验教学内容，传统的实验教学主要开展基于灌砂法的压实度测试。由于该方法耗时长、检测精度低，近年来探地雷达在路基压实质量检测中得到了较多应用。目前，国内外已有不少学者基于探地雷达检测对路基填料的压实质量评价开展一系列研究，证实了该方法的可行性与准确性［8-9］。

（二）面向实验教学的路基压实质量检测实验系统开发

探地雷达系统是依据电磁脉冲反射原理设计的。发射端产生宽带、高频脉冲电磁波，经由发射天线射入路面系统。路基填料的密实度不同时，其介电特性也会变化，随着压实度的增大，路基填料的介电常数也随之增大。因此不同压实度的路基接收到的波形特征产生差异。通过波形的差异性解析出路基填料的介电常数，继而根据介电常数与路基压实度的定量关系确定路基的压实度。

西南交通大学岩土工程实验教学团队开发了一套探地雷达（GPR）路基压实度检测实验教学模拟系统，主要由分区段式分层路基模型、可移动式探地雷达、数据处理与解译系统三部分组成。其中，分区段式分层路基模型在实验室内根据实际工程的材料与结构特征构建缩尺模型，模型分为三个区段，每一区段的基床结构分布和压实信息由教师团队掌握。可移动式探地雷达由发射机、接收机、天线、分离器等组成，可以和电脑连接，通过电脑终端完成数据处理与解译。教研团队自行开发设计了一套面向智能建造专业路基压实质量智能检测教学实验的数据处理与解译系统。该系统中开发了设置时窗、静态校正、增益处理、背景去除、滤波处理等可程序化组合的数据处理模块。学生可根据测试数据的处理需求，对不同模块进行组合，完成数据的处理。学生也可根据该系统提供的自主开发接口编写新的计算程序对数据进行处理。最后针对处理后的波动数据进行解译，获得对应的介电常数，最终得到路基的压实度。

（三）路基压实质量智能检测实验教学方案设计

以路基压实质量智能检测实验教学为例介绍该课程的组织实施全过程（如图1）。首先通过典型的路基病害事故案例引发学生对路基压实度问题的关注，逐步培养学生的安全意识、工程意识和行业规范意识。随后向学生讲解路基压实质量智能检测技术的相关理论知识，演示实验设备的使用方法，并指导学生独立完成实验操作、数据采集及处理等工作。最终达到用理论知识和工程实践解决实际工程问题的目的，实现本课程的培养目标。详细的实验教学流程如下。

图1 路基压实质量智能检测实验教学组织实施流程

1.实验前准备。在实验教学开始前，要求学生提前熟悉探地雷达设备的工作流程，以及数据处理与解译系统的运行流程和各个数据模块的功能。在正式开展实验操作前，教师组织各小组成员根据实验步骤进行有序的分工，随后向学生介绍路基模型的组构，强调实验设备的安全使用方法。

2.实验实操过程实施。探地雷达实验研究流程主要包括测线、检测点的布设和波动数据的采集，实验的具体流程如下：（1）布置测线。指导学生沿垂直于路基模型长度的方向等间距布设测线。（2）布设检测点。在每一条测线上选择三个点位作为压实度检测点。（3）实验检测与数据采集。随后让学生调试探地雷达设备，完成调试后驱动探地雷达沿各条测线开展测试。

3.实验数据的分析与处理。指导学生将采集到的波动数据传输至电脑终端，随后采用自主研发的数据处理与解译系统进行数据处理。指导学生根据所采集波动数据的特点，选择处理系统中所包含的功能模块进行程序化组合，形成各自的数据处理程序，完成检测数据的处理，计算出不同层位路基填料的介电常数，最终根据介电常数与压实度的定量关系确定路基的压实度，完成实验教学的整个过程。

4.课后巩固与拓展学习。课后练习是巩固学习效果、检验学生知识掌握程度的有效办法。为了使学生加深对实验原理及操作方法的理解，从而进一步掌握相关理论知识及实践经验，教研组设计了探地雷达（GPR）智能检测路基压实度实验理论、实验操作过程的课后练习题，用于巩固和检验本实验教学课程的授课效果，使学生进一步掌握相关理论及实验操作方法。

为了进一步强化学生数据智能挖掘与计算机编程思维，基于实验教学团队开发的路基压实质量智能检测数据处理与解译系统中的自主开发结果，引导学生通过该系统提供的自主开发接口编写调用神经网络、机器学习等人工智能手段对探地雷达的检测数据进行挖掘处理，进一步提升实验检测效率。

结语

智能建造专业致力于培养熟练掌握土木工程基础知识、精通智能化技术的创新复合型人才。传统的“土木工程实验教学”已不能满足智能建造专业的培养目标和要求，鉴于此，本文首先对传统土木工程专业实验类课程体系进行了总结，提出了实验类课程面向智能化改革的必要性，随后通过分析智能建造专业的建设目标，提出了面向“智能化”的“土木工程实验教学”内容改革的目标与方向以及改革应当遵循的基本原则，最后从教学改革的内容、教学模式的创新以及教学环节的调整等方面对实验教学的改革进行分析与探索。最后，以路基压实质量智能检测实验教学为例，进行了详细的实验教学课程设计。该研究是智能建造专业实践类课程改革的一个有益探索，研究成果与示例可为面向智能化的“土木工程实验教学”内容改革提供参考，也为智能建造专业实验课程的设计提供范例。