摘要: 本文探讨了数字化学习环境下土木工程专业教育的构建与智慧教育资源平台的利用，以及基于数字化的科教融合教学模式研究与实践。通过引入先进的信息化工具和软件，培养学生的信息化意识与能力，构建知识树以优化教学方案生成和教学资源共享，提升教学质量与资源利用效率。同时，探索数字化教学对学生学习成效和兴趣培养的影响，推动科创融合机制，培养学生创新解决问题的能力，并加速科教融合资源的开发与传播。此外，通过建立多方共享的教育资源、组织教师团队共同开发课程等方式，全面提升人才培养质量。教师团队建设方面，重点培育科教融合型教师，提升教师的数字化科学素养，促进教师间知识交流与碰撞，确保高质量的科学教师队伍。这些举措将有助于推动数字化教育在土木工程专业领域的深入发展，为学生提供更全面、智能化的支持，促进教学质量的提升与教育资源的有效利用。
Abstract:
This paper explores the construction of civil engineering education and the utilization of smart educational resources platforms in a digitally driven learning environment. It also discusses the research and implementation of digitally integrated teaching models in science and education. By introducing advanced information tools and software, students’ awareness and abilities in information technology are cultivated, and a knowledge tree is constructed to optimize the generation of teaching plans and the sharing of educational resources, thus improving the quality of teaching and the efficiency of resource utilization. Moreover, the impact of digital teaching on students’ learning outcomes and interest cultivation is explored, and mechanisms for integrating science and innovation are promoted, aiming to develop students’ abilities to creatively solve problems and accelerate the development and dissemination of science and education integration resources. In addition, the quality of talent cultivation is comprehensively improved through the establishment of multidirectional shared educational resources and the organization of teaching teams to jointly develop courses. In terms of teaching team development, a focus is placed on cultivating teachers who are capable of integrating science and education, enhancing teachers’ digital scientific literacy, promoting knowledge exchange and collision among teachers, to ensure a high-quality scientific teaching workforce. These measures will help promote the deep development of digital education in the field of civil engineering, provide more comprehensive and intelligent support for students, and promote the improvement of teaching quality and the effective utilization of educational resources.
1. 引言
党和国家高度重视教育信息化发展，并明确提出了开展终身数字教育的目标。《“十四五”国家信息化规划》对基础设施、数字资源、教学变革等方面做出具体规定，为新时期教育信息化发展指明了方向。我国在信息化基础设施建设、提升教师信息化素养、推进信息化教学变革方面加大投入，形成了多层次教育信息化政策体系，为教育数字化发展奠定了良好的政策基础[1]-[4]。
随着科技的不断发展和进步，数字化技术在各个领域的应用日益广泛，教育领域也不例外。数字化技术不仅提供了更高效的数据处理和存储方式，还改变了教学模式[5]-[7]，为学生提供了更丰富、更灵活的学习体验。在数字化技术的支持下，学生可以通过在线课程和教育平台获得更多的学习资源，并根据个人兴趣和学习节奏进行自主学习[8]-[11]。同时，教师可以利用数字化工具来创造更互动、更个性化的教学环境，提高教学效果和学生的参与度[12]-[14]。
传统的土木工程教育主要注重理论知识的传授和实际操作技能的培养，然而，随着土木工程项目的复杂化和需求的变化，传统教育模式已经无法满足人才培养的需求。因此，引入数字化技术成为改革土木工程教育的重要途径。目前，土木工程教育中的数字化技术应用仍然处于初级阶段，传统的教学模式仍占主导地位，对数字化技术的理解和应用还不够全面。因此，如何充分利用数字化技术来改善土木工程教育品质，提高学生的专业能力，正成为亟需解决的问题。
本研究旨在探究数字化技术在土木工程教育中的应用及其对教育的影响，并提出一系列基于数字化的土木工程教育改革实施策略，为培养具备数字化技术应用能力的优秀土木工程人才提供参考和借鉴。通过对数字化土木工程教育改革的评估和分析，本研究还将为未来的研究提供启示和建议。
2. 土木工程专业教育教学存在的主要问题
土木工程专业教育教学在当前社会发展和经济建设的背景下，具有重要的意义和作用。然而，随着信息化的不断发展和教育改革的深入推进，土木工程专业教育教学也面临着一些挑战和问题。
1) 课程设置和教材体系与当代信息化发展脱节
随着信息化时代的到来，信息技术在各行各业的应用日益广泛，对整个社会产生了深远的影响和改变。在土木工程领域，信息化技术的应用也日益重要，涉及数字化设计、建筑信息模型(BIM)、智能监测与管理系统等诸多新技术和新领域。然而，土木工程专业课程设置没有及时跟进信息化发展的趋势，无法满足行业和社会对土木工程专业人才的需求。缺乏与当代信息化发展密切相关的课程，导致学生在就业市场上竞争力不足。教材内容更新滞后，无法覆盖当代信息化领域的知识和技能要求。部分教材内容过时，无法满足学生对信息化技术的学习需求，影响学生的学习效果和实践能力。教材体系缺乏与信息化技术应用相关的案例和实例，无法将理论与实际应用结合起来，影响学生对信息化技术的理解和应用能力的培养。
2) 传统的教学方式和方法滞后于信息化教育的需要
传统的土木工程教育主要以课堂教学为主，以理论知识的传授和考试评价为核心。然而，在信息化时代，传统的教学方式和方法已经难以满足学生的学习需求和职场的实际要求。信息化技术的不断发展，要求学生具备更广泛的技能和能力，如信息搜索与处理能力、问题解决和创新能力、团队协作与沟通能力等。而传统的教学方式和方法注重的更多是理论知识的传授和单一的知识点的掌握，缺乏对学生实际能力的培养和全面素质的提升。
3) 跨学科整合不足，缺乏创新和实践机会
由于专业设置比较固化，课程设置相对单一，难以涵盖其他学科领域的知识，这使得学生难以获得跨学科的综合能力和广泛的知识背景，限制了他们在实践中灵活应用所学知识的能力。另外，土木工程领域的师资队伍结构相对单一，大多数教师来自土木工程领域，缺乏其他学科背景的教师。这导致跨学科教学资源的输入受到限制，学生难以接触到其他学科领域的前言知识和新颖思想。缺乏多元化背景的教师参与创新实践活动，也限制了学生的创新意识和实践能力的培养。此外，部分学校的土木工程课程设置滞后于行业发展和需求，无法及时引入其他学科领域的前沿知识和实践案例。学生学科交叉意识相对较弱，缺乏鼓励和引导学生进行跨学科学习的机制。学生参与跨学科合作项目的机会较少，缺乏实际操作经验和创新能力的培养。
4) 教师队伍缺乏数字化实践能力
随着信息化和数据化的快速发展，包括GPT、大数据分析平台和方法、模型方法等数据处理软件在内的新技术和工具的应用变得越来越重要。然而，部分教师在这些新技术和工具的应用水平存在差异，其中一部分教师缺乏相关知识和实践经验，导致信息化教学方面的实践相对较少。由于教师队伍的信息化能力不足，使得学生在数字化技能和数据处理能力方面的培养存在不足。学生在今后的工作中需要具备这些技能，因此高校需要重视教师队伍的信息化能力培养。可以通过加强对新技术和工具的培训和引导，使教师们能够熟练应用这些技术和工具，从而能够将其运用到教学中，提升教学质量和学生的专业能力。
3. 数字化土木工程教育的意义及影响
教育数字化是当前教育系统的研究焦点，尤其在高校学生教育方面具有重要意义。随着生成式人工智能ChatGPT、知识森林AR交互系统等数字化生态系统的应用，学生教育系统正向信息化和智能化转变，为教育改革提供了新思路和关键动力。推进土木专业学生科教融合育人模式的数字化转型，对提高学生教育的系统性和创新性至关重要。
1) 提升教学效果
通过多媒体教学资源、虚拟实验室和模拟工程项目等实践机会，学生可以更加深入地理解和掌握土木工程的理论知识和实际操作技能。数字化教育可以通过个性化教学路径和评估机制，满足学生的个体差异和学习需求，促进学生的学习效果。
2) 扩大教育资源
学生可以通过网络获取全球优质的土木工程教育资源，包括课程视频、学术论文、工程案例等。这不仅可以使学生接触到更多种类和丰富的教学资源，还可以打破地理和时间的限制，让学生随时随地地进行学习。
3) 促进学生创新能力培养
通过信息技术的应用，学生可以进行虚拟实验和设计活动，激发他们的创造力和创新能力。数字化教育可以提供于土木相关的计算软件和工具，帮助学生培养实践操作能力和创新精神。
4) 促进土木工程产业发展
数字化土木工程教育培养出的优秀人才能够适应工程技术发展和创新需求，为土木工程产业的发展提供人才支持。数字化教育可以使学生更加熟悉和掌握先进的工程设备和技术，了解行业最新的发展趋势和前沿技术，为未来的工程实践和研究提供人才储备。
综上所述，数字化土木工程教育在提升教学效果、扩大教育资源、促进创新能力培养以及促进产业发展等方面具有重要意义和积极影响，对于提高学生教育的系统性和创新性，推动土木工程领域的发展具有重要作用。
4. 基于数字化的土木工程专业教学改革实施策略
通过构建教育数字化的技术生态系统，开展基于数字化的教学模式、科教融合课程模式以及教师团队建设等方面的探索与实践。改革方法及思路如图1所示。
1) 数字化学习环境的构建和智慧教育资源平台利用
加强对信息化技术的教育内容和实践应用培训，引入先进的信息化工具和软件，培养学生的信息化意识和能力。同时，结合土木工程专业学生教育的大数据统计，利用知识获取与整合、知识表征以及知识推理等技术构建知识树，以实现教学方案的生成、优质教学资源的共享和复制等方面的系统化和高效化应用。这一方法将为土木工程专业学生的教育提供更全面、智能化的支持，促进教学质量的提升和教育资源的有效利用。利用文献检索和学习基础数据，搭建学生知识能力识别平台，分析学生的兴趣、能力、学习状态和知识掌握水平，这将为教师提供基础数据，帮助他们根据学生的情况采取差异化教学策略，实现土木工程专业学生跨学科学习资源的整合与共享。在实践过程中可以选择不同地区、不同学校及不同年级的学生作为实验对象，收集他们对数字化技术应用的反馈和评价，确保所提出的数字化土木工程教育改革实施策略适合不同的情境和条件。
2) 数字化的科教融合教学模式研究与实践
传统的科教融合教学模式主要侧重于从大量文本数据中挖掘潜在知识，但存在着知识类型上的局限
Figure 1. Education reform roadmap
图1. 教育改革路线图
性，因此需要探索基于数字化和信息化、高效化的教学模式。使用人工智能技术和大数据分析方法来构建一个高级静态和动态视觉知识网络数据库，例如示意图、知识树。通过这个数据库，可以加深对土木领域专业知识概念内在逻辑规则和信息理解的深化。同时，还可以探索如何利用先进的数字技术手段创新教学内容和方式，促进跨学科整合和知识传递。
此外，还需考察数字化教学对学生学习成效和兴趣培养的影响，以及教师在科教融合教学模式下的角色和能力需求。在数字化教学环境中，可以借助虚拟仿真平台并结合实际试验进行实践操作、设计个性化学习项目，并通过互动式教学和实时评估反馈等方式培养学生的创新能力和解决问题的能力，同时，还可以跨学科整合相关知识，以提升学生的综合能力和实践技能。为推动数字化与教育教学的深度融合，运用人工智能和大数据技术加速科教融合资源的开发、利用和传播，这将提升科教融合资源的整合水平，并通过线上线下结合的方式扩大科教融合资源的受益范围。
3) 基于数字化的科教融合型课程模式探索与实践
为实现多方共享的教育资源，建立一个数字化平台。基于区块链技术，确保教育资源的安全性和可信度，并通过人工智能和大数据技术提供个性化的学习推荐和评估反馈。通过数字化特色课程，学生可以在虚拟环境中进行学习，拓宽学习空间，培养数字化兴趣。
为了建立科教融合的课程内容，可以通过有效整合不同学科的知识和资源来创建优质线上资源。这些资源将突出基础知识和应用知识、信息化和学术性、科学性与人文性的融合。通过将土木工程理论课程与其他学科(如信息技术、管理、经济等)结合，鼓励学生在项目中运用不同学科的知识，促进学科之间的交叉融合。通过这种有机衔接的人才培养机制，可以全面提升人才培养质量。学生在数字化的学习环境中可以通过学习多学科知识和专业技能，培养问题解决能力和创新精神。
4) 基于数字化的教师团队建设
教师是推动数字化土木工程专业教育教学改革的中坚力量，需要采取一系列措施来加强教师团队的建设和实践。通过收集和分析大数据信息，了解教师研究方向、技术手段、未来发展趋势，为教师提供更好的支持和指导。建设数字化平台，让教师团队之间可以分享知识、交流经验和碰撞思想，促进科教融合。重点培育科教融合型教师，确保高质量的科学教师队伍，培养教师在数字化领域的科学素养和专业知识。建立定期培训机制，提升教师在大数据、区块链、人工智能等信息化领域的基本知识和技能。鼓励教师积极参与科研交流合作，通过数字化学习、同行交流、评价改革等方式提升教师的数字化能力。教师可以将科研成果有机地应用于教学实践中，提升教学质量和学生的综合能力。
5. 总结
1) 通过结合大数据统计和知识获取技术，利用先进的信息化工具建立智能化知识树，实现教学方案生成、优质教学资源共享等系统化应用。同时，利用学生文献检索和学习基础数据搭建个性化识别平台，分析学生兴趣、能力、学习状态和知识掌握水平，为教师提供基础数据，实现差异化教学策略，促进跨学科学习资源整合与共享。
2) 探索基于数字化和信息化的教学模式，借助人工智能技术建立高级静态和动态视觉知识网络数据库，加强土木领域专业知识内在逻辑规则和信息理解深化。推动科创融合机制实施，培养学生创新解决问题的能力，跨学科整合知识，提升学生综合能力和实践技能。
3) 通过大数据收集教师信息，建设数据资源共享平台，促进教师团队间知识交流和碰撞。重点培育科教融合型教师，建立定期培训机制，提升教师在信息化领域的基本知识，鼓励教师积极参与科研交流合作，将科研成果反哺到教学实践中，提升教师的数字化能力，确保高质量的科学教师队伍。
NOTES
*通讯作者。