[營建知訊轉載] 新一代土木工程師的資訊教育 康仕仲 (2013.5)

康仕仲  國立臺灣大學 土木工程學系副教授
 
資訊技術  未來必備技能
 
土木工程是創造文明的工程。土木工程師的職責就是利用各種科技，將人們的生活環境建構得更方便、更舒適、更文明。過去數百年間，土木工程師利用力學的技術，逐步打造出適合居住的現代環境；然而，隨著資訊科技的快速發展，土木工程師無可避免地需要利用各類資訊技術來解決問題，並防範各類災害。但反觀目前土木工程師的資訊教育，似乎並不足以支撐工程師的未來角色。
在本文中，筆者除了分享最近拜訪的美國卡內基美濃大學（Carnegie Mellon University），其土木環境工程系中擁有完整的資訊教育；同時也將說明臺大土木系相關資訊課程及其背後的思維。希望能藉此文拋磚引玉，引發更多的討論，培育出新一代的土木工程師。
 
先進設施系統  令人印象深刻


筆者於今年（2013）4月到訪位於美國匹茲堡、著名的卡內基美濃大學，會見了新任工學院院長James Garrett，並在四天的參訪行程裡深入拜會土木環境工程系的三位教授：Burcu Akinci, Mario Berges, 和Hae Young Noh，對於該校土木環境工程系先進的研究思維以及完備的資訊教育，留下非常深刻的印象。

Carnegie Melon University（卡內基美濃大學校園一景）

此行主要拜訪了「先進設施系統」(Advanced Infrastructure System, AIS)研究群。該團隊利用資通訊科技，來發展各類公共設施所需的自動化系統。其研究領域包含智慧交通工程、建築資訊模型、通訊網路、電力設施等。透過這些研究，卡內基美濃大學的研究人員希望將傳統的設施系統智慧化及自動化，讓這些設施能夠透過各類感測器，時時地擷取資料，並同步傳輸到後台的評估系統，不間斷地經由感知技術，評估該設施的服務承載力，並做出動態的調配，以利提高營運的效能、減少浪費，同時降低營運的成本。此外，這些先進的設施系統，也因為不間斷地獲得感測到的資訊，所以能夠在異常狀況發生時做出即時因應，當機立斷，主動地找出最符合當下狀況的解決辦法，因此大幅減少人工通報的決策時間差，降低各類災害的可能。

​卡內基土木資訊教育  他山之石
 
很顯然地，「先進設施系統」的相關研究全都需要土木工程及資訊工程的雙專長。筆者非常好奇該校是如何培養出學生雙專長的素養，因此仔細地詢問了相關的課程內容，從中發現，該校根據工程需求，發展出一系列完整的研究所課程，以四個核心課程為中心，包含資料擷取、資料管理、資料採礦、以及決策系統，正好符合資料使用的生命週期。
資料擷取教授的是各類感測器的使用，讓學生理解如何將物理世界的變量轉換成數位的資訊，並可透過網路傳輸，以利工程師即時掌握公共設施的動態資料。資料管理課程則包含資料庫的技術原理以及系統實作，讓學生了解如何管理大量不間斷的感測器資料流。而資料採礦是利用人工智慧的技術，自動化地將大量資訊分類，並在複雜無結構的海量資料中，找到隱藏的規則。至於決策系統則是包含了各類資料的彙整和處理，並以容易理解的方式呈現出來，以利工程人員做出正確的決策。除了這四門核心必修課之外，先進設施系統研究群還提供建築資料模型等選修課，以及資訊系所提供的資訊專業課程。

卡內基美濃大學課堂一景
（圖片摘自網路：http://hypebeast.com/2008/3/carnegie-mellon-university-sneakerology-101?_locale=en）

從課程的安排看來，顯然卡內基美濃大學的教授已經把資通訊的軟硬體技術，視為土木工程師的必備技能。未來的工程師，勢必要相當熟悉資料的擷取、處理、以及利用資料做出決策的流程。卡內基美濃大學的教學課程，應可以成為許多土木工程專業教育的參考。
 
臺大土木資訊教育  三分類導向
 
回到國內，臺大土木系近幾年在教學上也做出了許多改變。其中一個明顯的改變是，在以理論和分析為主的課程架構中，逐步加入做中學、團體學習、問題導向學習等互動元素。讓學生在課堂上能更主動積極，並在解決類似實務問題當中，逐步學習工程師的思維和專業態度。在這些課程的改革當中，資訊技術也逐步融入於教學。以下將介紹臺大土木系裡資訊相關課程的內容和教學思維，概略分為程式設計類、系統開發類、以及資訊應用類。

臺大土木系機器人課程，從動手做中培養運算思考

一、程式設計類課程：奠定程式設計基本功
回頭看臺大土木系，目前主要提供三門程式設計類的課程，以及一門必修課(程式設計)、兩門選修(物件導向程式設計、物件導向程式分析與實作)，學生可以依興趣，學到不同層次的程式設計基本功。
在必修的程式設計課，從今年（2013）起轉換教授Java語言。主要的考量是Java語言已經有相當的廣泛性，且為完整的物件導向程式語言，亦有相當完整的人機介面函式庫。學生不僅可以在這基礎課程中學到基本程式的邏輯流程，還可接觸到基礎的物件導向程式設計，以及高階應用程式的開發。
若學生修完必修的程式設計課，還可以選修物件導向程式設計，以及分析實作課，這兩門進階課程教授的是C++語言，可以進行更底層階、更複雜的程式設計。這些課程能夠協助奠定程式開發的基礎，幫助學生未來面對高速運算的程式開發以及複雜大型系統的開發。
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二、系統開發類：著重系統分析與設計
臺大土木系在基礎程式設計外，也提供了許多系統開發類的課程。包含視覺化在工程的應用、自動化與機器人、以及工程視覺化專題等。這些課程著重於培養學生使用各種開發工具(SDK)的能力，以利日後遇到各類工程問題時有足夠的能力設計資訊系統，甚至實際開發系統，以資訊方式解決各類工程問題。
 教授這類課程主要的挑戰在於如何讓學生在短短的一個學期中，開發出有實用價值的資訊系統。在這個過程中，著重的是培養學生問題分析的能力，而非程式的細節。希望學生能夠將一個工程問題，轉換為系統的設計，並實際執行系統開發。因此，我們多採用由上而下的案例教學模式，透過大量案例程式，學生可經由修改程式的過程，學習如何使用各種資訊函式庫，組合成一有用的工程資訊系統。

 臺大土木系V-Lab，互動式資訊教育環境

     
三、資訊應用類：強調以資訊手段解決問題
臺大土木系提供多門資訊應用類的課程，包含工程圖學、建築資訊模型(BIM)等，培養學生利用應用程式，解決各類的工程問題。不同於以往的電腦課程，僅著重於教授「軟體功能」。臺大土木系著眼於工程問題的探討，以及如何運用現有軟體來做有效的解決。因此課堂上，教師注重在學生對問題的觀察、深度訪談、提出方案、團體討論等軟能力(soft skill)。
這個轉變有兩個原因，首先第一個原因在於軟體的世代交替快速。現代軟體推陳出新，幾乎兩三年就是一個新世代，但過分著重軟體的操作，並不能符合學生在未來職場的需要，反而是培養學生分析問題、善用工具的能力，以及能夠快速上手的學習力，才是教育的重點。第二個轉變原因則是網路原生世代的學生，對資訊應用能力本來就相當熟悉，他們慣於從操作中學習，也很習慣從網路獲取知識，因此教師可多採用翻轉教室(flipped classroom)的概念，將固定的軟體操作錄製成網路課程，學生可依照自己的能力在課外自行學習，而課堂時間則可讓教師有更多餘裕進行討論與互動，傳承各類工程經驗。
 
運算思考育成  強化競爭力
 
運算思考(Computational Thinking)指的是在解決問題時，能以資訊運算邏輯進行思考，並將資訊手法整合在解決方案中。運算思考可讓我們突破「使用工具」的思維，而把工具加入創意的自由度裡，在解決問題時，同時「創造工具」。運算思考的能力，隱含著跳躍框架的想像力和創造力，可帶來因資訊技術低阻力的複製成本所造就的便利性、經濟性與效率的提升，也同時帶來工具突破所新創的各類商機。
土木工程師的天職就是解決各類民生問題，負責管理維護道路、房屋、橋梁、水庫等各類公共建設。若能在專業養成的學生時期就加入運算思考的元素，在這資訊化快速的年代，勢必將更有競爭力。美國卡內基美濃大學以及臺大土木系的課程，都因應資訊社會需求做出了跳躍性的改變，但仍須時間觀察以了解這些教育改變，是否能培養出未來產業發展所需的人才。
 

(本篇刊載於營建知訊364期)