隧道工程課程教學(xué)模式與教學(xué)方法探索與實(shí)踐

徐前衛(wèi) 程盼盼 楊新安 丁春林 王婉婷

摘要：隧道工程是交通土建學(xué)科隧道與地下工程方向的核心專業(yè)課程，其理論性、實(shí)踐性及應(yīng)用性強(qiáng)，涵蓋的知識(shí)面廣而深，且更新較快，給教學(xué)帶來一定的難度。為了滿足新時(shí)期創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)的迫切需要，結(jié)合筆者近年來在教學(xué)一線所積累的經(jīng)驗(yàn)及深切體會(huì)，從課程教學(xué)特點(diǎn)及存在問題出發(fā)，對(duì)教學(xué)模式、教學(xué)方法等方面對(duì)隧道工程課程的教學(xué)改革問題進(jìn)行探討，以期進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量與效果。

關(guān)鍵詞：隧道工程；教學(xué)改革；教學(xué)模式；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）32-0131-04

一、引言

我國是一個(gè)多山的國家，尤其是西部地區(qū)，山地面積更是占到了國土面積的一半以上。近年來，隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施以及拉動(dòng)內(nèi)需的需要，在西部山區(qū)修建了大量的高速公路、鐵路以及水電工程，相應(yīng)的隧道工程數(shù)量也日益增多。隧道工程的大發(fā)展，遇到的巖土及地下工程災(zāi)害問題也越來越多。對(duì)各種復(fù)雜工程災(zāi)害問題的處置，需要工程技術(shù)人員具有一定的理論基礎(chǔ)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和從事科研的能力，這同時(shí)也對(duì)目前高等院校隧道工程專業(yè)的教學(xué)培養(yǎng)模式提出更為嚴(yán)格的要求。

作為交通工程與土木工程專業(yè)必須具備的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，《隧道工程》是一門實(shí)踐性、綜合性和針對(duì)性很強(qiáng)的課程。該課程的教學(xué)目的和教學(xué)任務(wù)就是使學(xué)生掌握隧道工程的基本概念、基本構(gòu)造、設(shè)計(jì)理念、施工方法以及行業(yè)規(guī)范等，初步具備從事隧道工程設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)管的行業(yè)從業(yè)能力。如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的單純課程教學(xué)，對(duì)發(fā)展技能、培養(yǎng)能力等方面的作用有限，不能完全適應(yīng)新形勢(shì)下學(xué)生全面發(fā)展的需要。有鑒于此，部分學(xué)者從教學(xué)模式[1，2]、教學(xué)方法[3-6]和教學(xué)手段[7-9]等方面對(duì)隧道工程的教學(xué)改革進(jìn)行了研究，力圖在提高隧道工程的課堂教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)以及工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。這些研究大大促進(jìn)隧道工程教學(xué)的改革，但是從實(shí)際教學(xué)效果來看，還有繼續(xù)提升的空間。本文結(jié)合《隧道工程》實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，繼續(xù)探索更為適用的教學(xué)模式和教學(xué)方法。

二、隧道工程教學(xué)特點(diǎn)

1.隧道工程課程涵蓋的知識(shí)面廣，是工程地質(zhì)、建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)和力學(xué)等諸多基礎(chǔ)課程的綜合應(yīng)用。例如，在講解隧道圍巖壓力計(jì)算時(shí)，就必須用到土力學(xué)中的側(cè)向壓力計(jì)算理論和彈性力學(xué)中的圓環(huán)受均布?jí)毫τ?jì)算理論，而在講解襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法時(shí)，就要用到結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)知識(shí)。

2.課程教學(xué)內(nèi)容具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，但學(xué)生往往缺乏對(duì)實(shí)際工程的了解，故而在課程學(xué)習(xí)時(shí)對(duì)有些知識(shí)難以理解和消化。例如，在講解隧道鉆爆法施工時(shí)，需要對(duì)鉆孔深度、鉆孔間距、鉆孔深度、鉆孔布置、雷管類型、起爆藥量等進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于從未到過施工現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)生而言，理解起來有一定難度。

3.隧道工程涉及到的行業(yè)規(guī)范、規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)有很多種，不同規(guī)范之間既有區(qū)別又相互聯(lián)系[10]。僅就隧道設(shè)計(jì)規(guī)范而言，既有《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2005），也有《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）以及《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003），更有水利、礦山和能源地下工程等行業(yè)相應(yīng)的隧道設(shè)計(jì)規(guī)范。因此，在教學(xué)過程中既要講解隧道工程的基本概念、基本原理，也要對(duì)不同行業(yè)規(guī)范加以對(duì)比分析，增強(qiáng)學(xué)生畢業(yè)后對(duì)所從事行業(yè)的適應(yīng)能力。

三、教學(xué)存在問題分析

1.教材結(jié)構(gòu)體系混亂、主線不明?，F(xiàn)有的隧道工程教材有幾十種之多，但其側(cè)重點(diǎn)又不完全一致。對(duì)于交通土建專業(yè)學(xué)生的來說，隧道工程的教學(xué)內(nèi)容不僅要有勘察、設(shè)計(jì)、施工、管理等方面的知識(shí)結(jié)構(gòu)，而且還有鐵路、公路、城市地鐵的功能區(qū)分。面對(duì)種類繁多的教材，以及錯(cuò)綜復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容，容易給學(xué)生造成結(jié)構(gòu)體系松散、主線不明的感覺。

2.教學(xué)學(xué)時(shí)偏少，往往難于滿足教學(xué)需求。教學(xué)學(xué)時(shí)少與教學(xué)內(nèi)容多是當(dāng)前高等學(xué)校本科課程教學(xué)的一個(gè)突出矛盾，這就很難在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)把課程內(nèi)容講透、講通、講精，也使得學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握和熟練應(yīng)用的難度加大。

3.教學(xué)模式單一，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)傳播?，F(xiàn)有的教學(xué)方式，大多采取“板書+多媒體”的形式，再配以必要的圖片和說明，通過教師的灌輸和學(xué)生的被動(dòng)接收，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的傳播，這就導(dǎo)致學(xué)生的主觀能動(dòng)性差，缺乏獨(dú)立思考，無法掌握課堂教學(xué)的精髓。

4.課程教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重，影響對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與掌握。隧道工程實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)，很多施工技術(shù)和施工工藝只有在現(xiàn)場(chǎng)親眼所見，才能知其所以然?，F(xiàn)實(shí)情況是很多學(xué)校由于資金限制或缺少能夠?qū)嵙?xí)的場(chǎng)地，學(xué)生只能靠課堂上的想象，難以深入理解隧道工程的設(shè)計(jì)方法與施工工藝。

四、教學(xué)改革探索與實(shí)踐

1.教學(xué)模式改革。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教師先根據(jù)開課內(nèi)容選定教材，根據(jù)教材內(nèi)容制定教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，再編寫教案和進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)[11]。這種單一的以教定學(xué)和因教材而施教的模式，一方面不能適應(yīng)學(xué)生畢業(yè)后所從事的實(shí)際工作對(duì)其能力培養(yǎng)的需求，另一方面學(xué)生對(duì)這種宣教式的教學(xué)模式容易產(chǎn)生視覺、聽覺上的疲勞，因此隧道工程教學(xué)模式急需向多元化的方向發(fā)展。

（1）研究性教學(xué)模式。研究性教學(xué)起源于20世紀(jì)歐美國家，建構(gòu)主義和人本主義是研究性教學(xué)的理論基礎(chǔ)，基本要求是師生共同參與，實(shí)現(xiàn)“教”與“學(xué)”的互動(dòng)[12-14]。在《隧道工程》實(shí)際教學(xué)過程中，可結(jié)合教師當(dāng)前正在開展的科研活動(dòng)創(chuàng)設(shè)具有前沿科學(xué)命題的問題情境，如針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的建養(yǎng)一體化自修復(fù)問題，可引導(dǎo)學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)、搜集資料、調(diào)查等方式來思考、分析并解決問題，讓學(xué)生在探索過程中體驗(yàn)學(xué)習(xí)的樂趣。

（2）討論式教學(xué)模式。傳統(tǒng)教學(xué)的一個(gè)特點(diǎn)就是教師講、學(xué)生記，雙方缺少互動(dòng)，教學(xué)過程枯燥，為更好地教學(xué)，可采取討論式教學(xué)模式。例如，在教學(xué)過程中，可適當(dāng)布置一些小任務(wù)讓學(xué)生分組討論，如針對(duì)隧道圍巖塌方問題，讓不同組的學(xué)生分別提供一個(gè)各自的加固方案，然后各組之間展開辯論，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。這樣既掌握學(xué)生對(duì)問題的理解能力，以便更好地教學(xué)，又能最大限度地調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性和參與意識(shí)[15]。

（3）案例式教學(xué)模式。案例式教學(xué)往往圍繞某個(gè)真實(shí)工程，利用當(dāng)前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，對(duì)其進(jìn)行分析，以求學(xué)生在解決疑難問題時(shí)做出相應(yīng)的決策[16]。例如，在講解盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工時(shí)，可結(jié)合上海地鐵4號(hào)線穿越黃浦江段的施工事故案例，讓學(xué)生在進(jìn)行軟土凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)計(jì)算的同時(shí)，分析事故發(fā)生的根源，并提出防控措施，加深其對(duì)基本原理和概念的理解，進(jìn)而提高分析問題和解決問題能力。

（4）實(shí)踐式教學(xué)模式。課堂講授與工程實(shí)踐相結(jié)合是完成隧道工程教學(xué)內(nèi)容的必要環(huán)節(jié)[17]。例如，在講解隧道圍巖破壞和支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，帶領(lǐng)學(xué)生參觀本?，F(xiàn)有的試驗(yàn)室和儀器設(shè)備，通過觀摩模擬隧道開挖和結(jié)構(gòu)支護(hù)的模型試驗(yàn)，加深對(duì)隧道工程理論知識(shí)的理解與認(rèn)識(shí)。此外，利用暑假短學(xué)期，帶領(lǐng)學(xué)生到隧道施工單位進(jìn)行認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)隧道施工的感性認(rèn)識(shí)。

2.教學(xué)方法改革。

（1）手寫板書與多媒體相結(jié)合教學(xué)?！端淼拦こ獭氛n程教學(xué)內(nèi)容較多，也比較枯燥，如果單憑教師板書和圖片展示，還是很難讓學(xué)生對(duì)真正理解實(shí)際施工過程和施工工藝的。為解決這一問題，在教學(xué)過程中輔之以多媒體技術(shù)，通過預(yù)錄現(xiàn)場(chǎng)施工視頻和動(dòng)畫演示的方式，向?qū)W生展現(xiàn)隧道施工的各過程，便于其理解和掌握，使原本枯燥、平面的教學(xué)變得生動(dòng)、立體起來。采用多媒體教學(xué)，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的感官認(rèn)識(shí)，而且還有利于讓學(xué)生了解國內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和施工技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，起到事半功倍的效果。

（2）結(jié)合工程實(shí)例講解基本理論。隧道工程理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，僅憑文字描述或簡(jiǎn)單的幾幅圖片難以提高學(xué)生對(duì)問題的理解，只有結(jié)合工程案例才能講得生動(dòng)、形象，有利于提高學(xué)生的興趣。例如，在講解隧道圍巖塌方破壞機(jī)理時(shí)，如圖1所示，以作者參與過的科研項(xiàng)目——江西武寧至吉安段高速公路上奉隧道塌方事故為例，詳細(xì)分析了圍巖變形以致塌方破壞的機(jī)理，并據(jù)此介紹了相關(guān)處治措施。通過案例教學(xué)，不僅活躍了學(xué)生的思維，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)水平，而且也大大提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

（3）采用模型試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容直觀化。在講解隧道圍巖穩(wěn)定性及其破壞模式時(shí)，僅憑教師口頭描述和解釋，仍難以說明地下工程失穩(wěn)、破壞等相關(guān)問題。圖2為作者向?qū)W生演示的圍巖漸進(jìn)性破壞模型試驗(yàn)，可以直觀地再現(xiàn)圍巖破壞過程，從而讓學(xué)生對(duì)所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)有深刻的理解。

（4）采用仿真模擬展示隧道力學(xué)問題。隧道工程設(shè)計(jì)涉及到圍巖壓力計(jì)算、支護(hù)結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，因而其中的力學(xué)問題頗為復(fù)雜。為此，教學(xué)過程中，結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)地下工程變形和破壞進(jìn)行數(shù)值模擬，不僅簡(jiǎn)單易懂，適用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)型、可操作性和可重復(fù)性，而且能得到許多在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中難以觀測(cè)到的重要信息[17]。作者結(jié)合自身研究經(jīng)歷和積累的相關(guān)研究成果，在教學(xué)中想學(xué)生展示如何利用數(shù)值分析軟件模擬不同類型的圍巖變形破壞形式及不同支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果，并引導(dǎo)部分興趣濃厚的學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練。圖3為模擬得到的跨斷層隧道施工時(shí)的圍巖破壞模式。

（5）采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行全面仿真，能解決學(xué)習(xí)媒體的情景化及自然交互性要求，在教育領(lǐng)域內(nèi)有著極其廣闊的應(yīng)用前景[18]。如圖4所示，作者通過與校內(nèi)其他院系教師合作，利用自行開發(fā)的軟件，實(shí)現(xiàn)沉浸式三維環(huán)境中的體驗(yàn)式教學(xué)，有利于加深學(xué)生對(duì)地下工程的施工環(huán)境、施工過程和健康診斷等問題的理解，增強(qiáng)進(jìn)一步學(xué)習(xí)興趣。

（6）通過專題講座拓展學(xué)生視野。為進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，在教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生參與一些專題講座。同濟(jì)大學(xué)每年會(huì)定期和不定期地邀請(qǐng)一些國內(nèi)外專家學(xué)者和有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來開展學(xué)術(shù)交流，介紹隧道工程的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究成果，在這些活動(dòng)中，不僅能解答學(xué)生的一些疑惑，而且還拓展了學(xué)生視野和思路，并加深學(xué)生對(duì)隧道基本概念和基本原理的理解，進(jìn)而提高對(duì)實(shí)際工程問題的分析與解決能力。

五、結(jié)語

《隧道工程》課程的教學(xué)內(nèi)容涉及巖土與地下工程的勘查、設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)等多方面的專業(yè)知識(shí)，是一門理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性均較強(qiáng)的課程。結(jié)合作者自身的教學(xué)經(jīng)歷，從該門課程教學(xué)特點(diǎn)和存在的問題出發(fā)，對(duì)課程教學(xué)模式和教學(xué)方法的改革做了初步的探索，從而適應(yīng)新形勢(shì)下對(duì)卓越工程師能力和技能培養(yǎng)的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣英禮，王勁松，劉偉.“地下鐵道施工技術(shù)”課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].職業(yè)技術(shù)教育，2010，31（20）：56-58.

[2]李曉龍，郭成超.“隧道工程”課程教學(xué)模式探討[J].中國電力教育，2011，（29）：96-98.

[3]楊春景，劉冉冉.關(guān)于隧道工程課程教學(xué)改革的探討[J].教育改革，2012，（1）：32.

[4]施成華.隧道課程互動(dòng)式教學(xué)方法的探索與實(shí)踐[J].長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2009，10（3）：87-88.

[5]楊建中.項(xiàng)目教學(xué)法在井巷工程課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2008，24（3）：94-98.

[6]王迎超，耿凡，脹成林，等.《隧道工程》課程的研討式教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2014，（15）：106-107.

[7]周德泉，王桂堯，劉宏利.“巖土與隧道工程”課程群建設(shè)與特色人才培養(yǎng)探討[J].中國地質(zhì)教育，2010，（4）：119-122.

[8]李天祺.隧道工程課程教學(xué)改革思考[J].中國建設(shè)教育，2010，5（9）：45-47.

[9]潘建平，汪小平，朱洪威.隧道工程課程教學(xué)改革探索[J].山西建筑，2011，37（30）：240-241.

[10]王迎超，靖洪文，耿凡.“隧道工程”課程教學(xué)改革思路探討[J].煤炭高等教育，2013，31（6）：116-118.

[11]楊曙光.從課堂教學(xué)到網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)——計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)模式新探索[J].美與時(shí)代，2013，（8）：135-136.

[12]董增文，鄧曉華，張華.研究性教學(xué)在工科教育中的實(shí)踐與反思[J].高等工程教育研究，2013，31（5）：164-167.

[13]張典兵.現(xiàn)代大學(xué)研究性教學(xué)的內(nèi)涵解讀與實(shí)踐路向[J].現(xiàn)代教育科學(xué)，2014，27（5）：24-26.

[14]王章瓊，黃敏，王亞軍.“隧道工程”課程研究性教學(xué)探索與實(shí)踐[J].中國地質(zhì)教育，2015，24（2）：28-31.

[15]徐義洪.高職《隧道工程施工與安全》課程教學(xué)模式探討[J].黑龍江科技信息，2015，（15）：135.

[16]李曉龍，郭成超.“隧道工程”課程教學(xué)模式探討[J].中國電力教育，2011，29（3）：96-98.

[17]賈蓬.隧道與地下工程課程教學(xué)改革探索[J].高等建筑教育，2012，21（4）：70-73.

[18]郭媛.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在空間解析幾何教學(xué)中的應(yīng)用[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，26（3）：312-314.