軌道交通時代隧道工程課程教學(xué)改革與創(chuàng)新路徑探究
——以浙江工業(yè)大學(xué)為例

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

軌道交通是城市持續(xù)發(fā)展的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，完善軌道交通網(wǎng)絡(luò)勢在必行，作為軌道交通最主要組成部分的地鐵隧道向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，其設(shè)計工藝、施工技術(shù)和機械設(shè)備不斷更新，隧道建設(shè)對高端人才的要求也日益劇增。而我國高校隧道工程高級專業(yè)人才的培養(yǎng)模式相對滯后，不能滿足隧道工程建設(shè)對高層次創(chuàng)新人才的需求[1]。本文結(jié)合浙江工業(yè)大學(xué)教學(xué)實踐，從不同視角剖析隧道工程課程在軌道交通中的重要作用和教學(xué)改革的必要性，再以隧道工程專業(yè)人才供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為基線，論述課程體系、教材內(nèi)容、傳統(tǒng)教學(xué)模式、支撐性教學(xué)平臺、實踐性教學(xué)和工程素質(zhì)培養(yǎng)等隧道工程課程的教學(xué)困境，進而從構(gòu)建虛擬仿真實驗中心、信息化教學(xué)平臺、科研反哺與引領(lǐng)教學(xué)以及基于隧道工程特點的實習(xí)改革等方面，探討軌道交通時代隧道工程創(chuàng)新性教學(xué)。

一、隧道工程課程的重要作用

(一)軌道交通是城市重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施

城市化水平的高低已成為現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。新中國成立以來，我國城市化進程在經(jīng)歷了低速、波動、停滯階段后，目前已步入穩(wěn)定快速發(fā)展階段。我國設(shè)市城市已由建國伊始的130多座增至目前的近1 000座，城市化水平由原來的11%提高到目前的60%左右。西方國家的城市化進程是經(jīng)過幾百年的歷程，而我國要在幾十年達到這種水平，加大了城市交通的壓力，必須建立與其相適應(yīng)的城市交通體系。軌道交通是城市重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施之一，其中隧道是軌道交通的重要組成部分。隧道工程是完善城市軌道交通體系不可缺少的核心和關(guān)鍵工程，其一般修建在城市人口高度密集的中心商業(yè)區(qū)，可有效緩解城市中心區(qū)交通壓力，減少地面交通產(chǎn)生的噪聲、尾氣等污染，是城市綠色交通的最佳方案。

(二)隧道工程專業(yè)人才是教學(xué)改革的基線

我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中隧道工程日益增多，城市地鐵隧道呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化快速發(fā)展趨勢，對隧道工程技術(shù)人才的業(yè)務(wù)素質(zhì)要求也越來越高。隧道工程專業(yè)人才的培養(yǎng)已遠(yuǎn)不能滿足工程建設(shè)的需求。結(jié)合浙江工業(yè)大學(xué)近五年來隧道工程專業(yè)本科生就業(yè)情況進行調(diào)查，對2013—2017年行業(yè)需求、畢業(yè)生就業(yè)去向及變化趨勢做出分析和判斷。首先是社會對隧道工程設(shè)計人才的需求呈逐年上升趨勢，而在設(shè)計單位就業(yè)的本科畢業(yè)生則呈逐年下降的趨勢(見圖1a)。其次是表明2013年至2016年施工管理需求人數(shù)逐年上升，2017年略有下降，而在施工管理企業(yè)就業(yè)的學(xué)生人數(shù)則呈先上升后下降的趨勢(見圖1b)。最后是表明讀研和在非本專業(yè)就業(yè)學(xué)生人數(shù)呈逐年上升趨勢(見圖1c)。還有在各方向需求及就業(yè)圖中的曲線走向，呈現(xiàn)了一個變化過程(見圖1d)。這四組圖在一定程度上表明高校培養(yǎng)的學(xué)生已不能適應(yīng)隧道工程的設(shè)計和管理專業(yè)需求，需要改變目前的教學(xué)培養(yǎng)方案和教學(xué)模式。

(a)設(shè)計需求和就業(yè)

(b)施工、管理需求和就業(yè)

(c)讀研及其非本專業(yè)就業(yè)

(d)各方向需求及就業(yè)

二、隧道工程課程的教學(xué)困境

(一)課程體系和教材內(nèi)容的不完備

隧道工程是土木工程一級學(xué)科下設(shè)專業(yè)，課程體系設(shè)置沿襲一級學(xué)科專業(yè)培養(yǎng)模式，其專業(yè)課程也只有隧道工程(32學(xué)時)、巖石力學(xué)與工程(32學(xué)時)、檢測技術(shù)(16學(xué)時)3門，總學(xué)時也僅有80學(xué)時。隧道工程是一門多學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科，要求學(xué)生有巖石力學(xué)、土力學(xué)、施工技術(shù)方面的理論知識儲備?，F(xiàn)行的課程體系設(shè)置給予隧道工程的課時少﹑而要講的內(nèi)容多?，F(xiàn)有隧道工程教材內(nèi)容主要沿襲我國70—80年代相關(guān)教材，反映出對隧道設(shè)計的全新理念和最新施工技術(shù)的內(nèi)容未能及時在教材中體現(xiàn)，造成理論和實踐的脫節(jié)[2-3]?？傮w而言，模塊化專業(yè)課程設(shè)置體系的不完整，現(xiàn)有教材內(nèi)容遠(yuǎn)落后于隧道工程實踐，以及生產(chǎn)工藝發(fā)展的進程，都嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實踐能力。因此，以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，以培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)為載體，構(gòu)建并完善隧道工程專業(yè)課程體系，更新教材內(nèi)容是培養(yǎng)軌道交通高級專業(yè)人才的基礎(chǔ)。

(二)支撐性教學(xué)平臺建設(shè)的不優(yōu)先

軌道交通時代城市地鐵隧道最顯著的特征是高度復(fù)雜化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，要求學(xué)校培養(yǎng)的人才是兼具“KAQ”(知識、能力、素質(zhì))的復(fù)合型隧道工程建設(shè)人才，以往的理論教學(xué)為主，實驗教學(xué)為輔人才培養(yǎng)模式遠(yuǎn)不能滿足適應(yīng)這一需求。必須借助省部級教學(xué)實驗室、工程中心鍛煉學(xué)生解決實際工程問題的能力，提高實踐技能，培養(yǎng)工程素養(yǎng)；另外，利用虛擬仿真教學(xué)實驗中心和互聯(lián)網(wǎng)信息資源教學(xué)數(shù)據(jù)庫來拓展學(xué)生的專業(yè)視野，全面系統(tǒng)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。但學(xué)校與軌道交通相關(guān)的試驗室偏小而分散，由相互關(guān)聯(lián)性不強的隧道工程、巖土工程和道路工程試驗室組成，各試驗室內(nèi)實驗設(shè)備不夠配套或陳舊。此外缺乏虛擬仿真教學(xué)實驗室和互聯(lián)網(wǎng)信息資源教學(xué)數(shù)據(jù)庫這些教學(xué)支撐性平臺，造成培養(yǎng)的學(xué)生無法適應(yīng)大交通時代網(wǎng)絡(luò)化隧道工程建設(shè)的后果。

(三)實踐性教學(xué)和工程素質(zhì)培養(yǎng)不到位

強化工程實踐是提高工程類專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要方法之一，隧道工程作為軌道交通、地下工程、交通土建方向的專業(yè)核心課程，工程現(xiàn)場的“實戰(zhàn)演練”和實習(xí)是該課程教學(xué)過程中不可缺少的環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)卓越工程師，提高學(xué)生工程素養(yǎng)的必然要求。目前浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院學(xué)生實習(xí)采用“校外分散與集中”相結(jié)合的模式，整體效果欠佳。其原因：一是學(xué)生多，適宜的實習(xí)基地有限，實習(xí)過程難于管理，造成生產(chǎn)實習(xí)流于形式。二是實習(xí)和實踐活動期間，學(xué)生處于校企管理的模糊地帶，難以真正深入到隧道工程建設(shè)的各個具體環(huán)節(jié)中去，得不到完整、系統(tǒng)的實踐鍛煉，學(xué)生也難以體會到所學(xué)的理論知識指導(dǎo)工程設(shè)計、施工等工程實踐活動的重要性。實踐性教學(xué)效果差，學(xué)生專業(yè)理論知識應(yīng)用于工程的能力薄弱，不能將所學(xué)的知識和工程實際密切結(jié)合起來，最終導(dǎo)致工程類專業(yè)畢業(yè)生的工程素養(yǎng)不足，難以在本專業(yè)領(lǐng)域有良好的發(fā)展，并缺乏在該專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。

三、軌道交通時代隧道工程的教學(xué)創(chuàng)新

(一)吸收國際工程教育的先進理念(OBE)

軌道交通是大交通時代城市交通現(xiàn)代化、智慧化、復(fù)雜化和網(wǎng)絡(luò)化的必然發(fā)展過程，與之相應(yīng)的專業(yè)化人才培養(yǎng)必須突破傳統(tǒng)的教學(xué)思維模式，吸收國際工程教育的先進理念(OBE)，構(gòu)建以隧道工程為核心課程的專業(yè)課程體系，并按照各專業(yè)課程自身的工程邏輯規(guī)律，配置模塊化教學(xué)資源。就隧道工程課程而言，結(jié)合其理論、試驗、監(jiān)測和工程實踐模塊配置相應(yīng)的最新理論、虛實(虛擬仿真和物理模型)試驗、典型監(jiān)測案例等教學(xué)資源，更新其教學(xué)內(nèi)容，將國際上最新的隧道工程設(shè)計理念、施工技術(shù)和工藝等豐富到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中去。綜合運用校企聯(lián)動式、科研合作提高式等多種教學(xué)方法和手段，在將知識傳輸給學(xué)生同時，培養(yǎng)學(xué)生自我獲取專業(yè)知識的能力，使學(xué)生養(yǎng)成良好的工程素養(yǎng)，逐步達到大交通時代對軌道交通建設(shè)人才國際化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化的要求。改革作業(yè)形式，依托我國軌道交通時代眾多在建的大型、超大型隧道工程建設(shè)項目，提煉課題，凝練題目，布置“大作業(yè)”。這種具有項目驅(qū)動性的具有研究和探索性質(zhì)的“大作業(yè)”的完成，全方位鍛煉了學(xué)生的能力，使學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識得到鞏固，為今后從事專業(yè)技術(shù)工作打下了堅實的基礎(chǔ)。考核評價機制創(chuàng)新是教學(xué)模式改革得以順利實現(xiàn)的保證，加大復(fù)雜大型隧道工程“大作業(yè)”考核力度，如試卷考試占30%，學(xué)習(xí)態(tài)度占10%，平時作業(yè)占20%，試驗考核占10%，團隊合作完成“大作業(yè)”占30%，就是一種較好的考評機制，可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激勵學(xué)生求真、求實，對提高學(xué)生綜合工程素質(zhì)和解決實際工程問題的能力大有裨益。

(二)構(gòu)建虛擬仿真實驗中心和信息化教學(xué)平臺

隧道工程系列課程教學(xué)中，應(yīng)盡快改變傳統(tǒng)的、落后的教學(xué)模式。虛擬仿真已經(jīng)滲透到全社會的各行各業(yè)，浙江工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院的虛擬仿真實驗中心，也稱BIM技術(shù)中心，是建筑信息化的重要載體，集成了設(shè)計、施工、管理的最新理念、技術(shù)和方法。高度復(fù)雜化、網(wǎng)絡(luò)化的城市地鐵隧道設(shè)計離不開信息化、智能化的設(shè)計，軌道交通時代的智慧化隧道工程建設(shè)離不開BIM技術(shù)(Building Information Modeling)，地鐵隧道工程的規(guī)劃、選線、地質(zhì)勘探、區(qū)間隧道和站廳空間開挖施工、襯砌支護、防排水、通風(fēng)和照明、軌道的設(shè)計施工、與地面交通網(wǎng)絡(luò)的銜接，無一例外，均離不開城市交通BIM技術(shù)。再如基于現(xiàn)代GPS全球定位系統(tǒng)可以實時顯示隧道掘進的位置信息，對隧道交叉貫通施工中的高程和坐標(biāo)放樣非常有用。另外，爭取多方資源，與國際國內(nèi)知名科研院所和大型地鐵建設(shè)企業(yè)合作，加快虛擬仿真實驗中心建設(shè)，是提高隧道工程系列課程教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)高校一流軌道交通人才培養(yǎng)的根本所在。需要整合試驗資源，全方位升級實驗硬件設(shè)備，并爭取省部級工程試驗中心[4]。信息化時代顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)模式，使學(xué)生獲取知識的渠道更多。學(xué)校應(yīng)將各種碎片化的教學(xué)資源整合、梳理、歸納、分類，建立統(tǒng)一的隧道工程系列課程信息化教學(xué)平臺、試驗平臺、實踐平臺，學(xué)生可利用這些平臺可合作完成隧道工程的設(shè)計題目，教師也可通過信息化平臺及時給學(xué)生打分評價并反饋，進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性。

(三)實現(xiàn)科技創(chuàng)新的“反哺”與引領(lǐng)

教學(xué)和科研是推動高?？焖侔l(fā)展，實現(xiàn)質(zhì)變和邁向高水平一流大學(xué)的兩翼，社會服務(wù)則為大學(xué)持續(xù)高速發(fā)展提供源源不斷的動力[5]。將科研平臺集聚的儀器設(shè)備和師資等豐富的優(yōu)勢資源轉(zhuǎn)化為教育資源，將科研項目融入到實踐教學(xué)，以科研成果反哺教學(xué)，以國家科技攻關(guān)和重點研發(fā)項目的前瞻性、先進性引領(lǐng)教學(xué)，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的一流專業(yè)技術(shù)人才的保證[6]。具體到浙江工業(yè)大學(xué)隧道工程系列課程的教學(xué)，教學(xué)團隊結(jié)合國家級科研項目——大型地鐵隧道三維物理模型試驗，引領(lǐng)學(xué)生參與到地鐵隧道模型設(shè)計、制作、儀器埋設(shè)、數(shù)據(jù)采集、三維仿真模擬計算、數(shù)據(jù)分析和安全評價等各個研究環(huán)節(jié)。使學(xué)生對地鐵隧道建設(shè)的全過程有深刻的認(rèn)識和了解，從中掌握隧道工程的設(shè)計理念和方法，學(xué)習(xí)施工技術(shù)工藝流程，提高對各類儀器的基本操作能力，了解各監(jiān)測項目的目的、意義，學(xué)會數(shù)據(jù)采集和分析處理方法[7]。同時通過科研全過程，培養(yǎng)學(xué)生的的團隊合作意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實、一絲不茍的科研精神。