新工科背景下隧道工程課堂教學(xué)模式改革與探索

黃阜 黃粉保 谷淡平

[摘 要]針對(duì)目前我國(guó)高等工程教育中全面推進(jìn)新工科建設(shè)與發(fā)展的新形勢(shì)，通過(guò)分析傳統(tǒng)課堂教學(xué)理念與新工科背景下教學(xué)理念的差異，結(jié)合土木工程隧道工程課程的教學(xué)實(shí)踐，提出基于互動(dòng)式教學(xué)，實(shí)時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容并在此基礎(chǔ)上融合現(xiàn)代化教學(xué)手段的教學(xué)模式。文章探索了基于新工科教學(xué)理念的高等工程教育課堂教學(xué)方法，為新工科背景下創(chuàng)新型人才和復(fù)合型人才的培養(yǎng)提供了一些思路。

[關(guān)鍵詞]新工科；互動(dòng)式教學(xué)；教學(xué)模式；教學(xué)理念；隧道工程課程

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）01-0037-03

隨著世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速以及我國(guó)“一帶一路”“制造強(qiáng)國(guó)”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，勢(shì)必要求我國(guó)的高等教育培養(yǎng)大批新型工程科技人才，為新形勢(shì)下國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展提供動(dòng)力。鑒于這一現(xiàn)狀，教育部于2017年2月和4月分別在復(fù)旦大學(xué)和天津大學(xué)召開了高等教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)，確立了新工科背景下高等工程教育的發(fā)展共識(shí)和建設(shè)行動(dòng)路線。在此基礎(chǔ)上，教育部高等教育司下發(fā)了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，全面推進(jìn)新工科的建設(shè)與發(fā)展。新工科建設(shè)是一種新的工程教育發(fā)展模式，其核心內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1-4]。從新工科的核心理念可以看出，新工科是在培養(yǎng)具備實(shí)踐創(chuàng)新能力的新型工程科技人才的基礎(chǔ)上，根據(jù)未來(lái)新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)不同學(xué)科的交叉融合，以新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式對(duì)高等工程教育進(jìn)行新一輪改革。

土木工程專業(yè)隸屬于工程類學(xué)科，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力有較高的要求，尤其是在目前我國(guó)“一帶一路”國(guó)家級(jí)合作倡議大規(guī)模實(shí)施的背景下，大量由我國(guó)投資或者參與的基礎(chǔ)設(shè)施在“一帶一路”沿途國(guó)家建設(shè)。國(guó)外的地理環(huán)境、地質(zhì)條件和法律法規(guī)與我國(guó)有很大不同，導(dǎo)致按我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)和施工不一定完全符合當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)要求，需要參與的施工設(shè)計(jì)人員具備更好的創(chuàng)新思維和靈活應(yīng)變能力來(lái)解決項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題。因此，有必要在土工工程人才培養(yǎng)過(guò)程中通過(guò)對(duì)現(xiàn)有專業(yè)課程教學(xué)方法進(jìn)行改革，尋求新的教學(xué)模式，滿足新工科形勢(shì)下土木工程技術(shù)人才培養(yǎng)的需求。

本文擬從新工科的視角，結(jié)合土木工程隧道工程課程的教學(xué)實(shí)踐，通過(guò)分析傳統(tǒng)課堂教學(xué)體系和教學(xué)方法存在的不足，對(duì)新工科背景下的課堂教學(xué)模式改革進(jìn)行探索。

一、傳統(tǒng)工科的課程教學(xué)存在的主要問(wèn)題

（一）新工科的教學(xué)理念沒有完全融入傳統(tǒng)工科的課堂教學(xué)體系中

傳統(tǒng)的工科課堂教學(xué)還是以灌輸式教學(xué)方法為主，教師按照教學(xué)大綱制定的教學(xué)內(nèi)容，將課本上的知識(shí)點(diǎn)傳授給學(xué)生，學(xué)生被當(dāng)成“知識(shí)容器”，被動(dòng)地接受一個(gè)個(gè)知識(shí)點(diǎn)，課堂成為知識(shí)搬運(yùn)的場(chǎng)所，教學(xué)過(guò)程中忽視了對(duì)知識(shí)的探索，壓抑了學(xué)生的創(chuàng)新熱情，從而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降，影響教學(xué)效果。而新工科背景下的高等工程教育，提倡以學(xué)生為中心，注重個(gè)性化學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的適應(yīng)變化能力與工程創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)教學(xué)主要采用“以教師為中心”的“傳道、授業(yè)、解惑”方式，與新工科所要求的“以學(xué)生為中心”的“悟道、生惑、解疑”方式有很大的差別。

（二）傳統(tǒng)工科的教學(xué)內(nèi)容體系與新工科背景下的社會(huì)需求脫節(jié)

傳統(tǒng)的工科課程教學(xué)按照學(xué)校制定的教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃開展教學(xué)，教學(xué)大綱一旦通過(guò)學(xué)校審核，課堂教學(xué)的內(nèi)容和進(jìn)度必須嚴(yán)格按照教學(xué)大綱執(zhí)行。當(dāng)前科技的發(fā)展日新月異，工程技術(shù)的更新速度更是一日千里，而教學(xué)大綱一般幾年才會(huì)重新修訂一次，這就造成了傳統(tǒng)工科教學(xué)內(nèi)容難以跟上現(xiàn)代工程技術(shù)更新的步伐，不能很好地為新工科所需求的新型工程人才培養(yǎng)服務(wù)。

以筆者承擔(dān)的隧道工程課程為例，某版本的《隧道工程》教材多年沒有再版，課本還在介紹十幾年前的老式施工工藝和設(shè)備。而隨著機(jī)械化施工技術(shù)的成熟，以盾構(gòu)機(jī)和硬巖掘進(jìn)機(jī)為施工設(shè)備的大型機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)在地鐵和長(zhǎng)大山嶺隧道施工中所占的比率越來(lái)越高。盾構(gòu)機(jī)作為一種高度自動(dòng)化的大型機(jī)械，其施工過(guò)程和支護(hù)方式與常規(guī)的鉆爆法截然不同，而且對(duì)施工人員綜合能力的要求更高，因此有必要對(duì)盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)隧道的施工過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。如果學(xué)生在課堂里沒有學(xué)習(xí)過(guò)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，當(dāng)走上工作崗位、面對(duì)采用盾構(gòu)法施工的隧道時(shí)，就需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力去熟悉設(shè)備和相關(guān)工法，從而難以快速融入項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。

二、新工科背景下的課堂教學(xué)模式探索

本研究根據(jù)新工科教育理念，結(jié)合筆者在隧道工程課程中的教學(xué)實(shí)踐，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的工程課堂教學(xué)模式進(jìn)行改革，探尋構(gòu)建“知識(shí)探究、能力培養(yǎng)、實(shí)踐創(chuàng)新”的以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，以為新工科背景下的新型工科人才培養(yǎng)提供一些有益的思路。

（一）采用互動(dòng)式教學(xué)提升課堂教學(xué)效果

根據(jù)教學(xué)班級(jí)人數(shù)將全班分為6個(gè)小組，每個(gè)小組8-10人，按照隧道工程課程教學(xué)大綱對(duì)知識(shí)點(diǎn)的要求，將知識(shí)點(diǎn)分配給各個(gè)小組。每個(gè)小組在課余時(shí)間對(duì)相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自學(xué)并展開討論，通過(guò)查閱文獻(xiàn)和相關(guān)資料對(duì)自學(xué)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，制作一個(gè)用于講解該知識(shí)點(diǎn)的PPT。在課堂教學(xué)中，各個(gè)小組派出一個(gè)代表利用本小組制作的PPT向全班同學(xué)和老師講授該知識(shí)點(diǎn)，并在講授結(jié)束后提出在自學(xué)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。其他學(xué)生可以回答這些問(wèn)題，也可以根據(jù)聽講情況提出自己的問(wèn)題。教師在此過(guò)程中組織學(xué)生開展討論，并對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，與此同時(shí)也可以根據(jù)學(xué)生的討論情況提出一些具有前瞻性的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)科前沿問(wèn)題的探索欲望。教師接著再對(duì)學(xué)生講授不夠完善的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，完成預(yù)定的課堂教學(xué)任務(wù)。此外，教師還要將學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)記錄下來(lái)，在平時(shí)成績(jī)的評(píng)定中予以體現(xiàn)，并計(jì)入期末成績(jī)，這樣可以有效激勵(lì)學(xué)生積極投入互動(dòng)式教學(xué)當(dāng)中，從而進(jìn)一步提升課堂教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。

互動(dòng)式教學(xué)方法需要大部分學(xué)生在課前就對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行自學(xué)。在自學(xué)過(guò)程中，學(xué)生不但可以樹立勤于思考的意識(shí)，還可以鍛煉他們解決問(wèn)題的能力，這對(duì)于新工科人才必須具備的工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是大有裨益的。此外，學(xué)生通過(guò)“講授—討論—提問(wèn)—回答”這樣的教學(xué)模式參與到教學(xué)活動(dòng)中，有助于活躍課堂教學(xué)氣氛，避免傳統(tǒng)課堂教學(xué)中常見“低頭族”的出現(xiàn)，這對(duì)于課堂教學(xué)效果的提升有很大的幫助。在這種教學(xué)模式中，授課教師不能作為旁觀者，而是要成為課堂走向的引導(dǎo)者和課堂討論的組織者。這需要教師非常熟悉相關(guān)教學(xué)內(nèi)容并且在備課過(guò)程中通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料儲(chǔ)備大量的專業(yè)知識(shí)，這樣在面對(duì)學(xué)生提出的各種問(wèn)題時(shí)才能從容回答，做到游刃有余。另外，學(xué)生在開展討論時(shí)容易偏離主題，教師在這個(gè)時(shí)候要進(jìn)行有效引導(dǎo)，用比較自然的方式把討論內(nèi)容過(guò)渡到與授課知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的主題上，需要教師具備比較好的應(yīng)變能力?？偠灾?，互動(dòng)式教學(xué)方法，從表面上看好像只是一種新的教學(xué)形式，實(shí)際上它對(duì)學(xué)生和教師都有較高的要求。如果沒有理解互動(dòng)式教學(xué)的核心思想，即使采用了互動(dòng)式教學(xué)也只是空有“互動(dòng)式”的外殼而已[5]。

（二）結(jié)合科研成果將最新的工程技術(shù)引入課堂教學(xué)

由于本專業(yè)絕大多數(shù)本科畢業(yè)生都面向施工單位就業(yè)，因此我們將隧道的施工方法作為隧道工程課程教學(xué)大綱中的重點(diǎn)內(nèi)容。目前，我國(guó)山嶺隧道施工中采用得最為廣泛的施工方法還是20世紀(jì)60年代由奧地利學(xué)者提出的新奧法。由于該方法適用于從軟巖到硬巖，從完整巖體到破碎巖體的各種類型巖體和地質(zhì)條件的隧道施工，因而在我國(guó)隧道施工中占據(jù)了統(tǒng)治性地位。隧道工程教材主要介紹的也是這種施工方法，而對(duì)于其他施工方法則較少涉及。但是，隨著巖體力學(xué)理論的發(fā)展和工程技術(shù)人員對(duì)巖體力學(xué)認(rèn)識(shí)的進(jìn)步，其他國(guó)家也提出了適合自己國(guó)情的施工方法，并逐漸在一些隧道工程中加以應(yīng)用和推廣。比如挪威的工程技術(shù)人員根據(jù)斯堪的納維亞半島的地質(zhì)條件，提出了適合在硬質(zhì)巖體中開挖隧道的挪威法。挪威法也強(qiáng)調(diào)發(fā)揮圍巖的自我承載能力，但是把支護(hù)看作是輔助手段，采用噴射混凝土和錨桿支護(hù)之后，不再施作二次襯砌。因此，施工成本降低了很多，而且減少了大量施工工序，提高了施工速度，節(jié)約了后期的維修成本。

筆者在對(duì)自己所承擔(dān)的深埋隧道圍巖塌方機(jī)理研究課題進(jìn)行研究的過(guò)程中接觸到挪威法這一新型施工方法。考慮到我國(guó)幅員遼闊，也廣泛分布著硬質(zhì)巖層，筆者在講授隧道施工方法這部分內(nèi)容時(shí)，就將教學(xué)大綱中沒有的挪威法加入到講授內(nèi)容中。筆者在教學(xué)中通過(guò)對(duì)比新奧法和挪威法的不同特點(diǎn)，介紹了在硬巖中采用挪威法開挖隧道的優(yōu)勢(shì)，并利用典型的工程案例加深了學(xué)生對(duì)挪威法的理解。介紹這些新型的施工方法，可以開闊學(xué)生的視野，為他們解決類似的工程問(wèn)題提供一些參考。將國(guó)內(nèi)外最新的工程技術(shù)引入課堂教學(xué)，不但可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以為培養(yǎng)新工科所需要的復(fù)合型人才奠定基礎(chǔ)。

（三）采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

隧道工程是一門專業(yè)性很強(qiáng)的課程，內(nèi)容涵蓋隧道的規(guī)劃、勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)幾個(gè)方面，許多知識(shí)點(diǎn)難以采用傳統(tǒng)教學(xué)方法中的板書予以展示。例如，山嶺隧道二次襯砌施工中采用襯砌臺(tái)車對(duì)混凝土襯砌進(jìn)行澆筑，襯砌臺(tái)車?yán)娩摬募茉O(shè)起與隧道內(nèi)輪廓吻合的鋼制模板，然后在底部軌道鋪設(shè)好的軌道上推進(jìn)，根據(jù)隧道施工進(jìn)尺，完成混凝土的澆筑作業(yè)。這樣的工藝流程，如果在課堂上僅僅采用文字介紹很難把這一過(guò)程描述清楚。即使采用PPT演示，二維的圖片也只能展示這個(gè)施工過(guò)程的一個(gè)斷面，難以反映這個(gè)三維施工過(guò)程的整個(gè)流程。因此，筆者在備課過(guò)程中考慮采用三維動(dòng)畫展示這個(gè)三維施工過(guò)程。筆者在網(wǎng)上搜索到一個(gè)山嶺隧道施工的三維動(dòng)畫，里面演示了利用襯砌臺(tái)車澆筑二次襯砌的施工過(guò)程，制作比較精致，但是這個(gè)視頻還涵蓋了其他施工工藝，不利于學(xué)生集中精力學(xué)習(xí)二次襯砌澆筑這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。此外，視頻只演示了施工過(guò)程，沒有對(duì)每個(gè)施工步驟進(jìn)行解說(shuō)，學(xué)生在觀看過(guò)程中對(duì)一些細(xì)節(jié)難以充分理解。因此，筆者采用視頻編輯軟件，將授課所需要的內(nèi)容剪輯出來(lái)。在此基礎(chǔ)上對(duì)該施工過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的講解，并利用軟件將講解音頻與視頻進(jìn)行合成，制作出一段符合授課要求的動(dòng)畫演示視頻。最后將制作好的視頻插入到PPT中，在講授到二次襯砌施工這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行播放，學(xué)生通過(guò)觀看視頻并聆聽講解，較好地理解了采用襯砌臺(tái)車澆筑二次襯砌的整個(gè)過(guò)程。

上述例子可以看出，采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段對(duì)于隧道工程這類與工程實(shí)踐結(jié)合得很緊密的課程的課堂教學(xué)有很好的幫助。采用動(dòng)畫、視頻等手段，不但能夠把一些難以用語(yǔ)言描述清楚的知識(shí)點(diǎn)直接演示出來(lái)，還可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[6]?，F(xiàn)代化的教學(xué)手段與新工科背景下的高等工程教育所提倡的教學(xué)模式是一致的，采用這樣的教學(xué)手段有助于提升新工科背景下的課堂教學(xué)效果，促進(jìn)新工科教學(xué)理念在高等工程課堂教學(xué)中的推廣。

三、結(jié)語(yǔ)

筆者結(jié)合本科生隧道工程課程課堂教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式與基于新工科教學(xué)理念的課堂教學(xué)模式的差異，探索了采用新工科教學(xué)理念的課堂教學(xué)方法，并提出了具體實(shí)施思路。由于“新工科”這一教育理念提出的時(shí)間還不長(zhǎng)，仍需要在高等工程教育實(shí)踐過(guò)程中進(jìn)行不斷的探索和完善?；谛鹿た评砟畹慕虒W(xué)模式是目前高等工程教育發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)于培養(yǎng)土木工程領(lǐng)域需要的創(chuàng)新型人才和復(fù)合型人才有重要意義。

[[ 參 考 文 獻(xiàn) ]]

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]