應用技術型大學城市地下空間工程專業(yè)校內創(chuàng)新實踐平臺構建

王啟云 陳軍浩 臧萬軍 張丙強 林華明

摘要：城市地下空間工程專業(yè)辦學歷史短，各高校在實踐教學方面仍處于探索階段。以福建工程學院為例，針對城市地下空間工程專業(yè)的實踐教學體系，依托學校“大土木、大機電”的學科布局，在校內現(xiàn)有實踐教學資源基礎上，結合地方經濟社會發(fā)展的需要和基礎設施建設中關注的問題，通過整合更新、申報補充、提升改造等方法構建基礎性與創(chuàng)新性相結合、虛擬仿真與實體模型相結合的校內創(chuàng)新實踐教學平臺，為實踐教學提供相應的支撐。

關鍵詞：城市地下空間;應用技術型;實踐教學

中圖分類號：G64245;TU984 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2019）03-0131-06

近年來，隨著城市化進程的快速推進，城市地下空間的開發(fā)與利用進入快速發(fā)展時期，這就需要大量的城市地下工程建設人才。2002年中南大學首先開設城市地下空間工程專業(yè)，隨后山東大學、山東科技大學等高校也開設了此專業(yè)，福建工程學院為福建省第一所開設該專業(yè)的高校，于2014年開始招生。截至目前，全國已有70余所高校開設了城市地下空間工程專業(yè)，其中應用型高校數(shù)量占一半以上。應用型高校人才的培養(yǎng)強調學生動手能力及創(chuàng)新能力[1]，實踐教學是應用型人才培養(yǎng)過程中非常重要的教學環(huán)節(jié)，因此，必須加強實踐性教學環(huán)節(jié)，完善校內外實踐教學基地的建設。

校外實踐基地是對校內實踐教學的補充，為學生的實踐活動提供良好平臺，這些基地也是學生就業(yè)和校企產學研合作的重要場所。從城市地下空間工程、土木工程專業(yè)等校外教學實踐基地的實際運作來看，由于校企雙方的目標不一致、權責不明確、管理不到位、溝通不及時等[2]，校外實踐基地的建設仍然較薄弱，校內指導教師對學生實習實踐的指導流于形式，且校外實踐教學內容是隨機的[3]，這些都制約了校外實踐教學的正常開展和預期效果，對于辦學時間較短的城市地下空間工程專業(yè)更是如此。由于缺乏專業(yè)委員會統(tǒng)一指導，城市地下空間工程專業(yè)建設與發(fā)展難度較大[4]，尤其是在實踐教學環(huán)節(jié)。校內創(chuàng)新實踐對城市地下空間工程專業(yè)的發(fā)展與學生實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著非常關鍵的作用[5]。校內實踐平臺是設有城市地下空間工程專業(yè)的高校中非常薄弱的一個環(huán)節(jié)，雖有部分高校對校內創(chuàng)新實踐作了一些嘗試，但是建立的實踐平臺不夠系統(tǒng)，教學效果有待進一步提升。因此，探索構建培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新能力的校內實踐平臺具有很強的必要性和迫切性。以福建工程學院為例，針對城市地下空間工程專業(yè)實踐教學體系，利用已有的優(yōu)勢學科實踐教學資源，結合地方經濟社會發(fā)展需要，努力爭取新的實踐教學經費和項目，構建了創(chuàng)新實踐教學平臺，探索應用型本科高校校內實踐教學的道路。校內創(chuàng)新實踐教學平臺的建設將豐富城市地下空間工程專業(yè)本科生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)途徑，彌補校外實踐的不足，將在實踐教學中發(fā)揮至關重要的作用。

一、 實踐教學體系

福建工程學院城市地下空間工程專業(yè)自2014年9月以來，已招收四屆，目前在校學生共216人，各年級人數(shù)分布情況見表1。

根據專業(yè)建設規(guī)劃，以后每年招生穩(wěn)定在兩個班60名左右，在校生約240人。

城市地下空間工程專業(yè)依托福建工程學院“以工為主、地方性、應用型”的辦學定位，根據“大土木、大機電”的學科布局，以培養(yǎng)較強的實踐能力、一定的創(chuàng)新能力為目標，畢業(yè)五年左右能成長為地下工程及其相關領域的技術骨干或管理人才。在制定實踐教學體系時，主動適應地方產業(yè)發(fā)展需要，服務地方經濟建設，依據課程體系的總體要求，在保證必要的理論教學學時前提下，盡可能多地安排實踐性教學內容，突出知識應用能力和工程實踐能力的培養(yǎng)，將實踐類課程分為課程實驗與上機、課程設計、實習、綜合訓練、畢業(yè)設計等5大類，見表2。實踐性教學環(huán)節(jié)共計43學分，占總學分（180學分）的34.72%。結合校內現(xiàn)有實踐條件和專業(yè)實際情況，在設置實踐教學課程先后順序時，按照“一條主線，五個層面”螺旋遞進式的實踐教學理念，即以培養(yǎng)工程技術系統(tǒng)應用能力為主線，從施工工藝技能訓練、理論與實踐相結合的實驗、課程設計、綜合應用能力鍛煉、畢業(yè)實習與設計這五個層面培養(yǎng)高層次的應用技術型人才。

二、校內實踐教學平臺構建

城市地下空間工程專業(yè)所在的土木工程學院有福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室、地下工程福建省高校重點實驗室等學科平臺，有土木工程國家級虛擬仿真實驗教學中心、土木工程綜合實踐中心、土木工程專業(yè)實驗教學中心和建筑信息模型先進技術實驗教學中心等教學平臺。依托土木工程學院的學科與教學資源優(yōu)勢，針對城市地下空間工程專業(yè)社會所需的實踐能力與創(chuàng)新能力，將相關的硬件與軟件條件進行整合，將校內實踐教學資源分為兩類。

第一類是基礎性實驗室，包括土工實驗室、力學實驗室、建材實驗室、勘察實驗室、施工實驗室、3C實驗室，這些實驗室主要服務課程實驗與上機、課程設計等實踐教學環(huán)節(jié)，教學時主要通過教師講解、學生參與的形式完成培養(yǎng)方案和教學大綱的教學任務，以鞏固學生專業(yè)知識、提高專業(yè)基本技能為主要目的。針對基礎性實驗室設備不足、部分設備老化的問題，學校近年來加大了設備購置力度，不斷更新常規(guī)實驗設備，以滿足應用型人才的培養(yǎng)需要。此外，還采購了適用創(chuàng)新能力訓練的精密貴重儀器設備，例如，GDS動三軸試驗系統(tǒng)、GDS非飽和三軸試驗系統(tǒng)、巖土多維液壓伺服加載系統(tǒng)（MTS）等。

第二類是創(chuàng)新性實踐平臺，包括依托土木工程國家級虛擬仿真實驗教學中心的地下工程虛擬仿真實踐教學平臺和依托福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室、地下工程福建省高校重點實驗室設置的軌道與隧道工程實驗教學平臺、樁基與工程物探實驗教學平臺，主要服務實習、課程設計、綜合性實驗等課程，以培養(yǎng)學生專業(yè)實踐能力和創(chuàng)新能力為目的。

1.地下工程虛擬仿真實踐教學平臺

地下工程虛擬仿真實踐教學平臺依托土木工程國家級虛擬仿真實驗教學中心，設置基礎虛擬仿真、設計虛擬仿真、施工虛擬仿真、管理虛擬仿真、創(chuàng)新虛擬仿真、生產虛擬仿真等6大教學平臺，可以服務所有實踐教學類型，虛擬仿真實驗教學平臺界面如圖1所示。

虛擬仿真教學平臺以學生為根本，通過虛擬化的仿真操作，模擬真實的實驗設備和步驟，改變傳統(tǒng)的灌輸式教學模式，讓學生自主參與相應的實驗，最大限度地發(fā)揮學生的自主創(chuàng)新能力，激發(fā)學習興趣。例如，在設計虛擬仿真教學平臺中設置大跨小間距隧道設計虛擬仿真項目，利用MIDAS/GTS軟件通過虛擬仿真幫助學生更好地了解國內外新型隧道結構型式設計與施工，通過教師指導學生建立簡單的框架模型，不斷調整圍巖地質條件、斷面形狀、幾何尺寸、開挖方法等影響因素，獲得大跨小間距隧道圍巖應力和位移分布及演化基本規(guī)律，激發(fā)學生對大跨隧道施工工法選擇及方案優(yōu)化設計的思考，加深對隧道力學特性的認識。在施工虛擬仿真教學平臺中設置隧道盾構法，以模擬當前城市軌道交通中常用的盾構法，實驗項目包括了盾構設計及施工兩大環(huán)節(jié)，學生可以通過輸入地層條件，選擇合適的盾構機類型、管片尺寸，進入三維開挖界面后，盾構機能自動旋轉與掘進達到良好的人機互動效果。同時，學生可不斷地調整隧道設計參數(shù)，模擬不同條件下施工工況，使學生直觀地認識盾構隧道的設計與施工，加深對一些盾構設計與施工基本概念的理解與掌握。

2.軌道與隧道工程實驗教學平臺

軌道與隧道工程實驗教學平臺是福建工程學院積極主動對接地方經濟社會需要、服務地方產業(yè)發(fā)展，申報并獲得立項建設的中央支持地方高校項目實踐教學平臺。該教學平臺以福建地鐵、鐵路和城市軌道交通為工程背景，開展基礎理論和實踐應用的教學和科學研究，為區(qū)域軌道交通相關行業(yè)提供人才支撐。軌道與隧道工程實驗教學平臺包括由盾構管片與軌道實物單元、地鐵基坑實物單元、隧道與軌道檢測測試單元、地鐵與隧道施工模型單元等部分。盾構管片與軌道實物單元是由6環(huán)地鐵隧道管片、3.6 m有砟軌道、3.92 m無砟軌道組成，可實體展示管片拼裝、地鐵區(qū)間環(huán)境、軌道安裝拼接等內容;地鐵基坑實物單元由不同支護型式的支護結構組成，可實體展示支護結構施工、土方開挖、地下水處理等內容，地鐵基坑實物單元平面見圖2，剖面見圖3。

隧道與軌道檢測測試單元由儀器設備組成，主要針對交通基礎設施建設中的檢測與測試技術問題，借助土體固結試驗系統(tǒng)、激光隧道斷面儀、超前地質預報儀、導熱系數(shù)儀、地質災害地面綜合探測系統(tǒng)、鐵路鋼軌探傷儀、數(shù)顯鐵路軌距尺、隧道軌道智能測振儀、無線動靜態(tài)數(shù)據采集系統(tǒng)、傳感器等儀器設備進行。地鐵與隧道施工模型單元是以專業(yè)教師與教學儀器廠商聯(lián)合研發(fā)的教學模型為主，包括島式地鐵車站模型、三層地鐵模型、三層地鐵車站蓋挖逆作法施工模型、側式地鐵車站模型、隧道臺階法開挖模型、盾構機模型等，如圖4所示。

軌道與隧道工程實驗教學平臺可為學生認識實習、課程設計、地下工程測試技術、工藝技能訓練、地下工程綜合實驗等實踐性教學環(huán)節(jié)提供教學基地，同時為隧道工程、地下建筑結構、基坑與邊坡工程、地鐵工程、軌道工程等專業(yè)核心課程提供現(xiàn)場教學平臺，教師可以采用現(xiàn)場教學的方式激發(fā)學生的學習熱情和興趣，提高學生學習效率。

3.樁基與工程物探實踐教學平臺

樁基與工程物探實踐教學平臺包括樁基與物探場地實物單元、樁基與工程物探測試單元。樁基與物探場地實物單元在土木工程學院原有樁基測試基地的場地內埋設不同大小、不同深度的管線，增設物探區(qū)域，包括物探區(qū)、樁基低應變動測區(qū)和聲波檢測區(qū)，如圖5所示。其中，樁基聲波檢測區(qū)12根樁，樁徑1.2 m，樁長約4 m，全部是缺陷樁，樁身內預埋3根聲測管。低應變動測區(qū)14根水平方樁，邊長25 cm，樁長8 m，其中有2根完整樁，其余都是缺陷樁，存在斷樁、縮徑、擴徑等問題。樁基與工程物探測試單元由地下管線探測儀、淺層地震儀、高/低應變測儀、基樁動測儀、多功能地質物探儀、地質雷達等儀器設備組成。

樁基與工程物探實踐教學平臺提供的實驗項目有樁基聲波透射試驗、樁基低應變動測試驗、管線探測、物理淺層勘探試驗、地脈動監(jiān)測試驗等，可為基礎工程、認識實習、地下工程測試技術、工藝技能訓練、地下工程綜合實驗等課程提供實踐教學資源。

三、支撐實踐課程情況

城市地下空間工程專業(yè)校內實踐教學平臺為實踐教學課程提供強有力的支撐，讓學生的實踐能力和創(chuàng)新能力在校內得到提升。校內實踐教學平臺支撐實踐教學課程情況如表3所示。

從表3中可以看出，除工程地質實習、生產實習、畢業(yè)實習等課程外，課程體系中其他實踐類課程都可在校內實踐平臺完成，校內實踐教學平臺既能提供基礎性實驗，也能提供綜合設計性、創(chuàng)新性實驗，能有效激發(fā)學生自主學習熱情，實踐教學效果好。此外，結合實踐教學課程大綱和大學生創(chuàng)新實踐訓練項目，包括結構設計大賽、BIM 高校建筑信息管理應用創(chuàng)新大賽、全國城市地下空間工程大學生模型競賽、全國大學生數(shù)學建模競賽等，有計劃地讓城市地下空間工程專業(yè)的學生參與這些創(chuàng)新訓練項目，學生的實踐能力和創(chuàng)新能力明顯提升。該專業(yè)學生先后獲得國家、省部級獎勵40余人，包括益埃畢杯全國大學生 Revit 作品大賽、全國城市地下空間工程大學生模型競賽、全國大學生數(shù)學建模競賽等獎項。

四、結語

城市地下空間工程專業(yè)作為國家特設專業(yè)，在專業(yè)建設方面沒有統(tǒng)一的標準，各高校的專業(yè)定位、教學體系均有差異。實踐性教學作為人才培養(yǎng)中最關鍵的環(huán)節(jié)，應在教學過程中給予足夠重視。福建工程學院作為地方高校，以建成高水平示范性應用型大學為目標，近年來對實踐教學環(huán)節(jié)非常重視。在專業(yè)實踐教學過程中依托“大土木、大機電”的學科優(yōu)勢，針對城市地下空間工程專業(yè)實踐教學體系，結合校內的優(yōu)勢教學資源，根據地區(qū)經濟建設需要，通過整合更新、申報補充、提升改造，構建了基礎性與創(chuàng)新性相結合、虛擬仿真與實體模型相結合的實踐教學平臺，為培養(yǎng)具有較強實踐能力、一定創(chuàng)新能力的高素質應用型人才奠定了堅實基礎。

參考文獻：

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Abstract：Due to the short history of urban underground space engineering major， colleges and universities are still at the exploratory stage in practical teaching. Taking Fujian University of Technology as an example， according to the practical teaching system of urban underground space engineering， taking the subject advantage of civil engineering and mechanical and electrical majors and existing on-campus practical teaching resources， and considering the needs of local economic and social development and issues of concern in infrastructure construction， the on-campus innovative practical teaching platform is constructed by means of integration and update， application and supplement， promotion and transforming. The teaching platform could combine foundation and innovation， virtual simulation and physical model， to support for follow-up practice teaching.

Key words： urban underground space; applied technique-oriented; practical teaching

（責任編輯 周 沫）