新工科背景下《隧道與地下工程施工》課程教學(xué)改革的思考和分析

崔光耀 宋志飛 姚海波

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 北京 100144)

引 言

《隧道與地下工程施工》是北方工業(yè)大學(xué)城市地下空間工程的專業(yè)必修課。本課程全面介紹隧道與地下工程施工技術(shù)和施工組織管理的系統(tǒng)知識(shí)；圍繞隧道與地下工程的建設(shè)，著重介紹了目前廣泛使用的隧道與地下工程施工方法和技術(shù)。此外，本課程還介紹了近年來(lái)越來(lái)越被重視的工程科學(xué)管理技術(shù)。本課程的任務(wù)是使學(xué)生系統(tǒng)地掌握隧道與地下工程一般的設(shè)計(jì)、施工工藝和施工管理方法；學(xué)會(huì)編制隧道與地下工程施工設(shè)計(jì)和施工組織設(shè)計(jì)；并初步具備隧道與地下工程施工技術(shù)指導(dǎo)和組織管理才能。

此課程在傳統(tǒng)的教學(xué)中還存在一些問(wèn)題。比如，教師僅針對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行課堂講授，理論知識(shí)比較抽象，實(shí)踐性與針對(duì)性均不強(qiáng)，使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高[1-5]。針對(duì)這一現(xiàn)象，為改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式、加強(qiáng)理論與實(shí)踐的聯(lián)系、調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性、提高教學(xué)質(zhì)量和效率，本文對(duì)目前《隧道與地下工程施工》教學(xué)中存在的問(wèn)題進(jìn)行思考和分析，并采用多種現(xiàn)代化教學(xué)方法和教學(xué)手段，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，使學(xué)生更加貼近工程實(shí)際，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)能力。這就使得學(xué)生更加適應(yīng)社會(huì)的需求和科研的發(fā)展，提升了課堂的教學(xué)效果。

一、目前《隧道與地下工程施工》課程在教學(xué)中存在的問(wèn)題

(一)傳統(tǒng)課堂教學(xué)的限制

傳統(tǒng)課堂教學(xué)大多采用教師講授與多媒體技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)方法進(jìn)行課堂教學(xué)，是“以教為主”的教學(xué)方法。其缺點(diǎn)是：調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性難度大；理論講解比較抽象，學(xué)生理解掌握難度較大；學(xué)生對(duì)施工過(guò)程、施工機(jī)械及施工材料缺乏感性認(rèn)識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際的能力較為困難等。

(二)深入在建工程現(xiàn)場(chǎng)困難

由于地下工程的特殊性，工作面狹小、施工環(huán)境惡劣、施工安全性較地面結(jié)構(gòu)差。因此，教師組織學(xué)生深入到所建工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)難度較大；學(xué)生感性認(rèn)識(shí)的形成比較困難。這對(duì)于學(xué)生理論知識(shí)的理解和掌握造成了一定的困難。

二、《隧道與地下工程施工》教學(xué)改革的思考和分析

(一)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

學(xué)習(xí)積極性是直接推動(dòng)人們進(jìn)行學(xué)習(xí)的內(nèi)部動(dòng)力，是激發(fā)學(xué)習(xí)、維持學(xué)習(xí)并將學(xué)習(xí)導(dǎo)向某一目標(biāo)的原動(dòng)力。能否充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，這對(duì)教學(xué)效果有著重要影響。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)前，往往對(duì)課程的主要內(nèi)容、發(fā)展前景與工作就業(yè)的關(guān)系等不甚了解。教師如果一開始就進(jìn)入各章節(jié)知識(shí)的學(xué)習(xí)，容易使學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)生盲目性。而高年級(jí)大部分學(xué)生，他們將精力和關(guān)注點(diǎn)放在工作和考研上，往往忽略了專業(yè)課的學(xué)習(xí)。

因此，在講授課程正式內(nèi)容之前，教師應(yīng)當(dāng)全面介紹隧道與地下工程的歷史、發(fā)展歷程及發(fā)展情景，以及學(xué)習(xí)本課程對(duì)學(xué)生今后的工作和學(xué)習(xí)有什么作用和意義，使學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)到本課程對(duì)其將來(lái)的工作和學(xué)習(xí)所起到的重要作用，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

(二)優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程發(fā)展同步

一本好的教材可以使課堂教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。我們本次選用西南交通大學(xué)楊其新、王明年編寫的《地下工程施工與管理(第3版)》作為課程教材，本書是目前介紹地下工程施工較為全面的教材。在實(shí)際教學(xué)中，我們參考西南交通大學(xué)關(guān)寶樹編寫的《地下工程》、北京交通大學(xué)賀少輝編寫的《地下工程》、西南交通大學(xué)關(guān)寶樹編寫的《隧道工程施工要點(diǎn)集》等教材。這些教材主要講授明挖法施工、礦山法施工、盾構(gòu)法施工、掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工技術(shù)、頂管法施工、隧道與地下工程防排水施工、隧道與地下工程施工組織、隧道與地下工程施工管理以及監(jiān)控量測(cè)技術(shù)等內(nèi)容。

在課程教學(xué)中，我們的教學(xué)結(jié)合目前我國(guó)及世界地下工程新技術(shù)的發(fā)展，引入新意法施工技術(shù)、地鐵車站橋隧共建技術(shù)、螺旋隧道修建技術(shù)、膨脹性圍巖隧道修建技術(shù)、海底隧道修建技術(shù)等等，再根據(jù)教學(xué)大綱及本科教學(xué)要求，結(jié)合本課程48學(xué)時(shí)及兩周課程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，科學(xué)地安排教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，我們還在課程教學(xué)中穿插介紹目前國(guó)內(nèi)外隧道與地下工程施工技術(shù)的新進(jìn)展和重大工程實(shí)例，使學(xué)生能夠跟上學(xué)科發(fā)展的步伐。這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和適應(yīng)工程現(xiàn)場(chǎng)的能力，都具有重要的意義。

(三)采用多種現(xiàn)代化教學(xué)方法和教學(xué)手段

1.完善教學(xué)方法、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于促進(jìn)學(xué)生理論理解、鍛煉動(dòng)手能力以及提高教學(xué)效果都具有重要的意義。地下工程施工是一門實(shí)踐科學(xué)，實(shí)驗(yàn)在本課程教學(xué)中起著至關(guān)重要的作用。目前，北方工業(yè)大學(xué)已建成城市地下空間工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，擁有盾構(gòu)施工模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)、隧道及地鐵車站施工模型、三軸液壓伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)、二維相似模擬試驗(yàn)臺(tái)等實(shí)驗(yàn)儀器。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)課的講授和現(xiàn)場(chǎng)演示，讓學(xué)生直觀地了解和掌握鉆爆法隧道、盾構(gòu)法隧道及地鐵車站的施工過(guò)程，掌握隧道與地下工程施工的力學(xué)原理。

在一般寬口徑實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，學(xué)校重視工程現(xiàn)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)教學(xué)，強(qiáng)化了地下工程施工特色實(shí)驗(yàn)實(shí)、工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室。這些實(shí)驗(yàn)室為培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)的工程技術(shù)人才提供了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

2.引入FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，提高理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)水平

FLAC3D是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限差分軟件，其解決問(wèn)題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。FLAC3D可進(jìn)行多種材質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)分析，并具有大變形分析模式。由于其計(jì)算分析不需要?jiǎng)偠染仃?，故僅需較小內(nèi)存即可求解較復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題。

圖1 三臺(tái)階法施工過(guò)程模擬

基于當(dāng)今社會(huì)對(duì)工程技術(shù)人員實(shí)際工作能力的要求，以及FLAC3D計(jì)算軟件的可靠性和應(yīng)用廣泛性，我們擬將其引入《隧道與地下工程施工》的課堂教學(xué)中。針對(duì)隧道與地下工程施工的特點(diǎn)，我們主要利用其進(jìn)行基坑開挖與支護(hù)、單洞三臺(tái)階法開挖(圖1)以及雙連拱隧道開挖施工三個(gè)方面的教學(xué)實(shí)踐。這樣能夠使學(xué)生在理解掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生理論應(yīng)用于工程實(shí)際的能力；同時(shí)也有利于大學(xué)人才培養(yǎng)體系的優(yōu)化建設(shè)。

(四)觀看典型工程施工過(guò)程錄象

由于隧道與地下工程本身的特殊性，教師組織學(xué)生在工程施工現(xiàn)場(chǎng)參加實(shí)習(xí)的難度較大。僅靠教師講解及圖片介紹，學(xué)生也很難了解工程施工過(guò)程和關(guān)鍵施工工藝。因此，采取觀看國(guó)內(nèi)外典型隧道與地下工程施工錄象資料是一種好的解決方法。它有利于輔助教師課堂教學(xué)，也有利于學(xué)生理解和掌握所學(xué)到的理論知識(shí)、施工工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)。

錄象資料主要有：日本青涵海底隧道關(guān)鍵施工工藝、大瑤山隧道新奧法施工工藝、秦嶺終南山隧道TBM施工工藝、北京草橋換乘站施工技術(shù)、成都天府廣場(chǎng)地下綜合體施工關(guān)鍵技術(shù)等。

三、結(jié)束語(yǔ)

《隧道與地下工程施工》是城市地下空間工程專業(yè)教學(xué)中的一個(gè)重要組成部分，是本科教學(xué)分層分流的一個(gè)重要方向。如何提高教學(xué)效果、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，是目前擺在我們面前的一個(gè)難題。本文首先分析了目前《隧道與地下工程施工》課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，并針對(duì)《隧道與地下工程施工》課程的特點(diǎn)，對(duì)《隧道與地下工程施工》課程教學(xué)改革進(jìn)行了思考和分析。這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力、提高學(xué)生的科研素養(yǎng)以及優(yōu)化城市地下空間工程課程體系建設(shè)都有著重要的意義。