新工科背景下城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)

左昌群，焦玉勇，李雪平，譚 飛，程 毅，鄭 飛，鄒俊鵬

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

21世紀(jì)是地下空間大發(fā)展的世紀(jì)，空間資源的集約復(fù)合利用已經(jīng)被視作支撐城市現(xiàn)代化持續(xù)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)范式。2016——2019年以城市軌道交通、綜合管廊、地下停車為主導(dǎo)的中國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)每年以1.5萬(wàn)多億元人民幣規(guī)模的速度增長(zhǎng)，“十三五”期間，全國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)直接投資總規(guī)模約8萬(wàn)億元人民幣，從業(yè)人員高達(dá)500萬(wàn)，為推動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)有效增長(zhǎng)，推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革提供了重要的產(chǎn)業(yè)支撐[1]。地下空間行業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，也勢(shì)必需要與之配套的大量城市地下空間工程專業(yè)技術(shù)人才，特別是能綜合利用各種信息知識(shí)且具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的專業(yè)技術(shù)人才。

為順應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，中南大學(xué)于2002年率先開(kāi)設(shè)了城市地下空間工程專業(yè)，2012年城市地下空間工程專業(yè)作為土木工程類的特設(shè)專業(yè)納入《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》中（專業(yè)代碼081005T），并于2019年1月由西南交通大學(xué)牽頭在土木工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)下成立了城市地下空間專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)小組，為專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)提供了規(guī)范化的引導(dǎo)[2]。2020年，又有4所高校在教育部備案了城市地下空間工程專業(yè)，截至2020年底，全國(guó)已有83所高校開(kāi)設(shè)了此專業(yè)，城市地下空間專業(yè)人才培養(yǎng)面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

建設(shè)和發(fā)展新工科是國(guó)家重大戰(zhàn)略實(shí)施及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然要求，是我國(guó)新時(shí)代提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、影響力、軟實(shí)力的必然要求，同時(shí)也是深化當(dāng)前工程教育人才培養(yǎng)模式改革，提高工程科技人才適應(yīng)新時(shí)代社會(huì)需求的現(xiàn)實(shí)需要[3]。在此背景下，新型實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建是“新工科”建設(shè)中必不可少的一環(huán)，也是城市地下空間工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要支撐體系，其與理論教學(xué)共同構(gòu)成一個(gè)完整的人才培養(yǎng)體系，兩者相輔相成。本專業(yè)由于開(kāi)設(shè)時(shí)間短、各院校專業(yè)背景差異較大，在人才培養(yǎng)模式、培養(yǎng)方案設(shè)計(jì)和實(shí)踐教學(xué)體系建立等方面仍處于探索階段。

我校于2017年成功申報(bào)城市地下空間工程本科專業(yè)，于2018年招收本科生30人，為1個(gè)行政班建制。在高等學(xué)校新工科背景下，聚焦學(xué)校“美麗中國(guó)、宜居地球”戰(zhàn)略目標(biāo)，依托學(xué)校地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、“雙一流”學(xué)科建設(shè)，探索和構(gòu)建了體現(xiàn)我校辦學(xué)理念和專業(yè)特色的全周期四位一體的城市地下空間工程實(shí)踐教學(xué)體系，對(duì)提升專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量奠定了良好的基礎(chǔ)條件，也為兄弟院校城市地下空間工程專業(yè)辦學(xué)提供參考和借鑒。

一、實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

1.構(gòu)建原則

城市地下空間專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建要體現(xiàn)綜合性、科學(xué)性、合理性，同時(shí)還要易于操作，表現(xiàn)在：（1）實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容要與課堂教學(xué)無(wú)縫對(duì)接，作為課堂教學(xué)的強(qiáng)有力支撐；（2）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)要緊跟城市地下空間工程學(xué)科發(fā)展和行業(yè)需求，要匹配現(xiàn)代工程對(duì)人才培養(yǎng)的需要；（3）必須以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維、獨(dú)立思考及實(shí)踐能力為核心，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作的工程素養(yǎng)；（4）要充分利用現(xiàn)代多媒體教學(xué)及科技手段來(lái)提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和完成度；（5）突出地質(zhì)特色，加強(qiáng)多學(xué)科交叉融合。

2.建設(shè)方案及框架

據(jù)此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)搭建了覆蓋學(xué)生四年學(xué)習(xí)生涯的全周期多層次的四位一體的實(shí)踐教學(xué)體系，整體框架如圖1。

圖1 城市地下空間專業(yè)全過(guò)程實(shí)踐教學(xué)框架設(shè)計(jì)

首先從人才培養(yǎng)方案設(shè)計(jì)上，2019年修訂版培養(yǎng)方案相較2018年第一版培養(yǎng)方案，優(yōu)化了課程結(jié)構(gòu)設(shè)置，包括實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)的占比由28.5%提高至31.2%，對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)。講課教學(xué)及各實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)分配及占比如圖2所示。

圖2 培養(yǎng)方案中各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)分占比圖

其次，根據(jù)2019年大類招生方案的思想，設(shè)置了模塊化的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，覆蓋了“通識(shí)教育”“大類平臺(tái)+學(xué)科基礎(chǔ)”“專業(yè)主干+專業(yè)選修”的教學(xué)需求，實(shí)現(xiàn)了從學(xué)生入校到畢業(yè)全閉環(huán)的培養(yǎng)模式。

再次，將傳統(tǒng)的以“學(xué)校+教師”為單一主體的實(shí)踐教學(xué)延伸至學(xué)校、企業(yè)、學(xué)會(huì)；實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生、企業(yè)與學(xué)生、企業(yè)與教師、學(xué)會(huì)與學(xué)校等協(xié)同發(fā)展的育人新模式。積極發(fā)揮我校自建實(shí)習(xí)基地、企業(yè)產(chǎn)學(xué)研基地、省校級(jí)科研創(chuàng)新平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了產(chǎn)教融合育人模式的新探索。

二、子模塊目標(biāo)分解及實(shí)現(xiàn)途徑

1.校內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊

校內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊主要對(duì)標(biāo)專業(yè)培養(yǎng)方案中的“大類平臺(tái)課”“學(xué)科基礎(chǔ)課”“專業(yè)主干課”，其主要目的是配合課堂教學(xué)，開(kāi)展相關(guān)課下實(shí)驗(yàn)，更好地掌握理解知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生動(dòng)手能力。實(shí)施的主體為校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，包括基礎(chǔ)的大學(xué)物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程力學(xué)、電工及電子基礎(chǔ)、地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、土力學(xué)、巖體力學(xué)等課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

2.野外實(shí)習(xí)模塊

野外地質(zhì)實(shí)習(xí)是我校相關(guān)專業(yè)學(xué)生地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)有力的基地保障，是課堂實(shí)驗(yàn)的延伸。我校有良好的野外實(shí)踐教學(xué)傳統(tǒng)和豐富的野外實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，依托我校自建的龍泉山測(cè)量實(shí)習(xí)點(diǎn)、北戴河地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)基地、秭歸實(shí)習(xí)基地和武漢地基與基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)習(xí)點(diǎn)等校外實(shí)踐平臺(tái)，開(kāi)展測(cè)量學(xué)、地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、水文地質(zhì)學(xué)等課程的鞏固實(shí)習(xí)。在野外，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生識(shí)別、認(rèn)識(shí)、分析各種工程、地質(zhì)、水文、巖石礦物、構(gòu)造現(xiàn)象等的能力，熟練掌握羅盤(pán)使用、野簿記錄、剖面繪制等專業(yè)基本技能（圖3），認(rèn)識(shí)和了解各種工程結(jié)構(gòu)及施工方法，為后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)提供輔助。

圖3 北戴河地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)

3.工程實(shí)訓(xùn)模塊

學(xué)生在完成前兩年的大類課程學(xué)習(xí)后，會(huì)進(jìn)行專業(yè)方向選擇，并逐漸進(jìn)入專業(yè)學(xué)習(xí)階段，這時(shí)候培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，綜合分析解決相關(guān)工程問(wèn)題就成為實(shí)踐教學(xué)重要內(nèi)容。工程實(shí)訓(xùn)模塊包括專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。

地下空間工程專業(yè)在培養(yǎng)方案中體現(xiàn)了目前地下空間工程開(kāi)發(fā)利用的特點(diǎn)，專業(yè)主干課也涵蓋了地下空間工程代表性結(jié)構(gòu)類型及典型建造技術(shù)。因此，在實(shí)踐環(huán)節(jié)補(bǔ)充了“地下空間規(guī)劃及利用”“基礎(chǔ)工程學(xué)”“城市地下管網(wǎng)工程”“地下工程結(jié)構(gòu)”等課程設(shè)計(jì)，通過(guò)真實(shí)工程案例，真題真做，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題及從事科學(xué)研究能力，也使學(xué)生在此過(guò)程中，熟練掌握CAD、數(shù)值計(jì)算、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)編程等專業(yè)軟件的使用。

與此同時(shí)，專業(yè)教師也動(dòng)員發(fā)揮校友優(yōu)勢(shì)，聯(lián)系和申報(bào)了一大批產(chǎn)學(xué)研基地，與行業(yè)龍頭企業(yè)，如鐵四院、漢陽(yáng)市政集團(tuán)、中鐵十六局、中建三局、中國(guó)一冶等簽訂了長(zhǎng)期合作協(xié)議，為專業(yè)學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等提供了重要場(chǎng)所，成為工程實(shí)訓(xùn)的又一重要陣地（圖4）。

圖4 黃岡綜合管廊頂管施工實(shí)習(xí)

4.創(chuàng)新科研模塊

創(chuàng)新科研模塊包括學(xué)科競(jìng)賽、社會(huì)調(diào)查、科研項(xiàng)目等環(huán)節(jié)。大量實(shí)踐證明，學(xué)科競(jìng)賽在實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮著特殊的創(chuàng)新教育功能，對(duì)學(xué)生全面提升自身的知識(shí)應(yīng)用能力、問(wèn)題解決能力以及創(chuàng)新實(shí)踐能力具有獨(dú)特而不可代替的作用，也更容易受到研究生導(dǎo)師和用人單位的青睞[4]。本專業(yè)的學(xué)科競(jìng)賽主要包括各類（全國(guó)、省、校級(jí)）大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、大學(xué)生挑戰(zhàn)杯、全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、周培源力學(xué)競(jìng)賽，以及由地下空間、市政等行業(yè)協(xié)會(huì)主辦的全國(guó)城市地下空間工程專業(yè)模型設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)地下空間創(chuàng)新大賽等。

近年來(lái)，隨著國(guó)家及學(xué)校宣傳力度的增加，本專業(yè)學(xué)生參與學(xué)科競(jìng)賽和科研的熱情不斷提高，專業(yè)教師指導(dǎo)學(xué)生參與科研活動(dòng)的精力及經(jīng)費(fèi)投入也逐年增加。2021年度，本專業(yè)學(xué)生又獲批4項(xiàng)國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，全系有50%以上教師參與指導(dǎo)學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)，在全院起到了很好的示范效應(yīng)。

三、實(shí)施效果及改進(jìn)措施

1.實(shí)施效果

本專業(yè)第一屆學(xué)生經(jīng)過(guò)三年系統(tǒng)的專業(yè)學(xué)習(xí)，班級(jí)學(xué)習(xí)風(fēng)氣濃厚，平均學(xué)分績(jī)點(diǎn)在地下工程類3個(gè)班級(jí)中排名第一，在土木工程9個(gè)專業(yè)班中排名第三。學(xué)生在參加全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模大賽，以及大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”大賽等活動(dòng)中獲得較好成績(jī)，創(chuàng)新實(shí)踐能力突出。在剛剛結(jié)束的2021年第七屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽湖北省復(fù)賽中取得了一銀一銅的好成績(jī)，在今年7月份工程學(xué)院研招開(kāi)放日選拔中，班級(jí)有14名學(xué)生通過(guò)考核，占班級(jí)總?cè)藬?shù)的50%。

2.改進(jìn)建議措施

針對(duì)目前實(shí)踐教學(xué)在實(shí)施過(guò)程中仍有改進(jìn)之處。

（1）增強(qiáng)校企融合力度，推進(jìn)“企業(yè)導(dǎo)師制度”，建設(shè)協(xié)同育人新模式。

學(xué)校擁有龐大的專業(yè)教師隊(duì)伍和豐富的教學(xué)資源，在理論教學(xué)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。企業(yè)直接面向具體工程，是工程實(shí)踐人才成長(zhǎng)的沃土。學(xué)校和企業(yè)應(yīng)發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，建立校企合作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源共享。具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)人員作為校外導(dǎo)師可直接參與學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)全過(guò)程，負(fù)責(zé)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)和實(shí)踐技能兼具的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

（2）提升創(chuàng)新實(shí)踐模塊比重，以學(xué)科競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)提升。

盡管學(xué)科競(jìng)賽對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力發(fā)揮著較積極作用，但通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學(xué)科競(jìng)賽在學(xué)生中的普及率并不高，在學(xué)業(yè)學(xué)分中比重也較小。一方面是相對(duì)傳統(tǒng)土木、工程地質(zhì)和結(jié)構(gòu)工程而言，針對(duì)城市地下空間工程的專業(yè)競(jìng)賽并不多；另一方面，競(jìng)賽的規(guī)模和影響力不大，教師和學(xué)生往往忽視參賽和報(bào)名信息，使得競(jìng)賽覆蓋的學(xué)校和學(xué)生數(shù)量都十分有限，通過(guò)競(jìng)賽提升學(xué)生創(chuàng)新能力的效果也大打折扣。建議可以健全和發(fā)展學(xué)校舉辦學(xué)科競(jìng)賽的獎(jiǎng)勵(lì)激勵(lì)制度，形成學(xué)會(huì)主持、高校輪流主辦的良性循環(huán)機(jī)制，通過(guò)學(xué)科競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)學(xué)校創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式改進(jìn)和人才質(zhì)量提升。

（3）借助多元信息及互聯(lián)網(wǎng)手段，豐富實(shí)踐教學(xué)手段和內(nèi)容。

城市地下工程具有體量大、施工期長(zhǎng)、綜合性強(qiáng)、隱蔽性高、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)難度大。為了給學(xué)生創(chuàng)造更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，拓展實(shí)踐教學(xué)，可以結(jié)合實(shí)際工程背景，利用專業(yè)的仿真模型和虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，增強(qiáng)學(xué)生參與感及交互體驗(yàn)[5]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）、翻轉(zhuǎn)課堂、微課、MOOC課等新手段和技術(shù)也有必要逐漸應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中來(lái)，滿足專業(yè)培養(yǎng)多元化的需求。

（4）加強(qiáng)教學(xué)過(guò)程管理，建立立體層次的實(shí)踐考核模式。

實(shí)踐教學(xué)一般周期長(zhǎng)，場(chǎng)所不固定，教學(xué)過(guò)程的把控難度較大。尤其是對(duì)課程設(shè)計(jì)，通常一班一題，無(wú)法對(duì)學(xué)生參與投入進(jìn)行區(qū)別化評(píng)價(jià)。對(duì)實(shí)踐教學(xué)的考核，也無(wú)法沿用傳統(tǒng)課堂教學(xué)“平時(shí)考勤+課間作業(yè)+試卷考核”的模式，給教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)及反饋優(yōu)化帶來(lái)困難。因此，遵循“新工科”理念，探索能體現(xiàn)過(guò)程參與度，以評(píng)估學(xué)生的思維、知識(shí)、個(gè)性和能力主要要素的綜合立體式考核評(píng)價(jià)體系，也是未來(lái)高校應(yīng)積極探索的一個(gè)方向。

四、結(jié)束語(yǔ)

城市地下空間開(kāi)發(fā)與利用是未來(lái)國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的重要方向，是建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和諧社會(huì)”的必由途徑。城市地下空間工程專業(yè)作為新興專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)特別需要?jiǎng)?chuàng)新，以適應(yīng)城市建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、學(xué)科建設(shè)、行業(yè)用人的新要求。以新工科理念為引領(lǐng)，通過(guò)城市地下空間工程專業(yè)全過(guò)程實(shí)踐教學(xué)綜合體系的構(gòu)建與創(chuàng)新，優(yōu)化了各實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式，提高了學(xué)生的專業(yè)技能和科技創(chuàng)新能力，帶動(dòng)了學(xué)科整體質(zhì)量的提高，為培養(yǎng)符合新工科背景下城市地下空間工程專業(yè)人才奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。