“隧道及地下工程”課程教學(xué)改革探索與創(chuàng)新路徑研究

張亮 張勝 鄧宗偉 洪亮 付貴海

湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院 湖南益陽 413000

一、概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、綜合國(guó)力的不斷提升及城市建設(shè)的大力推進(jìn)，高速鐵路和城市地鐵得到大規(guī)模發(fā)展和建設(shè)，相應(yīng)的隧道及地下工程的修建數(shù)量大幅增加，隧道總里程快速增長(zhǎng)，目前中國(guó)已經(jīng)成為全球發(fā)展最快的隧道與地下工程建設(shè)市場(chǎng)。截至2021年底，我國(guó)共有53個(gè)城市開通城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度達(dá)9018km，其中，開通地鐵約7305km，包括40個(gè)城市；2021年全年新開通運(yùn)營(yíng)線路45條，新增線路長(zhǎng)度約1363km，地鐵制式占比81%[1-2]。建設(shè)量增加的同時(shí)，地鐵隧道及相關(guān)地下工程的施工越來越向城市的周邊及地層較深處延伸，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件變得復(fù)雜，施工難度增大。因此，在城市地鐵隧道及地下工程的建設(shè)中，越來越需要具備專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)及能夠解決復(fù)雜工程問題的隧道施工和管理人才。

“隧道及地下工程”課程是湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)科城市軌道交通工程方向的一門專業(yè)核心課程，該課程的設(shè)置契合了城市軌道交通方向人才培養(yǎng)的需要，能夠讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)隧道及相關(guān)地下工程的勘查、設(shè)計(jì)基本原理與技術(shù)。該課程是一門兼具理論性和實(shí)踐性的重要課程，學(xué)生對(duì)于該課程的學(xué)習(xí)難度較大，因此探究合適的教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行該課程的講授以提高教學(xué)質(zhì)量顯得尤為關(guān)鍵。李天祺[3]以江南大學(xué)土木工程專業(yè)新增設(shè)的“隧道工程”課程教學(xué)為例，在分析了影響和制約該課程的教學(xué)效果的因素后，從該課程教學(xué)的實(shí)踐出發(fā)，對(duì)課程的教材建設(shè)、教學(xué)方法改革等方面進(jìn)行了探討；崔光耀[4]從如何調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容、完善教學(xué)方法等方面思考和分析了“隧道與地下工程”施工課程教學(xué)改進(jìn)策略；曾德榮[5]基于卓越工程師計(jì)劃的培養(yǎng)要求，對(duì)隧道工程課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了探討和完善。

“隧道及地下工程”課程不僅包含較深的基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且具有相當(dāng)程度的應(yīng)用性和實(shí)踐性，從而給該課程的教學(xué)帶來了較高的難度和挑戰(zhàn)。相關(guān)教學(xué)工作者在這方面開展了一系列研究，并取得了積極的成效。但目前對(duì)隧道工程課程的教學(xué)改革與提升并不是完善的，在如今信息化和技術(shù)化高度發(fā)達(dá)的時(shí)代，如何借助先進(jìn)教學(xué)理念和教學(xué)手段，改進(jìn)教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)方案，提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生獲得感增強(qiáng)，是目前亟待考慮的問題。本文基于湖南城市學(xué)院隧道及地下工程課程教學(xué)實(shí)踐，分析了該課程的特色及在軌道交通中的重要性，并論述了該課程在傳統(tǒng)理論教學(xué)模式、實(shí)踐性教學(xué)及學(xué)生考評(píng)等方面教學(xué)不足與困境，從教學(xué)理念、虛擬仿真教學(xué)等方面思考和探討了“隧道及地下工程”課程教學(xué)改革與創(chuàng)新實(shí)踐路徑。

二、隧道及地下工程課程特點(diǎn)及其重要性

(一)隧道及地下工程課程特點(diǎn)

隧道及地下工程課程涉及巖土力學(xué)、工程地質(zhì)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用等多交叉學(xué)科的知識(shí)，又包含平縱斷面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)等內(nèi)容。該課程從隧道及地下工程的工程特性和空間特性以及利用形態(tài)引入，論述了地下工程的獨(dú)有特點(diǎn)及其對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮的作用。整個(gè)課程包含的理論知識(shí)相當(dāng)豐富，包含圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算、巖體的破壞準(zhǔn)則、普氏理論、泰沙基理論、荷載—結(jié)構(gòu)模型與巖體—結(jié)構(gòu)模型理論等，其中普氏理論和泰沙基理論是用于計(jì)算深埋隧道圍巖壓力的理論方法，涉及的計(jì)算公式較多，而計(jì)算淺埋隧道圍巖壓力的理論公式更為復(fù)雜難懂。同時(shí)，該課程又介紹了相當(dāng)多的隧道施工方法、掘進(jìn)技術(shù)及施工機(jī)具，比如新奧法、明挖法、盾構(gòu)法及沉管法等常用的施工方法，施工機(jī)具有鑿巖臺(tái)車、噴錨機(jī)械、襯砌模板臺(tái)車等，無論是施工方法還是相關(guān)的施工機(jī)械，均非常專業(yè)，實(shí)踐性較強(qiáng)，學(xué)生在理論課的學(xué)習(xí)中較難理解和掌握。

(二)隧道及地下工程課程的重要性

伴隨著城市的現(xiàn)代化發(fā)展和地面空間的資源緊缺，開發(fā)地下空間已成為城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。地下鐵道的建設(shè)可以解決大城市交通擁堵問題，而且符合城市綠色可持續(xù)發(fā)展的要求；建設(shè)地下商業(yè)街可緩解地面中心商業(yè)區(qū)人流擁堵和用地供需緊張狀況；建成城市綜合地下管廊有利于改善城市面貌、提高城市綜合承載能力。城市地下工程建設(shè)的不斷發(fā)展急需大量基礎(chǔ)扎實(shí)、專業(yè)知識(shí)豐富的復(fù)合型工程技術(shù)人員，“隧道及地下工程”課程的目的在于傳授城市地下軌道及相關(guān)地下工程開挖與設(shè)計(jì)分析理論、施工方法的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)具體區(qū)間隧道各環(huán)節(jié)的組織設(shè)計(jì)能力，并且使學(xué)生了解和熟悉這一專業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)理念和最新技術(shù)知識(shí)，以適應(yīng)新時(shí)代下城市發(fā)展與城市地下空間開發(fā)建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需要。

三、課程改革的必要性

(一)教學(xué)理念和課程評(píng)價(jià)方法單一、落后

傳統(tǒng)隧道及地下工程課堂教學(xué)手段以教師黑板演示和多媒體技術(shù)為主，教師根據(jù)已制定的教學(xué)日歷和教學(xué)大綱，將知識(shí)點(diǎn)“灌輸式”講授給學(xué)生，學(xué)生被動(dòng)地進(jìn)行理解和掌握，并未培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性及探索知識(shí)的熱情，即傳統(tǒng)的課堂基本上遵循“以教師為中心”的授業(yè)模式，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，不利于師生之間良好互動(dòng)和相互溝通，并且學(xué)生理解起來困難，影響教學(xué)效果。目前在課程的評(píng)價(jià)與考核方面普遍采用課堂表現(xiàn)+課后作業(yè)+結(jié)課考試方式，課程評(píng)價(jià)體系并不完善，考核的因素也不全面，考核項(xiàng)目的設(shè)置往往對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容及知識(shí)的掌握起決定作用，以往的考核只關(guān)心學(xué)生的理論知識(shí)水平，只考核學(xué)生學(xué)習(xí)的態(tài)度及考試作答能力，忽略了學(xué)生對(duì)隧道工程中具體工法、施工設(shè)備設(shè)施的理解與掌握程度，導(dǎo)致學(xué)生踏入工作崗位后，較難適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的隧道施工場(chǎng)地作業(yè)流程。

(二)理論與實(shí)踐脫節(jié)、實(shí)踐性教學(xué)培養(yǎng)不到位

隧道及地下工程課程專業(yè)性非常強(qiáng)，許多知識(shí)點(diǎn)、專有名詞的學(xué)習(xí)基本上采用教師口頭講授并輔以播放圖片形式進(jìn)行，對(duì)于較為系統(tǒng)復(fù)雜的概念或隧道施工工法，學(xué)生并不能完全掌握。比如，隧道洞門分類中隧道門的種類繁多，如果只是運(yùn)用文字和圖片進(jìn)行描述，對(duì)于環(huán)框式洞門、端墻式、翼墻式和柱式等簡(jiǎn)單的洞門形式，學(xué)生比較容易掌握，但對(duì)于耳墻式洞門和斜交式洞門，由于不常見且書上僅有兩種洞門的平面和剖面圖，學(xué)生對(duì)此較為陌生，不易理解。再比如，鉆爆法作為隧道施工中的一種主要掘進(jìn)方式，其涉及雷管、炸藥、導(dǎo)爆索、導(dǎo)爆管等危險(xiǎn)品材料，隧道爆破現(xiàn)場(chǎng)安全得不到保證。隧道開挖中主要采用塑料導(dǎo)爆管非電起爆網(wǎng)路，其包括簇聯(lián)網(wǎng)路、串聯(lián)網(wǎng)路和復(fù)式網(wǎng)路等連接方式，爆破技術(shù)又有光面爆破、預(yù)裂爆破等，爆破施工技術(shù)工序非常復(fù)雜，實(shí)踐性較強(qiáng)，由于無法深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地考察和學(xué)習(xí)，學(xué)生難以領(lǐng)會(huì)和理解隧道鉆爆開挖相關(guān)方法和技術(shù)。

四、隧道及地下工程課程教學(xué)改革創(chuàng)新路徑思考與分析

為了全方位培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于城市隧道及地下工程建設(shè)方面的理論與技術(shù)知識(shí)，我們?cè)诮虒W(xué)理念、教學(xué)方法、成果導(dǎo)向等方面進(jìn)行了改變和創(chuàng)新，希望能為新時(shí)代下隧道工程學(xué)科人才培養(yǎng)提供一些新的思路和有益探索。

(一)確立基于OBE成果導(dǎo)向的課程教學(xué)理念

OBE成果導(dǎo)向教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)聚焦于成果、達(dá)成性評(píng)價(jià)和持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)特點(diǎn)，對(duì)于引導(dǎo)隧道及地下工程課程教育改革具有現(xiàn)實(shí)意義。OBE理念打破傳統(tǒng)的“以教師為中心”教學(xué)思維模式的桎梏，打造和樹立“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，將學(xué)生作為課程教學(xué)的中心和主體，在教學(xué)中動(dòng)態(tài)關(guān)注學(xué)生的需求、學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)狀態(tài)，并提出切實(shí)可行、符合畢業(yè)要求的課程目標(biāo)，以提高學(xué)生的知識(shí)水平、創(chuàng)新能力和綜合能力，達(dá)到全方位、多角度培養(yǎng)學(xué)生的目的?！八淼兰暗叵鹿こ獭笔浅鞘熊壍澜煌üこ谭较虻膶I(yè)核心課程，該課程對(duì)應(yīng)三個(gè)畢業(yè)要求，分別是：(1)能夠針對(duì)復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對(duì)復(fù)雜工程問題的預(yù)測(cè)與模擬，并能夠理解其局限性；(2)能夠基于土木工程相關(guān)的背景知識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)土木工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的方案，以及復(fù)雜工程問題的解決方案，包括其對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解土木工程師應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任；(3)具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，具有提高自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)土木工程新發(fā)展的能力。在課程的教學(xué)過程中，應(yīng)將教學(xué)內(nèi)容形成課程目標(biāo)，對(duì)應(yīng)分配至三個(gè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)中。比如，對(duì)于畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1，對(duì)應(yīng)的課程教學(xué)目標(biāo)為隧道的不同斷面形狀、襯砌的一般構(gòu)造要求、圍巖壓力分類及確定圍巖壓力的方法、隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型等內(nèi)容；對(duì)于畢業(yè)要求指標(biāo)2，課程教學(xué)目標(biāo)為隧道調(diào)查和勘測(cè)、圍巖分級(jí)、隧道洞口與洞門、防水與排水、隧道監(jiān)控量測(cè)等教學(xué)內(nèi)容；而對(duì)于畢業(yè)要求指標(biāo)3，課程教學(xué)目標(biāo)則是新奧法、新意法、盾構(gòu)法等施工方法、隧道施工組織設(shè)計(jì)、隧道及地下工程養(yǎng)護(hù)維修等內(nèi)容。根據(jù)不同指標(biāo)點(diǎn)的支撐強(qiáng)度，為不同的課程目標(biāo)和課程內(nèi)容設(shè)置不同的達(dá)成期望值和權(quán)重，最終用于考核和衡量學(xué)生對(duì)每個(gè)課程目標(biāo)和知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)效果和掌握情況。在考核方面，傳統(tǒng)的考核方式注重學(xué)生的理論學(xué)習(xí)水平，主要采用平時(shí)表現(xiàn)+課后作業(yè)+考試的方式進(jìn)行，而學(xué)生考完之后，往往只在乎分?jǐn)?shù)，并未培養(yǎng)出學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，因此在課程講授的同時(shí)，應(yīng)布置反映復(fù)雜工程實(shí)際的大作業(yè)，讓學(xué)生參與隧道工程的斷面設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算中，并且大作業(yè)的比重應(yīng)占總評(píng)成績(jī)的30%以上，以切實(shí)提高學(xué)生對(duì)具體工程問題的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，并改善學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)效果。

(二)構(gòu)建教學(xué)參考模型及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心

在“隧道及地下工程”課程的課堂教學(xué)及展示過程中，基本上是采用板書+多媒體播放的形式進(jìn)行，由于該課程具有極強(qiáng)的專業(yè)性，有很多專有名詞和概念，即使采用PPT演示的方式，學(xué)生也很難完全掌握，而且書本上對(duì)于很多知識(shí)點(diǎn)的介紹和解釋是依靠繪制的二維平面圖形，如正面圖或者剖面圖，對(duì)于一些陌生的專有名字，學(xué)生通過板書或者二維圖片難以充分理解，因此可以建立相關(guān)三維模型供學(xué)生參觀學(xué)習(xí)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)。比如隧道工程選址時(shí)，線路前方遇到高程障礙，有繞行、深塹和隧道三種方案可供選擇，可以構(gòu)建三種方案的三維參考模型供學(xué)生參觀學(xué)習(xí)，以加深印象，學(xué)生也能立即領(lǐng)會(huì)；再例如隧道洞門的講解中，學(xué)生對(duì)于各種隧道門的理解并不深，特別是對(duì)于斜交式洞門和耳墻式洞門，學(xué)生較難理解其具體構(gòu)造及形式，可以通過制作或購(gòu)買各種洞門三維立體模型，讓學(xué)生參觀學(xué)習(xí)的方式來掌握洞門的具體形式，不僅能達(dá)到引人入勝、通俗易懂的教學(xué)目的，而且對(duì)于學(xué)生理論知識(shí)的完善及后續(xù)課程設(shè)計(jì)中洞門部分的順利完成是很有意義的。隧道現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境一般較差，而且隧道建設(shè)周期長(zhǎng)，學(xué)生進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)也很難觀摩到隧道設(shè)計(jì)—開挖—支護(hù)的全過程，隨著信息化技術(shù)及仿真技術(shù)的發(fā)展，有必要開發(fā)和構(gòu)建以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托的、與隧道施工工法相關(guān)的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，使學(xué)生“參與”到隧道開挖的工作中，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)施工方法的理解和掌握。比如新奧法是隧道施工中的典型工法，其施工的工序一般包括鉆孔臺(tái)車鉆眼、安裝炸藥、連接導(dǎo)火線、爆破、出渣、初噴混凝土、施作二襯等，其中鉆眼爆破是新奧法施工中的關(guān)鍵步驟，但是該施工步驟危險(xiǎn)性高，現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境復(fù)雜，學(xué)生無法在現(xiàn)場(chǎng)觀摩或?qū)嵤┰摴ば?，借助隧道施工虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中自主開展和操作炮眼裝藥量計(jì)算、裝藥集中度與裝藥結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置、起爆順序的安排及起爆網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，從而使學(xué)生掌握新奧法實(shí)施的具體步驟和過程，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的理解程度，并培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力。

結(jié)語

“隧道及地下工程”是我校土木工程專業(yè)城市軌道交通方向?qū)W生的一門專業(yè)必修課程，具有課程知識(shí)點(diǎn)豐富、理論與實(shí)際并重、知識(shí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等特點(diǎn)，如何讓學(xué)生從這門課的學(xué)習(xí)中了解和掌握更多的有關(guān)城市隧道及地下工程開挖的理論方法和技術(shù)、提高學(xué)生的解決復(fù)雜工程問題的能力，是目前我們面臨的教學(xué)難題。針對(duì)課程教學(xué)所存在的問題，我們從確立基于OBE成果導(dǎo)向的課程教學(xué)理念和建立教學(xué)參考模型及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心等方面，對(duì)該課程的教學(xué)改革及創(chuàng)新路徑進(jìn)行了探索和思考，旨在提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，提高課程教學(xué)效果，并培養(yǎng)城市軌道交通建設(shè)的復(fù)合型和創(chuàng)新型人才。