新工科視域下地下工程施工技術課程教學改革探索①

［摘要］以地下工程施工技術課程為對象，基于新工科課程建設標準，以工程教育專業(yè)認證為契機，明確教學目標、重構教學內(nèi)容、創(chuàng)新教學方法，探索以學生為中心的模塊化教學模式，引導學生積極思考，培養(yǎng)其工程意識和創(chuàng)新思維，塑造精益求精、追求卓越的職業(yè)工匠精神，以實現(xiàn)土木工程應用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標。

［關鍵詞］新工科；土木工程；地下工程施工技術；模塊化教學；工程意識

［中圖分類號］G642［文獻標志碼］A［文章編號］2096-0603（2025）06-0１０9-04

一、引言

在21世紀這個被普遍認為是地下空間資源大規(guī)模開發(fā)利用的新時代，土木工程專業(yè)，尤其是地下工程施工技術方向的人才培養(yǎng)，正面臨著前所未有的變革與挑戰(zhàn)[1]。隨著城市化進程的加速，以及對可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護意識的增強，地下工程在城市立體化建設、交通網(wǎng)絡優(yōu)化、清潔能源利用、水資源管理與環(huán)境保護等領域發(fā)揮著不可替代的作用[2]。這些工程不僅要求更高的技術標準和安全性能，還對參與其中的工程師提出了更全面、更深層次的能力要求，包括創(chuàng)新思維、跨學科知識整合、復雜問題解決能力以及對新技術的快速適應能力。

地下工程施工技術作為土木工程專業(yè)地下方向的核心課程，其傳統(tǒng)的課程教學模式已無法滿足新工科建設人才培養(yǎng)的要求。針對地下工程施工技術課程的教學改革，相關教學研究人員已分別從教學模式、考核方式和教學手段等方面進行了有益的探索與討論[3-5]。曲萍等針對該課程在土木工程專業(yè)地下方向的教學模式，闡述改變傳統(tǒng)的“填鴨式”學習，豐富多樣化教學，培養(yǎng)學生興趣[6]。張強等針對傳統(tǒng)教學資料庫匱乏和教學手段有限的問題，提出了通過多種途徑收集和編輯課程中四類常用施工方法的設備模型和施工視頻，以豐富課程資料庫內(nèi)容，并組織學生進行現(xiàn)場參觀和分組討論教學內(nèi)容[7]。王炳軍等結合工程教育專業(yè)認證，以學生為本、能力導向和持續(xù)改進等基本要求和地下工程施工技術的課程特點，分別就以激發(fā)學生興趣為出發(fā)點的教學手段和教學模式、實踐能力培養(yǎng)目標實現(xiàn)、過程考核評價方式和教學質(zhì)量持續(xù)改進四個方面進行了改革探索[8]。趙傳海對地下工程施工技術的課程教學進行分析，總結課程的教學特點和教學改革存在的問題，以此展開探討，提高地下工程施工技術的教學效率與質(zhì)量[9]。濮仕坤等針對該課程教學的特點，提出基于認識實踐、操作實踐、虛擬實踐、生產(chǎn)實踐的“四維實踐教學模式”[10]。

近年來，地下工程施工技術課程改革的研究雖已取得顯著進展，但是在新工科建設的背景下，如何深化該課程教學改進的研究仍較為不足。新工科作為應對國家戰(zhàn)略新需求、國際競爭新態(tài)勢以及立德樹人新要求的工程教育改革方向，正為土木工程專業(yè)的地下工程方向提出了新的挑戰(zhàn)與機遇。因此，探索新的地下工程施工技術課程教學模式，提升該學科的教育質(zhì)量，增強學科競爭力，已成為新工科土木工程專業(yè)課程教學創(chuàng)新的核心議題。本文圍繞土木工程專業(yè)學生的專業(yè)能力培養(yǎng)，構建地下工程施工技術模塊教學體系，形成一整套的課程教學改革探索總體思路，以期對現(xiàn)有的教學方法進行有效改進，提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)。

二、地下工程施工技術課程內(nèi)容與特點

地下工程施工技術作為土木工程專業(yè)的重要課程，涵蓋多個層面的教學內(nèi)容。通過該課程的學習，學生將深入了解地下工程施工的基本原理和方法，培養(yǎng)其實踐能力，具備從事地下工程施工及管理的基本技能，從而能勝任簡單的地下工程施工和管理工作。具體教學內(nèi)容包括以下方面：（1）基坑工程。涉及基坑的開挖、支護、降水及監(jiān)測等技術，是地下工程施工的基礎。（2）蓋挖法。一種在地面有交通或其他需要而不能全斷面施工的情況下，采用先修建臨時路面或結構頂板，在其下方進行土方開挖與主體結構施工的方法。（3）盾構法。主要用于地鐵隧道等地下工程，利用盾構機在地層中推進，同時進行開挖、襯砌等作業(yè)。（4）頂管法。利用頂進設備將預制管道按設計線路頂入土層中，適用于管道穿越公路、鐵路等障礙物的施工。（5）新奧法。以噴射混凝土和錨桿為主要支護手段，充分利用圍巖自承能力進行隧道施工。此外，地下工程施工技術還包括施工組織設計、施工管理等方面的內(nèi)容，要求學生掌握施工計劃的制訂、施工資源的調(diào)配、施工進度的控制等技能。

地下工程施工技術是土木工程專業(yè)地下方向的核心課程，教學內(nèi)容的廣度與深度反映了這一領域的復雜性和挑戰(zhàn)性，不僅需要學生掌握各類地下建筑的施工方法、工藝和技術，還需深入理解施工原理，能夠獨立完成工程施工組織設計，具備解決實際施工難題的能力。地下工程施工技術課程具有以下幾個特點：（1）綜合性高、實踐性強。該課程高度融合了多種土木工程領域的知識，要求學生不僅掌握理論知識，還要具備實際操作和實踐能力。（2）知識體系復雜。地下工程的地質(zhì)條件、施工環(huán)境等因素的復雜性，使施工方法和技術手段具有多樣性。地下工程施工技術涉及多個學科領域的知識，如力學、地質(zhì)學、材料科學等，使其知識體系相對復雜。學生需要理解和掌握各種施工技術的原理、方法、工藝以及相關的技術標準，這要求學生具備扎實的專業(yè)知識和廣泛的知識面。（3）內(nèi)容枯燥但實用。地下工程施工技術的課程內(nèi)容較為枯燥，因為涉及大量的技術細節(jié)和操作規(guī)程，但這些都是實際工作中必不可少的。盡管內(nèi)容枯燥，但學生通過學習可以掌握解決實際施工難題的能力，這對于他們未來的職業(yè)發(fā)展具有重要意義。（4）知識更新迅速。隨著科技的不斷進步和工程技術的不斷發(fā)展，地下工程施工技術也在不斷更新和完善。該課程需要及時反映最新的施工技術和研究成果，使學生能夠緊跟時代步伐，掌握最前沿的工程技術知識。（5）就業(yè)密切相關。地下工程施工技術課程的內(nèi)容與土木工程專業(yè)的就業(yè)前景密切相關。通過學習該課程，學生不僅能掌握從事地下工程施工所需的各項技能和能力，還能為未來的職業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎。

三、地下工程施工技術課程教學現(xiàn)狀

目前，隨著課程改革的不斷深入，通過對課堂教學與實踐教學的深入分析，發(fā)現(xiàn)地下工程施工技術課程教學主要存在以下幾個問題。

（一）教學目標不明確

地下工程施工技術作為土木工程專業(yè)中的重要課程，其教學目標應當清晰、明確，旨在培養(yǎng)學生掌握地下工程的施工原理、方法和技術，并具備解決實際工程問題的能力。然而，在傳統(tǒng)的教學模式中，往往缺乏明確的教學目標，導致學生在學習過程中缺乏方向性和針對性，難以全面掌握課程的核心內(nèi)容。

（二）教學內(nèi)容固化

隨著地下工程施工技術的不斷發(fā)展和更新，教學內(nèi)容也應隨之調(diào)整和優(yōu)化。然而，在傳統(tǒng)的教學模式中，教學內(nèi)容往往過于固化，缺乏與最新技術動態(tài)的跟進和融合，導致學生所學與實際應用脫節(jié)，難以適應行業(yè)發(fā)展需求。

（三）教學方法單一

傳統(tǒng)的教學方法往往側重于理論知識的灌輸，缺乏足夠的實踐環(huán)節(jié)和互動式教學。這種單一的教學方式不僅難以激發(fā)學生的學習興趣和積極性，還限制了學生創(chuàng)新思維的發(fā)展和實踐能力的培養(yǎng)。在地下工程施工技術課程中，應強化理論與實踐結合，通過案例分析和模擬實訓等形式，提升學生理解和掌握知識的能力。

（四）缺乏對學生主觀意識的引導

在傳統(tǒng)的教學模式中，教師往往處于主導地位，學生被動接收知識，這種教學方式限制了學生主觀意識的發(fā)揮和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在地下工程施工技術課程中，應注重引導學生積極思考、主動探索，培養(yǎng)他們的工程意識和創(chuàng)新思維。

四、地下工程施工技術課程教學改革探索

（一）課程教學目標革新

新工科建設的關鍵在于精準把握人才市場需求，合理制訂培養(yǎng)方案和畢業(yè)要求，這包括對土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標的全面審視和適時修訂。地下工程施工技術課程的教學目標應聚焦于深度構建專業(yè)基礎知識框架、系統(tǒng)培養(yǎng)工程思維、積極樹立社會責任感和工匠精神。在此基礎上，該課程應鼓勵學生主動探索市場應用需求，促進多學科知識的交叉融合，幫助學生深入理解當前土木工程的發(fā)展趨勢及行業(yè)動態(tài)，從而激發(fā)學生的專業(yè)興趣和自主學習能力，為后續(xù)課程的學習和專業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎。

模塊化教學模式在新工科背景下的運用，將以行業(yè)需求為導向，系統(tǒng)制訂地下工程施工技術課程的教學目標，旨在從多個視角全面提升學生的綜合素質(zhì)。該模式側重于培養(yǎng)和強化學生的創(chuàng)新意識，將其視為塑造工匠精神的重要環(huán)節(jié)。這種方式不僅能有效推動土木工程應用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，還能促進新工科建設與課程思政建設的深度融合和協(xié)同發(fā)展，為培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神和實踐能力的土木工程專業(yè)人才提供堅實保障，最終實現(xiàn)教育與行業(yè)需求的無縫對接。

（二）基于課程模塊化的教學內(nèi)容解構與重構

為準確設定課程教學內(nèi)容，依據(jù)既定課程教學大綱，深入考察并分析國內(nèi)外高等院校同類學科的課程設置及教學內(nèi)容，基于新工科建設目標的模塊化教學模式，解構與重構課程教學內(nèi)容，旨在豐富知識點、更新內(nèi)容、突出重難點，以實現(xiàn)理論學習與工程實踐的結合。地下工程施工技術課程的教學內(nèi)容應緊密圍繞教學目標展開，對各章節(jié)進行細化與重構，實行模塊化設計，從而提升教學效果和實踐應用。具體可分為如下八個內(nèi)容模塊：緒論、基坑工程施工技術、蓋挖法施工技術、盾構法施工技術、頂管法施工技術、新奧法施工技術、地下管道的非開挖施工技術及地下工程防水施工。每個內(nèi)容模塊需與具體教學目標對齊，形成知識點與教學目標的關聯(lián)矩陣，以確保地下工程施工技術課程教學目標的實現(xiàn)。完成教學內(nèi)容并達成目標的關鍵在于構建一個有效的地下工程施工案例庫，該案例庫應能提升學生創(chuàng)新能力、培養(yǎng)工匠精神，并與各教學模塊內(nèi)容緊密結合。

（三）基于目標指向的模塊化融合式教學設計

從教學分析入手，深入剖析理論知識講授、技術驗證實驗和實踐應用作業(yè)教學的現(xiàn)實需求，設計“知識+能力+素質(zhì)”的課程目標體系和“理論+技術+應用”的課程內(nèi)容體系，提出理論知識學導式、技術驗證實驗式和實踐應用作業(yè)式的教學模式，設計目標指向的模塊化融合式教學策略，旨在深化教學改革并提升教學質(zhì)量。具體在模塊化融合式教學設計中應采取相應的策略。如圖3所示。

1.知識模塊包含過多知識點

針對現(xiàn)有知識模塊涵蓋知識點過于的情況，應進一步對知識模塊進行細化拆分，形成更為緊湊的知識單元，以降低學習單個獨立知識模塊時的難度，進而緩解學生在面對龐大知識體系時的畏難情緒。

2.知識模塊僅包含一個或非常少量的知識點

基于該類知識點的獨特性（如簡單易懂、時效性強、趣味性高），應將其精心設計為能顯著提升學生學習成就感的教學小專題，借助多媒體資源、案例研討等多元教學手段，進一步激發(fā)學生的學習熱情。

3.知識模塊中知識點間關聯(lián)性明顯較低

結合前兩項教學設計策略，對知識模塊進行更細致的分割。若經(jīng)過細分后的知識模塊仍然顯得過于微小，則可回歸至第二類策略的運用，即根據(jù)其自身特點，將其定位為能有效激發(fā)學生的學習興趣并提升其學習獲得感的教學小專題。

（四）人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新

1.以學生為中心，校企合作，依托數(shù)字化學習平臺

將傳統(tǒng)的線下教學模式調(diào)整為線上線下混合教學模式，為學生提供了豐富多樣的在線學習資源，培養(yǎng)學生獨立學習能力。利用現(xiàn)代信息技術，與企業(yè)攜手開發(fā)的定制化在線平臺，旨在構建一個集“自主學習—即時互動—前沿探索”為一體的綜合學習生態(tài)系統(tǒng)。

2.基于學生能力培養(yǎng)，引入企業(yè)真實生產(chǎn)任務，充實教學內(nèi)容

近年來，地下工程施工領域新理念與新技術日新月異，教師若僅圍繞傳統(tǒng)書本內(nèi)容展開教學，不僅會讓學生感到枯燥，更與科技前沿相去甚遠。為彌補這一缺憾，教學過程中引入如“世界最長的跨海沉管隧道”之于港珠澳大橋或“亞洲最大地下空間工程”之于南京江北新區(qū)等前沿項目，深度剖析其中的科研課題及成果。此舉不僅讓學生實時把握學科發(fā)展脈絡與研究走勢，更能啟發(fā)其科研好奇心與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，教學的舞臺不應局限于教室的四壁之內(nèi)，還需精心策劃和設計課程的各個環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學生的施工組織與統(tǒng)籌能力。通過課程設計的實踐環(huán)節(jié)，學生將有機會親自動手，依據(jù)施工設計手冊和相關規(guī)范進行計算、繪圖和驗算等操作，不僅使書本上的理論知識“活學活用”，更為學生未來踏入地下工程施工這一領域奠定堅固的專業(yè)基礎。

3.基于學生能力培養(yǎng)，校企合作建設虛擬仿真平臺，培養(yǎng)施工實訓能力

由于現(xiàn)場實習機會相對稀缺，且大多數(shù)工程現(xiàn)場并不對外開放參觀，故構建虛擬仿真平臺和打造實訓基地，便成為本課程實踐教學環(huán)節(jié)中的重要支柱。首先，通過運用先進的VR（虛擬現(xiàn)實）與AI（人工智能）技術，搭建功能完備的虛擬仿真平臺，將地下工程中如盾構法、沉管法等復雜的施工工藝以三維動態(tài)的形式詳細展示，從而極大地促進學生對這些施工技術的深入理解和直觀把握。其次，企業(yè)不僅可提供ABAQUS、ANSYS、MIDAS等數(shù)值模擬軟件的安裝包，還配套詳盡的學習資料，供學生自主學習和仿真操作，學生可以借助軟件，開展如采動巖層滲透率與應力耦合關系數(shù)值模擬研究、動壓影響下巷道擴修數(shù)值模擬研究、巖石中三維單裂隙擴展過程的試驗研究等，豐富教學手段的同時，也為學生未來的專業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎。

4.基于學生為本的理念，以興趣和培養(yǎng)為出發(fā)點，改革教學模式

地下工程施工其過程復雜且動態(tài)多變，時間與空間的演化僅憑課堂講授難以完成。因此，教師在傳授專業(yè)知識時應緊緊把握與工程實踐之間的聯(lián)結，借助多媒體教學平臺，以視頻和圖表等形式為學生呈現(xiàn)與施工操作息息相關的視覺盛宴，使枯燥的書本知識煥發(fā)出勃勃生機，從而更有效地促進學生的學習與理解，且圖文并茂、虛實交融的教學方式，不僅有助于知識的深化理解，更能提升學生學習的趣味性與互動性。以合肥三里庵地鐵站基坑半蓋挖法施工這一典型案例為例，教學過程可借助BIM動畫、施工圖紙與現(xiàn)場真實照片的多重演繹，讓學生得以全方位、立體地洞察施工流程的每個細節(jié)。多層次、多角度的呈現(xiàn)，不僅豐富了課堂教學內(nèi)容，更在潛移默化中激發(fā)學生的探索欲望與學習熱情。如此，教學不再僅僅是單向的知識傳輸，而是變成了一場充滿互動與發(fā)現(xiàn)的智慧之旅，為學生知識積淀與技能提升構建堅實而多彩的橋梁。

五、結束語

本文立足新工科宏偉目標下，致力于對地下工程施工技術課程展開全方位革新，覆蓋教學目標、內(nèi)容及方法等層面，旨在探索一種以學生為主體的模塊化教學模式，以此引導學生主動思考，強化其工程認知與創(chuàng)新思維，并最終鑄就其精益求精、追求卓越的職業(yè)工匠精神。

參考文獻：

［1］《中國公路學報》編輯部.中國橋梁工程學術研究綜述·2021［J］.中國公路學報，2021，34（2）：1-97.

［2］董賀軒.城市立體化研究［D］.上海：同濟大學，2008.

［3］濮仕坤，楊慶恒，李二兵，等.基于BIM技術的地下工程施工技術課程教學設計［J］.中國建設教育，2015（2）：28-32.

［4］許曉亮，鄧華鋒，姜橋，等.新工科視角下巖土工程專業(yè)本科地基處理課程的改進探析［J］.教育現(xiàn)代化，2020，7（29）：77-80.

［5］涂勁松，戈海玉.應用型本科院校土木工程施工技術課程教學改革［J］.高等建筑教育，2012，21（3）：94-97.

［6］曲萍，李斌，齊琳.基于應用型人才培養(yǎng)的“地下工程施工技術”課程教學探索［J］.新課程研究，2023（6）：53-55.

［7］張強，蔚立元.地下工程施工技術課程教學改革與探討［J］.西部素質(zhì)教育，2016，2（8）：52，54.

［8］王炳軍，黨彥.工程教育專業(yè)認證背景下地下工程施工技術課程教學探索［J］.科技視界，2021（14）：66-67.

［9］趙傳海.地下工程施工技術課程教學改革與探討［J］.中外企業(yè)家，2018（7）：136.

［10］濮仕坤，楊慶恒，李二兵，等.地下工程施工技術課程“四維實踐教學模式”研究［J］.高等建筑教育，2016，25（5）：105-108.

◎編輯 栗國花

①基金項目：教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（項目編號：2407151710；主持人：劉向陽）；安徽高校自然科學研究重點項目（項目編號：2023AH052181；主持人：劉向陽）。

作者簡介：劉向陽（1991—），男，漢族，安徽亳州人，講師，工學博士，研究方向：地下工程方面的教學與科研工作。