隧道工程課程模塊化教學(xué)模式研究

王章瓊++黃民水++余浩延

摘要：隧道工程課程內(nèi)容覆蓋面廣、零散，傳統(tǒng)教學(xué)模式難以達(dá)到理想效果，迫切需要創(chuàng)新教學(xué)模式。結(jié)合該課程特點(diǎn)，可采用模塊化教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。根據(jù)涉及科學(xué)、工程問題的不同，將該課程內(nèi)容劃分為基本概念模塊和地質(zhì)、力學(xué)及支護(hù)結(jié)構(gòu)模塊、傳統(tǒng)施工方法模塊、非傳統(tǒng)施工方法模塊、管理與維護(hù)模塊等。此外，還提出按照工程項(xiàng)目建設(shè)階段來劃分課程模塊，進(jìn)一步豐富了隧道工程課程模塊化教學(xué)方法。實(shí)踐表明，該教學(xué)模式有助于學(xué)生深入理解課程內(nèi)容，幫助學(xué)生建立專業(yè)知識體系。

關(guān)鍵詞：隧道工程；模塊化教學(xué)；學(xué)習(xí)遷移理論；教學(xué)研究

中圖分類號：G6420；U45文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：10052909（2016）03007204近年來，隨著高速公路、鐵路建設(shè)及城市地下空間開發(fā)的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的隧道工程，交通、市政建設(shè)領(lǐng)域?qū)λ淼拦こ虒I(yè)技術(shù)人才的需求量不斷增大。培養(yǎng)創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力及解決能力實(shí)際問題較強(qiáng)的應(yīng)用型專業(yè)人才是地方本科院校的主要辦學(xué)目標(biāo)之一[1-2]。筆者在隧道工程教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，該課程內(nèi)容覆蓋面廣，且較為零散，采用按教材章節(jié)順序進(jìn)行授課的傳統(tǒng)教學(xué)模式難以達(dá)到良好效果，亟需探索新的教學(xué)模式。

起源于德國的“模塊化教學(xué)”[3]方法，可以較好解決上述問題。該方法是基于學(xué)習(xí)遷移理論基本原理，把課程內(nèi)容分解成若干個(gè)部分，再將具有相同或相近主題的內(nèi)容進(jìn)行整合，形成具有內(nèi)在聯(lián)系的單元模塊并進(jìn)行教學(xué)[4-6]，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的靈活度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。文章以武漢工程大學(xué)土木工程專業(yè)、道路橋梁與渡河工程專業(yè)為例，探索模塊化教學(xué)方法在隧道工程課程中的應(yīng)用。

一、隧道工程課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀

（一）內(nèi)容覆蓋面廣

目前我校采用的教材是彭立敏、劉小兵主編的《隧道工程》[7]，同時(shí)參考了丁文其[8]、覃仁輝[9]、朱永全[10]等主編的教材。這些教材的主要內(nèi)容大體上包括：緒論、隧道勘測設(shè)計(jì)、隧道主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)、圍巖分級與圍巖壓力、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算、隧道施工方法、隧道施工工藝及技術(shù)、高速鐵路隧道、隧道常見病害及處治方法、隧道施工組織與管理、運(yùn)營管理與維護(hù)等。可見，隧道工程課程內(nèi)容涵蓋面廣，包含了規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理等過程的各個(gè)方面，既有基本概念和理論，又有施工工藝和方法；既包含技術(shù)層面問題，又包含管理層面問題。

（二）主要內(nèi)容之間獨(dú)立性強(qiáng)

隧道工程課程不僅知識點(diǎn)多，而且其主要內(nèi)容之間具有較強(qiáng)的獨(dú)立性。如隧道勘測設(shè)計(jì)、圍巖分級、圍巖壓力等，主要涉及工程地質(zhì)、巖土工程勘察、巖體力學(xué)等知識；隧道主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)，主要涉及建筑結(jié)構(gòu)等知識；隧道施工，主要涉及工程爆破、工程機(jī)械等知識；隧道支護(hù)，主要涉及巖土工程、建筑材料等知識。

（三） 與先行課程關(guān)系密切

隧道工程課程一般在第七或第八個(gè)學(xué)期開設(shè)，在此之前，學(xué)生應(yīng)修完所有專業(yè)基礎(chǔ)課和大部分專業(yè)方向課，掌握相應(yīng)的專業(yè)基礎(chǔ)知識。該課程的主要內(nèi)容和先行課程之間存在密切聯(lián)系，具體見表1。表1隧道工程課程主要內(nèi)容與先行課程關(guān)系課程內(nèi)容相關(guān)先行課程隧道工程勘測設(shè)計(jì)工程地質(zhì)、工程測量、道路勘測設(shè)計(jì)隧道主體、附屬結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)圍巖分級、圍巖壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算工程地質(zhì)、巖體力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隧道施工土木工程施工、施工組織與管理隧道支護(hù)巖土工程、建筑材料、地下結(jié)構(gòu)防水隧道通風(fēng)及高速鐵路隧道空氣動力學(xué)問題流體力學(xué)、施工組織與管理（四）教學(xué)困境

綜上，隧道工程課程內(nèi)容龐雜，涉及土木工程專業(yè)大部分基礎(chǔ)知識，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)存在理解不透徹、記憶不深刻等問題，學(xué)習(xí)積極性普遍不高。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，是授課教師面臨的一大挑戰(zhàn)。

另一方面，隧道工程課程內(nèi)容具有較強(qiáng)的綜合性，如將這些零散的內(nèi)容按照某種屬性或規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)歸納、分類，使之成為若干個(gè)相互聯(lián)系的有機(jī)整體，則不僅能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以幫助學(xué)生構(gòu)建專業(yè)知識體系，使學(xué)生對專業(yè)知識的認(rèn)知和理解上升到新的高度。

二、模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)

針對上述問題，采用模塊化基本理論和方法，并根據(jù)涉及科學(xué)、工程問題的不同，將隧道工程課程主要內(nèi)容歸為基本概念、地質(zhì)及力學(xué)問題、施工方法、新技術(shù)新方法、運(yùn)營管理與維護(hù)等5個(gè)模塊（表2），具體分述如下：

（一） 基本概念模塊

主要包括隧道的定義、分類、發(fā)展歷史、隧道主體結(jié)構(gòu)與附屬建筑等。隧道工程是地下工程的一種，有別于一般建筑工程，該模塊主要介紹隧道工程中的名詞、定義及相關(guān)基本知識。

（二）地質(zhì)、力學(xué)及支護(hù)結(jié)構(gòu)模塊

主要包括隧道工程勘測設(shè)計(jì)、圍巖分類、圍巖壓力、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算等。隧道修建在巖土體中，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式主要取決于圍巖的工程特性，隧道開挖與支護(hù)的核心問題是圍巖力學(xué)特性及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，即圍巖的地質(zhì)力學(xué)問題。

（三）傳統(tǒng)施工方法模塊

主要包括鉆爆法施工、掘進(jìn)機(jī)法施工、隧道輔助施工作業(yè)、新奧法等。根據(jù)隧道工程所在巖土體性質(zhì)的不同，可以分為巖質(zhì)隧道和土質(zhì)隧道。巖質(zhì)隧道多采用鉆爆法或掘進(jìn)機(jī)法施工，土質(zhì)隧道多采用盾構(gòu)法（掘進(jìn)機(jī)法的一種）。新奧法不是具體的施工方法，但目前幾乎所有隧道的施工都采用新奧法的基本理念和原理。

（四）非傳統(tǒng)施工方法模塊

主要包括高速鐵路隧道工程、城市地鐵隧道工程、海底隧道工程等。近年來出現(xiàn)了上述特殊環(huán)境和技術(shù)條件下的隧道工程，與之配套的新技術(shù)、新方法也日趨成熟，其占有重要地位。

（五） 施工管理與運(yùn)營維護(hù)模塊

主要包括隧道施工組織管理、運(yùn)營階段的養(yǎng)護(hù)與維修等。隧道工程是隱蔽工程，在施工過程中作業(yè)空間有限，作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)性高，且各工序之間相互干擾大。在正常運(yùn)營階段，車輛沖擊、廢氣排放、地下水、圍巖等因素對襯砌耐久性造成不利影響，隧道交通事故、火災(zāi)等更是會造成嚴(yán)重后果。這兩個(gè)方面的問題均需要通過實(shí)施管理來解決。表2隧道工程教學(xué)內(nèi)容模塊化設(shè)計(jì)（Ⅰ）編號模塊名稱主要內(nèi)容學(xué)時(shí)分配1基本概念隧道分類及發(fā)展歷史1隧道主體結(jié)構(gòu)2隧道附屬結(jié)構(gòu)12地質(zhì)、力學(xué)及支護(hù)結(jié)構(gòu)隧道工程勘測設(shè)計(jì)2隧道圍巖分類1隧道圍巖壓力1隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算13傳統(tǒng)施工方法鉆爆法施工2掘進(jìn)機(jī)法施工1隧道輔助施工作業(yè)2新奧法24非傳統(tǒng)施工方法高速鐵路隧道工程2城市地鐵隧道工程1海底隧道工程15施工管理與運(yùn)營維護(hù)隧道施工組織管理2隧道運(yùn)營階段養(yǎng)護(hù)與維修2上述方法是將隧道工程作為土木工程的一個(gè)分支學(xué)科來進(jìn)行探討，包括理論、方法和工程技術(shù)等多個(gè)方面。此外，和橋梁工程、道路工程、房屋建筑工程一樣，也可以將隧道工程作為工程項(xiàng)目的一種，相應(yīng)的課程主要內(nèi)容圍繞隧道工程從規(guī)劃到設(shè)計(jì)、施工，再到后期管理等。按照該思路，可以將隧道工程課程的內(nèi)容劃分為：隧道工程基本理論與基本概念、隧道工程規(guī)劃選址與設(shè)計(jì)、隧道工程施工、隧道運(yùn)營管理4個(gè)模塊，這4個(gè)模塊則直觀反映了隧道工程項(xiàng)目建設(shè)的大體流程（圖1）。