地下工程施工技術課程“四維實踐教學模式”研究

濮仕坤　楊慶恒　李二兵　王在暉　段建立

摘要：根據地下工程施工技術課程內容，分析了該課程教學的特點，提出基于“認識實踐”、“操作實踐”、“虛擬實踐”、“生產實踐”的“四維實踐教學模式”。實踐證明，地下工程施工技術的“四維實踐教學模式”能激發學生思考，培養學生動手能力，提高課程的參與程度，增強教學效果。

關鍵詞：地下工程；施工技術；實踐性教學

中圖分類號：G642.3；TU94 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0105-04

地下工程是指深入地面以下，為開發利用地下空間資源所建造的建筑、構筑物。按照其用途和功能可分為：工業和民用建筑中的地下車間、電站、庫房、地下商業街、人防與市政地下工程；交通運輸中的地下鐵道、公路隧道、水下隧道和過街地下通道等；軍事上的指揮所、通信樞紐、掩蔽所、軍火庫等[1]。

地下工程的營造涉及可行性研究、初步設計、施工圖設計、施工等全過程。其中，地下工程施工是地下工程從圖紙到實物的成型過程，具有很大的復雜性、不確定性、危險性，因此其成為地下工程建造中最重要的階段。

一、地下工程施工技術課程的特點

地下工程施工技術是解放軍理工大學建筑工程管理（人防）專業必修課，土木工程（人防）專業選修的一門專業課[2]，其以“明挖法”和“暗挖法”兩項地下工程基本作業為主線。通過課程學習，可使學員掌握目前地下工程施工中成熟的技術、方法，培養學員的工程意識和分析實際問題的能力，為后續課程學習和崗位任職奠定必要的理論基礎。從教學內容上看，該課程的主要特點有以下幾個方面。

（一）學科交叉性強

地下工程施工技術課最大的特點就是先修課多，學科交叉性強。在“暗挖法”施工教學中，鉆爆法施工涉及到爆破、通風、給排水方面的知識，支護施工涉及到巖石力學和工程地質方面的知識，TBM施工、盾構法施工、頂管法施工技術則更多的是施工技術與施工機械知識的結合。在“明挖法”施工教學中，土方工程、基礎工程、基坑工程和土力學聯系緊密，而要學好混凝土結構施工技術則必須要學習好土木工程材料、混凝土結構設計原理等課程。通常，地下工程施工技術課程安排在第三學年的下半學期，學生在學習本課程之前，至少應系統學

習三大力學、工程測量、工程地質、工程材料等專業基礎課，以及鋼筋混凝土結構、鋼結構、地下結構設計等專業課，才能比較順利地學完整個課程。

（二）課程實踐性強

地下工程施工技術課是研究地下工程相關專業施工工藝、操作過程、施工設備機械的性能和操作等規律的一門課程[3]。某些基礎課程如數學、英語等，知識的傳授大部分都是依靠老師課堂上的講解，授課水平的好壞很大程度上依賴于老師對課程知識掌握的熟悉程度。但是，地下工程施工技術這一類專業性很強的課程，其中關于施工工藝、施工過程、施工機械的性能及操作過程等內容很難單純用語言來講述[4]，光靠課堂的解說遠遠達不到教學效果。

（三）知識點更新快

隨著地下空間開發如火如荼地開展，地下工程施工技術領域的新技術與新工藝不斷涌現，而大學教材很難及時介紹這一方面的成果，使得教材的更新速度低于技術、工藝的更新速度。因此，在教學上應該結合實際情況，在講授基本知識的基礎上介紹一些最新的施工技術和做法，以跟上地下工程領域新技術、新工藝發展的步伐[5]。這些內容若只從概念上介紹，學生很難理解，因此需要教師結合工程實踐進行說明，才能做到有的放矢。

二、施工課程實踐性教學模式的現狀

土木工程專業課程實踐性非常強，其中尤其以施工課最為突出。我國高校教育一貫注重實踐性教學環節的設置。1963年9月，“教育部直屬高等工業學校教學工作座談會”中就明確指出，在各門課程的教學中，貫徹“少而精”的原則，加強實踐性教學環節[6]。改革開放初期的土木工程施工教材中，也明確了對有關實踐教學環節如現場教學、習題和課程作業、教學參觀、生產實習等給予足夠的重視[7]。同時，土建各個專業也在實踐性教學的方法、手段上不斷進行嘗試。凌田全認為，組織好施工實習，提高施工實習的效果，需要加強橫向聯合，建立長期穩定的施工生產實習基地，周密安排，加強考核[8]。株洲工學院在實踐性教學實施過程中，精心挑選施工隊伍正規、施工技術先進、結構類型和施工進度符合教學要求的施工現場[9]。華南理工大學和湖南科技大學在實踐教學環節上，都采用了分散與集中相結合的辦法[10-11]。目前工科類高級施工課也主要采取集中實習和分散實習兩種方法。

從我國工科教學現狀看，實踐教學體系由實驗、課程設計、實習、畢業設計等組成。實踐性教學是培養、提高學生綜合能力與素質的一個重要環節，是對理論教學的驗證、補充和拓展[12]。

三、地下工程施工技術的“四維實踐教學模式”

針對課程實踐性強的特點，地下工程施工技術課程緊跟施工技術發展前沿，積極將地下工程施工中的新技術、新方法、新工藝、新設備知識引入課堂，同時在課程中加強了實踐性教學環節。本課程實踐內容的設置，其形式有“認識實踐”、“操作實踐”、“虛擬實踐”、“生產實踐”等4個方面，目的是使學生掌握基本的地下工程施工技能，學會實際操作規程和操作方法，熟悉工程現場施工組織與管理，具有能夠綜合運用專業知識解決地下工程施工管理問題的能力。

（一） 地下工程施工的認識實踐

認識實踐是地下工程施工技術課必設的一個環節。通過認識實踐，可以對地下工程施工技術的流程建立感性認識，為本課程的后續實踐環節打下基礎。通過認識實踐，可以使學生鞏固和加深理解課堂所學，讓他們的理論知識更加扎實，專業技能更加過硬，更加善于理論聯系實際。具體來說分為以下幾個方面。

1.地下工程施工視頻認識實踐

視頻認識實踐是地下工程施工認識實踐的第一個方面。施工視頻有著直觀生動的情境，且不受時間的限制，可以對同一施工過程進行多次觀察。隨著多媒體技術的發展，各類視頻資源十分豐富，為了更好地讓視頻服務于教學，課程組精選了鉆爆法、初期支護、二次襯砌、輔助工法、盾構掘進、頂管施工、TBM施工、基坑開挖支護、鋼筋混凝土施工等各類操作視頻數百條，在課堂上結合相應的知識點給學員進行講解。學生更好地介入課堂教學的內容，直接觀察所展示的視頻事件，并可以對視頻事件進行多次的重復播放、解讀與討論，每次可集中于某個特殊的維度或側重于教學組織、教學方法等[13]。該方法使學生認識施工、了解施工、熟悉施工，并在頭腦里構建地下工程施工的場景，從而使學生對課本上的文字不再陌生和排斥，靜下心來進行下一階段的學習。

2.地下工程施工案例庫認識實踐

案例庫教學能夠培養學生的創新思維和分析問題、解決問題的能力，調動學生學習的積極性。通過案例進行教學，使學生能夠在課堂上進行情景代入式學習，間接感受現場，使他們由被動聽課變為積極思考，從而尋找解決問題的辦法。興趣是最好的老師，學生的積極性一旦被激發，教學效果就容易得到保證[14]。

按照地下工程不同施工方法構建案例庫，課程組現已收集綜合案例7個、專項案例10個。綜合性案例包括城市淺埋大跨度坑道工程案例（南京九華山坑道工程）、大直徑盾構過江坑道案例（南京緯七路過江坑道、南京緯三路過江通道）、盾構坑道突涌事故及恢復案例（常熟電廠取水坑道）、特大異性深基坑施工技術案例（南京青奧軸線地下交通工程、武漢王家墩地下工程）、地下工程施工事故案例等。

3.地下工程施工模型認識實踐

我校國防工程學院為配合地下工程施工技術教學，花費百萬余元建設了模擬坑道，內存放有各類地下工程施工所需要的設備、器材。同時，用剖面的形式向學生展現地下工程施工各分部分項工程成品、半成品的內外部結構；一些特殊的地下工程施工器具器材，實物無法展示的，則制作了仿真模型供教學使用。對于“暗挖法”施工技術，主要有：洞門、掘進爆破、初期支護、內部襯砌、新奧法監控量測、輔助工法展示等方面的仿真模型；對于“明挖法”施工技術，主要有深基坑開挖及支護沙盤、土方機械化施工沙盤、地下連續墻施工工藝流程（剖面）、SJB深層攪拌機施工工藝流程（剖面）等仿真模型；對于現在使用較多的TBM、盾構法、頂管法施工技術，制作了硬巖TBM仿真演示模型、土壓（泥水）平衡盾構機仿真演示模型、泥水頂管機仿真演示模型。這些模型不僅僅給學員提供直觀的認識，可供學員任意拆卸和組裝，有的還能夠進行聲光電一體化演示，使學員更進一步了解地下工程施工的細節。

（二）地下工程施工的操作實踐

操作實踐是通過在地下工程施工現場操作技能訓練等，來鞏固學生理論知識和提高實際操作技能。實踐操作法，更能體現理論聯系實際這一基本原則[15]。這種現場操作可以在生產第一線，但由于地下工程施工現場較為分散，不利于集中教學，因此也可以采用模擬現場操作實踐的方式進行。

為配合地下工程施工技術的教學，學院在模擬坑道場地周圍建設了鋼筋加工棚及混凝土拌合點，可以進行鋼筋的現場加工、模板試拼、混凝土拌制、支護構件制作等施工操作。為了更加逼真地模擬出現場施工的效果，加工棚選用了可拆裝的鋼管及彩鋼板搭設的形式。

通過現場實習和課堂授課，學生可以較全面、具體、靈活地學習和掌握地下工程的施工工藝和施工技術，學會理論結合實際解決問題的方法。同時，在操作場上學生和教師從書本到工程進行全方位的交流，拓寬了學生的知識面，也豐富了教學內容[16]。

（三） 地下工程施工的虛擬實踐

虛擬實踐是人類基本實踐方式之一。虛擬實踐本質上是各種可能性的實踐，事物的可能性在虛擬實踐中能同時平行地獲得實現[17]。目前，建筑信息模型已經成為建筑領域信息技術研究和應用的熱點，BIM的應用價值已經得到行業的普遍認可。為了能進一步給學生帶來新鮮的學習體驗，課程組還將BIM虛擬實踐教學進入了課堂。

基于BIM的虛擬實踐教學是將一個具體工程項目的一系列立項計劃、勘察設計報告、建筑圖（結構圖、水暖圖、電器圖、施工流程圖等）、重要事件、動態三維模型、成本計算等徹底融合，用一個“虛擬的實際工程”串聯起來，全方位闡述建筑工程施工這一復雜的施工流程[18]。

同時，課程組還將BIM的施工實踐教學從地下工程課程延伸到學生的畢業設計。通過協同式畢業設計，不僅使土建專業學生更加直觀地了解地下工程的結構構造、施工流程，更加深了學生對其他相關知識的理解。

（四）地下工程施工的生產實踐

土木工程是具有很強實踐性的學科，為了讓學生更好的掌握知識，對于地下工程施工技術的學習，不僅要讓其注意知識的積累，更應該強調生產實踐能力的培養，以達到學以致用的目的。

生產實踐是人類最基本的實踐活動[19]。地下工程施工技術課程注重教學實踐環節的落實，努力增加實驗室的投入，保證了基礎教學和專業教學中學生應有的教學試驗和實習；堅持理論與實踐、課堂與工程相結合的教學模式，重視教學科研實習基地的建設，與人防單位、軍隊建設單位、項目管理公司、工程監理公司、地下礦業公司等不同類型的單位共建實習基地，以滿足課程實踐教學多樣化需要，不斷加強課程實習等實踐環節的過程控制和動態管理。

四、結語

基于認識實踐、操作實踐、虛擬實踐、生產實踐的地下工程施工技術的“四維實踐性教學模式”，是激發學生學習積極性、提高課程教學效率的有效方法，是多媒體時代工科專業課教學的典型范式。課程組經過多年的努力，已經具備了四維實踐性教學的基本軟硬件條件。在授課過程中如何有機融合課堂教學和實踐教學，從而對四維實踐性教學模式的教學效果進行評價，以及對地下工程施工技術考核模式的更新，則是下一步需要研究的問題。

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