新工科背景下隧道工程課堂教學(xué)模式改革與探索

黃阜 黃粉保 谷淡平

[摘 要]針對目前我國高等工程教育中全面推進(jìn)新工科建設(shè)與發(fā)展的新形勢，通過分析傳統(tǒng)課堂教學(xué)理念與新工科背景下教學(xué)理念的差異，結(jié)合土木工程隧道工程課程的教學(xué)實踐，提出基于互動式教學(xué)，實時更新教學(xué)內(nèi)容并在此基礎(chǔ)上融合現(xiàn)代化教學(xué)手段的教學(xué)模式。文章探索了基于新工科教學(xué)理念的高等工程教育課堂教學(xué)方法，為新工科背景下創(chuàng)新型人才和復(fù)合型人才的培養(yǎng)提供了一些思路。

[關(guān)鍵詞]新工科；互動式教學(xué)；教學(xué)模式；教學(xué)理念；隧道工程課程

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）01-0037-03

隨著世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速以及我國“一帶一路”“制造強國”等重大戰(zhàn)略的實施，以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，勢必要求我國的高等教育培養(yǎng)大批新型工程科技人才，為新形勢下國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展提供動力。鑒于這一現(xiàn)狀，教育部于2017年2月和4月分別在復(fù)旦大學(xué)和天津大學(xué)召開了高等教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，確立了新工科背景下高等工程教育的發(fā)展共識和建設(shè)行動路線。在此基礎(chǔ)上，教育部高等教育司下發(fā)了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，全面推進(jìn)新工科的建設(shè)與發(fā)展。新工科建設(shè)是一種新的工程教育發(fā)展模式，其核心內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1-4]。從新工科的核心理念可以看出，新工科是在培養(yǎng)具備實踐創(chuàng)新能力的新型工程科技人才的基礎(chǔ)上，根據(jù)未來新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動不同學(xué)科的交叉融合，以新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式對高等工程教育進(jìn)行新一輪改革。

土木工程專業(yè)隸屬于工程類學(xué)科，對學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力有較高的要求，尤其是在目前我國“一帶一路”國家級合作倡議大規(guī)模實施的背景下，大量由我國投資或者參與的基礎(chǔ)設(shè)施在“一帶一路”沿途國家建設(shè)。國外的地理環(huán)境、地質(zhì)條件和法律法規(guī)與我國有很大不同，導(dǎo)致按我國現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計和施工不一定完全符合當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)要求，需要參與的施工設(shè)計人員具備更好的創(chuàng)新思維和靈活應(yīng)變能力來解決項目建設(shè)過程中遇到的各種問題。因此，有必要在土工工程人才培養(yǎng)過程中通過對現(xiàn)有專業(yè)課程教學(xué)方法進(jìn)行改革，尋求新的教學(xué)模式，滿足新工科形勢下土木工程技術(shù)人才培養(yǎng)的需求。

本文擬從新工科的視角，結(jié)合土木工程隧道工程課程的教學(xué)實踐，通過分析傳統(tǒng)課堂教學(xué)體系和教學(xué)方法存在的不足，對新工科背景下的課堂教學(xué)模式改革進(jìn)行探索。

一、傳統(tǒng)工科的課程教學(xué)存在的主要問題

（一）新工科的教學(xué)理念沒有完全融入傳統(tǒng)工科的課堂教學(xué)體系中

傳統(tǒng)的工科課堂教學(xué)還是以灌輸式教學(xué)方法為主，教師按照教學(xué)大綱制定的教學(xué)內(nèi)容，將課本上的知識點傳授給學(xué)生，學(xué)生被當(dāng)成“知識容器”，被動地接受一個個知識點，課堂成為知識搬運的場所，教學(xué)過程中忽視了對知識的探索，壓抑了學(xué)生的創(chuàng)新熱情，從而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降，影響教學(xué)效果。而新工科背景下的高等工程教育，提倡以學(xué)生為中心，注重個性化學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的適應(yīng)變化能力與工程創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)教學(xué)主要采用“以教師為中心”的“傳道、授業(yè)、解惑”方式，與新工科所要求的“以學(xué)生為中心”的“悟道、生惑、解疑”方式有很大的差別。

（二）傳統(tǒng)工科的教學(xué)內(nèi)容體系與新工科背景下的社會需求脫節(jié)

傳統(tǒng)的工科課程教學(xué)按照學(xué)校制定的教學(xué)大綱和教學(xué)計劃開展教學(xué)，教學(xué)大綱一旦通過學(xué)校審核，課堂教學(xué)的內(nèi)容和進(jìn)度必須嚴(yán)格按照教學(xué)大綱執(zhí)行。當(dāng)前科技的發(fā)展日新月異，工程技術(shù)的更新速度更是一日千里，而教學(xué)大綱一般幾年才會重新修訂一次，這就造成了傳統(tǒng)工科教學(xué)內(nèi)容難以跟上現(xiàn)代工程技術(shù)更新的步伐，不能很好地為新工科所需求的新型工程人才培養(yǎng)服務(wù)。

以筆者承擔(dān)的隧道工程課程為例，某版本的《隧道工程》教材多年沒有再版，課本還在介紹十幾年前的老式施工工藝和設(shè)備。而隨著機械化施工技術(shù)的成熟，以盾構(gòu)機和硬巖掘進(jìn)機為施工設(shè)備的大型機械化掘進(jìn)技術(shù)在地鐵和長大山嶺隧道施工中所占的比率越來越高。盾構(gòu)機作為一種高度自動化的大型機械，其施工過程和支護(hù)方式與常規(guī)的鉆爆法截然不同，而且對施工人員綜合能力的要求更高，因此有必要對盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)隧道的施工過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。如果學(xué)生在課堂里沒有學(xué)習(xí)過相關(guān)的專業(yè)知識，當(dāng)走上工作崗位、面對采用盾構(gòu)法施工的隧道時，就需要花費更多的時間和精力去熟悉設(shè)備和相關(guān)工法，從而難以快速融入項目團(tuán)隊。

二、新工科背景下的課堂教學(xué)模式探索

本研究根據(jù)新工科教育理念，結(jié)合筆者在隧道工程課程中的教學(xué)實踐，通過對傳統(tǒng)的工程課堂教學(xué)模式進(jìn)行改革，探尋構(gòu)建“知識探究、能力培養(yǎng)、實踐創(chuàng)新”的以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，以為新工科背景下的新型工科人才培養(yǎng)提供一些有益的思路。

（一）采用互動式教學(xué)提升課堂教學(xué)效果

根據(jù)教學(xué)班級人數(shù)將全班分為6個小組，每個小組8-10人，按照隧道工程課程教學(xué)大綱對知識點的要求，將知識點分配給各個小組。每個小組在課余時間對相應(yīng)的知識點進(jìn)行自學(xué)并展開討論，通過查閱文獻(xiàn)和相關(guān)資料對自學(xué)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，制作一個用于講解該知識點的PPT。在課堂教學(xué)中，各個小組派出一個代表利用本小組制作的PPT向全班同學(xué)和老師講授該知識點，并在講授結(jié)束后提出在自學(xué)過程中遇到的問題。其他學(xué)生可以回答這些問題，也可以根據(jù)聽講情況提出自己的問題。教師在此過程中組織學(xué)生開展討論，并對學(xué)生提出的問題進(jìn)行點評，與此同時也可以根據(jù)學(xué)生的討論情況提出一些具有前瞻性的問題，激發(fā)學(xué)生對學(xué)科前沿問題的探索欲望。教師接著再對學(xué)生講授不夠完善的內(nèi)容進(jìn)行補充，完成預(yù)定的課堂教學(xué)任務(wù)。此外，教師還要將學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)記錄下來，在平時成績的評定中予以體現(xiàn)，并計入期末成績，這樣可以有效激勵學(xué)生積極投入互動式教學(xué)當(dāng)中，從而進(jìn)一步提升課堂教學(xué)效果，實現(xiàn)良性循環(huán)。

互動式教學(xué)方法需要大部分學(xué)生在課前就對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行自學(xué)。在自學(xué)過程中，學(xué)生不但可以樹立勤于思考的意識，還可以鍛煉他們解決問題的能力，這對于新工科人才必須具備的工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是大有裨益的。此外，學(xué)生通過“講授—討論—提問—回答”這樣的教學(xué)模式參與到教學(xué)活動中，有助于活躍課堂教學(xué)氣氛，避免傳統(tǒng)課堂教學(xué)中常見“低頭族”的出現(xiàn)，這對于課堂教學(xué)效果的提升有很大的幫助。在這種教學(xué)模式中，授課教師不能作為旁觀者，而是要成為課堂走向的引導(dǎo)者和課堂討論的組織者。這需要教師非常熟悉相關(guān)教學(xué)內(nèi)容并且在備課過程中通過查閱文獻(xiàn)資料儲備大量的專業(yè)知識，這樣在面對學(xué)生提出的各種問題時才能從容回答，做到游刃有余。另外，學(xué)生在開展討論時容易偏離主題，教師在這個時候要進(jìn)行有效引導(dǎo)，用比較自然的方式把討論內(nèi)容過渡到與授課知識點相關(guān)的主題上，需要教師具備比較好的應(yīng)變能力。總而言之，互動式教學(xué)方法，從表面上看好像只是一種新的教學(xué)形式，實際上它對學(xué)生和教師都有較高的要求。如果沒有理解互動式教學(xué)的核心思想，即使采用了互動式教學(xué)也只是空有“互動式”的外殼而已[5]。

（二）結(jié)合科研成果將最新的工程技術(shù)引入課堂教學(xué)

由于本專業(yè)絕大多數(shù)本科畢業(yè)生都面向施工單位就業(yè)，因此我們將隧道的施工方法作為隧道工程課程教學(xué)大綱中的重點內(nèi)容。目前，我國山嶺隧道施工中采用得最為廣泛的施工方法還是20世紀(jì)60年代由奧地利學(xué)者提出的新奧法。由于該方法適用于從軟巖到硬巖，從完整巖體到破碎巖體的各種類型巖體和地質(zhì)條件的隧道施工，因而在我國隧道施工中占據(jù)了統(tǒng)治性地位。隧道工程教材主要介紹的也是這種施工方法，而對于其他施工方法則較少涉及。但是，隨著巖體力學(xué)理論的發(fā)展和工程技術(shù)人員對巖體力學(xué)認(rèn)識的進(jìn)步，其他國家也提出了適合自己國情的施工方法，并逐漸在一些隧道工程中加以應(yīng)用和推廣。比如挪威的工程技術(shù)人員根據(jù)斯堪的納維亞半島的地質(zhì)條件，提出了適合在硬質(zhì)巖體中開挖隧道的挪威法。挪威法也強調(diào)發(fā)揮圍巖的自我承載能力，但是把支護(hù)看作是輔助手段，采用噴射混凝土和錨桿支護(hù)之后，不再施作二次襯砌。因此，施工成本降低了很多，而且減少了大量施工工序，提高了施工速度，節(jié)約了后期的維修成本。

筆者在對自己所承擔(dān)的深埋隧道圍巖塌方機理研究課題進(jìn)行研究的過程中接觸到挪威法這一新型施工方法?？紤]到我國幅員遼闊，也廣泛分布著硬質(zhì)巖層，筆者在講授隧道施工方法這部分內(nèi)容時，就將教學(xué)大綱中沒有的挪威法加入到講授內(nèi)容中。筆者在教學(xué)中通過對比新奧法和挪威法的不同特點，介紹了在硬巖中采用挪威法開挖隧道的優(yōu)勢，并利用典型的工程案例加深了學(xué)生對挪威法的理解。介紹這些新型的施工方法，可以開闊學(xué)生的視野，為他們解決類似的工程問題提供一些參考。將國內(nèi)外最新的工程技術(shù)引入課堂教學(xué)，不但可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以為培養(yǎng)新工科所需要的復(fù)合型人才奠定基礎(chǔ)。

（三）采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

隧道工程是一門專業(yè)性很強的課程，內(nèi)容涵蓋隧道的規(guī)劃、勘測、設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)幾個方面，許多知識點難以采用傳統(tǒng)教學(xué)方法中的板書予以展示。例如，山嶺隧道二次襯砌施工中采用襯砌臺車對混凝土襯砌進(jìn)行澆筑，襯砌臺車?yán)娩摬募茉O(shè)起與隧道內(nèi)輪廓吻合的鋼制模板，然后在底部軌道鋪設(shè)好的軌道上推進(jìn)，根據(jù)隧道施工進(jìn)尺，完成混凝土的澆筑作業(yè)。這樣的工藝流程，如果在課堂上僅僅采用文字介紹很難把這一過程描述清楚。即使采用PPT演示，二維的圖片也只能展示這個施工過程的一個斷面，難以反映這個三維施工過程的整個流程。因此，筆者在備課過程中考慮采用三維動畫展示這個三維施工過程。筆者在網(wǎng)上搜索到一個山嶺隧道施工的三維動畫，里面演示了利用襯砌臺車澆筑二次襯砌的施工過程，制作比較精致，但是這個視頻還涵蓋了其他施工工藝，不利于學(xué)生集中精力學(xué)習(xí)二次襯砌澆筑這個知識點。此外，視頻只演示了施工過程，沒有對每個施工步驟進(jìn)行解說，學(xué)生在觀看過程中對一些細(xì)節(jié)難以充分理解。因此，筆者采用視頻編輯軟件，將授課所需要的內(nèi)容剪輯出來。在此基礎(chǔ)上對該施工過程進(jìn)行詳細(xì)的講解，并利用軟件將講解音頻與視頻進(jìn)行合成，制作出一段符合授課要求的動畫演示視頻。最后將制作好的視頻插入到PPT中，在講授到二次襯砌施工這一知識點時進(jìn)行播放，學(xué)生通過觀看視頻并聆聽講解，較好地理解了采用襯砌臺車澆筑二次襯砌的整個過程。

上述例子可以看出，采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段對于隧道工程這類與工程實踐結(jié)合得很緊密的課程的課堂教學(xué)有很好的幫助。采用動畫、視頻等手段，不但能夠把一些難以用語言描述清楚的知識點直接演示出來，還可以加深學(xué)生對知識點的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[6]。現(xiàn)代化的教學(xué)手段與新工科背景下的高等工程教育所提倡的教學(xué)模式是一致的，采用這樣的教學(xué)手段有助于提升新工科背景下的課堂教學(xué)效果，促進(jìn)新工科教學(xué)理念在高等工程課堂教學(xué)中的推廣。

三、結(jié)語

筆者結(jié)合本科生隧道工程課程課堂教學(xué)的實踐經(jīng)驗，通過對比傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式與基于新工科教學(xué)理念的課堂教學(xué)模式的差異，探索了采用新工科教學(xué)理念的課堂教學(xué)方法，并提出了具體實施思路。由于“新工科”這一教育理念提出的時間還不長，仍需要在高等工程教育實踐過程中進(jìn)行不斷的探索和完善?；谛鹿た评砟畹慕虒W(xué)模式是目前高等工程教育發(fā)展的趨勢，對于培養(yǎng)土木工程領(lǐng)域需要的創(chuàng)新型人才和復(fù)合型人才有重要意義。

[[ 參 考 文 獻(xiàn) ]]

[1] 周靜，劉全菊，張青.新工科背景下實踐教學(xué)模式的改革與構(gòu)建[J].實驗技術(shù)與管理，2018（3）：165-168+176.

[2] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3] 陳建義.基于“新工科”的“過程流體機械”教學(xué)方法研究[J].教育教學(xué)論壇，2017（48）：154-156.

[4] 韋鈺，石蘊玉，曾國輝.新工科背景下的電氣工程專業(yè)實踐教學(xué)模式探究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017（21）：72-74.

[5] 施成華.隧道課程互動式教學(xué)方法的探索與實踐[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2009（3）：87-88.

[6] 左清軍，談云志，劉藝梁.視頻教學(xué)模式在“隧道工程”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)教育，2014（4）：92-95.

[責(zé)任編輯：龐丹丹]