新工科背景下《隧道與地下工程施工》課程教學改革的思考和分析

崔光耀 宋志飛 姚海波

(北方工業大學土木工程學院 北京 100144)

引 言

《隧道與地下工程施工》是北方工業大學城市地下空間工程的專業必修課。本課程全面介紹隧道與地下工程施工技術和施工組織管理的系統知識；圍繞隧道與地下工程的建設，著重介紹了目前廣泛使用的隧道與地下工程施工方法和技術。此外，本課程還介紹了近年來越來越被重視的工程科學管理技術。本課程的任務是使學生系統地掌握隧道與地下工程一般的設計、施工工藝和施工管理方法；學會編制隧道與地下工程施工設計和施工組織設計；并初步具備隧道與地下工程施工技術指導和組織管理才能。

此課程在傳統的教學中還存在一些問題。比如，教師僅針對施工技術進行課堂講授，理論知識比較抽象，實踐性與針對性均不強，使學生學習興趣不高[1-5]。針對這一現象，為改變傳統的教學方式、加強理論與實踐的聯系、調動學生的主觀能動性、提高教學質量和效率，本文對目前《隧道與地下工程施工》教學中存在的問題進行思考和分析，并采用多種現代化教學方法和教學手段，充分激發學生的學習興趣，提高他們學習的主動性和積極性，使學生更加貼近工程實際，培養和鍛煉學生的實戰能力。這就使得學生更加適應社會的需求和科研的發展，提升了課堂的教學效果。

一、目前《隧道與地下工程施工》課程在教學中存在的問題

(一)傳統課堂教學的限制

傳統課堂教學大多采用教師講授與多媒體技術相結合的教學方法進行課堂教學，是“以教為主”的教學方法。其缺點是：調動學生學習積極性難度大；理論講解比較抽象，學生理解掌握難度較大；學生對施工過程、施工機械及施工材料缺乏感性認識；培養學生理論知識應用于工程實際的能力較為困難等。

(二)深入在建工程現場困難

由于地下工程的特殊性，工作面狹小、施工環境惡劣、施工安全性較地面結構差。因此，教師組織學生深入到所建工程現場進行認識實習和生產實習難度較大；學生感性認識的形成比較困難。這對于學生理論知識的理解和掌握造成了一定的困難。

二、《隧道與地下工程施工》教學改革的思考和分析

(一)充分調動學生的學習積極性

學習積極性是直接推動人們進行學習的內部動力，是激發學習、維持學習并將學習導向某一目標的原動力。能否充分調動學生學習的積極性和主動性，這對教學效果有著重要影響。學生在課程學習前，往往對課程的主要內容、發展前景與工作就業的關系等不甚了解。教師如果一開始就進入各章節知識的學習，容易使學生的學習產生盲目性。而高年級大部分學生，他們將精力和關注點放在工作和考研上，往往忽略了專業課的學習。

因此，在講授課程正式內容之前，教師應當全面介紹隧道與地下工程的歷史、發展歷程及發展情景，以及學習本課程對學生今后的工作和學習有什么作用和意義，使學生逐步認識到本課程對其將來的工作和學習所起到的重要作用，從而提高學生的學習熱情。

(二)優選教學內容，使教學內容與實際工程發展同步

一本好的教材可以使課堂教學達到事半功倍的效果。我們本次選用西南交通大學楊其新、王明年編寫的《地下工程施工與管理(第3版)》作為課程教材，本書是目前介紹地下工程施工較為全面的教材。在實際教學中，我們參考西南交通大學關寶樹編寫的《地下工程》、北京交通大學賀少輝編寫的《地下工程》、西南交通大學關寶樹編寫的《隧道工程施工要點集》等教材。這些教材主要講授明挖法施工、礦山法施工、盾構法施工、掘進機(TBM)施工技術、頂管法施工、隧道與地下工程防排水施工、隧道與地下工程施工組織、隧道與地下工程施工管理以及監控量測技術等內容。

在課程教學中，我們的教學結合目前我國及世界地下工程新技術的發展，引入新意法施工技術、地鐵車站橋隧共建技術、螺旋隧道修建技術、膨脹性圍巖隧道修建技術、海底隧道修建技術等等，再根據教學大綱及本科教學要求，結合本課程48學時及兩周課程設計的實際情況，科學地安排教學內容。同時，我們還在課程教學中穿插介紹目前國內外隧道與地下工程施工技術的新進展和重大工程實例，使學生能夠跟上學科發展的步伐。這對培養學生的科研能力和適應工程現場的能力，都具有重要的意義。

(三)采用多種現代化教學方法和教學手段

1.完善教學方法、加強實驗教學

實驗教學對于促進學生理論理解、鍛煉動手能力以及提高教學效果都具有重要的意義。地下工程施工是一門實踐科學，實驗在本課程教學中起著至關重要的作用。目前，北方工業大學已建成城市地下空間工程專業實驗室，擁有盾構施工模擬實驗機、隧道及地鐵車站施工模型、三軸液壓伺服實驗機、二維相似模擬試驗臺等實驗儀器。我們通過實驗課的講授和現場演示，讓學生直觀地了解和掌握鉆爆法隧道、盾構法隧道及地鐵車站的施工過程，掌握隧道與地下工程施工的力學原理。

在一般寬口徑實驗教學基礎上，學校重視工程現場的認識教學，強化了地下工程施工特色實驗實、工程現場實驗室。這些實驗室為培養理論基礎扎實、動手能力強的工程技術人才提供了良好的實驗教學環境。

2.引入FLAC3D數值模擬技術，提高理論與實踐相結合的教學水平

FLAC3D是一套功能強大的工程模擬的有限差分軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。FLAC3D可進行多種材質的三維結構分析，并具有大變形分析模式。由于其計算分析不需要剛度矩陣，故僅需較小內存即可求解較復雜的三維結構分析問題。

圖1 三臺階法施工過程模擬

基于當今社會對工程技術人員實際工作能力的要求，以及FLAC3D計算軟件的可靠性和應用廣泛性，我們擬將其引入《隧道與地下工程施工》的課堂教學中。針對隧道與地下工程施工的特點，我們主要利用其進行基坑開挖與支護、單洞三臺階法開挖(圖1)以及雙連拱隧道開挖施工三個方面的教學實踐。這樣能夠使學生在理解掌握理論知識的基礎上，提高學生理論應用于工程實際的能力；同時也有利于大學人才培養體系的優化建設。

(四)觀看典型工程施工過程錄象

由于隧道與地下工程本身的特殊性，教師組織學生在工程施工現場參加實習的難度較大。僅靠教師講解及圖片介紹，學生也很難了解工程施工過程和關鍵施工工藝。因此，采取觀看國內外典型隧道與地下工程施工錄象資料是一種好的解決方法。它有利于輔助教師課堂教學，也有利于學生理解和掌握所學到的理論知識、施工工藝流程及關鍵技術。

錄象資料主要有：日本青涵海底隧道關鍵施工工藝、大瑤山隧道新奧法施工工藝、秦嶺終南山隧道TBM施工工藝、北京草橋換乘站施工技術、成都天府廣場地下綜合體施工關鍵技術等。

三、結束語

《隧道與地下工程施工》是城市地下空間工程專業教學中的一個重要組成部分，是本科教學分層分流的一個重要方向。如何提高教學效果、提高學生的學習積極性、培養學生分析問題和解決問題的能力，是目前擺在我們面前的一個難題。本文首先分析了目前《隧道與地下工程施工》課程教學中存在的問題，并針對《隧道與地下工程施工》課程的特點，對《隧道與地下工程施工》課程教學改革進行了思考和分析。這對培養學生理論聯系實際的能力、提高學生的科研素養以及優化城市地下空間工程課程體系建設都有著重要的意義。