地下空間工程新工科專業升級與實踐教學探索

李濤 劉波 陳慧嫻 常雅儒

摘? 要：地下空間工程專業是根據我國城市發展的趨勢和當前城市地下工程人才匱乏的實際情況設立的新工科專業。基于人工智能與機器人技術，發揮原有礦山建設學科優勢，面向城市地下工程領域的多學科交叉復合需要的專業升級改造勢在必行。實踐教學環節是培養優秀工科本科生的重要組成部分。結合新工科建設對卓越工程技術人才素質的要求，提出地下空間工程新工科專業升級改造思路和舉措，并針對實踐教學環節提出具體改革措施。

關鍵詞：地下空間工程;新工科;實踐教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）09-0092-04

Abstract： Basing on the development trend of Chinese city and the lack of underground engineering talents， underground space engineering major is established. The major reforming is so imperative， which is based on the artificial intelligence and robotics， giving play to the advantage of original subject， and considering the requirement of interdisciplinarity. Practice teaching is very important when training engineering undergraduates. Ideas of major reforming is given， on account of? the request of quality of engineering talents during emerging engineering education construction， and measures about practice teaching are proposed.

Keywords： underground space engineering; emerging engineering; practice teaching

新一輪科技革命和產業變革下，工程科技進步和創新成為世界各國關注的重點，而人才培養更是其中的重中之重[1]。基于此，教育部召開了新工科建設研討會，指明了新工科建設發展方向。大專院校與科研院所作為培養科技創新人才的主體，探索多樣化和個性化的人才培養模式，培養具有創新創業能力、與新經濟發展相適應的復合型工程技術人才便是大家面臨的一個重要課題[1-4]。中國礦業大學（北京）地下空間工程專業，脫胎于學校原有的礦山建設工程國家重點學科，隨著1998年我國高等教育專業改革需要，礦山建設工程專業合并到了土木工程專業。面對人工智能與機器人技術等新興技術，需要抓住專業改造升級機遇，發揮原有土木工程、礦山建設工程等學科優勢，實現城市地下空間工程的再次升級。實踐教學環節是地下空間工程專業建設的主要組成部分，如何進行改革以適應國家與社會對科技創新人才的要求，這是本文研究探討的主旨所在。

一、地下空間工程新工科建設對工程人才素質的要求

面對新一輪的產業變革，國家和社會期待學科進步對社會經濟發展承擔更大使命，成為國家新經濟建設的重要支撐。從這個意義上講，人才培養是發展壯大新經濟的首要資源，同時也是新工科建設和發展的主要著力點[2，4]。因此，高等院校應積極探索培養適應未來科技變化的卓越工程技術人才的新模式、新體系。

地下空間工程新工科工程技術人才應具有家國情懷和高尚品德。培養的學生應不僅是卓越的工程技術人才，還具有家國意識、法治意識、社會責任意識;地下空間工程新工科工程技術人才應具有扎實的專業技術和寬廣的知識體系。國家推行“一帶一路”倡議、“中國制造2025”、互聯網和智能制造等以實現經濟快速發展，推動產業轉型升級，促使各種不同工科技術的深度融合、學科知識的交叉、滲透、拓展[3-5]。地下空間工程專業建設發展中既需要培養滿足產業轉型升級需求的人才，也更要根據科技未來發展方向，提前謀劃適合未來發展需要的新的課程體系;地下空間工程新工科工程技術人才應具有創新精神和創業能力。二者相輔相成，在技術上敢于突破原來理念，運用新的思維方式和一定的技術手段，實現突破，方能在未來世界創新體系中占據戰略制高點;地下空間工程新工科工程技術人才應具有國際視野和社會能力。科技的競爭是世界性的，國家推進“一帶一路”基礎建設、高鐵建設、核電建設等項目都要求企業走出去進行國際合作。另一方面，由于工程項目的特殊性，需要一次完成并取得成功，沒有彌補錯誤的機會，為確保項目的順利完成，需要不同行業人員協商合作，這就要求工程技術人才具有有效溝通、團隊協作等社會能力[6]。

二、地下空間工程專業升級改造思路和舉措

在國家實施創新驅動發展、“一帶一路”倡議、“互聯網+”等背景下，研究分析城市地下空間工程的發展需求，設置基于人工智能與機器人技術的城市地下空間工程專業的課程體系，通過師資隊伍建設、建設工程培養平臺、搭建校外實踐平臺、完善人才培養質量保障體系等方式，促進專業改造升級，培養造就一批具有創新創業能力、跨界整合能力、高素質的各類交叉復合型卓越工程科技人才。

（一）研究契合國家和產業在未來城市地下空間工程的需求

目前，國際上已提出把“二十一世紀作為人類開發利用地下空間的年代”。中國也開始重視地下空間利用的立法工作，各地區已開始進行地下空間的開發規劃。隨著海綿城市、地下綜合管廊、地下鐵路、地下停車場、地下倉庫等項目的大規模開展與實施，人工智能與機器人技術的運用便成為可能。結合目前人工智能與機器人技術在結構監測、工程安全分析、信息化施工等方面的應用現狀，調研分析人工智能與機器人對城市地下空間工程轉型升級的作用，為探索基于人工智能與機器人技術進行專業改造升級的培養方案和課程體系提供依據。

（二）轉變教學理念，構建以學生為主體的教學模式

師生互動，改革教學方法和考核方式，引導學生主動學習、主動實踐，鼓勵學生問道、尋道、悟道，啟發學生求是、求真、求業;煥發學生更大的自主學習激情與內生動力，讓學生更好地成為自己，各個培養環節的設置均以學生為基本出發點，考慮學生能力提升需求，從而培養人工智能與機器人背景知識體系下的創新創業人才。

（三）推進信息技術與教育教學深度融合

通過融通線下與線上兩個空間，對原有專業培養模式改造升級，形成新課程體系與原有知識體系的融合，實現“以教為主”向“以學為主”轉變、“以課堂為主”向“課內外結合”轉變及“以結果評價為主”向“結果過程結合”轉變，在傳統知識框架上，建構包含人工智能與機器人等新技術的知識結構。探索建立與學分制相適應的課程設置、質量監控、考核評價等教學管理制度，加強教學方法和教學手段的改革，將精心組織的教學資源、教學過程以在線課程的形式呈現出來。根據課程要求，學生掌握學習的主動權，自主選擇在線學習的時間和地點，控制學習內容與進度，建立學生跨專業跨學校進行學分認定與轉換的機制。探索“高足弟子傳授”的教學方式，依托本科生全程導師制，突出教師主導的同時實現學生個性化學習需要，為創新教育提供必要的知識儲備。

（四）完善地下空間工程專業人才培養質量保障體系

由質量標準體系、組織機構、保障主體和運行機制四個方面構成一個有機整體。研究人工智能與機器人背景下，地下空間工程面向未來和引領產業的發展目標，提出具有多維度、多元化、包容性和開放性的培養質量標準，并以產業當前需求和未來發展為導向，建立外部企業評價、行業評價驅動的質量持續改進機制。

三、地下空間工程新工科實踐教學改革探索與思考

新工科建設對卓越工程人才提出了新要求，也為新工科教育模式、教學體系的改革指明了方向。實踐教學環節作為新工科教育改革的重要組成部分，其改革的內容和實施方式對人才培養質量提升有著顯著影響。結合中國礦業大學（北京）在新工科建設背景下針對實踐教學所采取的具體措施，探討實踐教學改革的內容和實現途徑。

（一）改革完善課程體系與實踐教學內容

目前我國工程教育發展建設中，存在的最大問題是課程體系與實踐教學體系結合不夠[7]，存在脫節情況，使得學生實踐能力不強，創新意愿不足。新工科建設的核心層次是重構本科課程計劃[8]。制定地下空間工程專業人才培養方案時，以通識教育、專業基礎、實踐教學、創新訓練共同形成新工科工程教育的基本框架，以此構建相應的課程體系。課程體系改革中，加強了實踐教學環節的內容，對實踐性較強的課程，均安排了專用實踐周。近年來，學校在改善實驗教學條件的同時，不斷整合更新實驗項目，增強綜合性，設計性和創新性實驗并逐步提高比例。地下空間工程專業培養方案中實踐教學增加至43周次，其形式包含實習、社會實踐、課程設計、國際交流、研究報告、專業課程實驗等，并開設城市地下空間工程綜合實驗，開拓實踐教學廣度和深度，突出在扎實學科專業知識的基礎上，注重培養學生的領導力、團結協作意識和溝通能力。在社會實踐、專業調研過程中，以社會主義核心價值觀為引領，融入學習黨的新思想新理念，使學科專業培養方案與國家重大戰略相結合，培育學生家國情懷。

（二）擴大跨學科專業合作

目前基于專業課程目錄形成的教學內容使得學生知識范圍較窄，不能適應未來行業的發展需要，也與我國經濟轉型和產業升級不相匹配[3，8]。因此，地下空間工程專業實踐教學改革需進行跨學科專業的合作，擴大學生知識領域，以滿足國家對未來卓越科學技術人才的要求。學校以實踐教學環節為依托，基于國家一流學科礦業工程、安全科學與工程兩專業，與地下空間工程、地質工程、工程力學、土木工程、機械工程等相關專業通力合作，打破不同學科之間的界限，形成多學科交叉融合的合作模式。學校制定了促進跨學院跨專業的合作政策，建立了相應的評價體系。1. 學校積極鼓勵不同學院老師共同申報學科競賽課題，鼓勵跨學院學生共同組隊參賽，在學科競賽籌備過程中，參賽學生可充分利用本學科知識，多專業融合，團結協作，在“跨界合作”中，最大程度實現知識的交叉運用;2. 以學生興趣為出發點，支持學生跨專業甚至跨學院選擇創新訓練課題，培養學生進行科學研究的能力，激發學生求知欲和探索精神;3. 鼓勵專業任課老師開設面向全校各專業學生的通識教育選修課和專業選修課，對理工科學生的通識教育選修課從社會科學類、人文藝術類等學科進行學分要求，使學生拓寬知識視野，全面了解各專業的學科發展前沿以及主要的科技水平;4. 進行跨學科實踐教學的課程建設和教學改革立項，提供經費支持，促進跨學科專業合作。

（三）推進校企合作廣度和深度

目前我國企業還未能真正參與到工程人才培養中[3]，而高校的科研成果也未能真正在產業界得到很好的應用，形成從科研成果到企業產品，再到推廣應用，反過來，從應用過程中發現問題，再進行改造和創新的良性循環。這制約了我國科技水平的發展。因此，為適應新經濟發展對科技水平的要求，提升新技術的轉化能力，進行專業建設與產業發展對接尤為重要[9]。為進一步推進校企合作的廣度和深度，提升學生實踐創新能力與社會能力，學校邀請專業相關知名企業專家參與培養方案制定、課程建設、實習實訓基地建設、教師掛職、生產實習指導等，學校也將相關研究成果應用到企業實際工程中去，提高生產力，降低工程造價，從而提高企業的行業競爭力。例如我校力學與建筑工程學院邀請中建一局發展有限公司、北京城建集團、北京住總集團等行業知名企業專家共同制定地下空間工程專業培養方案;聯合北京住總集團、北京市教委共建北京市校外人才培養基地;在神華集團、潞安集團、晉煤集團等企業進行教師掛職，學校培養企業員工的合作等實踐教學的深度交流。學校通過與行業內的優秀企業或科研院所進行合作，掌握了行業發展狀況和未來發展需求，保證教學內容的前沿性。我校現有的實訓基地如表1所示。

表1 校外實訓基地

（四）加強國際合作交流深度

新工科背景下專業工程人才需具有國際視野和全球勝任力，這是由經濟全球化與我國高等教育強國戰略所決定[4]。學校已與英國、美國、加拿大、澳大利亞、德國、法國、韓國等國家和地區的45所大學建立了合作關系，具體合作交流項目如表2所示。以“畢業設計交流項目”為例，我校選派若干名大三本科生于大四學年春季學期1月至5月赴合作院校進行交流，在外方導師指導下完成本科畢業設計及論文后回我校進行答辯，交流期間學費全免，成績排名專業前30%者還有機會獲得國家留學基金委資助生活費和往返機票。我校部分課程實行全英（或雙語）教學和考核，注重學生對專業外語的學習，為日后參與國際學術交流打好語言基礎。此外，聘請國外合作大學的教授及國際上享有聲譽的行業專家來我校進行部分課程講授及公開講座，幫助學生了解本專業國際前沿課題和發展前景，一定程度上拓寬學生的國際視野。學校國際化協同育人初見成效，通過各種形式的國際交流合作，學生初具國際視野，思維也更加開闊。

（五）大力支持創新創業教育

創新創業能力是新工科專業人才需具備的至關重要的能力[4]。結合國家、北京市與學校各級別的創新創業訓練項目，有針對性地將訓練內容融入到實踐教學體系中。創新創業訓練項目的內容需結合當前工程實際問題進行設計，學校提供經費支持，在提高學生綜合運用知識、技能和自主設計的能力，加深對本專業知識內容認知程度的基礎上，培養學生的創新開拓精神。另外，利用學校的國家級、省部級重點實驗室平臺，以及創新實踐基地平臺，對學生參加創新性實驗與自主實驗進行大力支持。創業教育方面，鼓勵有創業志向和創業潛力的本科生，將創業項目落地實施，學校提供一定的經費支持，幫助他們通過充分利用所學知識儲備，發揚探索和冒險精神，在機遇與挑戰中鍛煉和提升多方面能力，走向新的人生高度。此外，學校也組織和參與國家及北京市各級別的學科競賽，例如建筑設計大賽、測量大賽等，調動學生積極參與，建立評價激勵機制，將課程知識融入學科競賽中，從而進一步提高學生創新精神與創業能力。

參考文獻：

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