少學時背景下本科隧道工程知識體系與設計能力的關系探討

于嘯波，王志兵，李善梅，肖桂元

（桂林理工大學 廣西 桂林 541004）

為了提高大學生個性化發展的可能性以及解決實際問題的能力，壓縮了大學課程授課學時，將時間自主權更多地交與學生。為了適應課時壓縮，授課計劃得到了精簡，將知識點劃分為核心與非核心知識點，保留核心知識點，刪去難度過大以及實際工作中運用頻率過低的非核心知識點[1-2]。教學手段在教師說教模式基礎上，出現了學生課前預習―課堂提問―教師解答型的“翻轉課堂”[3-4]，借助雨課堂等數字化平臺實現教學—評價—調整教學的動態教案模式[5-6]，強調課堂互動的分組討論式等教學模式[7]。

形成解決問題的能力既需要完整的知識結構，也需要對問題的準確認識。通常的課堂說教模式更注重幫助學生搭建專業知識結構，但對于定位問題、分解問題、解決問題、方案優化的能力培養有所欠缺。“翻轉課堂”“蘇格拉底式討論”等均是尋求讓學生理清問題解決邏輯的手段；優化傳統說教模式，結合項目驅動式教學及考核，設定更具體的教學目標，也可幫助學生搭建知識—能力關聯[8-9]。本文討論隧道工程的課程知識點與學生設計能力間關系，以及對傳統說教模式改進的嘗試。

1 隧道工程課程知識體系

隧道工程作為專業必修課，與地下建筑結構、基坑工程等課程一起構成了土木工程專業地下工程方向的核心課程。該課程涉及線路設計、洞門設計、襯砌支護設計、通風照明設計、防排水設計等能力目標，綜合運用了工程地質學、巖體力學、土力學、結構力學、混凝土結構設計原理等課程知識。巖體力學側重講解巖石力學性質與測試方法，圍巖分級概念與方法，地應力成因及測試原理，圓形硐室應力重分布計算，新奧法原理等；土力學側重講解土的物理學性質，壓縮性能，剪切性能，擋墻土壓力計算，邊坡穩定分析等內容，課程核心內容與隧道工程的荷載計算、施工原理銜接緊密。但在少學時背景下，大部分課程通常側重介紹課程核心概念以及理論推導，對于與工程的聯系講解較少，尤其是理論與工程實施的關系：比如工程地質學課程側重講解各類地質構造的地形地貌及形成原因，而與工程選址、選線的關系介紹較少；結構力學側重講解桁架、框架、超靜定梁結構的內力計算方法，拱的計算講解較少，而拱結構是隧道襯砌的一種簡化計算方案；混凝土結構計算原理側重于梁、柱、板的內力計算與配筋計算，對于弧形襯砌、管片的配筋計算內容偏少，而且構件上的荷載不同施加方式的區別講解偏少；缺乏以工程管理、規劃內容為主的課程。

隧道工程課程屬于應用型課程，授課既需要對前置課程進行回顧，還需要對前置課程知識的具體運用進行講解。雖然是同一教師講授同一門課，但學生的學習基礎、學習能力、學習內在目標不同，他們的知識結構也是不同的。若過度壓縮前置課程回顧部分，將阻礙學生形成各異性的隧道工程知識結構，進而減緩其設計能力的形成速度。

2 設計能力與專業知識體系的聯系

工程設計能力是建立在知識結構的基礎之上，以價值觀為內在驅動的能力，涉及的知識超過任何一門單獨的課程。以公路隧道工程洞門設計為例，第一步是選擇洞門類型，常見隧道洞門類型包括端墻式、翼墻式、臺階式、環框式、削竹式。最普遍的端墻式洞門適用于開闊地帶，圍巖穩定的隧道；當圍巖等級在IV級以下，或存在路塹邊坡，則可采用翼墻式洞門，翼墻對端墻起到支撐加強作用；臺階式洞門常用于山嶺偏壓隧道，外形與地貌相適應；環框式洞門適用于較少結構面的堅硬圍巖，且排水需求不高的地段；削竹式洞門適用于處于地形開闊，削坡方便的淺埋段。洞門的選擇主要與工程地質條件有關，學生對洞門方案比選較為簡略，或者無方案比選，這反映了設計能力的缺陷：相似的情況還存在于線路方案的比選。選線一直是線性工程的重點、難點，隨著技術進步，適于展線的長隧道更為常見，山嶺地區隧道通常選擇在埡口附近，同時需避讓滑坡、斷層。學生通常則直接使用工程實際線路方案，并未對方案的合理性做出分析、判斷。在洞門內力計算部分，學生通常能正確使用規范中的土壓力計算公式獲得主動土壓力，進行穩定性驗算；在隧道襯砌配筋過程中，學生也能使用荷載結構法或者地層結構法計算內力，運用混凝土結構設計原理的知識，判斷偏心情況，進行配筋設計。

從以上提及的學生設計表現可見，在力學相關專業知識能力（土力學、結構力學、混凝土結構設計理論等）具備了一定的積累，可以完成相應的設計任務。但對于與工程規劃、管理相關知識（地質地貌學、工程概預算、地下工程施工管理等），學生積累不足，表現為隧道選線，洞門選型方案論證不夠嚴謹。學生由于缺乏工作經驗，對設計流程不熟悉，對施工工藝及適用條件不清楚，對不同施工方法、方案的工程造價缺乏估計，導致其知識體系存在短板，工程設計能力偏弱。

對于“實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才”培養，既要考慮學生在本科期間的設計能力，也要考慮未來專業技術能力的成長潛力，這需要學生具備較強的自學能力。土木工程種類繁多，畢業生參加工作不一定從事隧道建設。通過在隧道工程等單一課程中進行少量自學能力鍛煉，完成專業體系教學后，可培養出一定的自學能力，這是終生學習的基礎，可以使學生的知識體系保持可更新狀態。

3 模塊化教學策略

工程設計能力是完整知識體系的表現，如果知識體系中不完整，存在薄弱環節，則工程設計能力會大打折扣。對于隧道工程設計能力，既有的課程體系設置雖然覆蓋了工程設計能力的需求，但在實際授課過程中，由于學時壓縮，不可避免地會刪減部分敘述性強的概括性內容。另外不同課程的授課教師并不了解其他相關課程的內容范圍，存在所有教師共同忽略某一教學內容的可能性。基于此，在隧道工程課程中，采用了如下教學策略：

①少學時背景下的內容全覆蓋。首先少學時與全內容兩者并不矛盾，全內容是以往屆學生課程設計過程中呈現失誤的問題為導向，教師動態調整課程模塊間的比例。其次少學時背景帶來的教學內容模塊化、標準化，其實現需要將能力目標進行分解，為防止遺漏教學內容，對于隧道工程課程要求全部模塊的內容均有涉及，盡可能多覆蓋學科完整知識體系。

②降低力學理論推導比重，強調理論的運用。隧道工程設計中更多的是經驗類比法，現有荷載—襯砌分析模型多為簡化模型，各角度的內力計算推導過程雖然在結構力學等課程中并未講授，但是也不宜在本科隧道工程課程中作細致推導，以鍛煉學生自學能力為目的，作為課外拓展內容較為合適。真實復雜工程中通常采用地層—結構法，該方法通常需要由數值計算求解，其計算理論內容不適宜作為本科教學內容，僅僅需要通過課程設計等環節掌握軟件使用即可。這樣的縮減內容也符合新工科建設的理念。

③教學中對隧道工程設計實例進行解讀。在緒論教學中使用實際工程案例進行講解，從選址論證到分部工程施工，從地質構造入手介紹工程設計、施工參數選擇與取舍，進一步介紹工程造價的組成部分及估計，完整的講解可以讓學生迅速對本專業業務有宏觀的認識，有利于擴充其知識體系。實例解讀重在講述完整的設計、施工環節，以及各環節需要完成的任務。

④隧道工程授課知識點與其他課程知識點之間的聯系。為了使學生建立完整的知識體系，適當的知識點重合是必要的，這體現了模塊化教學設計的優勢。對于隧道工程課程來說，巖體力學中的圍巖分級、地應力重分布、圍巖壓力計算等知識點，土力學中土壓力計算、坡體穩定分析等知識點，工程地質學中地質構造等知識點，結構力學中力法等知識點，地下工程施工課程中盾構機、TBM等知識點，爆破工程課程中光面爆破等知識點，工程概預算中定額等知識點，均在課程中有重復，但是相應的授課時長有所縮減，且以課堂考察、課外推送形式予以回顧。

⑤增加階段測試頻率、數量。采用雨課堂等數字化教學平臺，在重點教學模塊結束后安排針對性習題進行知識鞏固，加快學生知識結構形成。習題的考察點由教學知識點變形轉化得到，以單選題為主。利用雨課堂平臺的統計功能，查看學生學習情況，對錯誤率高的知識點在后續課程中安排鞏固講解。階段測試習題的設計需要以工程設計流程為背景，以多個小問題的形式分解設計，目的在于增加規劃、管理類知識點的復習次數，提高工程整體規劃設計能力。

⑥適當增加學生的課外學習時間，緒論、分部開挖施工方法等部分章節采用翻轉課堂方式教學。采用雨課堂課前視頻、文字推送等手段，讓學生預習課程內容，課堂教學以互動討論與隨堂測試習題解答為主，提高教學效率。推送視頻內容應包含課程教學知識點并有所擴展，而且需具備足夠的吸引力，如動畫制作精良，視頻講解幽默，視頻主題與現實聯系緊密等特點。推動的文字以精煉的課程知識點為主，附帶知識點邏輯關系圖，提高學生的接受程度。

⑦提高學生的自學能力。部分章節可采用例題學習的方式進行，如隧道通風計算，教師僅簡單介紹風量計算公式參數含義，布置課后習題讓學生練習。習題為計算題，列出了計算所需的參數值，讓學生學會使用公式。部分章節可采用任務布置的方式進行，如隧道選線需注意的工程地質條件，讓學生在預習時搜集隧道工程受災照片，在課堂上介紹這些災害的成因及對應的工程地質環境。任務驅動式的學習對于提高學生的自學能力效果更明顯，但在單一課程中不宜過多使用，避免擠占其他知識點的授課時間。

⑧模塊化的課程評價體系，提高學生教學參與度與學習效果。采用雨課堂平臺的統計功能，將以往主觀性強的學生平時分分解為各模塊的達標程度。通過對課堂測試、階段測試的習題進行分類，可以將每個習題歸類到各知識點下，通過習題的正確率可以評價各學生對不同知識點的學習效果。通過不同授課時間發布的習題正確率，可以評價學生的學習積極性，筆者所在教學團隊認為如果隨著授課進展，學生的正確率提高，表明學生的積極性逐漸提高，屬于表現良好。

4 教學實踐效果

從雨課堂學期總結、課堂測試報告、課程設計成績分布等角度對隧道工程模塊化教學效果進行介紹。

雨課堂平時成績分析。授課過程中布置了視頻預習（15%）、討論（20%）、課后作業（40%）、課堂答題（10%）、隨堂測驗（15%）測評手段，學習結束后，各部分分值匯總得到學生平時成績。班級人數為56 人，平時成績平均分為70.2分，最高分95，最低分31，圖1 為成績直方圖。對于完整參與了每一個評價項目的學生而言，及格率為100%，平均分87.5，表明評價項目的難度是適當的。對平時成績不及格學生各評價項目的分析表明，視頻預習（15%）及課后作業（40%）是他們失分最多的項目，大部分沒有觀看過預習視頻，直接丟失15 分，據課堂觀察及課后訪談，他們失分的主要原因在于學習態度不端正。

圖1 隧道工程雨課堂平時成績直方分布

課堂測試結果分析。該測試為隨堂測試，占平時成績的15%，由雨課堂平臺從37 道題目中隨機抽取30 道發送給同學，題目均為選擇題，測試采用開卷方式，答題時間為40 分鐘。從正確率與平均分上看，難度設置適當（圖2，p44）。錯誤率較高的題目為高速公路隧道縱坡率設置，正確率為63%；隧道荷載結構計算方法相關問題，正確率為65%；圍巖等級劃分相關問題，正確率為69%。可清晰反映未來教學重難點。

圖2 隧道工程雨課堂隨堂測試成績分布

課程設計成績分析。設計任務為一淺埋公路隧道的洞門、襯砌、支護手段、通風與照明設計，成績分布見圖3。學生對圍巖等級分類運用較為熟練，能準確使用隧道荷載計算模型，能正確選用支護手段；但是在繪制施工圖時繪圖質量參差不齊，與學生學習態度相關。

圖3 隧道工程課程設計成績分布直方圖

經過一個學期的教學實踐，學生普遍反映教學效果良好。在之后開設的設計實訓中，學生的平均成績相比往屆學生也有了提高。模塊化教學適用于少學時課程中，有助于提高學生的設計能力，有助于教師調整教學重點。

5 結語

隧道工程設計涉及眾多知識點，學生需要具備地下工程方向完整的知識體系，才能擁有與畢業目標相匹配的設計能力。對于本科教學，需要慎重刪減教學內容，尤其對于隧道工程為代表的工程類課程，需要加強管理、規劃類知識模塊教學。少學時背景下采用雨課堂等現代化教學平臺，通過設計特定知識點習題，借助其強大的統計功能，可以實現快速的教學反饋，及時調整各教學模塊的比重分配。