新工科背景下地下工程人才培養模式探索與實踐

焦玉勇，李雪平，譚 飛，王 焱，左昌群

（中國地質大學（武漢），武漢 430074）

隨著長江經濟帶、京津冀協調發展、粵港澳大灣區和川藏鐵路等一系列國家發展戰略規劃的啟動與實施，我國地下工程建設進入了一個高速發展期[1]。鐵路、公路和地鐵作為我國隧道及地下工程應用的3 大主要領域，截至2020 年底，累計運營里程分別達到19 630、21 999.3 和6 280.8 km；水工隧道、綜合管廊和地下洞庫等方面也都完成了大批工程建設并投入運營，除了數量的顯著提升，質量方面也取得了驕人的成就[2]。經過多年的高速發展，我國在隧道和城市地下工程的開發技術和裝備領域取得了巨大的成就，積累了非常豐富的工程經驗，工程建造信息模型、數字化協同設計和機器人施工等技術得到了廣泛的應用。與此同時，隨著隧道和地下工程開發不斷朝著“深、大、長”方向發展，地質環境亦趨于復雜，高地應力、高地溫、高瓦斯和高水壓等引起的突發性工程災害和重大惡性事故頻發，也給現有的勘察、設計、施工、裝備及安全運維等方面帶來了巨大的技術挑戰[3]：勘察方面，如線路穿越地質構造背景復雜地區，面臨地形復雜、地震烈度高等不利因素帶來的挑戰；設計方面，如復雜地質條件下特深綜合設施對結構設計帶來的挑戰[4]；施工方面，如超大直徑復合式盾構施工技術在復合地層中的應用面臨的挑戰[5]；裝備方面，如面對山嶺隧道復雜地質條件下、海底隧道施工環境這些極端環境下對盾構施工設備適應性的挑戰；安全運維方面，如大城市里的軌道交通、地下道路面臨的多災害耦合、空間形態復雜、檢測時間受限、運行狀態多變帶來的挑戰等。圍繞地下空間資源的可持續開發，突破單一學科研究的局限，開展多學科協作與協同創新，深入、廣泛地探索地下空間開發利用的內在規律及科學合理的方法和技術，是迎接行業挑戰的應對措施[6]。高速發展的行業對地下工程從業人員的能力提出了更高的要求。

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略。2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設[7]。新工科是高等工程教育為應對全球形勢、國內工程教育發展形勢和服務國家戰略而做出的符合中國特色的高等工程教育改革方案[8]。

中國地質大學（武漢）（以下簡稱“我校”）土木工程專業地下建筑工程方向起源于勘探掘進工程專業。勘探掘進工程專業自1960 年開始招生，1993 年更名為地下建筑工程專業，1998 年專業調整后改名為土木工程專業地下建筑工程方向。城市地下空間工程專業屬于土木類特設專業，是關于城市地下空間開發、利用的工程專業，涉及到城市共同溝、地下通道、地下車庫、地下商場、地下鐵道、地下儲存庫、地下污水處理廠、地下垃圾站房和地下變電站等方面。我校于2017 年在地下建筑工程方向多年辦學的基礎上申報土木類特設專業“城市地下空間工程專業”并獲批，并于2018 年正式招收第一個班級的本科學生。目前我校地下建筑工程方向每年招收2 個本科班級，城市地下空間工程方向招收1 個本科班級，專業教學任務由工程學院地下空間工程系承擔。土木工程專業地下建筑方向和城市地下空間工程專業以下統稱：地下工程專業。

新工科背景下，如何培養地下工程專業人才，能夠適應行業高速發展的需求一直是我們努力探索的目標。

一 新工科背景下對地下工程人才能力的要求

相較于傳統的工科，新工科更加倡導與產業互通互融，與學科交叉相融，與創業互建體系，更加注重學生的家國情懷和全球視野[9]。美國國家工程學會指出，未來的工科畢業生在立足具體知識和專業學科的基礎上，應具備較強的發現問題、分析問題、解決問題等能力。

新工科就土木類專業而言，是以產業需求為導向，以培養跨學科、綜合全面、創新能力強、面向未來能夠適應并引領產業不斷發展的新人才為目標的培養觀念。更加注重培養學生的工程實踐能力、跨學科能力、創新能力、智能化應用能力和工程倫理能力[10-11]既是新工科背景下對人才培養的要求，又是應對地下工程行業發展趨勢的主要措施。新工科背景下對地下工程人才能力要求的達成目標[12-15]見表1。

表1 新工科背景下對地下工程人才能力培養要求的達成目標

二 新工科背景下地下工程專業人才培養模式探索與實踐

為了實現新工科背景下對地下工程人才能力要求的達成目標，結合多年辦學經驗，從課程體系設計、教學建設、實驗平臺建設、協同創新、協同育人模式建設、本科生導師制度建設、教學方法改革和學生評價方式改革開展了多維度的研究，對地下工程專業人才培養模式進行了深入探索和實踐。

（一）課程體系設計

圍繞專業培養目標，構建了具有特色的、以培養學生綜合能力為核心目標的課程體系。

1 圍繞“學科交叉融合”，突出“地質”特色，培養解決復雜地下工程問題的綜合能力

在新版培養方案中：學科基礎課18.5 學分，含普通地質學2.5 學分；專業主干課28.5 學分，含水文地質學2 學分，工程地質學2 學分，構造地質學2 學分；實踐環節33.5 學分，含北戴河地質認識實習2 學分；選修課32.5 學分，含工程物探1.5 學分。

地質類課程的開設，與地下工程選址、勘察、設計和施工環節相呼應，為學生在工作中具備厚實的地質背景打下基礎。特別是水文地質學和工程物探課程內容，在學科基礎知識背景上，強調城市建設中的水文地質問題和城市地下探測的物探解決方法，著重培養學生解決城市地下工程設計和施工中解決復雜問題的綜合能力。

2 開設多種類型的課程，培養學生綜合素質

針對新工科對土木工程人才能力的需求，開設了工程導論大類平臺課，加強工程啟蒙教育，激發專業興趣。在新版培養方案修訂中，增設生態學概論通識選修課，課程以認識人類與環境的關系及與人類生存息息相關的生態學問題為主線，使學生能夠在較短的時間里，建立生態環境保護與社會可持續發展理念[16]。增設工程倫理專業選修課，結合專業進行倫理道德教育，提高學生工程倫理素質，傳遞“實現科學發展觀、實現社會可持續發展”的國策。增設綠色建筑概論專業選修課，傳遞建筑工程的“節能、降耗、綠色、健康”理念。

（二）教學建設

1 課程教學組建設

組建地下工程核心課程教學組：組建了地下建筑結構、地下工程施工和城市地下空間規劃及利用、鑿巖爆破、盾構與非開挖技術和城市地下管網工程6 門課程的教學組。每門課程由4～5 位老師組成，指定1 名課程教學組組長。課程教學組負責課程建設和與課程相關的實習、實踐和實驗室建設，如集體備課、教學研究項目申報和課程資源建設等工作。

2 實驗教學建設

實驗教學是地下工程專業人才培養的重要組成部分，通過科學方法和實驗技能的訓練，可培養學生理論聯系實際、綜合利用所學知識進行實踐和創新的能力。通過《中國地質大學（武漢）教學實驗室建設管理辦法》和《中國地質大學（武漢）教學實驗室開放管理辦法》對實驗教學進行規范管理。按照培養計劃所規定的實驗教學時數，在理論課程基礎上，制定實驗課程教學大綱及設計具體實驗項目與內容。在實驗教學過程中，注重對學生實踐動手能力與創新能力的培養。每個教學年度均設立有專門針對本科生的“教學實驗室開放基金”，給予充足經費支持，鼓勵學生通過教學科研實驗室平臺，在教師指導下開展相關學術科研活動，激發學生的學習興趣，提高學生的科研實踐能力。

3 虛擬仿真教學實驗建設

新奧法隧道開挖過程中施工擾動多、爆破工程風險極大、地質條件復雜，且費用高、周期長、學生參與度非常有限，特別是隧道開挖與支護施工幾乎不可能在實驗室內進行現場教學，尤其是光面爆破開挖施工，由于必須具有專業爆破資格證才能上崗施工操作，普通學生根本不可能接觸到此施工環節，這極大增加了學生的學習難度。課程教學組借助虛擬現實仿真技術，研發了新奧法隧道施工工法虛擬仿真實驗課程。通過多因素虛擬仿真，學生掌握不同地質條件下新奧法隧道建造中超前地質預報與圍巖分級、光面爆破、初期支護與二次襯砌以及監控量測等關鍵環節的設計與施工過程，并通過可視化軟件直觀地呈現。

基于GB6722—2014《爆破安全規程》，課程教學組研發了“新奧法隧道掘進爆破設計信息系統”。系統包括數據管理、爆破設計、爆破效果評價和設計成果輸出四個功能模塊，涵蓋了從巖石數據管理、炸藥數據庫管理、爆破實例數據庫管理、爆破質量檢驗數據管理到爆破參數設計、布孔設計和相關專題圖成果輸出的自動化功能，為地下工程施工和鑿巖爆破的課程設計及畢業設計提供了可視化、交互性良好的設計工具。

（三）實踐教學平臺建設

實踐教學平臺是實踐育人的保障，是實踐育人模式改革的基礎，也是人才培養方案順利實施的前提。本專業大一暑假進入我校北戴河實習基地進行地質認識實習。經過多年建設，開設了8 條成熟的教學路線，實習內容包括：風化地質作用、河流地質作用、海洋地質作用、巖溶地質作用；火成巖、變質巖、沉積巖三大類巖石認識等。通過實習，要求學生掌握基本地質現象的觀察描述；掌握野外地質工作的基本技能；培養正確的地質思維和時空觀，樹立正確的科學發展觀和人生觀。本專業大二暑假在武漢進行專業認識實習。經過建設，目前開設了5 條常規教學路線，內容涵蓋地下空間規劃、地鐵車站設計與施工、地下管廊施工、盾構法施工和基坑工程等。通過實習，讓學生對專業有感性認識，加深對專業的了解，為以后專業知識的學習奠定基礎。

（四）本科生導師制度建設

為充分發揮教師在立德樹人中的主導作用，建立新型的師生關系，實現因材施教和個性化培養，自2019 年起，中國地質大學（武漢）工程學院建立本科生導師制，推行至2019 級之后全院所有專業本科生。導師職責包括為學生提供專業上的導向性和指導性服務；幫助學生準確理解學校的專業人才培養方案，制定學習和能力培養計劃及將來的職業生涯規劃；指導學生開展社會實踐和科研活動，有意識地培養學生的科研興趣、科研能力和創新創業能力。

（五）協同創新、協同育人模式建設

與武漢地鐵集團、武漢市勘測設計研究院、鐵四院、中南工程咨詢設計集團、中交二院、中建三局和中鐵五局等30 余家單位共建技術研發中心、本科生和研究生實踐基地，開展科研項目聯合攻關，建立了產教融合的實踐創新平臺。聘請一線技術人員為企業教師，通過學術講座、指導畢業設計等形式，傳播地下工程技術和方法最新進展。建立了生產實習環節企業導師溝通渠道，制定了相關細則，落實了“高校—企業雙師制指導模式”。

（六）教學方法改革

00后的學生，他們和網絡共同成長，電子產品已經成為生活的必需品。如何利用電子產品、信息和網絡成為課堂教學改革的重要課題。課程教學組樹立“以學生為中心”的教學理念，對原來的教學方法進行改革，提升教學效果。在地下建筑工程施工和城市地下管網工程課程設計中，采用把實際工程問題作為課程設計題目，讓學生以分組合作的形式完成設計。地下建筑工程施工、城市地下空間規劃及設計和盾構與非開挖技術多門核心課程采用線上線下混合教學模式，基于多媒體PPT、MOOC+SPOC 的在線教學平臺、各大工程建設單位自制的工程設計和施工普及視頻等教學手段，采用講授、討論、任務驅動和自主學習等教學方法[17]培養學生自設目標、提出問題、分析問題和解決問題的能力。

（七）學生評價方式改革

構建以能力為導向的學生評價系統。

1 課程考核方式的改進

推動課程考核方式改革，改變以前的學生會背書、掌握知識而不能掌握解決問題的能力測試的考試導向[18]。有利于學生充分發表自己的見解、展現自己的能力、發揮自己水平的考試形式的比重逐步增加。在試卷內容上，解決問題的綜合性考題占的比重逐步提高。如工程地質學課程卷面中包含20%的歷年注冊巖土工程師基礎考試部分試題，該類試題是對學生綜合分析問題能力的考核。盡管這部分內容相對難度較高，但每年仍有10%～15%的學生脫穎而出，正確率達80%以上。在課程的總成績計算上，減少考試成績權重，增大平時成績權重。

2 畢業論文（設計）綜合改革

推行依托實際工程，“一人一題”的原則。強調理論與實際結合、建筑與結構結合、設計與施工結合等理念。選題上強調“真題真做”，學生參與導師的科研或生產項目中，論文或設計要求解決實際科學問題或工程技術問題。近年來，畢業論文（設計）以導師科研項目為選題的達到30%以上。

三 實施效果及改進措施

（一）實施效果

近兩年，本專業學生在國內外各種創新創業大賽中獲各種獎項8 項，包括國際巖石力學與工程數值模擬大賽（INCR2021）、中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國大學生結構設計競賽、“地質+”全國大學生創新創業大賽和武漢大學生智能制造創新創業大賽等。申報獲批各類創新創業項目10 項。

地下建筑工程方向每年畢業人數約70 人，畢業論文質量高，獲得校優秀畢業論文比例達到20%，獲得湖北省優秀畢業論文比例達到5%；一次性就業率90%以上。畢業生中升學比例呈逐年遞增趨勢，2018—2020 年間升學比例分別為36.9%、31.3%和46.7%。

畢業生以專業基礎過硬、地質背景深厚、動手能力強和解決問題綜合能力突出獲得用人單位好評，在地下建筑設計和施工、工程爆破和工程管理等方面涌現了一大批杰出校友。

（二）改進措施

目前高校年輕教師普遍缺少工程實踐經驗，我校地下工程專業老師離“雙師型”教師還有一段距離。針對這一問題，采取年輕教師進企業、承擔橫向研究課題等措施逐步改進。為了將行業發展最新成果及時傳遞，老師每年都會更新教學方案，學校4 年一輪的本科生培養方案修訂滿足不了教學需求。為了保證整個課程體系的高效性、系統性和完整性，從2020 年起，實行專業課備課溝通制度。即每學期期末舉行教學研討會，就行業最新進展、每門專業課程教學內容專門進行研討，為下學期課程的備課做準備。

四 結束語

人才培養是一個需要緊跟時代，潛心研究、不斷探索、不斷實踐的過程，需要從培養方案、課程體系設計、教學方案設計、講課內容和講課方式等宏觀設計到微觀執行的一點一滴的完善和進步。新工科背景下如何做好地下工程人才培養工作，地下空間工程系教師做了大量工作，取得了一些成效，也存在不足之處。以上是我們在地下工程專業人才培養上多年的探索和實踐，和同行們交流，以期共同進步。