隧道工程課程“一體六翼”教學改革研究

鮑先凱，崔廣芹，張博華，田志超，張童

（內蒙古科技大學 土木工程學院，內蒙古包頭 014010）

在我國經濟轉型的歷史背景下，經濟發展正在從依賴資源、勞動力向依賴創新人才、應用型人才轉型，培養學生成為創新應用型人才成為必然選擇。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020 年）》將創新精神和實踐能力作為培養人才的重要指標[1]。以本科生教育為主的大學也以培養應用創新型人才為目標，調整學生本科階段的教學培養計劃，提高學生的創新意識和專業實踐能力。隨著經濟的快速發展，土木工程也迎來了快速發展時期，特別是地下空間的開發進入了一個新的階段[2-3]。

隧道工程是高校土木工程專業的核心課程[4]，課程內容豐富、知識點多，行業規范要求高，其教學具有很強的理論性、實踐性、綜合性等特點。因此，結合隧道工程課程的特點探討更為適用的教學體系和教學模式是非常必要的。傳統的教學模式主要依賴板書教學，教師、學生互動少，教學方式單一。現今，互聯網技術十分發達，開展多媒介、多形態的現代化信息技術教學能夠營造豐富多彩的課堂教學環境[5-6]，調動學生上課積極性，提高教學效率。為了加強課堂上教師與學生之間的互動，可采取線上資源和線下教學混合模式教學[7]，分為課前預習、課中學習與課后復習3 個階段，提高教學效率。除此之外，數值仿真教學[8-9]是突破傳統教學模式，用直觀、綜合、擴展和經濟的方式，形象地將隧道圍巖應力重分布、掘進過程、襯砌支護等內容展現出來，深入分析隧道工程中材料破壞本質、工程支護和穩定性評價。綜上所述，基于隧道工程行業發展趨勢和高校教學資源，應采用新思想、新技術、新手段提高教學質量和培養質量。本文提出隧道工程課程“一體六翼”教學模式改革，以培養隧道工程創新型、應用型人才為目標，提高教學效果和人才培養質量，可為相關課程教學改革提供參考。

1 隧道工程課程教學現狀

1.1 涉及學科較多，知識面廣

隧道工程課程內容不僅包括工程地質學、巖石力學、結構力學、測量學、爆破工程、建筑材料等方面的基礎理論知識，還包括隧道施工工藝和輔助施工方法、裝渣與運輸、初期支護、二次襯砌、監控量測和隧道通風、照明等專業內容[10]，學生在隧道工程課程的學習過程中，感覺課程內容具有較強的零散性和實踐性。除此之外，課程還涉及諸多施工技術和施工方法，并且其在工程實踐中不斷更新調整，特別是近年來國內外諸多地質條件復雜地區大規模開展隧道工程建設，提出了許多新的設計理念和施工方法，這些應用到工程中的新理念和施工方法也需要及時補充到教學過程中。

1.2 具有很強的應用性和實踐性

隧道工程施工場地往往較偏遠，可供學生選擇的實習地點較少，且施工現場作業面狹小、環境惡劣、安全性差，學生很難完成實踐任務，開展實踐教學困難重重。

1.3 社會需要大量專業型、創新型、應用型隧道工程技術人才

隨著我國在“一帶一路”沿線國家基礎設施項目的大規模興建，大量設計新理念、新工法、新設備被應用到工程項目中，鐵路、公路、城市地鐵以及軌道交通等隧道工程領域需要一大批具有扎實理論、實踐能力和科研創新能力的隧道工程專業技術人才。高等院校的隧道工程課程教學必須進行探索與改革，以提高創新能力為課程核心，以提高實踐能力為出發點，以培養創新、應用型人才為標準，結合隧道工程的特點探討更為適用的教學體系和教學模式，將學生培養成基礎知識牢固、專業能力過硬、擁有創新意識的現代化隧道工程專業技術人才。

2 “一體六翼”教學模式創建

為解決隧道工程課程教學中存在的問題，本文運用現代化教學思想和教學理念，以線上線下全方位教學模式為抓手，以模塊化、案例化、先進化、信息化、多樣化教學為支撐，以教學質量評價與學生評價為標準，提出“一體六翼”教學改革模式。

“一體六翼”教學改革模式是一種以學生自主學習為主、以教師教學為輔的教學模式，即以提高應用型、創新型的人才培養質量，推進信息化、現代化教學改革為目的，把握信息化教學本質與方向，推動以學生為主導的教育教學改革實踐。“一體”是目標主體，“六翼”是“一體”的實現路徑，從教學內容模塊化[11-12]，理論教學可視化[13-14]，施工事故案例化，教學內容、大綱、講義、教案與時俱進化，教學方法多樣化，教學手段、培養方式先進化6 個方面圍繞“一體”協同發展、相輔相成、相互聯系、相互促進[15]。

2.1 “一體”

針對當今隧道工程專業對人才需求與課程教學局限性之間的矛盾，提出新形勢下的人才培養模式。通過開展隧道工程課程教學的一系列改革，重新構建人才培養模式和教學實踐體系，開展新模式下的課程改革和創新，以提高培養人才質量。“一體”指的是以培養“應用創新型人才”為教學目標這一主體。根據新工科發展方向和現行背景下的人才需求，展開科學調查研究和實踐論證，進一步確定應用創新型人才應具備的核心能力，將核心能力定義為團隊合作意識、創新意識以及實踐能力。

2.2 “六翼”

（1）教學內容模塊化，培養學生的創新思維。隧道工程課程涵蓋了工程中的地質、結構、材料、爆破、機械、施工等多學科、多領域的專業知識，內容豐富，涉及面廣。針對課程特點，按照課程內容屬性劃分成不同模塊。例如，將隧道工程課程內容劃分為基本概念、隧道勘察選址、隧道建筑設計、隧道結構設計、隧道施工、隧道運營維護與管理6 個模塊，學生逐一學習，再將其串聯在一起，形成對隧道工程內容的整體認識。除此之外，還要拓展教學內容，將隧道工程課程與其他專業課程相結合，通過交叉內容與其他課程建立聯系，有利于學生構建專業知識體系，理解復雜、難懂的專業知識，使其對專業的認知度、理解度得到提升，培養其形成勤于思考、敢于創新的思維。

（2）理論教學可視化，培養學生的理論知識。隧道工程是認識性、實踐性強的學科，運用力學理論分析復雜的隧道圍巖、襯砌的受力問題，學生很難直觀理解圍巖、襯砌受力情況。而現場觀測和實驗室教學也存在諸多問題，現場觀測的施工地點較為偏遠、環境惡劣、隧道內不能同時進入很多學生，各高校實驗室條件不同，教學過程存在很大差異。隨著現代計算機技術的普及，運用仿真軟件模擬真實的工程概況，將開挖、支護、運營等各階段圍巖和支護結構相互作用的動態過程直觀呈現，改變參數，建立不同尺寸、不同圍巖類型、支護形式的模型，通過計算機運算得出不同的結果。還可以做預實驗，將實驗過程通過計算機模擬出來，學生運用理論解釋模擬結果，再進行實驗室實驗，加深對實驗過程、實驗現象、實驗結果的了解，提高對抽象理論的理解程度。為此，可以安排學生課后使用巖土數值分析軟件ANSYS、FLAC、MIDAS 等分析具體的工程實例，將上述圍巖力學問題通過圖片或動畫演示的方式直觀展現，通過數值仿真技術，將抽象理論可視化，有利于學生理解和掌握抽象理論，提高教學效果。

（3）施工事故案例化，培養學生的實踐能力。隧道工程施工對原有的圍巖造成擾動，特別是在圍巖條件差、地質環境復雜以及存在不良地質體的區域，施工過程中容易引起隧道發生大變形、突泥、突水、巖爆等地質災害。因此，通過工程案例總結工程經驗具有重要意義。傳統教學大多僅介紹事故發生的類型和原因，并不會進行深入的剖析。教師應針對性選擇貼合教材內容的案例，并搜集案例相關的詳細資料，對隧道的選址、水文地質條件、施工方法和支護手段等綜合分析后，補充到課程各章節內容中，形成完整、典型的案例。課堂上通過現場照片直觀展示隧道塌方、涌水、巖爆等事故特征，然后從地質災害發生的前、中、后3 個階段分析設計方、施工方、監理方處理事故的正確做法和不當之處，并引導學生了解相關地質災害發生時所應采取的處置方法。最后，歸納總結隧道工程在規劃選址、勘察、設計、施工等各個階段應如何規避和處置塌方、巖爆等地質災害，從而培養學生解決實際工程問題的能力。

（4）教學內容、大綱、講義、教案與時俱進化，培養學生的應用能力。隧道工程是一門既蘊含深奧的數學、力學理論，又與施工工藝、施工方法等工程實踐緊密聯系，在工程實踐中不斷發展的新興學科。以工程教育認證為標準，規劃隧道工程課程的培養目標，教師根據教學內容選用優秀教材，制定符合工程教育認證要求的教學大綱、教學日歷、講義和教案。除此之外，為了保持教學內容的先進性，教師必須緊跟學科發展動態，關注工程中出現的新工藝、新技術、新裝備以及新問題，將其引進到課堂教學中，更新教材內容。如將“新意法施工”補充到教學內容中，并以某一實際工程為例，與“新奧法施工”“傳統礦山法施工”進行比較和專題討論。教師在充分掌握教材內容之后，要精心組織教學內容，編寫新教案，合理組織教學。教案應對每個教學環節進行精心設計，包括教學目標、教學重點、教學難點、教學過程、教學方法、板書與多媒體設計等內容。同時教師在每個教學環節設立創新點，讓學生積極主動學習，動手設計模型，激勵學生勤于思考，敢于實踐，善于總結，有意識地培養學生創新、實踐能力。教師采用科學、藝術的方法設計教學環節，使學生對學習充滿興趣。

（5）教學方法多樣化，培養學生的應用、實踐能力。在以往的教學過程中，課堂教學往往以教師講授課本內容為主，再輔以手寫板書和PPT 教學，課堂上學生缺乏主動性，只是被動接受知識。為了改變這種狀態，應改革原有的教學模式，在課堂上形成教師與學生積極互動的學習氛圍，激發學生的學習熱情。教師應采用多樣化的教學方法，如啟發式、案例式、實踐式、討論式、研究式、軟件仿真模擬實驗教學等,培養學生的思考能力和創新性思維。例如，通過詳細講解課程的重點和難點問題，引入重點工程案例，如港珠澳大橋沉管隧道，引導學生對問題進行深入思考、分析；在課堂上加入討論環節，讓學生課前上網查找、圖書館查閱資料、課上積極參與討論、課后總結歸納，教師和學生在互動中解決問題，激發學生的學習熱情，提出工程中遇到的新問題、新發現，培養學生的創新意識，提高學生的自主學習能力。在講授隧道施工方法時，針對情況復雜、危險的施工過程，由于施工場地偏僻、環境差，學生無法詳細了解并實際參與施工過程，可通過引進多種工法的隧道工程施工虛擬仿真實驗教學平臺，提高實驗教學質量和實踐育人水平。

（6）教學手段、培養方式先進化，培養學生的應用、創新能力。考慮到隧道工程課程的特點，在教學手段上，以提升學生自主學習能力、創新意識、實踐能力為目標，突出學生為主體、教師為主導的原則，推動了線上、線下教學相結合、專業性與創新性結合、線上與線下的評價反饋相結合的混合式課程教學手段。線上教學，教師將按照教學大綱要求，講解各章節知識點，并將其錄制成視頻文件，作為線上教學的基本課件。同時，為豐富教學資源，教師推薦優秀網課資源，如慕課MOOC、網易公開課等，或是采用現場錄制的教學視頻、PPT 課件、思維導圖、重難點講解、仿真動畫、思政故事等內容。教師線上主要是引導學生自主學習，學生在課前預習、課后總結、測試以及實時評價反饋，并在線提出問題，與教師進行討論。線下課堂教學除教師通過傳統板書講授理論知識外，學生在課堂上將自主學習遇到的問題及時反饋，教師及時調整授課側重點，解決學生自主學習遇到的重難點問題。教師線下組織學生分組探討學習過程中遇到的問題，并對章節內容梳理總結，繪制思維導圖。

另外，可以科研促進教學。學校重視學生科研活動，每年選拔優秀本科生參與到教師的科研項目中，引導學生查閱文獻、搜集、整理資料，提出問題，啟發學生獨立思考和解決問題，為本科生提供良好的科研訓練機會；將教師的最新研究成果引入課堂教學，通過引入相應領域的前沿知識提高學生的創新意識；將學生課程設計、畢業設計、生產實習等教學環節與教師科研相結合，為學生提供更好的學習平臺，為培養應用創新型人才提供有力支撐。

3 結束語

在隧道工程課程教學中，應積極采用“一體六翼”教學模式，通過實現教學內容模塊化，抽象理論可視化，施工過程案例化，教學內容、大綱、講義、教案與時俱進化，教學方法多樣化，教學手段、培養方式先進化6 個方面，增強課堂教學的趣味性，使學生上課時注意力集中、缺課次數減少、學習積極性增強、理論基礎扎實，同時還具備較強的工程實踐分析能力和創造性思維能力，形成學生自主學習、教師輔助教學的良好氛圍，將學生培養成具備創新意識、合作意識和實踐能力的適合社會需求的創新應用型人才。