“隧道工程”课程研究性教学探索与实践

王章琼，黄 敏，王亚军

武汉工程大学 资源与土木工程学院，湖北 武汉 430073

课程建设

“隧道工程”课程研究性教学探索与实践

王章琼，黄 敏，王亚军

武汉工程大学 资源与土木工程学院，湖北 武汉 430073

“隧道工程”是土木工程专业交通土建方向的专业主干课程，实践性较强，但实践教学实施难度大，迫切需要探索新的教学模式。本文阐述了研究性教学的特点及主要模式，结合隧道工程课程特点，提出并实施了以典型工程实例分析、数值仿真展示、组织研究性学习为核心的三位一体研究性教学模式。结果表明，增强了教学活动的趣味性，调动了学生学习的积极性，达到了良好的效果。

隧道工程；创新能力；研究性教学；教学改革

隧道工程是土木工程专业的分支学科，“隧道工程”是为我校土木工程专业交通土建方向本科生开设的专业主干课。该课程涉及到岩体力学、工程地质学、结构力学、材料力学、建筑结构、建筑材料、工程爆破、施工组织与管理等技术领域［1］，具有较强的实践性［2］。此外，随着近年来国内外诸多地质条件复杂地区隧道工程建设的大规模开展，出现了许多新的设计、施工理念和方法，教材中的内容与工程实际有所脱节。因此，除理论教学之外，还应当设置一定量的实践教学环节，使学生深入理解隧道工程的勘查、设计、施工、管理与养护等技术方法，并对隧道工程中的新技术、新方法等有一定了解。然而，隧道工程施工场地往往较偏远，且施工现场作业空间有限、环境较恶劣、安全性较差，开展实践教学实施难度大［3］。因此，学生在学习该课程的过程中，往往会感到枯燥乏味、难以理解，以致逐渐失去学习兴趣，这成为摆在授课教师面前的一大难题，诸多学者针对该问题进行过教学改革的探讨［4-5］。

另一方面，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》指出，要更新人才培养观念，创新人才培养模式，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学，帮助学生学会学习。这就要求教师在教学活动中不断探索适应大学生学习特点的教学模式，培养大学生的创新精神，提升大学生的创新能力，以适应新形势下专业人才的培养要求，而研究性教学是实现上述目标的重要途径之一［6］。

鉴于此，本文以武汉工程大学土木工程专业“隧道工程”课程为例，运用研究性教学基本理论和方法，探索和构建隧道工程研究性教学体系，对于强化教学效果、培养创新型人才具有重要意义。

一、研究性教学的内涵及主要模式

一般认为，研究性教学起源于20世纪欧美国家，建构主义和人本主义是研究性教学的理论基础［7］。关于研究性教学的内涵，目前学术界尚未形成统一的认识。有学者认为研究性教学是一种教师设置的、引导学生探究问题的教学模式［8］；有学者认为研究性教学是指导学生开展研究性学习活动的教学方式［9］；还有学者对这些观点进行归纳，认为不能将研究性教学简单地归结为一种教学模式、教学方法、教学方式、教学过程或教学活动，而是一种教学指导思想，是教与学的辩证统一［10］。杨春玲［11］将研究性教学的特点概括为:内容的前沿性、过程的实践性及教学活动的探究性；赵增迎［12］将研究性教学的特征概括为:开放性、过程性、主体性和综合性。纵观这些定义或理解不难发现，研究性教学涵盖以下几个方面的内容:（1）根本目的是增强课程的趣味性，培养学生的创造能力和创新精神；（2）基本方法是教师创设含有前沿科学命题的问题情境，引导学生思考、分析并解决问题，让学生体验探索过程；（3）主要途径是学生在教师的引导下，通过查阅文献、搜集资料、调查等方式自主地完成任务；（4） 基本要求是师生共同参与，实现“教”与“学”的互动。

研究性教学的主要模式有课堂问题探讨、专题研讨、小组合作探究、课外自主探究等，其中，小组合作探究是效果较好的研究性教学实施模式之一［13］。小组合作探究，是将学生分成若干个小组，每个小组的成员分工合作，共同完成某个命题。其基本流程是:教师创设问题情境、学生组建课题小组、各小组选择研究课题、组内合作研究、分组展示研究成果。结合以往的教学经验，在具体实施过程中，创设问题情境时，要紧密结合学生感兴趣的前沿科学问题，且要把握好问题的难易程度；学生分组时，宜采取自由组合的形式，且每组人数的上限要视任务工作量而定，以免出现人浮于事的现象；展示成果时，教师应对各组的表现进行客观、细致的点评；此外，还有必要采取一定的激励措施，如对展示的研究成果进行评级、评分，纳入期终总成绩等。

二、“隧道工程”课程研究性教学实践

1. 结合工程实例讲解基本理论

隧道工程勘测设计这一章，主要包含隧道工程勘测、隧道位置选择、隧道洞口选择及线路设计等几个方面的内容，涉及到地形地貌、工程地质、水文地质、气象水文等方面的知识。该部分内容理论性较强，对于缺乏地质相关知识背景的学生而言，理解起来有一定难度。对此，一方面引导学生回顾工程地质学、岩石力学与土力学等先行课程的相关知识点；另一方面，通过列举笔者参与的隧道工程项目，以图文并茂的形式进行讲解。如，以鄂西北某高速公路隧道为例，结合当地地形、地质条件讲解隧道勘测设计中的基本理论和要求（图1）。

图1 某隧道进口及隧址区地形地貌

隧道施工过程中常见的塌方、突泥突水等灾害，往往造成严重后果。这部分内容，仅凭文字描述或简单的几幅图片难以给学生留下直观印象，容易使学生产生一知半解的困惑。为此，结合笔者参与过的隧道及地下洞库工程项目，以鄂西北某隧道塌方突水事故为例，详细分析了塌方突水机理，介绍了处治措施，分析了处治方案选择依据及其合理性（图2）。

图2 某隧道突泥突水事故现场

此外，针对隧道涌水事故中常用的注浆堵水方法，采用启发式教学手段，提出注浆材料需要满足哪些特性才能起到堵水作用、哪些材料具备这些性能等问题，引导学生回顾学过的土木工程材料、水力学等专业基础课程，使学生深刻认识到专业基础课程对于后续课程学习的重要性，体会到运用所学知识解决实际工程问题的趣味性，纠正学生中存在的部分专业基础课不重要的错误观点。

2. 采用仿真模拟展示力学问题

在学习隧道工程之前，学生学习过材料力学、结构力学、岩石力学与土力学、弹塑性力学等相关力学知识，但隧道工程中涉及到地应力、支护结构等概念，特别是岩质隧道还涉及到结构面、岩体结构等概念，使得其力学问题较一般岩土工程更为复杂。学生对隧道围岩变形破坏模式、隧道支护方案及支护效果等知识点的理解存在困难，故有必要以更加直观的形式为学生讲解这些概念。为此，结合笔者自身研究经历和积累的相关研究成果，将不同类型的围岩变形破坏形式及不同支护方案对应的支护效果，利用数值模拟结果的形式向学生展示，具体方法如下:

（1）对于隧道开挖前岩土体初始应力场、开挖过程中引起的应力重分布等概念和现象，利用FLAC-3D数值分析软件具有显式运算功能的特点，将该软件的计算过程制作成视频文件，向学生展示初始应力场的形成过程，以及开挖扰动下隧道围岩应力场变化规律（图3）。

图3 开挖后隧道围岩最大主应力重分布过程示意图

（2）实际工程中，多数隧道修建在岩体中，而岩体与土体最大的区别之一是，岩体中存在的结构面导致岩体成为不连续介质，其变形破坏形式不能简化为连续、各向同性介质进行分析。为此，采用离散元软件UDEC模拟层状岩质隧道开挖后围岩的变形破坏现象，直观展示结构面对围岩变形破坏模式的影响（图4）。

图4 某隧道开挖后水平方向位移示意图

（3）岩体中结构面广泛分布，岩体结构对隧道围岩变形破坏行为具有控制性作用。岩质隧道开挖后，围岩常发生局部失稳、掉块等变形破坏现象，一般采用块体理论进行围岩块体稳定性分析。但块体理论是工程地质专业的基础知识，土木工程专业学生尚未掌握，课堂教学难以全面讲解这些相关知识。为此，采用块体稳定性分析软件Unwedge，直观展示结构面控制下隧道开挖后可能发生掉块的位置及块体的大小，并对各可能失稳的块体进行支护设计（图5）。

图5 地下洞室块体理论分析示意图

（4）针对以往学生对支护结构的作用机理难以理解的问题，采用有限元软件ANSYS模拟锚喷支护、钢拱架支护、钢筋混凝土二衬等支护结构对隧道围岩变形的控制效果，让学生深入理解各支护结构与围岩的相互作用机理，正确区分初衬和二衬功能的差别（图6）。

图6 支护前后隧道围岩最大主应力对比示意图

通过上述隧道工程数值仿真计算结果的直观展示，加深了学生对隧道围岩分级、岩体结构、围岩压力、围岩稳定性、支护结构、支护效果等重要基础概念的理解。在展示过程中，向学生简要介绍这些专业数值分析软件的基本原理和数值分析技术的应用情况，让学生较早地了解本专业的一些研究思路和方法。此外，通过变换工况，让学生根据已掌握的专业知识预测数值分析结果，并引导部分兴趣浓厚的学生进行实际操作训练。

3. 组织学生进行研究性学习

常规的课堂教学模式是教师讲授、学生听课的“灌输式”教学，这样的方式难以调动学生的积极性。众所周知，学习兴趣是最好的老师，因而只有充分激发学生的兴趣，才能使学生自发、愉快、高效地学习。为此，采用考试方式改革的形式组织学生进行研究性学习，具体实施方案如下:

（1） 题目拟定。根据教学计划要求，筛选出教材中实践性较强的重点和难点内容，将隧道施工方法和隧道病害处治作为考察重点。为避免学生选题空泛，拟定了20个主题供自由选择，并要求学生结合查找的工程实例进行分析。限于篇幅，这里仅列举若干拟定的题目，如:长台阶开挖施工方法及工程实例分析、超前锚杆辅助施工方法及工程实例分析、岩溶隧道主要病害及工程实例分析、隧道塌方的主要形式及处理对策工程实例分析、隧道衬砌主要防排水措施及工程实例分析等。

（2）任务布置。通过自由组队的形式，将学生分成若干个小组，让学生通过查阅书籍、电子文献及网络资源等方式，广泛了解目前常用的隧道工程设计理念、施工方法和技术，特别是目前国内外最新的施工工艺，在此基础上撰写调查分析报告，并制作好汇报PPT。为提高学生参与的积极性，将该考核成绩以不低于20%的比例纳入到期末综合成绩评定中。

（3）考核。考核的形式为口头汇报与提交调查分析报告相结合，即在口头汇报前各小组统一提交纸质调查分析报告。考核时，由任课老师现场随机抽取上台汇报的学生名单，以鼓励各小组全员参与。根据各小组调查分析报告、口头汇报等各方面的综合表现进行成绩评定，考核工作随堂进行。为保证成绩评定的公开透明，在每个小组接受考核结束时，当场公布考核成绩。

三、研究性教学效果评价

采用“典型工程实例分析”、“数值仿真展示”、“组织研究性学习”三位一体的研究性教学模式，充分增强了教学活动的趣味性，调动了学生学习的积极性，提高了学生综合运用所学理论知识分析和解决实际工程问题的能力。实施该教学模式后，教学过程中气氛活跃，课堂和课后均有学生踊跃针对书本内容提问。可见，学生不仅掌握了书本知识，还对若干专业问题进行过深入思考，达到了良好的效果。

特别值得一提的是，在组织学生进行研究性学习方面，学生普遍反映，该考核方式较好地巩固了专业知识及技能，激发和增强了专业学习兴趣，提高了综合素养。通过研究性学习，培养和锻炼了学生查阅文献、资料的能力，特别是利用互联网资源进行专业学习的能力，促进了学生对专业知识的深入理解，培养了学生的专业素养及团队合作意识，使学生掌握PPT制作及汇报技巧，使学生在考核中广泛受益。同时，也让学生发现和意识到自身在专业学习和综合能力方面存在的不足，特别是在专业素养、专业思维、汇报技巧、Office软件的使用等方面，使学生进一步明确了学习目标。

四、结论与讨论

通过在隧道工程教学中的探索和实践，构建了以“典型工程实例分析”、“数值仿真展示”、“组织研究性学习”为主要内容的研究性教学体系。充分调动了学生的学习积极性，促进了学生对专业知识的深入理解，提高了学生综合运用专业知识分析和解决实际工程问题的能力，取得了良好的效果，具有一定推广价值。

同时，需要指出的是，对于隧道工程这样一类实践性较强的课程，理论教学始终无法替代实践教学。而受客观条件制约，目前多数情况下土木工程专业的培养方案中仅安排隧道工程认识实习，这与该课程的教学要求有一定差距。因此，在有条件的情况下，应当完善实践教学环节，形成以理论教学与实践教学相结合的研究性教学体系。

［1］ 彭立敏.隧道工程［M］.长沙:中南大学出版社，2009.

［2］ 左清军，谈云志，刘艺梁.视频教学模式在“隧道工程”课程教学中的应用［J］.中国地质教育，2014，（4）:92-95.

［3］ 周德泉，王桂尧，刘宏利，等.“岩土与隧道工程”课程群建设与特色人才培养探讨［J］.中国地质教育，2010，（4）:119-122.

［4］ 宋玉香，贾晓云，刘勇.强化科研，提升隧道工程教学品质［J］. 高等建筑教育，2010，19（4）:96-98.

［5］ 王迎超，靖洪文，耿凡.“隧道工程”课程教学改革思路探讨［J］. 煤炭高等教育，2013，31（6）:116-118.

［6］ 宋义林，高树枚，陈刚.基于应用型人才培养的研究性教学模式的探索与实践［J］.黑龙江高教研究，2014，32（6）:142-144.

［7］ 董增文，邓晓华，张华.研究性教学在工科教育中的实践与反思［J］.高等工程教育研究，2013，31（5）:164-167.

［8］ 刘伟忠.研究性教学中的难点与实施重点［J］.中国高等教育，2006，27（24）:36-37，42.

［9］ 李宏祥.大学研究性教学内涵、特征和过程［J］.湖南社会科学，2008，21（5）:172-175.

［10］ 张典兵.现代大学研究性教学的内涵解读与实践路向［J］. 现代教育科学，2014，27（5）:24-26.

［11］ 杨春玲，朱敏，张岩.数字电子技术基础研究性教学方法的探索与实践［J］.中国大学教学，2014，30（2）:58-60，74.

［12］ 赵增迎，龙梅，夏志国.面向本科生的研究性教学探析与实践［J］.中国地质教育，2013，（2）:135-137.

［13］ 刘新奇.大班额研究性教学:支撑条件、有效模式与教师角色［J］.高教探索，2014，30（4）:112-115.

tunnel engineering； innovation capacity； research-based teaching； teaching reform

G642

A

1006-9372 （2015）02-0028-04

2015-02-03；

2015-03-31。

武汉工程大学科学研究基金（K201473）。

王章琼，男，讲师，主要从事工程地质、岩土工程的教学和研究工作。

王亚军，男，讲师，主要从事岩土工程的教学和研究工作。

投稿网址: www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱:bjb3162@cugb.edu.cn

引用格式:王章琼，黄敏，王亚军.“隧道工程”课程研究性教学探索与实践［J］.中国地质教育，2015，24（2）:28-31.

Title: Exploration and Application of Research-Based Teaching in the Course of Tunnel Engineering

Authors: WANG Zhang-qiong， HUANG Min， WANG Ya-jun