新工科背景下城市地下空间工程专业实践教学体系建设

左昌群，焦玉勇，李雪平，谭 飞，程 毅，郑 飞，邹俊鹏

中国地质大学（武汉） 工程学院，湖北 武汉 430074

21世纪是地下空间大发展的世纪，空间资源的集约复合利用已经被视作支撑城市现代化持续发展的标准范式。2016——2019年以城市轨道交通、综合管廊、地下停车为主导的中国城市地下空间开发产业每年以1.5万多亿元人民币规模的速度增长，“十三五”期间，全国地下空间开发直接投资总规模约8万亿元人民币，从业人员高达500万，为推动中国经济有效增长，推进供给侧结构性改革提供了重要的产业支撑[1]。地下空间行业迅猛发展的同时，也势必需要与之配套的大量城市地下空间工程专业技术人才，特别是能综合利用各种信息知识且具备较强的工程实践能力、创新能力和国际竞争力的专业技术人才。

为顺应行业发展需求，中南大学于2002年率先开设了城市地下空间工程专业，2012年城市地下空间工程专业作为土木工程类的特设专业纳入《普通高等学校本科专业目录》中（专业代码081005T），并于2019年1月由西南交通大学牵头在土木工程教学指导委员会下成立了城市地下空间专业教学指导小组，为专业建设和人才培养提供了规范化的引导[2]。2020年，又有4所高校在教育部备案了城市地下空间工程专业，截至2020年底，全国已有83所高校开设了此专业，城市地下空间专业人才培养面临新的机遇和挑战。

建设和发展新工科是国家重大战略实施及经济社会发展的必然要求，是我国新时代提高国际竞争力、影响力、软实力的必然要求，同时也是深化当前工程教育人才培养模式改革，提高工程科技人才适应新时代社会需求的现实需要[3]。在此背景下，新型实践教学体系的构建是“新工科”建设中必不可少的一环，也是城市地下空间工程专业人才培养的重要支撑体系，其与理论教学共同构成一个完整的人才培养体系，两者相辅相成。本专业由于开设时间短、各院校专业背景差异较大，在人才培养模式、培养方案设计和实践教学体系建立等方面仍处于探索阶段。

我校于2017年成功申报城市地下空间工程本科专业，于2018年招收本科生30人，为1个行政班建制。在高等学校新工科背景下，聚焦学校“美丽中国、宜居地球”战略目标，依托学校地质资源与地质工程、“双一流”学科建设，探索和构建了体现我校办学理念和专业特色的全周期四位一体的城市地下空间工程实践教学体系，对提升专业人才培养质量奠定了良好的基础条件，也为兄弟院校城市地下空间工程专业办学提供参考和借鉴。

一、实践教学体系构建

1.构建原则

城市地下空间专业的实践教学体系构建要体现综合性、科学性、合理性，同时还要易于操作，表现在：（1）实践教学内容要与课堂教学无缝对接，作为课堂教学的强有力支撑；（2）实践教学环节要紧跟城市地下空间工程学科发展和行业需求，要匹配现代工程对人才培养的需要；（3）必须以培养学生创造性思维、独立思考及实践能力为核心，增强学生解决实际问题的能力和团结协作的工程素养；（4）要充分利用现代多媒体教学及科技手段来提高实践教学质量和完成度；（5）突出地质特色，加强多学科交叉融合。

2.建设方案及框架

据此，教学团队搭建了覆盖学生四年学习生涯的全周期多层次的四位一体的实践教学体系，整体框架如图1。

图1 城市地下空间专业全过程实践教学框架设计

首先从人才培养方案设计上，2019年修订版培养方案相较2018年第一版培养方案，优化了课程结构设置，包括实验、实习等实践教学的占比由28.5%提高至31.2%，对实践教学环节进行加强。讲课教学及各实践教学环节学时分配及占比如图2所示。

图2 培养方案中各教学环节学分占比图

其次，根据2019年大类招生方案的思想，设置了模块化的实践教学环节，覆盖了“通识教育”“大类平台+学科基础”“专业主干+专业选修”的教学需求，实现了从学生入校到毕业全闭环的培养模式。

再次，将传统的以“学校+教师”为单一主体的实践教学延伸至学校、企业、学会；实现教师与学生、企业与学生、企业与教师、学会与学校等协同发展的育人新模式。积极发挥我校自建实习基地、企业产学研基地、省校级科研创新平台的优势，开展了产教融合育人模式的新探索。

二、子模块目标分解及实现途径

1.校内实验教学模块

校内实验教学模块主要对标专业培养方案中的“大类平台课”“学科基础课”“专业主干课”，其主要目的是配合课堂教学，开展相关课下实验，更好地掌握理解知识点，提高学生动手能力。实施的主体为校内实验室，包括基础的大学物理、化学实验、工程力学、电工及电子基础、地质学基础、土力学、岩体力学等课程实验环节。

2.野外实习模块

野外地质实习是我校相关专业学生地质学基础强有力的基地保障，是课堂实验的延伸。我校有良好的野外实践教学传统和丰富的野外实习经验，依托我校自建的龙泉山测量实习点、北戴河地质认识实习基地、秭归实习基地和武汉地基与基础教学实习点等校外实践平台，开展测量学、地质学基础、水文地质学等课程的巩固实习。在野外，培养和训练学生识别、认识、分析各种工程、地质、水文、岩石矿物、构造现象等的能力，熟练掌握罗盘使用、野簿记录、剖面绘制等专业基本技能（图3），认识和了解各种工程结构及施工方法，为后续专业学习提供辅助。

图3 北戴河地质认识实习

3.工程实训模块

学生在完成前两年的大类课程学习后，会进行专业方向选择，并逐渐进入专业学习阶段，这时候培养学生利用所学知识，综合分析解决相关工程问题就成为实践教学重要内容。工程实训模块包括专业生产实习、课程设计、毕业实习和毕业设计等环节。

地下空间工程专业在培养方案中体现了目前地下空间工程开发利用的特点，专业主干课也涵盖了地下空间工程代表性结构类型及典型建造技术。因此，在实践环节补充了“地下空间规划及利用”“基础工程学”“城市地下管网工程”“地下工程结构”等课程设计，通过真实工程案例，真题真做，提高学生分析和解决实际问题及从事科学研究能力，也使学生在此过程中，熟练掌握CAD、数值计算、数理统计、计算机编程等专业软件的使用。

与此同时，专业教师也动员发挥校友优势，联系和申报了一大批产学研基地，与行业龙头企业，如铁四院、汉阳市政集团、中铁十六局、中建三局、中国一冶等签订了长期合作协议，为专业学生生产实习、毕业实习等提供了重要场所，成为工程实训的又一重要阵地（图4）。

图4 黄冈综合管廊顶管施工实习

4.创新科研模块

创新科研模块包括学科竞赛、社会调查、科研项目等环节。大量实践证明，学科竞赛在实践教学中发挥着特殊的创新教育功能，对学生全面提升自身的知识应用能力、问题解决能力以及创新实践能力具有独特而不可代替的作用，也更容易受到研究生导师和用人单位的青睐[4]。本专业的学科竞赛主要包括各类（全国、省、校级）大学创新创业训练、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛、大学生挑战杯、全国大学生数学建模竞赛、周培源力学竞赛，以及由地下空间、市政等行业协会主办的全国城市地下空间工程专业模型设计大赛、全国地下空间创新大赛等。

近年来，随着国家及学校宣传力度的增加，本专业学生参与学科竞赛和科研的热情不断提高，专业教师指导学生参与科研活动的精力及经费投入也逐年增加。2021年度，本专业学生又获批4项国家级创新创业项目，全系有50%以上教师参与指导学生学科竞赛活动，在全院起到了很好的示范效应。

三、实施效果及改进措施

1.实施效果

本专业第一届学生经过三年系统的专业学习，班级学习风气浓厚，平均学分绩点在地下工程类3个班级中排名第一，在土木工程9个专业班中排名第三。学生在参加全国大学生创新创业大赛、全国大学生数学建模大赛，以及大学生“挑战杯”大赛等活动中获得较好成绩，创新实践能力突出。在刚刚结束的2021年第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛湖北省复赛中取得了一银一铜的好成绩，在今年7月份工程学院研招开放日选拔中，班级有14名学生通过考核，占班级总人数的50%。

2.改进建议措施

针对目前实践教学在实施过程中仍有改进之处。

（1）增强校企融合力度，推进“企业导师制度”，建设协同育人新模式。

学校拥有庞大的专业教师队伍和丰富的教学资源，在理论教学方面具有得天独厚的优势。企业直接面向具体工程，是工程实践人才成长的沃土。学校和企业应发挥各自优势，建立校企合作平台，实现资源共享。具有丰富工程经验的企业人员作为校外导师可直接参与学生生产实习、毕业实习和毕业设计全过程，负责学生实践能力培养，实现理论知识和实践技能兼具的人才培养目标。

（2）提升创新实践模块比重，以学科竞赛驱动创新能力培养提升。

尽管学科竞赛对学生创新能力发挥着较积极作用，但通过调研发现，学科竞赛在学生中的普及率并不高，在学业学分中比重也较小。一方面是相对传统土木、工程地质和结构工程而言，针对城市地下空间工程的专业竞赛并不多；另一方面，竞赛的规模和影响力不大，教师和学生往往忽视参赛和报名信息，使得竞赛覆盖的学校和学生数量都十分有限，通过竞赛提升学生创新能力的效果也大打折扣。建议可以健全和发展学校举办学科竞赛的奖励激励制度，形成学会主持、高校轮流主办的良性循环机制，通过学科竞赛驱动学校创新人才培养模式改进和人才质量提升。

（3）借助多元信息及互联网手段，丰富实践教学手段和内容。

城市地下工程具有体量大、施工期长、综合性强、隐蔽性高、危险性大等特点，现场实验及实践教学难度大。为了给学生创造更多的实践机会，拓展实践教学，可以结合实际工程背景，利用专业的仿真模型和虚拟仿真试验平台，开展虚实结合的实践教学模式，增强学生参与感及交互体验[5]。

随着计算机技术的发展，虚拟现实技术（VR）、翻转课堂、微课、MOOC课等新手段和技术也有必要逐渐应用到实践教学中来，满足专业培养多元化的需求。

（4）加强教学过程管理，建立立体层次的实践考核模式。

实践教学一般周期长，场所不固定，教学过程的把控难度较大。尤其是对课程设计，通常一班一题，无法对学生参与投入进行区别化评价。对实践教学的考核，也无法沿用传统课堂教学“平时考勤+课间作业+试卷考核”的模式，给教学质量评价及反馈优化带来困难。因此，遵循“新工科”理念，探索能体现过程参与度，以评估学生的思维、知识、个性和能力主要要素的综合立体式考核评价体系，也是未来高校应积极探索的一个方向。

四、结束语

城市地下空间开发与利用是未来国家基础建设的重要方向，是建设“资源节约型、环境友好型和谐社会”的必由途径。城市地下空间工程专业作为新兴专业，实践教学特别需要创新，以适应城市建设、社会发展、学科建设、行业用人的新要求。以新工科理念为引领，通过城市地下空间工程专业全过程实践教学综合体系的构建与创新，优化了各实践教学环节的教学内容、教学方式，提高了学生的专业技能和科技创新能力，带动了学科整体质量的提高，为培养符合新工科背景下城市地下空间工程专业人才奠定了坚实基础。