“隧道及地下工程”课程教学改革探索与创新路径研究

张亮 张胜 邓宗伟 洪亮 付贵海

湖南城市学院土木工程学院 湖南益阳 413000

一、概述

随着我国经济的快速发展、综合国力的不断提升及城市建设的大力推进，高速铁路和城市地铁得到大规模发展和建设，相应的隧道及地下工程的修建数量大幅增加，隧道总里程快速增长，目前中国已经成为全球发展最快的隧道与地下工程建设市场。截至2021年底，我国共有53个城市开通城市轨道交通，运营线路总长度达9018km，其中，开通地铁约7305km，包括40个城市；2021年全年新开通运营线路45条，新增线路长度约1363km，地铁制式占比81%[1-2]。建设量增加的同时，地铁隧道及相关地下工程的施工越来越向城市的周边及地层较深处延伸，工程地质及水文地质条件变得复杂，施工难度增大。因此，在城市地铁隧道及地下工程的建设中，越来越需要具备专业基础知识、创新意识及能够解决复杂工程问题的隧道施工和管理人才。

“隧道及地下工程”课程是湖南城市学院土木工程学科城市轨道交通工程方向的一门专业核心课程，该课程的设置契合了城市轨道交通方向人才培养的需要，能够让学生了解和学习隧道及相关地下工程的勘查、设计基本原理与技术。该课程是一门兼具理论性和实践性的重要课程，学生对于该课程的学习难度较大，因此探究合适的教学方法和教学手段进行该课程的讲授以提高教学质量显得尤为关键。李天祺[3]以江南大学土木工程专业新增设的“隧道工程”课程教学为例，在分析了影响和制约该课程的教学效果的因素后，从该课程教学的实践出发，对课程的教材建设、教学方法改革等方面进行了探讨；崔光耀[4]从如何调动学生学习积极性、优选教学内容、完善教学方法等方面思考和分析了“隧道与地下工程”施工课程教学改进策略；曾德荣[5]基于卓越工程师计划的培养要求，对隧道工程课堂教学、课程设计和毕业设计等内容进行了探讨和完善。

“隧道及地下工程”课程不仅包含较深的基础理论知识，而且具有相当程度的应用性和实践性，从而给该课程的教学带来了较高的难度和挑战。相关教学工作者在这方面开展了一系列研究，并取得了积极的成效。但目前对隧道工程课程的教学改革与提升并不是完善的，在如今信息化和技术化高度发达的时代，如何借助先进教学理念和教学手段，改进教学方法，优化教学方案，提高教学质量，使学生获得感增强，是目前亟待考虑的问题。本文基于湖南城市学院隧道及地下工程课程教学实践，分析了该课程的特色及在轨道交通中的重要性，并论述了该课程在传统理论教学模式、实践性教学及学生考评等方面教学不足与困境，从教学理念、虚拟仿真教学等方面思考和探讨了“隧道及地下工程”课程教学改革与创新实践路径。

二、隧道及地下工程课程特点及其重要性

(一)隧道及地下工程课程特点

隧道及地下工程课程涉及岩土力学、工程地质、混凝土结构设计和计算机应用等多交叉学科的知识，又包含平纵断面设计、结构设计、施工设计等内容。该课程从隧道及地下工程的工程特性和空间特性以及利用形态引入，论述了地下工程的独有特点及其对国民经济可持续发展发挥的作用。整个课程包含的理论知识相当丰富，包含围岩的初始应力场计算、岩体的破坏准则、普氏理论、泰沙基理论、荷载—结构模型与岩体—结构模型理论等，其中普氏理论和泰沙基理论是用于计算深埋隧道围岩压力的理论方法，涉及的计算公式较多，而计算浅埋隧道围岩压力的理论公式更为复杂难懂。同时，该课程又介绍了相当多的隧道施工方法、掘进技术及施工机具，比如新奥法、明挖法、盾构法及沉管法等常用的施工方法，施工机具有凿岩台车、喷锚机械、衬砌模板台车等，无论是施工方法还是相关的施工机械，均非常专业，实践性较强，学生在理论课的学习中较难理解和掌握。

(二)隧道及地下工程课程的重要性

伴随着城市的现代化发展和地面空间的资源紧缺，开发地下空间已成为城市发展的必然趋势。地下铁道的建设可以解决大城市交通拥堵问题，而且符合城市绿色可持续发展的要求；建设地下商业街可缓解地面中心商业区人流拥堵和用地供需紧张状况；建成城市综合地下管廊有利于改善城市面貌、提高城市综合承载能力。城市地下工程建设的不断发展急需大量基础扎实、专业知识丰富的复合型工程技术人员，“隧道及地下工程”课程的目的在于传授城市地下轨道及相关地下工程开挖与设计分析理论、施工方法的基础知识，培养学生对具体区间隧道各环节的组织设计能力，并且使学生了解和熟悉这一专业领域的先进理念和最新技术知识，以适应新时代下城市发展与城市地下空间开发建设的现实需要。

三、课程改革的必要性

(一)教学理念和课程评价方法单一、落后

传统隧道及地下工程课堂教学手段以教师黑板演示和多媒体技术为主，教师根据已制定的教学日历和教学大纲，将知识点“灌输式”讲授给学生，学生被动地进行理解和掌握，并未培养学生学习的主观能动性及探索知识的热情，即传统的课堂基本上遵循“以教师为中心”的授业模式，难以调动学生学习的积极性，不利于师生之间良好互动和相互沟通，并且学生理解起来困难，影响教学效果。目前在课程的评价与考核方面普遍采用课堂表现+课后作业+结课考试方式，课程评价体系并不完善，考核的因素也不全面，考核项目的设置往往对学生的学习内容及知识的掌握起决定作用，以往的考核只关心学生的理论知识水平，只考核学生学习的态度及考试作答能力，忽略了学生对隧道工程中具体工法、施工设备设施的理解与掌握程度，导致学生踏入工作岗位后，较难适应现实的隧道施工场地作业流程。

(二)理论与实践脱节、实践性教学培养不到位

隧道及地下工程课程专业性非常强，许多知识点、专有名词的学习基本上采用教师口头讲授并辅以播放图片形式进行，对于较为系统复杂的概念或隧道施工工法，学生并不能完全掌握。比如，隧道洞门分类中隧道门的种类繁多，如果只是运用文字和图片进行描述，对于环框式洞门、端墙式、翼墙式和柱式等简单的洞门形式，学生比较容易掌握，但对于耳墙式洞门和斜交式洞门，由于不常见且书上仅有两种洞门的平面和剖面图，学生对此较为陌生，不易理解。再比如，钻爆法作为隧道施工中的一种主要掘进方式，其涉及雷管、炸药、导爆索、导爆管等危险品材料，隧道爆破现场安全得不到保证。隧道开挖中主要采用塑料导爆管非电起爆网路，其包括簇联网路、串联网路和复式网路等连接方式，爆破技术又有光面爆破、预裂爆破等，爆破施工技术工序非常复杂，实践性较强，由于无法深入现场进行实地考察和学习，学生难以领会和理解隧道钻爆开挖相关方法和技术。

四、隧道及地下工程课程教学改革创新路径思考与分析

为了全方位培养学生关于城市隧道及地下工程建设方面的理论与技术知识，我们在教学理念、教学方法、成果导向等方面进行了改变和创新，希望能为新时代下隧道工程学科人才培养提供一些新的思路和有益探索。

(一)确立基于OBE成果导向的课程教学理念

OBE成果导向教学理念强调聚焦于成果、达成性评价和持续改进的教学特点，对于引导隧道及地下工程课程教育改革具有现实意义。OBE理念打破传统的“以教师为中心”教学思维模式的桎梏，打造和树立“以学生为中心”的教学模式，将学生作为课程教学的中心和主体，在教学中动态关注学生的需求、学习兴趣及学习状态，并提出切实可行、符合毕业要求的课程目标，以提高学生的知识水平、创新能力和综合能力，达到全方位、多角度培养学生的目的。“隧道及地下工程”是城市轨道交通工程方向的专业核心课程，该课程对应三个毕业要求，分别是：(1)能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性；(2)能够基于土木工程相关的背景知识和标准，评价土木工程项目的设计、施工和运行的方案，以及复杂工程问题的解决方案，包括其对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解土木工程师应承担的责任；(3)具有自主学习和终身学习的意识，具有提高自主学习和适应土木工程新发展的能力。在课程的教学过程中，应将教学内容形成课程目标，对应分配至三个毕业要求指标点中。比如，对于毕业要求指标点1，对应的课程教学目标为隧道的不同断面形状、衬砌的一般构造要求、围岩压力分类及确定围岩压力的方法、隧道结构计算模型等内容；对于毕业要求指标2，课程教学目标为隧道调查和勘测、围岩分级、隧道洞口与洞门、防水与排水、隧道监控量测等教学内容；而对于毕业要求指标3，课程教学目标则是新奥法、新意法、盾构法等施工方法、隧道施工组织设计、隧道及地下工程养护维修等内容。根据不同指标点的支撑强度，为不同的课程目标和课程内容设置不同的达成期望值和权重，最终用于考核和衡量学生对每个课程目标和知识点的学习效果和掌握情况。在考核方面，传统的考核方式注重学生的理论学习水平，主要采用平时表现+课后作业+考试的方式进行，而学生考完之后，往往只在乎分数，并未培养出学生解决实际问题的能力，因此在课程讲授的同时，应布置反映复杂工程实际的大作业，让学生参与隧道工程的断面设计及结构计算中，并且大作业的比重应占总评成绩的30%以上，以切实提高学生对具体工程问题的设计能力和创新能力，并改善学生对本课程的学习效果。

(二)构建教学参考模型及虚拟仿真实验中心

在“隧道及地下工程”课程的课堂教学及展示过程中，基本上是采用板书+多媒体播放的形式进行，由于该课程具有极强的专业性，有很多专有名词和概念，即使采用PPT演示的方式，学生也很难完全掌握，而且书本上对于很多知识点的介绍和解释是依靠绘制的二维平面图形，如正面图或者剖面图，对于一些陌生的专有名字，学生通过板书或者二维图片难以充分理解，因此可以建立相关三维模型供学生参观学习，以激发学生的学习兴趣，促进学生高效学习。比如隧道工程选址时，线路前方遇到高程障碍，有绕行、深堑和隧道三种方案可供选择，可以构建三种方案的三维参考模型供学生参观学习，以加深印象，学生也能立即领会；再例如隧道洞门的讲解中，学生对于各种隧道门的理解并不深，特别是对于斜交式洞门和耳墙式洞门，学生较难理解其具体构造及形式，可以通过制作或购买各种洞门三维立体模型，让学生参观学习的方式来掌握洞门的具体形式，不仅能达到引人入胜、通俗易懂的教学目的，而且对于学生理论知识的完善及后续课程设计中洞门部分的顺利完成是很有意义的。隧道现场施工环境一般较差，而且隧道建设周期长，学生进入现场也很难观摩到隧道设计—开挖—支护的全过程，随着信息化技术及仿真技术的发展，有必要开发和构建以现代信息技术为依托的、与隧道施工工法相关的虚拟仿真教学实验中心，使学生“参与”到隧道开挖的工作中，调动学生学习的积极性和创造性，加强学生对施工方法的理解和掌握。比如新奥法是隧道施工中的典型工法，其施工的工序一般包括钻孔台车钻眼、安装炸药、连接导火线、爆破、出渣、初喷混凝土、施作二衬等，其中钻眼爆破是新奥法施工中的关键步骤，但是该施工步骤危险性高，现场施工环境复杂，学生无法在现场观摩或实施该工序，借助隧道施工虚拟仿真平台，学生可以在虚拟环境中自主开展和操作炮眼装药量计算、装药集中度与装药结构的参数设置、起爆顺序的安排及起爆网络的设计等环节，从而使学生掌握新奥法实施的具体步骤和过程，提高学生对知识体系的理解程度，并培养学生的实际操作能力。

结语

“隧道及地下工程”是我校土木工程专业城市轨道交通方向学生的一门专业必修课程，具有课程知识点丰富、理论与实际并重、知识结构系统等特点，如何让学生从这门课的学习中了解和掌握更多的有关城市隧道及地下工程开挖的理论方法和技术、提高学生的解决复杂工程问题的能力，是目前我们面临的教学难题。针对课程教学所存在的问题，我们从确立基于OBE成果导向的课程教学理念和建立教学参考模型及虚拟仿真实验中心等方面，对该课程的教学改革及创新路径进行了探索和思考，旨在提高学生学习的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，提高课程教学效果，并培养城市轨道交通建设的复合型和创新型人才。