轨道交通时代隧道工程课程教学改革与创新路径探究——以浙江工业大学为例

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310023)

轨道交通是城市持续发展的重要交通基础设施，完善轨道交通网络势在必行，作为轨道交通最主要组成部分的地铁隧道向网络化、智能化发展，其设计工艺、施工技术和机械设备不断更新，隧道建设对高端人才的要求也日益剧增。而我国高校隧道工程高级专业人才的培养模式相对滞后，不能满足隧道工程建设对高层次创新人才的需求[1]。本文结合浙江工业大学教学实践，从不同视角剖析隧道工程课程在轨道交通中的重要作用和教学改革的必要性，再以隧道工程专业人才供给侧结构性改革为基线，论述课程体系、教材内容、传统教学模式、支撑性教学平台、实践性教学和工程素质培养等隧道工程课程的教学困境，进而从构建虚拟仿真实验中心、信息化教学平台、科研反哺与引领教学以及基于隧道工程特点的实习改革等方面，探讨轨道交通时代隧道工程创新性教学。

一、隧道工程课程的重要作用

(一)轨道交通是城市重要的交通基础设施

城市化水平的高低已成为现代化水平的一个重要标志。新中国成立以来，我国城市化进程在经历了低速、波动、停滞阶段后，目前已步入稳定快速发展阶段。我国设市城市已由建国伊始的130多座增至目前的近1 000座，城市化水平由原来的11%提高到目前的60%左右。西方国家的城市化进程是经过几百年的历程，而我国要在几十年达到这种水平，加大了城市交通的压力，必须建立与其相适应的城市交通体系。轨道交通是城市重要的交通基础设施之一，其中隧道是轨道交通的重要组成部分。隧道工程是完善城市轨道交通体系不可缺少的核心和关键工程，其一般修建在城市人口高度密集的中心商业区，可有效缓解城市中心区交通压力，减少地面交通产生的噪声、尾气等污染，是城市绿色交通的最佳方案。

(二)隧道工程专业人才是教学改革的基线

我国交通基础设施建设中隧道工程日益增多，城市地铁隧道呈现网络化、智能化快速发展趋势，对隧道工程技术人才的业务素质要求也越来越高。隧道工程专业人才的培养已远不能满足工程建设的需求。结合浙江工业大学近五年来隧道工程专业本科生就业情况进行调查，对2013—2017年行业需求、毕业生就业去向及变化趋势做出分析和判断。首先是社会对隧道工程设计人才的需求呈逐年上升趋势，而在设计单位就业的本科毕业生则呈逐年下降的趋势(见图1a)。其次是表明2013年至2016年施工管理需求人数逐年上升，2017年略有下降，而在施工管理企业就业的学生人数则呈先上升后下降的趋势(见图1b)。最后是表明读研和在非本专业就业学生人数呈逐年上升趋势(见图1c)。还有在各方向需求及就业图中的曲线走向，呈现了一个变化过程(见图1d)。这四组图在一定程度上表明高校培养的学生已不能适应隧道工程的设计和管理专业需求，需要改变目前的教学培养方案和教学模式。

(a)设计需求和就业

(b)施工、管理需求和就业

(c)读研及其非本专业就业

(d)各方向需求及就业

二、隧道工程课程的教学困境

(一)课程体系和教材内容的不完备

隧道工程是土木工程一级学科下设专业，课程体系设置沿袭一级学科专业培养模式，其专业课程也只有隧道工程(32学时)、岩石力学与工程(32学时)、检测技术(16学时)3门，总学时也仅有80学时。隧道工程是一门多学科相结合的交叉学科，要求学生有岩石力学、土力学、施工技术方面的理论知识储备。现行的课程体系设置给予隧道工程的课时少﹑而要讲的内容多。现有隧道工程教材内容主要沿袭我国70—80年代相关教材，反映出对隧道设计的全新理念和最新施工技术的内容未能及时在教材中体现，造成理论和实践的脱节[2-3]。总体而言，模块化专业课程设置体系的不完整，现有教材内容远落后于隧道工程实践，以及生产工艺发展的进程，都严重影响了学生的学习积极性和实践能力。因此，以培养目标为导向，以培养标准为载体，构建并完善隧道工程专业课程体系，更新教材内容是培养轨道交通高级专业人才的基础。

(二)支撑性教学平台建设的不优先

轨道交通时代城市地铁隧道最显著的特征是高度复杂化、网络化和智能化，要求学校培养的人才是兼具“KAQ”(知识、能力、素质)的复合型隧道工程建设人才，以往的理论教学为主，实验教学为辅人才培养模式远不能满足适应这一需求。必须借助省部级教学实验室、工程中心锻炼学生解决实际工程问题的能力，提高实践技能，培养工程素养；另外，利用虚拟仿真教学实验中心和互联网信息资源教学数据库来拓展学生的专业视野，全面系统提高学生的综合素质和能力。但学校与轨道交通相关的试验室偏小而分散，由相互关联性不强的隧道工程、岩土工程和道路工程试验室组成，各试验室内实验设备不够配套或陈旧。此外缺乏虚拟仿真教学实验室和互联网信息资源教学数据库这些教学支撑性平台，造成培养的学生无法适应大交通时代网络化隧道工程建设的后果。

(三)实践性教学和工程素质培养不到位

强化工程实践是提高工程类专业技术人才培养质量的重要方法之一，隧道工程作为轨道交通、地下工程、交通土建方向的专业核心课程，工程现场的“实战演练”和实习是该课程教学过程中不可缺少的环节，也是培养卓越工程师，提高学生工程素养的必然要求。目前浙江工业大学建筑工程学院学生实习采用“校外分散与集中”相结合的模式，整体效果欠佳。其原因：一是学生多，适宜的实习基地有限，实习过程难于管理，造成生产实习流于形式。二是实习和实践活动期间，学生处于校企管理的模糊地带，难以真正深入到隧道工程建设的各个具体环节中去，得不到完整、系统的实践锻炼，学生也难以体会到所学的理论知识指导工程设计、施工等工程实践活动的重要性。实践性教学效果差，学生专业理论知识应用于工程的能力薄弱，不能将所学的知识和工程实际密切结合起来，最终导致工程类专业毕业生的工程素养不足，难以在本专业领域有良好的发展，并缺乏在该专业领域的创新、创造能力。

三、轨道交通时代隧道工程的教学创新

(一)吸收国际工程教育的先进理念(OBE)

轨道交通是大交通时代城市交通现代化、智慧化、复杂化和网络化的必然发展过程，与之相应的专业化人才培养必须突破传统的教学思维模式，吸收国际工程教育的先进理念(OBE)，构建以隧道工程为核心课程的专业课程体系，并按照各专业课程自身的工程逻辑规律，配置模块化教学资源。就隧道工程课程而言，结合其理论、试验、监测和工程实践模块配置相应的最新理论、虚实(虚拟仿真和物理模型)试验、典型监测案例等教学资源，更新其教学内容，将国际上最新的隧道工程设计理念、施工技术和工艺等丰富到教学的各个环节中去。综合运用校企联动式、科研合作提高式等多种教学方法和手段，在将知识传输给学生同时，培养学生自我获取专业知识的能力，使学生养成良好的工程素养，逐步达到大交通时代对轨道交通建设人才国际化、标准化、专业化的要求。改革作业形式，依托我国轨道交通时代众多在建的大型、超大型隧道工程建设项目，提炼课题，凝练题目，布置“大作业”。这种具有项目驱动性的具有研究和探索性质的“大作业”的完成，全方位锻炼了学生的能力，使学生所学专业知识得到巩固，为今后从事专业技术工作打下了坚实的基础。考核评价机制创新是教学模式改革得以顺利实现的保证，加大复杂大型隧道工程“大作业”考核力度，如试卷考试占30%，学习态度占10%，平时作业占20%，试验考核占10%，团队合作完成“大作业”占30%，就是一种较好的考评机制，可以充分调动学生的学习积极性，激励学生求真、求实，对提高学生综合工程素质和解决实际工程问题的能力大有裨益。

(二)构建虚拟仿真实验中心和信息化教学平台

隧道工程系列课程教学中，应尽快改变传统的、落后的教学模式。虚拟仿真已经渗透到全社会的各行各业，浙江工业大学建工学院的虚拟仿真实验中心，也称BIM技术中心，是建筑信息化的重要载体，集成了设计、施工、管理的最新理念、技术和方法。高度复杂化、网络化的城市地铁隧道设计离不开信息化、智能化的设计，轨道交通时代的智慧化隧道工程建设离不开BIM技术(Building Information Modeling)，地铁隧道工程的规划、选线、地质勘探、区间隧道和站厅空间开挖施工、衬砌支护、防排水、通风和照明、轨道的设计施工、与地面交通网络的衔接，无一例外，均离不开城市交通BIM技术。再如基于现代GPS全球定位系统可以实时显示隧道掘进的位置信息，对隧道交叉贯通施工中的高程和坐标放样非常有用。另外，争取多方资源，与国际国内知名科研院所和大型地铁建设企业合作，加快虚拟仿真实验中心建设，是提高隧道工程系列课程教学质量，实现高校一流轨道交通人才培养的根本所在。需要整合试验资源，全方位升级实验硬件设备，并争取省部级工程试验中心[4]。信息化时代颠覆了传统教学模式，使学生获取知识的渠道更多。学校应将各种碎片化的教学资源整合、梳理、归纳、分类，建立统一的隧道工程系列课程信息化教学平台、试验平台、实践平台，学生可利用这些平台可合作完成隧道工程的设计题目，教师也可通过信息化平台及时给学生打分评价并反馈，进一步激发学生学习的主动性和创造性。

(三)实现科技创新的“反哺”与引领

教学和科研是推动高校快速发展，实现质变和迈向高水平一流大学的两翼，社会服务则为大学持续高速发展提供源源不断的动力[5]。将科研平台集聚的仪器设备和师资等丰富的优势资源转化为教育资源，将科研项目融入到实践教学，以科研成果反哺教学，以国家科技攻关和重点研发项目的前瞻性、先进性引领教学，是培养具有创新能力的一流专业技术人才的保证[6]。具体到浙江工业大学隧道工程系列课程的教学，教学团队结合国家级科研项目——大型地铁隧道三维物理模型试验，引领学生参与到地铁隧道模型设计、制作、仪器埋设、数据采集、三维仿真模拟计算、数据分析和安全评价等各个研究环节。使学生对地铁隧道建设的全过程有深刻的认识和了解，从中掌握隧道工程的设计理念和方法，学习施工技术工艺流程，提高对各类仪器的基本操作能力，了解各监测项目的目的、意义，学会数据采集和分析处理方法[7]。同时通过科研全过程，培养学生的的团队合作意识和严谨求实、一丝不苟的科研精神。