新工科背景下《隧道与地下工程施工》课程教学改革的思考和分析

崔光耀 宋志飞 姚海波

(北方工业大学土木工程学院 北京 100144)

引 言

《隧道与地下工程施工》是北方工业大学城市地下空间工程的专业必修课。本课程全面介绍隧道与地下工程施工技术和施工组织管理的系统知识；围绕隧道与地下工程的建设，着重介绍了目前广泛使用的隧道与地下工程施工方法和技术。此外，本课程还介绍了近年来越来越被重视的工程科学管理技术。本课程的任务是使学生系统地掌握隧道与地下工程一般的设计、施工工艺和施工管理方法；学会编制隧道与地下工程施工设计和施工组织设计；并初步具备隧道与地下工程施工技术指导和组织管理才能。

此课程在传统的教学中还存在一些问题。比如，教师仅针对施工技术进行课堂讲授，理论知识比较抽象，实践性与针对性均不强，使学生学习兴趣不高[1-5]。针对这一现象，为改变传统的教学方式、加强理论与实践的联系、调动学生的主观能动性、提高教学质量和效率，本文对目前《隧道与地下工程施工》教学中存在的问题进行思考和分析，并采用多种现代化教学方法和教学手段，充分激发学生的学习兴趣，提高他们学习的主动性和积极性，使学生更加贴近工程实际，培养和锻炼学生的实战能力。这就使得学生更加适应社会的需求和科研的发展，提升了课堂的教学效果。

一、目前《隧道与地下工程施工》课程在教学中存在的问题

(一)传统课堂教学的限制

传统课堂教学大多采用教师讲授与多媒体技术相结合的教学方法进行课堂教学，是“以教为主”的教学方法。其缺点是：调动学生学习积极性难度大；理论讲解比较抽象，学生理解掌握难度较大；学生对施工过程、施工机械及施工材料缺乏感性认识；培养学生理论知识应用于工程实际的能力较为困难等。

(二)深入在建工程现场困难

由于地下工程的特殊性，工作面狭小、施工环境恶劣、施工安全性较地面结构差。因此，教师组织学生深入到所建工程现场进行认识实习和生产实习难度较大；学生感性认识的形成比较困难。这对于学生理论知识的理解和掌握造成了一定的困难。

二、《隧道与地下工程施工》教学改革的思考和分析

(一)充分调动学生的学习积极性

学习积极性是直接推动人们进行学习的内部动力，是激发学习、维持学习并将学习导向某一目标的原动力。能否充分调动学生学习的积极性和主动性，这对教学效果有着重要影响。学生在课程学习前，往往对课程的主要内容、发展前景与工作就业的关系等不甚了解。教师如果一开始就进入各章节知识的学习，容易使学生的学习产生盲目性。而高年级大部分学生，他们将精力和关注点放在工作和考研上，往往忽略了专业课的学习。

因此，在讲授课程正式内容之前，教师应当全面介绍隧道与地下工程的历史、发展历程及发展情景，以及学习本课程对学生今后的工作和学习有什么作用和意义，使学生逐步认识到本课程对其将来的工作和学习所起到的重要作用，从而提高学生的学习热情。

(二)优选教学内容，使教学内容与实际工程发展同步

一本好的教材可以使课堂教学达到事半功倍的效果。我们本次选用西南交通大学杨其新、王明年编写的《地下工程施工与管理(第3版)》作为课程教材，本书是目前介绍地下工程施工较为全面的教材。在实际教学中，我们参考西南交通大学关宝树编写的《地下工程》、北京交通大学贺少辉编写的《地下工程》、西南交通大学关宝树编写的《隧道工程施工要点集》等教材。这些教材主要讲授明挖法施工、矿山法施工、盾构法施工、掘进机(TBM)施工技术、顶管法施工、隧道与地下工程防排水施工、隧道与地下工程施工组织、隧道与地下工程施工管理以及监控量测技术等内容。

在课程教学中，我们的教学结合目前我国及世界地下工程新技术的发展，引入新意法施工技术、地铁车站桥隧共建技术、螺旋隧道修建技术、膨胀性围岩隧道修建技术、海底隧道修建技术等等，再根据教学大纲及本科教学要求，结合本课程48学时及两周课程设计的实际情况，科学地安排教学内容。同时，我们还在课程教学中穿插介绍目前国内外隧道与地下工程施工技术的新进展和重大工程实例，使学生能够跟上学科发展的步伐。这对培养学生的科研能力和适应工程现场的能力，都具有重要的意义。

(三)采用多种现代化教学方法和教学手段

1.完善教学方法、加强实验教学

实验教学对于促进学生理论理解、锻炼动手能力以及提高教学效果都具有重要的意义。地下工程施工是一门实践科学，实验在本课程教学中起着至关重要的作用。目前，北方工业大学已建成城市地下空间工程专业实验室，拥有盾构施工模拟实验机、隧道及地铁车站施工模型、三轴液压伺服实验机、二维相似模拟试验台等实验仪器。我们通过实验课的讲授和现场演示，让学生直观地了解和掌握钻爆法隧道、盾构法隧道及地铁车站的施工过程，掌握隧道与地下工程施工的力学原理。

在一般宽口径实验教学基础上，学校重视工程现场的认识教学，强化了地下工程施工特色实验实、工程现场实验室。这些实验室为培养理论基础扎实、动手能力强的工程技术人才提供了良好的实验教学环境。

2.引入FLAC3D数值模拟技术，提高理论与实践相结合的教学水平

FLAC3D是一套功能强大的工程模拟的有限差分软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。FLAC3D可进行多种材质的三维结构分析，并具有大变形分析模式。由于其计算分析不需要刚度矩阵，故仅需较小内存即可求解较复杂的三维结构分析问题。

图1 三台阶法施工过程模拟

基于当今社会对工程技术人员实际工作能力的要求，以及FLAC3D计算软件的可靠性和应用广泛性，我们拟将其引入《隧道与地下工程施工》的课堂教学中。针对隧道与地下工程施工的特点，我们主要利用其进行基坑开挖与支护、单洞三台阶法开挖(图1)以及双连拱隧道开挖施工三个方面的教学实践。这样能够使学生在理解掌握理论知识的基础上，提高学生理论应用于工程实际的能力；同时也有利于大学人才培养体系的优化建设。

(四)观看典型工程施工过程录象

由于隧道与地下工程本身的特殊性，教师组织学生在工程施工现场参加实习的难度较大。仅靠教师讲解及图片介绍，学生也很难了解工程施工过程和关键施工工艺。因此，采取观看国内外典型隧道与地下工程施工录象资料是一种好的解决方法。它有利于辅助教师课堂教学，也有利于学生理解和掌握所学到的理论知识、施工工艺流程及关键技术。

录象资料主要有：日本青涵海底隧道关键施工工艺、大瑶山隧道新奥法施工工艺、秦岭终南山隧道TBM施工工艺、北京草桥换乘站施工技术、成都天府广场地下综合体施工关键技术等。

三、结束语

《隧道与地下工程施工》是城市地下空间工程专业教学中的一个重要组成部分，是本科教学分层分流的一个重要方向。如何提高教学效果、提高学生的学习积极性、培养学生分析问题和解决问题的能力，是目前摆在我们面前的一个难题。本文首先分析了目前《隧道与地下工程施工》课程教学中存在的问题，并针对《隧道与地下工程施工》课程的特点，对《隧道与地下工程施工》课程教学改革进行了思考和分析。这对培养学生理论联系实际的能力、提高学生的科研素养以及优化城市地下空间工程课程体系建设都有着重要的意义。