基于OBE的城市地下空间工程实践教学体系构建

刘勇健　梁文添　邓浒标　魏建军

[摘 要]本研究以广东工业大学教学改革为例，探讨在新时代背景下城市地下空间工程专业创新型实践教学体系构建的理念和措施。项目组以OBE工程教育理念为指导，以学生为中心，以成果为导向，结合专业特点和“粤港澳大湾区”建设对人才的新要求，加强实验室建设和实习基地建设。将校内工程模拟与校外实战训练相结合，构建了具有地方特色的城市地下空间工程专业实践教学体系和仿真教学平台。仿真实践平台包括盾构机施工仿真实训系统、地下水模拟实验系统和地下空间工程原位测试仿真系统。学校通过“三向融通”实践教学平台和虚实结合教学模式，开展 “实践育人”，以满足社会和行业发展的新要求。

[关键词]城市地下空间工程; OBE工程教育模式;实践教学体系;仿真平台

[中图分类号] TU94; G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）06-0068-03

进入21世纪，中国高等教育开始从精英教育向大众教育转化，我国已迈入世界高等工程教育大国行列。为建设创新型国家培养大批具有创新精神、实践能力和创新能力的工程技术人才是当前高等工程教育的根本任务[1-2]。2016年我国正式加入《华盛顿协议》，实现了历史性跨越，为我国高等工程教育实现与国际化接轨提供了重要契机，加速了工程教育教学改革的深化。近年来，为缓解城市压力，加大开发利用城市地下综合体，轨道交通、综合管廊、地下商场等城市地下空间资源，实现我国城市可持续发展战略，需要大批城市地下空间工程技术人才[3-4]。中南大学于2002 年率先开设了城市地下空间工程专業，随后山东大学、南华大学等高校也开设了该专业。目前，全国已有76所高校开设了本专业，每年招生约3800人。 “一带一路”倡议和“粤港澳大湾区”的开发，对城市地下空间工程专业的毕业生需求量增大，对人才培养提出了更高更新的要求 [5]。

在《普通高等学校本科专业目录》（2012年）中，城市地下空间工程专业（081005T）为新增特设专业，于2019年1月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。由于本专业开设时间短，各高校的人才培养模式和实践性教学体系仍处于探索阶段[6-7]。广东工业大学作为广东省第一所开设城市地下空间工程专业的高校，其依托国家级特色专业土木工程专业，经专业结构调整后增设，于2013年开始招生。根据近3年来用人单位需求及毕业生调查，近70%的毕业生在企业从事地下空间工程技术工作，用人单位特别看重毕业生的实践能力和创新能力。如何构建新时代背景下城市地下空间工程专业创新型实践教学体系，培养新工科人才？广东工业大学（以下简称“我校”）依托“粤港澳大湾区”城市轨道交通迅猛发展和区域经济快速增长的优势，构建了具有地方特色的城市地下空间工程专业实践教学体系和仿真教学平台。

一、OBE工程教育模式

OBE （Outcome-Based Education）教育理念是一种基于学习成果为导向的工程教育模式，最早应用于美国和澳大利亚的基础教育，很快在世界各地高校中推广开来。它强调以学生为中心，即以学生发展为中心、以学生学习为中心、以学习成效为中心，注重学生的能力培养和个性发展[8]。如图1所示，OBE工程教育模式遵循“反向设计”原则，结合国家、行业和社会发展需求、学校办学定位、专业特色和学生家长期望等多种因素，由培养目标和毕业要求反向构建专业课程体系、教学大纲、教学内容及相关评价体系。可以通过考核环节，分析课程达程度，并制订持续改进措施。OBE工程教育三个核心要义为：成果导向、以学生为中心和持续改进。在OBE专业认证体系中，特别重视实践教学体系及教学效果的评价。

二、基于OBE理念的城市地下空间工程实践教学体系

（一）明确“以学生为中心”的实践教学目标

城市地下空间工程具有三大属性：实践性、综合性和创新性。OBE工程教育模式适合城市地下空间工程应用型创新型工程技术人才培养。在此理念指导下，以学生为中心，以社会需求为导向，优化人才培养方案，即毕业生适应社会经济发展的需要，反映学生毕业后5年左右在社会与专业领域的预期成就，能解决城市地下空间工程专业的复杂工程问题，能准确理解和评价工程实践对社会、健康、安全、环境、可持续发展的影响。培养具备扎实的自然科学知识和良好的人文素养，获得工程师基本训练，掌握城市地下空间工程及相关学科的基础知识、基本原理和BIM等前沿应用技术，具有基础较扎实、专业知识面宽、实践能力强、创新精神、团队意识和可持续发展理念的应用型创新城市地下空间工程技术人才。我校先后制订与修订了2013版、2016版、2018版人才培养方案、教学大纲和课程体系，根据“粤港澳大湾区”城市地下空间发展对人才的新要求，明确“以学生为中心”的实践教学目标，构建新工科背景下实践教学体系。

（二）以成果为导向，构建基于OBE模式的实践课程体系

实践教学是培养学生实验能力的重要环节。实践教学以学生为本，以社会和行业对工程类人才的需求为导向，整合优质教学资源，加强实验室建设和实习基地建设，将校内工程模拟与校外实战训练相结合，构建OBE模式下的实践课程体系。实践教学课程体系和教学内容紧密围绕城市地下空间工程产业变革及新工科建设要求，建立了“基础实践模块+专业实践模块+科学实践模块”的多层次实践教学体系，见表1。由于现代城市地下空间工程的复杂性和综合性，其对人才的实践能力和创新能力要求很高。在制订人才培养方案时，我们坚持“理论与实践并重”的原则，加强实践环节，实践教学环节有44.5学分。课程的实践（实验）教学、专业实训、创新训练和工程实践，实现了理论教学与实践教学的相互支撑，课内外的相互补充，产学研有机结合，综合培养学生的工程实践能力和创新能力。以毕业要求达成为标杆，强化课程体系与毕业要求的匹配度，课程实验的毕业要求，使各课程体系更好地支撑人才培养目标，并制订各课程持续改进多项措施。

（三）构建“三向融通”实践教学平台，开展 “实践育人”

广东工业大学与中山环宇实业有限公司（国家级工程实践中心）、广州工程总承包集团有限公司（广东省大学生实践教育基地）、中天建设集团有限公司、广州市盾建地下工程公司等37家企业单位签订了校外实习基地。本着“共建教学资源、共享合作成果”的原则，建立了集教学、科研、人才培养“三向融通”的城市地下空间工程实践教学平台，进行项目合作和“协同育人”。整合校内外教学资源，综合应用各类实验室和校内外实习基地，以项目为载体，实施“实践育人”，培养学生的实践能力和创新能力。毕业设计实行“双导师”制和“一人一题”制，以实际工程为背景，解决工程实际问题，注重培养学生的工程素质、实践能力和创新能力。通过校企深度合作，人才聯合培养，实现专业人才与用人单位的无缝对接。

三、城市地下工程仿真实践教学平台建设

城市地下工程具有体量巨大、施工周期长、参与方多、综合性强、隐蔽性高、危险性大等特点，实验难度大。为了给学生创造更多的实践机会，拓展实验教学，我们加强了校内工程模拟训练。结合实际工程背景，利用专业的仿真模型和软件，构建了城市地下空间工程仿真平台，包括盾构机施工仿真实训系统、地下水模拟实验系统和地下空间工程原位测试仿真系统;建设了地下工程原位测试校内实训基地，开展虚实结合的实践教学模式。

（一）盾构机施工仿真实训系统

盾构机仿真模拟实训装置在教学实践中的应用，突出强化实践教学在学生基本技能和创新能力培养中的作用。盾构施工是一种重要的地下空间工程施工方法，要尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。长沙儒林仪器设备有限公司和我校专业教师共同研发了盾构机施工仿真系统V3.0，该盾构机仿真系统选用泥水式盾构机原型作为制作蓝本，按比例设计加工制作，在外观、尺寸、参数性能上较前期制作的仿真系统有较大改进。盾构机施工仿真实训系统集实训教学、数据采集模拟、三维虚拟仿真、考核培训系统于一体，实现了仿真模拟通过计算机操控演示得到各系统设备运行参数、运行控制、实时数据模拟等功能。盾构机通过布局多处测点位置，安装仪表、传感器等仪器设备与计算机连接，计算机软件界面显示不同时间段数值信号。通过模型操作，学生可以了解盾构机的结构和工作原理，利用动画演示盾构刀盘切削、渣土输送、管片拼装等系列过程，可以提升学生对盾构掘进力学机理和施工技术的理解。

该“教、学、训”一体化仿真系统可实现电脑操控下或手动操作下的仿真模型系统参数和各种运行状况分析;操作训练安全、直观，符合现场工况的仿真，充分保证了学生、学员能获得足够的时间进行高质量“真刀真枪”的实际职能岗位动手技能训练，从而实现与工程实践的“零距离”接触。这在训练学生从事隧道施工设备领域的研究、规划、设计、施工和管理等方面工作基本技能的同时，还可以让学生获得多种故障识辨与处理的锻炼，提高解决实际问题的能力。

（二）地下水模拟实验系统

地下工程设计与施工必须掌握工程场地的工程地质与水文地质条件，以确保设计的合理、施工的安全稳定和经济合理。工程地质与水文地质课程开设了地下水模拟实验。地下水模拟系统包括承压水模拟系统和潜水模拟系统。在实验过程中，可以通过抬高河水的水位来补给承压水，同时以泉、集水廊道和井的形式进行排泄，分析承压水运移规律，让学生更直观地了解承压水。通过测量泉流量，学生可以更清楚地了解天然条件下泉流量的衰减曲线。学生通过实际承压水模拟系统，测绘测压水位线，平均水力梯度与泉流量关系，测绘泉流量随时间变化的衰减曲线，用于分析承压含水层补给与排泄的关系、观测天然条件下泉流量的衰减曲线。学生通过地下水模拟系统，熟悉承压水和潜水模拟系统及其功能，测绘测压水位线，测绘平均水力梯度与泉流量关系曲线，测定泉流量及单井抽水量，测绘泉流量随时间的衰减曲线。

（三）地下工程原位测试模拟系统

原位测试是指在工程现场，在不破坏、不扰动或少扰动岩土体天然结构与状态的情况下，测定特定的物理量，进而评价被测试对象的性能和状态。由于地下工程的隐蔽性、岩土体分布不均匀性与工程性质复杂性，原位测试技术在工程设计和施工中具有极其重要的作用。常用的原位测试方法有平板载荷试验、动力触探试验、标准贯入试验、桩基的高应变和低应变测试等。我校在临近岩土工程实验室的区域，建立了校内地下工程原位测试基地，可开展包括桩基测试、地基平板载荷试验、动力触探试验、静力触探和Evd试验等。我校综合利用校内实习基地和原位测试模拟系统，开展校内工程模拟与校外实战训练，让学生掌握地下工程原位测试与监测技术，通过虚实结合的实践教学，来强化实践能力和工程素养培养。

四、结语

在城市地下空间工程迅猛发展时期，如何顺应社会与行业发展新要求，培养应用型创新人才是我们面临的重要任务。通过对实践教学体系的改革与实践，我们得出如下结论。1.以学生为中心，以学习成果为导向，基于OBE模式构建了具有地方特色的实践教学体系和仿真平台，将校内工程模拟与校外实战训练相结合，有效开展 “实践育人”。2.“三向融通”实践教学平台很好地服务于城市地下空间工程教学和科研。近年来，我校学生在国家级、省、校、院创新创业训练和竞赛中成绩明显提升，获得国家级奖2项、省级奖5项，发明专利36项，发表科技论文18篇，实践能力和创新能力有极大提升。通过“三向融通”实践教学平台和虚实结合教学模式，通过校企深度合作和人才联合培养，我们实现了人才与用人单位的无缝对接。3.实践教学平台对实践教学和人才培养发挥了积极作用。虚实结合的实践资源建设，促进了城市地下空间工程核心课程群的建设。近年来，城市地下空间新专业已建成了4门省级精品资源共享课和3门在线资源课，有效提升了教学效果和人才培养质量。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 戴兵，贺桂城，李春光.城市地下空间工程专业校企联合培养的实践教学体系改革研究[J].教育现代化，2018（6）：47-48+60.

[2] 张军伟，李雪，曲宏略. 城市地下空间工程应用型人才实践教学创新模式研究[J].高教学刊，2018（14）：45-47.

[3] 李富荣.城市地下空间工程专业实践教学体系的构建与创新[J].教育与职业，2014（5）：158-160.

[4] 杨慧，江学良，孙广臣，等.基于实践与创新能力培养的城市地下空间工程专业实践教学体系的改革与实践[J].高校实验室工作研究，2016（2）：3-5.

[5] 闫长斌.城市地下空间工程专业创新型人才培养机制探析[J].高等建筑教育，2015（4）：29-34.

[6] 李丽娟，刘勇健，吴炎海，等.以创新能力为核心的土木工程实践教学体系[J].实验室研究与探索，2015（4）：169-173.

[7] 李涛，任宏伟，刘波，等. 城市地下工程实践教学平台建设[J].实验技术与管理，2019（3）：242-246.

[8] 金利群，胡忠策，汤晓玲，等. 基于OBE 的实验教学示范中心实践教学改革探索：以浙江工业大学为例[J]. 浙江工业大学学报（ 社会科学版）， 2017（2）：227-231.

[责任编辑：陈 明]