隧道工程课程“一体六翼”教学改革研究

鲍先凯，崔广芹，张博华，田志超，张童

（内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古包头 014010）

在我国经济转型的历史背景下，经济发展正在从依赖资源、劳动力向依赖创新人才、应用型人才转型，培养学生成为创新应用型人才成为必然选择。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020 年）》将创新精神和实践能力作为培养人才的重要指标[1]。以本科生教育为主的大学也以培养应用创新型人才为目标，调整学生本科阶段的教学培养计划，提高学生的创新意识和专业实践能力。随着经济的快速发展，土木工程也迎来了快速发展时期，特别是地下空间的开发进入了一个新的阶段[2-3]。

隧道工程是高校土木工程专业的核心课程[4]，课程内容丰富、知识点多，行业规范要求高，其教学具有很强的理论性、实践性、综合性等特点。因此，结合隧道工程课程的特点探讨更为适用的教学体系和教学模式是非常必要的。传统的教学模式主要依赖板书教学，教师、学生互动少，教学方式单一。现今，互联网技术十分发达，开展多媒介、多形态的现代化信息技术教学能够营造丰富多彩的课堂教学环境[5-6]，调动学生上课积极性，提高教学效率。为了加强课堂上教师与学生之间的互动，可采取线上资源和线下教学混合模式教学[7]，分为课前预习、课中学习与课后复习3 个阶段，提高教学效率。除此之外，数值仿真教学[8-9]是突破传统教学模式，用直观、综合、扩展和经济的方式，形象地将隧道围岩应力重分布、掘进过程、衬砌支护等内容展现出来，深入分析隧道工程中材料破坏本质、工程支护和稳定性评价。综上所述，基于隧道工程行业发展趋势和高校教学资源，应采用新思想、新技术、新手段提高教学质量和培养质量。本文提出隧道工程课程“一体六翼”教学模式改革，以培养隧道工程创新型、应用型人才为目标，提高教学效果和人才培养质量，可为相关课程教学改革提供参考。

1 隧道工程课程教学现状

1.1 涉及学科较多，知识面广

隧道工程课程内容不仅包括工程地质学、岩石力学、结构力学、测量学、爆破工程、建筑材料等方面的基础理论知识，还包括隧道施工工艺和辅助施工方法、装渣与运输、初期支护、二次衬砌、监控量测和隧道通风、照明等专业内容[10]，学生在隧道工程课程的学习过程中，感觉课程内容具有较强的零散性和实践性。除此之外，课程还涉及诸多施工技术和施工方法，并且其在工程实践中不断更新调整，特别是近年来国内外诸多地质条件复杂地区大规模开展隧道工程建设，提出了许多新的设计理念和施工方法，这些应用到工程中的新理念和施工方法也需要及时补充到教学过程中。

1.2 具有很强的应用性和实践性

隧道工程施工场地往往较偏远，可供学生选择的实习地点较少，且施工现场作业面狭小、环境恶劣、安全性差，学生很难完成实践任务，开展实践教学困难重重。

1.3 社会需要大量专业型、创新型、应用型隧道工程技术人才

随着我国在“一带一路”沿线国家基础设施项目的大规模兴建，大量设计新理念、新工法、新设备被应用到工程项目中，铁路、公路、城市地铁以及轨道交通等隧道工程领域需要一大批具有扎实理论、实践能力和科研创新能力的隧道工程专业技术人才。高等院校的隧道工程课程教学必须进行探索与改革，以提高创新能力为课程核心，以提高实践能力为出发点，以培养创新、应用型人才为标准，结合隧道工程的特点探讨更为适用的教学体系和教学模式，将学生培养成基础知识牢固、专业能力过硬、拥有创新意识的现代化隧道工程专业技术人才。

2 “一体六翼”教学模式创建

为解决隧道工程课程教学中存在的问题，本文运用现代化教学思想和教学理念，以线上线下全方位教学模式为抓手，以模块化、案例化、先进化、信息化、多样化教学为支撑，以教学质量评价与学生评价为标准，提出“一体六翼”教学改革模式。

“一体六翼”教学改革模式是一种以学生自主学习为主、以教师教学为辅的教学模式，即以提高应用型、创新型的人才培养质量，推进信息化、现代化教学改革为目的，把握信息化教学本质与方向，推动以学生为主导的教育教学改革实践。“一体”是目标主体，“六翼”是“一体”的实现路径，从教学内容模块化[11-12]，理论教学可视化[13-14]，施工事故案例化，教学内容、大纲、讲义、教案与时俱进化，教学方法多样化，教学手段、培养方式先进化6 个方面围绕“一体”协同发展、相辅相成、相互联系、相互促进[15]。

2.1 “一体”

针对当今隧道工程专业对人才需求与课程教学局限性之间的矛盾，提出新形势下的人才培养模式。通过开展隧道工程课程教学的一系列改革，重新构建人才培养模式和教学实践体系，开展新模式下的课程改革和创新，以提高培养人才质量。“一体”指的是以培养“应用创新型人才”为教学目标这一主体。根据新工科发展方向和现行背景下的人才需求，展开科学调查研究和实践论证，进一步确定应用创新型人才应具备的核心能力，将核心能力定义为团队合作意识、创新意识以及实践能力。

2.2 “六翼”

（1）教学内容模块化，培养学生的创新思维。隧道工程课程涵盖了工程中的地质、结构、材料、爆破、机械、施工等多学科、多领域的专业知识，内容丰富，涉及面广。针对课程特点，按照课程内容属性划分成不同模块。例如，将隧道工程课程内容划分为基本概念、隧道勘察选址、隧道建筑设计、隧道结构设计、隧道施工、隧道运营维护与管理6 个模块，学生逐一学习，再将其串联在一起，形成对隧道工程内容的整体认识。除此之外，还要拓展教学内容，将隧道工程课程与其他专业课程相结合，通过交叉内容与其他课程建立联系，有利于学生构建专业知识体系，理解复杂、难懂的专业知识，使其对专业的认知度、理解度得到提升，培养其形成勤于思考、敢于创新的思维。

（2）理论教学可视化，培养学生的理论知识。隧道工程是认识性、实践性强的学科，运用力学理论分析复杂的隧道围岩、衬砌的受力问题，学生很难直观理解围岩、衬砌受力情况。而现场观测和实验室教学也存在诸多问题，现场观测的施工地点较为偏远、环境恶劣、隧道内不能同时进入很多学生，各高校实验室条件不同，教学过程存在很大差异。随着现代计算机技术的普及，运用仿真软件模拟真实的工程概况，将开挖、支护、运营等各阶段围岩和支护结构相互作用的动态过程直观呈现，改变参数，建立不同尺寸、不同围岩类型、支护形式的模型，通过计算机运算得出不同的结果。还可以做预实验，将实验过程通过计算机模拟出来，学生运用理论解释模拟结果，再进行实验室实验，加深对实验过程、实验现象、实验结果的了解，提高对抽象理论的理解程度。为此，可以安排学生课后使用岩土数值分析软件ANSYS、FLAC、MIDAS 等分析具体的工程实例，将上述围岩力学问题通过图片或动画演示的方式直观展现，通过数值仿真技术，将抽象理论可视化，有利于学生理解和掌握抽象理论，提高教学效果。

（3）施工事故案例化，培养学生的实践能力。隧道工程施工对原有的围岩造成扰动，特别是在围岩条件差、地质环境复杂以及存在不良地质体的区域，施工过程中容易引起隧道发生大变形、突泥、突水、岩爆等地质灾害。因此，通过工程案例总结工程经验具有重要意义。传统教学大多仅介绍事故发生的类型和原因，并不会进行深入的剖析。教师应针对性选择贴合教材内容的案例，并搜集案例相关的详细资料，对隧道的选址、水文地质条件、施工方法和支护手段等综合分析后，补充到课程各章节内容中，形成完整、典型的案例。课堂上通过现场照片直观展示隧道塌方、涌水、岩爆等事故特征，然后从地质灾害发生的前、中、后3 个阶段分析设计方、施工方、监理方处理事故的正确做法和不当之处，并引导学生了解相关地质灾害发生时所应采取的处置方法。最后，归纳总结隧道工程在规划选址、勘察、设计、施工等各个阶段应如何规避和处置塌方、岩爆等地质灾害，从而培养学生解决实际工程问题的能力。

（4）教学内容、大纲、讲义、教案与时俱进化，培养学生的应用能力。隧道工程是一门既蕴含深奥的数学、力学理论，又与施工工艺、施工方法等工程实践紧密联系，在工程实践中不断发展的新兴学科。以工程教育认证为标准，规划隧道工程课程的培养目标，教师根据教学内容选用优秀教材，制定符合工程教育认证要求的教学大纲、教学日历、讲义和教案。除此之外，为了保持教学内容的先进性，教师必须紧跟学科发展动态，关注工程中出现的新工艺、新技术、新装备以及新问题，将其引进到课堂教学中，更新教材内容。如将“新意法施工”补充到教学内容中，并以某一实际工程为例，与“新奥法施工”“传统矿山法施工”进行比较和专题讨论。教师在充分掌握教材内容之后，要精心组织教学内容，编写新教案，合理组织教学。教案应对每个教学环节进行精心设计，包括教学目标、教学重点、教学难点、教学过程、教学方法、板书与多媒体设计等内容。同时教师在每个教学环节设立创新点，让学生积极主动学习，动手设计模型，激励学生勤于思考，敢于实践，善于总结，有意识地培养学生创新、实践能力。教师采用科学、艺术的方法设计教学环节，使学生对学习充满兴趣。

（5）教学方法多样化，培养学生的应用、实践能力。在以往的教学过程中，课堂教学往往以教师讲授课本内容为主，再辅以手写板书和PPT 教学，课堂上学生缺乏主动性，只是被动接受知识。为了改变这种状态，应改革原有的教学模式，在课堂上形成教师与学生积极互动的学习氛围，激发学生的学习热情。教师应采用多样化的教学方法，如启发式、案例式、实践式、讨论式、研究式、软件仿真模拟实验教学等,培养学生的思考能力和创新性思维。例如，通过详细讲解课程的重点和难点问题，引入重点工程案例，如港珠澳大桥沉管隧道，引导学生对问题进行深入思考、分析；在课堂上加入讨论环节，让学生课前上网查找、图书馆查阅资料、课上积极参与讨论、课后总结归纳，教师和学生在互动中解决问题，激发学生的学习热情，提出工程中遇到的新问题、新发现，培养学生的创新意识，提高学生的自主学习能力。在讲授隧道施工方法时，针对情况复杂、危险的施工过程，由于施工场地偏僻、环境差，学生无法详细了解并实际参与施工过程，可通过引进多种工法的隧道工程施工虚拟仿真实验教学平台，提高实验教学质量和实践育人水平。

（6）教学手段、培养方式先进化，培养学生的应用、创新能力。考虑到隧道工程课程的特点，在教学手段上，以提升学生自主学习能力、创新意识、实践能力为目标，突出学生为主体、教师为主导的原则，推动了线上、线下教学相结合、专业性与创新性结合、线上与线下的评价反馈相结合的混合式课程教学手段。线上教学，教师将按照教学大纲要求，讲解各章节知识点，并将其录制成视频文件，作为线上教学的基本课件。同时，为丰富教学资源，教师推荐优秀网课资源，如慕课MOOC、网易公开课等，或是采用现场录制的教学视频、PPT 课件、思维导图、重难点讲解、仿真动画、思政故事等内容。教师线上主要是引导学生自主学习，学生在课前预习、课后总结、测试以及实时评价反馈，并在线提出问题，与教师进行讨论。线下课堂教学除教师通过传统板书讲授理论知识外，学生在课堂上将自主学习遇到的问题及时反馈，教师及时调整授课侧重点，解决学生自主学习遇到的重难点问题。教师线下组织学生分组探讨学习过程中遇到的问题，并对章节内容梳理总结，绘制思维导图。

另外，可以科研促进教学。学校重视学生科研活动，每年选拔优秀本科生参与到教师的科研项目中，引导学生查阅文献、搜集、整理资料，提出问题，启发学生独立思考和解决问题，为本科生提供良好的科研训练机会；将教师的最新研究成果引入课堂教学，通过引入相应领域的前沿知识提高学生的创新意识；将学生课程设计、毕业设计、生产实习等教学环节与教师科研相结合，为学生提供更好的学习平台，为培养应用创新型人才提供有力支撑。

3 结束语

在隧道工程课程教学中，应积极采用“一体六翼”教学模式，通过实现教学内容模块化，抽象理论可视化，施工过程案例化，教学内容、大纲、讲义、教案与时俱进化，教学方法多样化，教学手段、培养方式先进化6 个方面，增强课堂教学的趣味性，使学生上课时注意力集中、缺课次数减少、学习积极性增强、理论基础扎实，同时还具备较强的工程实践分析能力和创造性思维能力，形成学生自主学习、教师辅助教学的良好氛围，将学生培养成具备创新意识、合作意识和实践能力的适合社会需求的创新应用型人才。