城市地下工程课程试验教学改革与创新

李涛　任东伟　吴雨停　刘波　侯公羽

摘  要：根据工程专业育人特点，进行育人、育才、知识、能力相统一的目标设定，在研究型本科教育理念为先导的教育教学体系基础上，运用以PBL项目教学为引导的CDIO教学模式，将社会主义核心价值观、开拓创新、安全第一、沟通协作等思政元素与专业知识教学相结合，创新改革北京市精品课程城市地下工程课程试验内容。经实践证明，学生的试验能力与协作水平有效提高，正确的价值观、世界观得以塑造，为今后土木相关专业课程试验思政实践教学提供思路。

关键词：课程试验；课程思政；试验改革；PBL项目教学；CDIO教学模式

中图分类号 G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）18-0041-07

Abstract： According to the characteristics of engineering professional education， it has carried out the goal setting of unifying education， talent， knowledge and ability， and on the basis of the education and teaching system with the concept of research-oriented undergraduate education as the forerunner， it has applied the CDIO teaching mode guided by PBL project teaching， combined the ideological and political elements such as socialist core values， pioneering and innovation， safety first， communication and collaboration with professional knowledge teaching， and innovated and reformed the experimental content of the course of Urban Underground Engineering， a boutique course in Beijing. It has been proved that the students' experimental ability and collaboration level have been effectively improved and their correct values and worldview have been shaped， which provides ideas for future experimental thinking and political practice teaching in civil engineering-related courses.

Keywords： curriculum experiment; curriculum ideology and politics; experimental reform; PBL project teaching; CDIO teaching mode

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出：“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面。[1]”在创新驱动发展、新工科等国家重大战略的实施以及地方产业转型升级的背景下，一批以新技术、新模式为特点的新兴产业迅速发展起来，也对工科教育提出了新理念、新结构、新模式、新质量和新体系等要求[2]。这也导致不同学科之间以及学科内部交叉融合日益增强，文理渗透越发广泛和多元，专业的边界也逐渐模糊弱化[3]。因此，在过去几年新工科人才培养的实践中，传统的以学科为中心的教育模式逐渐转变为将理论与实践相结合，采用以问题为导向的人才培养模式，将正确的价值观与专业知识相结合，引导学生正确、理性地认识与分析问题。

城市地下工程是一门理论与工程实际相结合、多学科交叉、应用性很强的课程，本课程试验则是课程教学重要组成部分。以往的课程试验教学大多采用讲授式教学，教学方式单一且陈旧，学生对试验教学重视不够，实际操作机会少，导致理论难以与实践相结合，教学效果难以达到预期目标。为提高教学质量及学生学习效果，满足新工科背景下的行业需要，必须对原有的课程试验教学模式进行改革。基于此，根据课程试验自身特点以及实际工程应用情况，通过融入了思政元素的构思—设计—实施—运行（CDIO）和基于问题/项目的学习（PBL）的教学模式，对试验的教学方法、教学内容进行了改革与创新，使学生在夯实理论基础，提高创新能力和工程能力的同时，也得到了更为深刻的思政教育，极大改善了课程试验的教学效果。

一  基于“CDIO+PBL”的教学模式改革

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育广泛采用和普遍接受的教育模式之一，是指以产品生命周期的四个环节——构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operation）作为代表性的四个教育和实践训练环节，以实践的形式将各门课程有机联系在一起，鼓励学生以主动的方式学习工程知识。

PBL 教学模式是一种“以问题/项目为基础的学习”教学模式。强调学生把学习设置到复杂的、有意义的问题情景中，通过学习者查阅资料、自主探究和交流合作，在分析、识别以及解决问题的过程中将学科相互关联，深入学习问题背后的知识，着重培养学生的创新思维和团队精神等综合能力[4]。这两种教学模式，都非常适合城市地下工程这类实践性、应用性较强的学科。

国外专家艾德斯特伦（Kristina Edstrom，瑞典皇家理工学院教授）和科莫斯（Anette Kolmos，丹麦奥尔堡大学工程科学领域教授）指出PBL 和CDIO 是对工程专业实践的两种回应，在许多方面是重叠互补的。基于此，城市地下工程课程试验将上述两种教学模式有机结合，实现“CDIO+PBL”的一体化教学培养模式，以城市地下空间工程专业国家新工科研究与实践项目，以及城市地下空间工程国家级一流本科专业、北京市高精尖学科、北京市重点建设一流专业等建设项目为基础（PBL），在课程实践教学环节，组织学生参加创新性试验，通过设计、构思、实施和运作（CDIO）课程试验，使学生初步了解、掌握科学研究过程与试验方法，提高学生的专业知识与动手实践能力，并在各个教学环节中潜移默化地融入课程思政元素，使学生在专业知识与思想素质方面齐头并进，推动培养研究型大学生，达到如图1所示的课程教学目标。

二  基于思政元素的教学内容改革

在新工科背景下，实践教学体系的探索性和工程设计、研究性试验越来越得到大家的重视[5]。在学校研究型本科教育理念为先导的本科教育教学体系基础上[6]，重新梳理了城市地下空间工程专业实践教学环节，明确专业核心基础课课程试验为重点建设内容。依托学校深部岩土力学与地下工程国家重点试验室，以及校企联合城市地下空间工程试验室，建立了“以工程案例教学、科研创新训练和自主试验”的实践创新试验平台[7]。如图2所示，课程试验依据“CDIO+PBL”的一体化教学培养模式，以国家重点试验室为依托，精选试验教学项目；以工程项目为载体，提出工程案例问题；以师资建设为保障，合理分组布置任务，引导学生小组结合问题/项目进行探索性试验训练，激发学习兴趣。在知识传授的同时，也将专业教育与思政教育紧密结合，并从以下四方面将思政元素融入试验环节。

（一）  安全第一

近年来，因试验室安全事故时有发生，造成了巨大的人才损失和财力损耗。试验室安全体系建设作为高校建设的重要组成部分，除了严格遵守试验室各项规定外，还需对学生进行安全教育，树立安全第一的理念[8]。对于本科生而言，安全培训宜不落窠臼，应以更有意义的方式引入学生的课程之中，以免“许多大学生会错误地认为，安全技术培训是一种制度规定的麻烦[9]”。

（二）  沟通协作

城市地下工程专业应用性强，知识覆盖面广。为提高学生的沟通协作能力，建立了师生之间沟通渠道，鼓励教师在言传身教中实现立德树人[10]。在“CDIO+PBL”一体化教学的培养模式下，针对工程项目问题及知识难点，将学生分成若干个小组进行讨论交流、案例模仿。教师根据学生在过程中遇到的疑难问题，进行知识点的讲解，通过解决实际工程问题调动学生的积极性，形成活跃互动教学模式，引导学生合作解决问题。学生以工程项目/问题为基础（PBL）来解决课程试验难题，实现了理论与实践的有效融合，继而提高学生的学习力、思考力、专业实践能力和团队沟通协作能力。

（三）  开拓创新

新工科背景下培养研究型人才和创新型人才，是满足新经济快速发展的迫切需要[11]。学校秉持培养研究型大学生的教学理念，建立并完善了本科生导师制度，积极鼓励本科生参与创新自主试验[12]。在城市地下工程实践教学平台的基础上，开展关于城市地下工程的物理模拟试验，学生从查阅文献开始，以小组为单位亲自动手试验，从实用性、经济性、适应性等方面探讨方案的可行性，制定出合理可行的技术路线，明确项目目标或在已有施工方案的基础上，结合所学知识进行方案优化，探索试验规律，发现新的科学现象，培养学生团队创新精神及分析解决实际问题的能力。此外，中国矿业大学（北京）还积极开展国际交流合作，定期开展专家讲座，学生可通过多种渠道了解国内外前沿知识和最新研究方向，开阔视野，提高创新思维和工程能力。

（四）  社会主义核心价值观

在教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》中明确指出，“要紧紧围绕坚定学生理想信念，以爱党、爱国、爱社会主义、爱人民、爱集体为主线，围绕政治认同、家国情怀、文化素养、宪法法治意识、道德修养等重点优化课程思政内容供给[13]”。加强学生社会主义核心价值观建设，不仅是新时代中国特色社会主义的需要，也是党和国家民族后继力量的重要保证。教师作为思政教学的执行者与推动者，通过言传身教的方式把社会主义核心价值观层次递进地融入城市地下工程课程试验中，并以专业知识为引导，结合我国城市地下工程领域卓越工程科技人才爱国、敬业、诚信、友善的个人事迹，给学生树立行业榜样，提升学习动力；引导学生通过小组试验，分工合作，逐渐自觉将个人融入集体，培养家国情怀，为国家的富强、民主、文明、和谐，社会的自由、平等、公正、法治而努力奋斗。

基于思政元素的教学内容改革，旨在对学生进行工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面的城市地下工程人才培养，使学生掌握专业基础科学、核心工程基础和高级工程基础等知识体系，具备工程推理与问题解决技能、试验探索与知识发现技能、人际交往技能、系统思维、团队合作与沟通能力，以及在企业中设计、构思、实施和运作（CDIO）的工程能力，同时增强学生对我党的政治认同、思想认同、情感认同，培养遵纪守法、爱岗敬业、无私奉献、诚实守信、公道办事、开拓创新的职业品格和行为习惯。

三  基于“CDIO+PBL”的课程试验思政教学案例

（一）  试验工程项目背景

神华某矿区斜井总长度为6 314 m，斜井坡角为6°，其中斜井井口205 m采用明挖法施工，TBM施工段长度为6 109 m，采用具有土压平衡功能的单护盾TBM掘进，并用单层装配式衬砌进行支护，衬砌管片环宽1.5 m、厚350 mm，每环分别由7片组成，包括一片封顶块、2块邻接块、3块标准块和1块仰拱块，块与块之间采用14根M24的环向弯螺栓链接，环与环之间采用16根M24的纵向弯螺栓链接。管片混凝土采用C40高性能混凝土，钢筋采用HPB300、HRB335级，矿区地层分布及TBM斜井位置如图3所示。本课程试验以上述实际工程项目作为基础学习，进行隧道支护系统稳定性的相似模拟试验研究。

（二）  思政教育元素的教学实施过程

基于实践创新试验平台，精选试验项目，构建了隧道掘进支护系统稳定性研究课程试验。试验时，分为“工程项目分析”“相似模拟试验方案设计”“材料配比与模型制作”“材料铺设与设备安装”“隧道开挖与数据监测”“试验报告与学习评价”6个环节。针对各试验环节，将“社会主义核心价值观”“理论联系实际”“开拓创新”“碳中和”“团结协作”等元素融入教学内容，达到育人、育才、知识、能力相统一的教学目标，试验过程如图4所示。

1  工程项目分析

在试验实施前，教师依据上述教学素材，向同学们介绍实际工程项目的基本情况，对TBM施工方法进行详细讲解，提出工程案例问题“隧道开挖过程中，围岩位移和衬砌应力会如何变化？”学生基于“CDIO+PBL”的一体化教学培养模式，合理分组自主查阅资料，强化知识内容，以问题为基础，对所给的工程项目进行构思分析，小组合作制定课程试验计划。在设计过程中，教师以我国地下工程技术发展为切入点，介绍学校谢和平院士、何满潮院士，以及学校城市地下工程陶龙光教授等在我国岩土工程领域取得的丰硕成果[14]，为学生树立行业榜样，并引入我国地下工程理论与建造水平位于世界前列的行业现状，增强学生专业自豪感和民族自信心，提高学习积极性与爱国情怀，进而着重进行学生社会主义核心价值观建设和国家使命感的培养。

2  相似模拟试验设计

传统的课程试验主要是“填鸭式”教学，学生从固定的试验方案获得确定的试验结果，使得学生在试验设计环节参与度低，缺乏对试验本身的思考。针对这种情况，依托学校城市地下空间工程专业创新试验平台（图5[4]），加入相似模拟试验设计，学生小组通过初步构思后，结合建筑材料、土力学、岩石力学等课程知识，查阅工程质量相关规范，根据工程实际需要对相似模型材料及配比、衬砌模型拼接、土压力盒布置等环节进行设计，并依据规范确定不同检测项目的检测频率、数量、位置等内容， 以及所需要的检测仪器设备，出具一份完整的试验设计方案。教师根据方案内容检查各学生小组设计环节的准确性和适用性，给予了学生一定程度的试验自由度，从而把固定内容的课程试验，转变为大胆构思、小心求证的试验，有效激发学生对试验课的创新精神和探究意识。学生也通过创新训练，深刻理解施工过程，探索试验规律，发现新的科学现象，培养解决实际工程问题的能力。

3  材料配比与模型制作

以优秀学生小组设计阶段的计算成果为例，试验中围岩相似材料为砂、水泥、石膏等的混合料，按配比9∶3∶7进行配制，水用量为相似材料总重的10%。模拟衬砌管片厚度为14 mm，环宽为60 mm，采用水膏比为1∶2.5的石膏进行模拟。材料配比中，教师全程参与指导，要求学生严格根据材料配比精准计算石灰、砂子、石膏及水的用量，切不可以敷衍了事、拼凑数据，培养学生严谨认真和诚实守信的试验态度。

“善之本在教，教之本在师”，教师作为教育的引导者与推动者，还应秉持认真的教学态度，以学生为中心，加强教师身教示范。模型制作前，教师与学生共同整理模型台，对模型台和前后支护模板进行清理，并准备好固定模板所使用的螺栓，检查设备的安全性。模型制作中，强调科学试验诚信的重要性，引导学生将实事求是的科学态度与坚持不懈的钻研精神贯穿于试验环节，陪同指导学生按照实际角度采用模具进行分片制作，以求模拟出实际工程中隧道支护的真实情况。在教师严谨的教学风格影响下，学生得以树立正确的价值观，进而为社会的自由、平等、公正、法治而努力奋斗。学生小组设计制作的衬砌模型图如图6所示。

4  材料铺设与设备安装

城市地下工程课程试验教学，不仅要帮助学生构建专业知识体系，还要着重提升学生的创新思维能力。教师以“问题”作为教学出发点，把“问题”作为基本要素来组织教学，用“问题”贯穿整个教学环节[15]。在相似材料铺设前，老师先提出问题，分析讨论后，再进行实施。例如，“由于分层填筑材料速度较慢，会出现硬化现象，有什么方法能改善相似材料铺设的问题？”在思考讨论后，教师进行针对性指导，培养学生分析、联想、逆向和发散等创新思维能力。在相似材料填筑过程中，通过回顾课堂教学，付之于行动。该环节培养学生的思维与动手能力。

5  隧道开挖与数据监测

教师需向学生讲授各种安全知识及风险防范措施，强化学生的法治观念，带领学生开展相关趣味性的安全知识教育活动。试验过程中，教师要全程参与指导，在学生使用电锤开挖，或使用仪器进行采集数据这类可能存在安全风险的试验操作时，指导并提醒学生严格按照安全规程进行试验，若仍发现学生有违规试验行为，应及时指出批评教育，从而引导学生树立安全意识，培养学生守信、负责的行为习惯。与此同时通过地下隧道开挖碳排放的计算方法等学科前沿，与学生探讨我国城市地下空间工程“碳中和”的目标，引导学生践行绿色工程的理念，将可持续发展理念与城市地下工程的建设相联系，减少碳排放量高的材料使用，优化施工方案，为城市地下工程行业良性发展以及国家的富强、民主、文明、和谐作出贡献。

6  试验报告与学习评价

传统的教学评估方式无法正确评估学生的学习效果，课程试验采用“CDIO+PBL”的教学理念，对学生的设计思路、实践以及团队协作等方面进行全方位的综合考核评估。成绩的评定标准由试验方案设计、试验过程及结果、团队合作和知识运用等方面组成（图7），总体可分为过程性评价和试验报告评价。

过程性评价主要依据项目实施过程中的合作态度、合作意识、合作方法和试验设备安全操作等情况。过程性评价方法可以帮助学生减轻考核压力，使学生更专注于知识理解与应用。而试验报告评价则培养学生团队协作与写作能力，提高学生参与合作学习的积极性、主动性，提高沟通能力，进而融会贯通课程试验知识，真正做到评价促进发展，实现育人、育才、知识、能力相统一的思政教学目标，推动培养研究型本科生。

四  结束语

在新工科建设新时代，在城市地下工程实践创新平台基础上，对城市地下工程课程试验进行了创新与改革，基于“CDIO+PBL”的一体化教学培养模式，发掘和利用课程试验教学中蕴含的思政元素和德育元素，提出育人、育才、知识、能力相统一的思政教学新目标。以隧道掘进支护系统稳定性研究课程试验教学为例，探讨了专业教育与思政教育相融合的试验内容改革路径。经教学实践，该课程试验使本专业学生从更深层次掌握专业知识，在价值观建设、创新能力、协作水平、分析和解决实际工程问题等方面得到极大提升，切实提高试验教学质量，为新工科背景下所需要的创新型和研究型人才培养发挥了重要作用，也为今后土木相关专业试验课程教学提供参考思路。

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[14] 陶龙光，刘波，侯公羽.城市地下工程[M].2版，北京：科学出版社，2011：3-8.

[15] 顾晓英.基于问题解析的思想政治理论课教学方法研究[J].学校党建与思想教育，2016（4）：32-34.

基金项目：北京高等教育“本科教学改革创新”项目“坚持立德树人，构建城市地下空间工程卓越人才培养体系”（2019020）；中国矿业大学（北京）“本科教学改革创新”项目“面向学生能力培养的课程多元化考核研究与应用”（202023）；中国矿业大学（北京）本科教育教学改革与研究重点项目“智能建造专业多学科交叉融合人才培养与实践教学建设”（J24ZD09）

第一作者简介：李涛（1981-），男，汉族，河南新郑人，工学博士，副教授，博士研究生导师。研究方向为城市地下工程方面的教学和科研。