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軌道交通時(shí)代隧道工程課程教學(xué)改革與創(chuàng)新路徑探究
——以浙江工業(yè)大學(xué)為例

2019-02-11 04:18
關(guān)鍵詞:軌道交通隧道工程

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

軌道交通是城市持續(xù)發(fā)展的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施,完善軌道交通網(wǎng)絡(luò)勢在必行,作為軌道交通最主要組成部分的地鐵隧道向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展,其設(shè)計(jì)工藝、施工技術(shù)和機(jī)械設(shè)備不斷更新,隧道建設(shè)對(duì)高端人才的要求也日益劇增。而我國高校隧道工程高級(jí)專業(yè)人才的培養(yǎng)模式相對(duì)滯后,不能滿足隧道工程建設(shè)對(duì)高層次創(chuàng)新人才的需求[1]。本文結(jié)合浙江工業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)踐,從不同視角剖析隧道工程課程在軌道交通中的重要作用和教學(xué)改革的必要性,再以隧道工程專業(yè)人才供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為基線,論述課程體系、教材內(nèi)容、傳統(tǒng)教學(xué)模式、支撐性教學(xué)平臺(tái)、實(shí)踐性教學(xué)和工程素質(zhì)培養(yǎng)等隧道工程課程的教學(xué)困境,進(jìn)而從構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心、信息化教學(xué)平臺(tái)、科研反哺與引領(lǐng)教學(xué)以及基于隧道工程特點(diǎn)的實(shí)習(xí)改革等方面,探討軌道交通時(shí)代隧道工程創(chuàng)新性教學(xué)。

一、隧道工程課程的重要作用

(一)軌道交通是城市重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施

城市化水平的高低已成為現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。新中國成立以來,我國城市化進(jìn)程在經(jīng)歷了低速、波動(dòng)、停滯階段后,目前已步入穩(wěn)定快速發(fā)展階段。我國設(shè)市城市已由建國伊始的130多座增至目前的近1 000座,城市化水平由原來的11%提高到目前的60%左右。西方國家的城市化進(jìn)程是經(jīng)過幾百年的歷程,而我國要在幾十年達(dá)到這種水平,加大了城市交通的壓力,必須建立與其相適應(yīng)的城市交通體系。軌道交通是城市重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施之一,其中隧道是軌道交通的重要組成部分。隧道工程是完善城市軌道交通體系不可缺少的核心和關(guān)鍵工程,其一般修建在城市人口高度密集的中心商業(yè)區(qū),可有效緩解城市中心區(qū)交通壓力,減少地面交通產(chǎn)生的噪聲、尾氣等污染,是城市綠色交通的最佳方案。

(二)隧道工程專業(yè)人才是教學(xué)改革的基線

我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中隧道工程日益增多,城市地鐵隧道呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化快速發(fā)展趨勢,對(duì)隧道工程技術(shù)人才的業(yè)務(wù)素質(zhì)要求也越來越高。隧道工程專業(yè)人才的培養(yǎng)已遠(yuǎn)不能滿足工程建設(shè)的需求。結(jié)合浙江工業(yè)大學(xué)近五年來隧道工程專業(yè)本科生就業(yè)情況進(jìn)行調(diào)查,對(duì)2013—2017年行業(yè)需求、畢業(yè)生就業(yè)去向及變化趨勢做出分析和判斷。首先是社會(huì)對(duì)隧道工程設(shè)計(jì)人才的需求呈逐年上升趨勢,而在設(shè)計(jì)單位就業(yè)的本科畢業(yè)生則呈逐年下降的趨勢(見圖1a)。其次是表明2013年至2016年施工管理需求人數(shù)逐年上升,2017年略有下降,而在施工管理企業(yè)就業(yè)的學(xué)生人數(shù)則呈先上升后下降的趨勢(見圖1b)。最后是表明讀研和在非本專業(yè)就業(yè)學(xué)生人數(shù)呈逐年上升趨勢(見圖1c)。還有在各方向需求及就業(yè)圖中的曲線走向,呈現(xiàn)了一個(gè)變化過程(見圖1d)。這四組圖在一定程度上表明高校培養(yǎng)的學(xué)生已不能適應(yīng)隧道工程的設(shè)計(jì)和管理專業(yè)需求,需要改變目前的教學(xué)培養(yǎng)方案和教學(xué)模式。

(a)設(shè)計(jì)需求和就業(yè)

(b)施工、管理需求和就業(yè)

(c)讀研及其非本專業(yè)就業(yè)

(d)各方向需求及就業(yè)

二、隧道工程課程的教學(xué)困境

(一)課程體系和教材內(nèi)容的不完備

隧道工程是土木工程一級(jí)學(xué)科下設(shè)專業(yè),課程體系設(shè)置沿襲一級(jí)學(xué)科專業(yè)培養(yǎng)模式,其專業(yè)課程也只有隧道工程(32學(xué)時(shí))、巖石力學(xué)與工程(32學(xué)時(shí))、檢測技術(shù)(16學(xué)時(shí))3門,總學(xué)時(shí)也僅有80學(xué)時(shí)。隧道工程是一門多學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科,要求學(xué)生有巖石力學(xué)、土力學(xué)、施工技術(shù)方面的理論知識(shí)儲(chǔ)備?,F(xiàn)行的課程體系設(shè)置給予隧道工程的課時(shí)少﹑而要講的內(nèi)容多。現(xiàn)有隧道工程教材內(nèi)容主要沿襲我國70—80年代相關(guān)教材,反映出對(duì)隧道設(shè)計(jì)的全新理念和最新施工技術(shù)的內(nèi)容未能及時(shí)在教材中體現(xiàn),造成理論和實(shí)踐的脫節(jié)[2-3]。總體而言,模塊化專業(yè)課程設(shè)置體系的不完整,現(xiàn)有教材內(nèi)容遠(yuǎn)落后于隧道工程實(shí)踐,以及生產(chǎn)工藝發(fā)展的進(jìn)程,都嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐能力。因此,以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向,以培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)為載體,構(gòu)建并完善隧道工程專業(yè)課程體系,更新教材內(nèi)容是培養(yǎng)軌道交通高級(jí)專業(yè)人才的基礎(chǔ)。

(二)支撐性教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的不優(yōu)先

軌道交通時(shí)代城市地鐵隧道最顯著的特征是高度復(fù)雜化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化,要求學(xué)校培養(yǎng)的人才是兼具“KAQ”(知識(shí)、能力、素質(zhì))的復(fù)合型隧道工程建設(shè)人才,以往的理論教學(xué)為主,實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔人才培養(yǎng)模式遠(yuǎn)不能滿足適應(yīng)這一需求。必須借助省部級(jí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、工程中心鍛煉學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力,提高實(shí)踐技能,培養(yǎng)工程素養(yǎng);另外,利用虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心和互聯(lián)網(wǎng)信息資源教學(xué)數(shù)據(jù)庫來拓展學(xué)生的專業(yè)視野,全面系統(tǒng)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。但學(xué)校與軌道交通相關(guān)的試驗(yàn)室偏小而分散,由相互關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)的隧道工程、巖土工程和道路工程試驗(yàn)室組成,各試驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不夠配套或陳舊。此外缺乏虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和互聯(lián)網(wǎng)信息資源教學(xué)數(shù)據(jù)庫這些教學(xué)支撐性平臺(tái),造成培養(yǎng)的學(xué)生無法適應(yīng)大交通時(shí)代網(wǎng)絡(luò)化隧道工程建設(shè)的后果。

(三)實(shí)踐性教學(xué)和工程素質(zhì)培養(yǎng)不到位

強(qiáng)化工程實(shí)踐是提高工程類專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要方法之一,隧道工程作為軌道交通、地下工程、交通土建方向的專業(yè)核心課程,工程現(xiàn)場的“實(shí)戰(zhàn)演練”和實(shí)習(xí)是該課程教學(xué)過程中不可缺少的環(huán)節(jié),也是培養(yǎng)卓越工程師,提高學(xué)生工程素養(yǎng)的必然要求。目前浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院學(xué)生實(shí)習(xí)采用“校外分散與集中”相結(jié)合的模式,整體效果欠佳。其原因:一是學(xué)生多,適宜的實(shí)習(xí)基地有限,實(shí)習(xí)過程難于管理,造成生產(chǎn)實(shí)習(xí)流于形式。二是實(shí)習(xí)和實(shí)踐活動(dòng)期間,學(xué)生處于校企管理的模糊地帶,難以真正深入到隧道工程建設(shè)的各個(gè)具體環(huán)節(jié)中去,得不到完整、系統(tǒng)的實(shí)踐鍛煉,學(xué)生也難以體會(huì)到所學(xué)的理論知識(shí)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、施工等工程實(shí)踐活動(dòng)的重要性。實(shí)踐性教學(xué)效果差,學(xué)生專業(yè)理論知識(shí)應(yīng)用于工程的能力薄弱,不能將所學(xué)的知識(shí)和工程實(shí)際密切結(jié)合起來,最終導(dǎo)致工程類專業(yè)畢業(yè)生的工程素養(yǎng)不足,難以在本專業(yè)領(lǐng)域有良好的發(fā)展,并缺乏在該專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。

三、軌道交通時(shí)代隧道工程的教學(xué)創(chuàng)新

(一)吸收國際工程教育的先進(jìn)理念(OBE)

軌道交通是大交通時(shí)代城市交通現(xiàn)代化、智慧化、復(fù)雜化和網(wǎng)絡(luò)化的必然發(fā)展過程,與之相應(yīng)的專業(yè)化人才培養(yǎng)必須突破傳統(tǒng)的教學(xué)思維模式,吸收國際工程教育的先進(jìn)理念(OBE),構(gòu)建以隧道工程為核心課程的專業(yè)課程體系,并按照各專業(yè)課程自身的工程邏輯規(guī)律,配置模塊化教學(xué)資源。就隧道工程課程而言,結(jié)合其理論、試驗(yàn)、監(jiān)測和工程實(shí)踐模塊配置相應(yīng)的最新理論、虛實(shí)(虛擬仿真和物理模型)試驗(yàn)、典型監(jiān)測案例等教學(xué)資源,更新其教學(xué)內(nèi)容,將國際上最新的隧道工程設(shè)計(jì)理念、施工技術(shù)和工藝等豐富到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中去。綜合運(yùn)用校企聯(lián)動(dòng)式、科研合作提高式等多種教學(xué)方法和手段,在將知識(shí)傳輸給學(xué)生同時(shí),培養(yǎng)學(xué)生自我獲取專業(yè)知識(shí)的能力,使學(xué)生養(yǎng)成良好的工程素養(yǎng),逐步達(dá)到大交通時(shí)代對(duì)軌道交通建設(shè)人才國際化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化的要求。改革作業(yè)形式,依托我國軌道交通時(shí)代眾多在建的大型、超大型隧道工程建設(shè)項(xiàng)目,提煉課題,凝練題目,布置“大作業(yè)”。這種具有項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)性的具有研究和探索性質(zhì)的“大作業(yè)”的完成,全方位鍛煉了學(xué)生的能力,使學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識(shí)得到鞏固,為今后從事專業(yè)技術(shù)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)??己嗽u(píng)價(jià)機(jī)制創(chuàng)新是教學(xué)模式改革得以順利實(shí)現(xiàn)的保證,加大復(fù)雜大型隧道工程“大作業(yè)”考核力度,如試卷考試占30%,學(xué)習(xí)態(tài)度占10%,平時(shí)作業(yè)占20%,試驗(yàn)考核占10%,團(tuán)隊(duì)合作完成“大作業(yè)”占30%,就是一種較好的考評(píng)機(jī)制,可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,激勵(lì)學(xué)生求真、求實(shí),對(duì)提高學(xué)生綜合工程素質(zhì)和解決實(shí)際工程問題的能力大有裨益。

(二)構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心和信息化教學(xué)平臺(tái)

隧道工程系列課程教學(xué)中,應(yīng)盡快改變傳統(tǒng)的、落后的教學(xué)模式。虛擬仿真已經(jīng)滲透到全社會(huì)的各行各業(yè),浙江工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心,也稱BIM技術(shù)中心,是建筑信息化的重要載體,集成了設(shè)計(jì)、施工、管理的最新理念、技術(shù)和方法。高度復(fù)雜化、網(wǎng)絡(luò)化的城市地鐵隧道設(shè)計(jì)離不開信息化、智能化的設(shè)計(jì),軌道交通時(shí)代的智慧化隧道工程建設(shè)離不開BIM技術(shù)(Building Information Modeling),地鐵隧道工程的規(guī)劃、選線、地質(zhì)勘探、區(qū)間隧道和站廳空間開挖施工、襯砌支護(hù)、防排水、通風(fēng)和照明、軌道的設(shè)計(jì)施工、與地面交通網(wǎng)絡(luò)的銜接,無一例外,均離不開城市交通BIM技術(shù)。再如基于現(xiàn)代GPS全球定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示隧道掘進(jìn)的位置信息,對(duì)隧道交叉貫通施工中的高程和坐標(biāo)放樣非常有用。另外,爭取多方資源,與國際國內(nèi)知名科研院所和大型地鐵建設(shè)企業(yè)合作,加快虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè),是提高隧道工程系列課程教學(xué)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)高校一流軌道交通人才培養(yǎng)的根本所在。需要整合試驗(yàn)資源,全方位升級(jí)實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備,并爭取省部級(jí)工程試驗(yàn)中心[4]。信息化時(shí)代顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)模式,使學(xué)生獲取知識(shí)的渠道更多。學(xué)校應(yīng)將各種碎片化的教學(xué)資源整合、梳理、歸納、分類,建立統(tǒng)一的隧道工程系列課程信息化教學(xué)平臺(tái)、試驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)踐平臺(tái),學(xué)生可利用這些平臺(tái)可合作完成隧道工程的設(shè)計(jì)題目,教師也可通過信息化平臺(tái)及時(shí)給學(xué)生打分評(píng)價(jià)并反饋,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

(三)實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新的“反哺”與引領(lǐng)

教學(xué)和科研是推動(dòng)高??焖侔l(fā)展,實(shí)現(xiàn)質(zhì)變和邁向高水平一流大學(xué)的兩翼,社會(huì)服務(wù)則為大學(xué)持續(xù)高速發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力[5]。將科研平臺(tái)集聚的儀器設(shè)備和師資等豐富的優(yōu)勢資源轉(zhuǎn)化為教育資源,將科研項(xiàng)目融入到實(shí)踐教學(xué),以科研成果反哺教學(xué),以國家科技攻關(guān)和重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的前瞻性、先進(jìn)性引領(lǐng)教學(xué),是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的一流專業(yè)技術(shù)人才的保證[6]。具體到浙江工業(yè)大學(xué)隧道工程系列課程的教學(xué),教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合國家級(jí)科研項(xiàng)目——大型地鐵隧道三維物理模型試驗(yàn),引領(lǐng)學(xué)生參與到地鐵隧道模型設(shè)計(jì)、制作、儀器埋設(shè)、數(shù)據(jù)采集、三維仿真模擬計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和安全評(píng)價(jià)等各個(gè)研究環(huán)節(jié)。使學(xué)生對(duì)地鐵隧道建設(shè)的全過程有深刻的認(rèn)識(shí)和了解,從中掌握隧道工程的設(shè)計(jì)理念和方法,學(xué)習(xí)施工技術(shù)工藝流程,提高對(duì)各類儀器的基本操作能力,了解各監(jiān)測項(xiàng)目的目的、意義,學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)采集和分析處理方法[7]。同時(shí)通過科研全過程,培養(yǎng)學(xué)生的的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、一絲不茍的科研精神。

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