于嘯波，王志兵，李善梅，肖桂元

（桂林理工大學(xué) 廣西 桂林 541004）

為了提高大學(xué)生個性化發(fā)展的可能性以及解決實際問題的能力，壓縮了大學(xué)課程授課學(xué)時，將時間自主權(quán)更多地交與學(xué)生。為了適應(yīng)課時壓縮，授課計劃得到了精簡，將知識點劃分為核心與非核心知識點，保留核心知識點，刪去難度過大以及實際工作中運(yùn)用頻率過低的非核心知識點[1-2]。教學(xué)手段在教師說教模式基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了學(xué)生課前預(yù)習(xí)―課堂提問―教師解答型的“翻轉(zhuǎn)課堂”[3-4]，借助雨課堂等數(shù)字化平臺實現(xiàn)教學(xué)—評價—調(diào)整教學(xué)的動態(tài)教案模式[5-6]，強(qiáng)調(diào)課堂互動的分組討論式等教學(xué)模式[7]。

形成解決問題的能力既需要完整的知識結(jié)構(gòu)，也需要對問題的準(zhǔn)確認(rèn)識。通常的課堂說教模式更注重幫助學(xué)生搭建專業(yè)知識結(jié)構(gòu)，但對于定位問題、分解問題、解決問題、方案優(yōu)化的能力培養(yǎng)有所欠缺?！胺D(zhuǎn)課堂”“蘇格拉底式討論”等均是尋求讓學(xué)生理清問題解決邏輯的手段；優(yōu)化傳統(tǒng)說教模式，結(jié)合項目驅(qū)動式教學(xué)及考核，設(shè)定更具體的教學(xué)目標(biāo)，也可幫助學(xué)生搭建知識—能力關(guān)聯(lián)[8-9]。本文討論隧道工程的課程知識點與學(xué)生設(shè)計能力間關(guān)系，以及對傳統(tǒng)說教模式改進(jìn)的嘗試。

1 隧道工程課程知識體系

隧道工程作為專業(yè)必修課，與地下建筑結(jié)構(gòu)、基坑工程等課程一起構(gòu)成了土木工程專業(yè)地下工程方向的核心課程。該課程涉及線路設(shè)計、洞門設(shè)計、襯砌支護(hù)設(shè)計、通風(fēng)照明設(shè)計、防排水設(shè)計等能力目標(biāo)，綜合運(yùn)用了工程地質(zhì)學(xué)、巖體力學(xué)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等課程知識。巖體力學(xué)側(cè)重講解巖石力學(xué)性質(zhì)與測試方法，圍巖分級概念與方法，地應(yīng)力成因及測試原理，圓形硐室應(yīng)力重分布計算，新奧法原理等；土力學(xué)側(cè)重講解土的物理學(xué)性質(zhì)，壓縮性能，剪切性能，擋墻土壓力計算，邊坡穩(wěn)定分析等內(nèi)容，課程核心內(nèi)容與隧道工程的荷載計算、施工原理銜接緊密。但在少學(xué)時背景下，大部分課程通常側(cè)重介紹課程核心概念以及理論推導(dǎo)，對于與工程的聯(lián)系講解較少，尤其是理論與工程實施的關(guān)系：比如工程地質(zhì)學(xué)課程側(cè)重講解各類地質(zhì)構(gòu)造的地形地貌及形成原因，而與工程選址、選線的關(guān)系介紹較少；結(jié)構(gòu)力學(xué)側(cè)重講解桁架、框架、超靜定梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算方法，拱的計算講解較少，而拱結(jié)構(gòu)是隧道襯砌的一種簡化計算方案；混凝土結(jié)構(gòu)計算原理側(cè)重于梁、柱、板的內(nèi)力計算與配筋計算，對于弧形襯砌、管片的配筋計算內(nèi)容偏少，而且構(gòu)件上的荷載不同施加方式的區(qū)別講解偏少；缺乏以工程管理、規(guī)劃內(nèi)容為主的課程。

隧道工程課程屬于應(yīng)用型課程，授課既需要對前置課程進(jìn)行回顧，還需要對前置課程知識的具體運(yùn)用進(jìn)行講解。雖然是同一教師講授同一門課，但學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)內(nèi)在目標(biāo)不同，他們的知識結(jié)構(gòu)也是不同的。若過度壓縮前置課程回顧部分，將阻礙學(xué)生形成各異性的隧道工程知識結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減緩其設(shè)計能力的形成速度。

2 設(shè)計能力與專業(yè)知識體系的聯(lián)系

工程設(shè)計能力是建立在知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，以價值觀為內(nèi)在驅(qū)動的能力，涉及的知識超過任何一門單獨(dú)的課程。以公路隧道工程洞門設(shè)計為例，第一步是選擇洞門類型，常見隧道洞門類型包括端墻式、翼墻式、臺階式、環(huán)框式、削竹式。最普遍的端墻式洞門適用于開闊地帶，圍巖穩(wěn)定的隧道；當(dāng)圍巖等級在IV級以下，或存在路塹邊坡，則可采用翼墻式洞門，翼墻對端墻起到支撐加強(qiáng)作用；臺階式洞門常用于山嶺偏壓隧道，外形與地貌相適應(yīng)；環(huán)框式洞門適用于較少結(jié)構(gòu)面的堅硬圍巖，且排水需求不高的地段；削竹式洞門適用于處于地形開闊，削坡方便的淺埋段。洞門的選擇主要與工程地質(zhì)條件有關(guān)，學(xué)生對洞門方案比選較為簡略，或者無方案比選，這反映了設(shè)計能力的缺陷：相似的情況還存在于線路方案的比選。選線一直是線性工程的重點、難點，隨著技術(shù)進(jìn)步，適于展線的長隧道更為常見，山嶺地區(qū)隧道通常選擇在埡口附近，同時需避讓滑坡、斷層。學(xué)生通常則直接使用工程實際線路方案，并未對方案的合理性做出分析、判斷。在洞門內(nèi)力計算部分，學(xué)生通常能正確使用規(guī)范中的土壓力計算公式獲得主動土壓力，進(jìn)行穩(wěn)定性驗算；在隧道襯砌配筋過程中，學(xué)生也能使用荷載結(jié)構(gòu)法或者地層結(jié)構(gòu)法計算內(nèi)力，運(yùn)用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的知識，判斷偏心情況，進(jìn)行配筋設(shè)計。

從以上提及的學(xué)生設(shè)計表現(xiàn)可見，在力學(xué)相關(guān)專業(yè)知識能力（土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論等）具備了一定的積累，可以完成相應(yīng)的設(shè)計任務(wù)。但對于與工程規(guī)劃、管理相關(guān)知識（地質(zhì)地貌學(xué)、工程概預(yù)算、地下工程施工管理等），學(xué)生積累不足，表現(xiàn)為隧道選線，洞門選型方案論證不夠嚴(yán)謹(jǐn)。學(xué)生由于缺乏工作經(jīng)驗，對設(shè)計流程不熟悉，對施工工藝及適用條件不清楚，對不同施工方法、方案的工程造價缺乏估計，導(dǎo)致其知識體系存在短板，工程設(shè)計能力偏弱。

對于“實踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才”培養(yǎng)，既要考慮學(xué)生在本科期間的設(shè)計能力，也要考慮未來專業(yè)技術(shù)能力的成長潛力，這需要學(xué)生具備較強(qiáng)的自學(xué)能力。土木工程種類繁多，畢業(yè)生參加工作不一定從事隧道建設(shè)。通過在隧道工程等單一課程中進(jìn)行少量自學(xué)能力鍛煉，完成專業(yè)體系教學(xué)后，可培養(yǎng)出一定的自學(xué)能力，這是終生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，可以使學(xué)生的知識體系保持可更新狀態(tài)。

3 模塊化教學(xué)策略

工程設(shè)計能力是完整知識體系的表現(xiàn)，如果知識體系中不完整，存在薄弱環(huán)節(jié)，則工程設(shè)計能力會大打折扣。對于隧道工程設(shè)計能力，既有的課程體系設(shè)置雖然覆蓋了工程設(shè)計能力的需求，但在實際授課過程中，由于學(xué)時壓縮，不可避免地會刪減部分?jǐn)⑹鲂詮?qiáng)的概括性內(nèi)容。另外不同課程的授課教師并不了解其他相關(guān)課程的內(nèi)容范圍，存在所有教師共同忽略某一教學(xué)內(nèi)容的可能性?；诖?，在隧道工程課程中，采用了如下教學(xué)策略：

①少學(xué)時背景下的內(nèi)容全覆蓋。首先少學(xué)時與全內(nèi)容兩者并不矛盾，全內(nèi)容是以往屆學(xué)生課程設(shè)計過程中呈現(xiàn)失誤的問題為導(dǎo)向，教師動態(tài)調(diào)整課程模塊間的比例。其次少學(xué)時背景帶來的教學(xué)內(nèi)容模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，其實現(xiàn)需要將能力目標(biāo)進(jìn)行分解，為防止遺漏教學(xué)內(nèi)容，對于隧道工程課程要求全部模塊的內(nèi)容均有涉及，盡可能多覆蓋學(xué)科完整知識體系。

②降低力學(xué)理論推導(dǎo)比重，強(qiáng)調(diào)理論的運(yùn)用。隧道工程設(shè)計中更多的是經(jīng)驗類比法，現(xiàn)有荷載—襯砌分析模型多為簡化模型，各角度的內(nèi)力計算推導(dǎo)過程雖然在結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程中并未講授，但是也不宜在本科隧道工程課程中作細(xì)致推導(dǎo)，以鍛煉學(xué)生自學(xué)能力為目的，作為課外拓展內(nèi)容較為合適。真實復(fù)雜工程中通常采用地層—結(jié)構(gòu)法，該方法通常需要由數(shù)值計算求解，其計算理論內(nèi)容不適宜作為本科教學(xué)內(nèi)容，僅僅需要通過課程設(shè)計等環(huán)節(jié)掌握軟件使用即可。這樣的縮減內(nèi)容也符合新工科建設(shè)的理念。

③教學(xué)中對隧道工程設(shè)計實例進(jìn)行解讀。在緒論教學(xué)中使用實際工程案例進(jìn)行講解，從選址論證到分部工程施工，從地質(zhì)構(gòu)造入手介紹工程設(shè)計、施工參數(shù)選擇與取舍，進(jìn)一步介紹工程造價的組成部分及估計，完整的講解可以讓學(xué)生迅速對本專業(yè)業(yè)務(wù)有宏觀的認(rèn)識，有利于擴(kuò)充其知識體系。實例解讀重在講述完整的設(shè)計、施工環(huán)節(jié)，以及各環(huán)節(jié)需要完成的任務(wù)。

④隧道工程授課知識點與其他課程知識點之間的聯(lián)系。為了使學(xué)生建立完整的知識體系，適當(dāng)?shù)闹R點重合是必要的，這體現(xiàn)了模塊化教學(xué)設(shè)計的優(yōu)勢。對于隧道工程課程來說，巖體力學(xué)中的圍巖分級、地應(yīng)力重分布、圍巖壓力計算等知識點，土力學(xué)中土壓力計算、坡體穩(wěn)定分析等知識點，工程地質(zhì)學(xué)中地質(zhì)構(gòu)造等知識點，結(jié)構(gòu)力學(xué)中力法等知識點，地下工程施工課程中盾構(gòu)機(jī)、TBM等知識點，爆破工程課程中光面爆破等知識點，工程概預(yù)算中定額等知識點，均在課程中有重復(fù)，但是相應(yīng)的授課時長有所縮減，且以課堂考察、課外推送形式予以回顧。

⑤增加階段測試頻率、數(shù)量。采用雨課堂等數(shù)字化教學(xué)平臺，在重點教學(xué)模塊結(jié)束后安排針對性習(xí)題進(jìn)行知識鞏固，加快學(xué)生知識結(jié)構(gòu)形成。習(xí)題的考察點由教學(xué)知識點變形轉(zhuǎn)化得到，以單選題為主。利用雨課堂平臺的統(tǒng)計功能，查看學(xué)生學(xué)習(xí)情況，對錯誤率高的知識點在后續(xù)課程中安排鞏固講解。階段測試習(xí)題的設(shè)計需要以工程設(shè)計流程為背景，以多個小問題的形式分解設(shè)計，目的在于增加規(guī)劃、管理類知識點的復(fù)習(xí)次數(shù)，提高工程整體規(guī)劃設(shè)計能力。

⑥適當(dāng)增加學(xué)生的課外學(xué)習(xí)時間，緒論、分部開挖施工方法等部分章節(jié)采用翻轉(zhuǎn)課堂方式教學(xué)。采用雨課堂課前視頻、文字推送等手段，讓學(xué)生預(yù)習(xí)課程內(nèi)容，課堂教學(xué)以互動討論與隨堂測試習(xí)題解答為主，提高教學(xué)效率。推送視頻內(nèi)容應(yīng)包含課程教學(xué)知識點并有所擴(kuò)展，而且需具備足夠的吸引力，如動畫制作精良，視頻講解幽默，視頻主題與現(xiàn)實聯(lián)系緊密等特點。推動的文字以精煉的課程知識點為主，附帶知識點邏輯關(guān)系圖，提高學(xué)生的接受程度。

⑦提高學(xué)生的自學(xué)能力。部分章節(jié)可采用例題學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行，如隧道通風(fēng)計算，教師僅簡單介紹風(fēng)量計算公式參數(shù)含義，布置課后習(xí)題讓學(xué)生練習(xí)。習(xí)題為計算題，列出了計算所需的參數(shù)值，讓學(xué)生學(xué)會使用公式。部分章節(jié)可采用任務(wù)布置的方式進(jìn)行，如隧道選線需注意的工程地質(zhì)條件，讓學(xué)生在預(yù)習(xí)時搜集隧道工程受災(zāi)照片，在課堂上介紹這些災(zāi)害的成因及對應(yīng)的工程地質(zhì)環(huán)境。任務(wù)驅(qū)動式的學(xué)習(xí)對于提高學(xué)生的自學(xué)能力效果更明顯，但在單一課程中不宜過多使用，避免擠占其他知識點的授課時間。

⑧模塊化的課程評價體系，提高學(xué)生教學(xué)參與度與學(xué)習(xí)效果。采用雨課堂平臺的統(tǒng)計功能，將以往主觀性強(qiáng)的學(xué)生平時分分解為各模塊的達(dá)標(biāo)程度。通過對課堂測試、階段測試的習(xí)題進(jìn)行分類，可以將每個習(xí)題歸類到各知識點下，通過習(xí)題的正確率可以評價各學(xué)生對不同知識點的學(xué)習(xí)效果。通過不同授課時間發(fā)布的習(xí)題正確率，可以評價學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊認(rèn)為如果隨著授課進(jìn)展，學(xué)生的正確率提高，表明學(xué)生的積極性逐漸提高，屬于表現(xiàn)良好。

4 教學(xué)實踐效果

從雨課堂學(xué)期總結(jié)、課堂測試報告、課程設(shè)計成績分布等角度對隧道工程模塊化教學(xué)效果進(jìn)行介紹。

雨課堂平時成績分析。授課過程中布置了視頻預(yù)習(xí)（15%）、討論（20%）、課后作業(yè)（40%）、課堂答題（10%）、隨堂測驗（15%）測評手段，學(xué)習(xí)結(jié)束后，各部分分值匯總得到學(xué)生平時成績。班級人數(shù)為56 人，平時成績平均分為70.2分，最高分95，最低分31，圖1 為成績直方圖。對于完整參與了每一個評價項目的學(xué)生而言，及格率為100%，平均分87.5，表明評價項目的難度是適當(dāng)?shù)?。對平時成績不及格學(xué)生各評價項目的分析表明，視頻預(yù)習(xí)（15%）及課后作業(yè)（40%）是他們失分最多的項目，大部分沒有觀看過預(yù)習(xí)視頻，直接丟失15 分，據(jù)課堂觀察及課后訪談，他們失分的主要原因在于學(xué)習(xí)態(tài)度不端正。

圖1 隧道工程雨課堂平時成績直方分布

課堂測試結(jié)果分析。該測試為隨堂測試，占平時成績的15%，由雨課堂平臺從37 道題目中隨機(jī)抽取30 道發(fā)送給同學(xué)，題目均為選擇題，測試采用開卷方式，答題時間為40 分鐘。從正確率與平均分上看，難度設(shè)置適當(dāng)（圖2，p44）。錯誤率較高的題目為高速公路隧道縱坡率設(shè)置，正確率為63%；隧道荷載結(jié)構(gòu)計算方法相關(guān)問題，正確率為65%；圍巖等級劃分相關(guān)問題，正確率為69%。可清晰反映未來教學(xué)重難點。

圖2 隧道工程雨課堂隨堂測試成績分布

課程設(shè)計成績分析。設(shè)計任務(wù)為一淺埋公路隧道的洞門、襯砌、支護(hù)手段、通風(fēng)與照明設(shè)計，成績分布見圖3。學(xué)生對圍巖等級分類運(yùn)用較為熟練，能準(zhǔn)確使用隧道荷載計算模型，能正確選用支護(hù)手段；但是在繪制施工圖時繪圖質(zhì)量參差不齊，與學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度相關(guān)。

圖3 隧道工程課程設(shè)計成績分布直方圖

經(jīng)過一個學(xué)期的教學(xué)實踐，學(xué)生普遍反映教學(xué)效果良好。在之后開設(shè)的設(shè)計實訓(xùn)中，學(xué)生的平均成績相比往屆學(xué)生也有了提高。模塊化教學(xué)適用于少學(xué)時課程中，有助于提高學(xué)生的設(shè)計能力，有助于教師調(diào)整教學(xué)重點。

5 結(jié)語

隧道工程設(shè)計涉及眾多知識點，學(xué)生需要具備地下工程方向完整的知識體系，才能擁有與畢業(yè)目標(biāo)相匹配的設(shè)計能力。對于本科教學(xué)，需要慎重刪減教學(xué)內(nèi)容，尤其對于隧道工程為代表的工程類課程，需要加強(qiáng)管理、規(guī)劃類知識模塊教學(xué)。少學(xué)時背景下采用雨課堂等現(xiàn)代化教學(xué)平臺，通過設(shè)計特定知識點習(xí)題，借助其強(qiáng)大的統(tǒng)計功能，可以實現(xiàn)快速的教學(xué)反饋，及時調(diào)整各教學(xué)模塊的比重分配。