少学时背景下本科隧道工程知识体系与设计能力的关系探讨

于啸波，王志兵，李善梅，肖桂元

（桂林理工大学 广西 桂林 541004）

为了提高大学生个性化发展的可能性以及解决实际问题的能力，压缩了大学课程授课学时，将时间自主权更多地交与学生。为了适应课时压缩，授课计划得到了精简，将知识点划分为核心与非核心知识点，保留核心知识点，删去难度过大以及实际工作中运用频率过低的非核心知识点[1-2]。教学手段在教师说教模式基础上，出现了学生课前预习―课堂提问―教师解答型的“翻转课堂”[3-4]，借助雨课堂等数字化平台实现教学—评价—调整教学的动态教案模式[5-6]，强调课堂互动的分组讨论式等教学模式[7]。

形成解决问题的能力既需要完整的知识结构，也需要对问题的准确认识。通常的课堂说教模式更注重帮助学生搭建专业知识结构，但对于定位问题、分解问题、解决问题、方案优化的能力培养有所欠缺。“翻转课堂”“苏格拉底式讨论”等均是寻求让学生理清问题解决逻辑的手段；优化传统说教模式，结合项目驱动式教学及考核，设定更具体的教学目标，也可帮助学生搭建知识—能力关联[8-9]。本文讨论隧道工程的课程知识点与学生设计能力间关系，以及对传统说教模式改进的尝试。

1 隧道工程课程知识体系

隧道工程作为专业必修课，与地下建筑结构、基坑工程等课程一起构成了土木工程专业地下工程方向的核心课程。该课程涉及线路设计、洞门设计、衬砌支护设计、通风照明设计、防排水设计等能力目标，综合运用了工程地质学、岩体力学、土力学、结构力学、混凝土结构设计原理等课程知识。岩体力学侧重讲解岩石力学性质与测试方法，围岩分级概念与方法，地应力成因及测试原理，圆形硐室应力重分布计算，新奥法原理等；土力学侧重讲解土的物理学性质，压缩性能，剪切性能，挡墙土压力计算，边坡稳定分析等内容，课程核心内容与隧道工程的荷载计算、施工原理衔接紧密。但在少学时背景下，大部分课程通常侧重介绍课程核心概念以及理论推导，对于与工程的联系讲解较少，尤其是理论与工程实施的关系：比如工程地质学课程侧重讲解各类地质构造的地形地貌及形成原因，而与工程选址、选线的关系介绍较少；结构力学侧重讲解桁架、框架、超静定梁结构的内力计算方法，拱的计算讲解较少，而拱结构是隧道衬砌的一种简化计算方案；混凝土结构计算原理侧重于梁、柱、板的内力计算与配筋计算，对于弧形衬砌、管片的配筋计算内容偏少，而且构件上的荷载不同施加方式的区别讲解偏少；缺乏以工程管理、规划内容为主的课程。

隧道工程课程属于应用型课程，授课既需要对前置课程进行回顾，还需要对前置课程知识的具体运用进行讲解。虽然是同一教师讲授同一门课，但学生的学习基础、学习能力、学习内在目标不同，他们的知识结构也是不同的。若过度压缩前置课程回顾部分，将阻碍学生形成各异性的隧道工程知识结构，进而减缓其设计能力的形成速度。

2 设计能力与专业知识体系的联系

工程设计能力是建立在知识结构的基础之上，以价值观为内在驱动的能力，涉及的知识超过任何一门单独的课程。以公路隧道工程洞门设计为例，第一步是选择洞门类型，常见隧道洞门类型包括端墙式、翼墙式、台阶式、环框式、削竹式。最普遍的端墙式洞门适用于开阔地带，围岩稳定的隧道；当围岩等级在IV级以下，或存在路堑边坡，则可采用翼墙式洞门，翼墙对端墙起到支撑加强作用；台阶式洞门常用于山岭偏压隧道，外形与地貌相适应；环框式洞门适用于较少结构面的坚硬围岩，且排水需求不高的地段；削竹式洞门适用于处于地形开阔，削坡方便的浅埋段。洞门的选择主要与工程地质条件有关，学生对洞门方案比选较为简略，或者无方案比选，这反映了设计能力的缺陷：相似的情况还存在于线路方案的比选。选线一直是线性工程的重点、难点，随着技术进步，适于展线的长隧道更为常见，山岭地区隧道通常选择在垭口附近，同时需避让滑坡、断层。学生通常则直接使用工程实际线路方案，并未对方案的合理性做出分析、判断。在洞门内力计算部分，学生通常能正确使用规范中的土压力计算公式获得主动土压力，进行稳定性验算；在隧道衬砌配筋过程中，学生也能使用荷载结构法或者地层结构法计算内力，运用混凝土结构设计原理的知识，判断偏心情况，进行配筋设计。

从以上提及的学生设计表现可见，在力学相关专业知识能力（土力学、结构力学、混凝土结构设计理论等）具备了一定的积累，可以完成相应的设计任务。但对于与工程规划、管理相关知识（地质地貌学、工程概预算、地下工程施工管理等），学生积累不足，表现为隧道选线，洞门选型方案论证不够严谨。学生由于缺乏工作经验，对设计流程不熟悉，对施工工艺及适用条件不清楚，对不同施工方法、方案的工程造价缺乏估计，导致其知识体系存在短板，工程设计能力偏弱。

对于“实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才”培养，既要考虑学生在本科期间的设计能力，也要考虑未来专业技术能力的成长潜力，这需要学生具备较强的自学能力。土木工程种类繁多，毕业生参加工作不一定从事隧道建设。通过在隧道工程等单一课程中进行少量自学能力锻炼，完成专业体系教学后，可培养出一定的自学能力，这是终生学习的基础，可以使学生的知识体系保持可更新状态。

3 模块化教学策略

工程设计能力是完整知识体系的表现，如果知识体系中不完整，存在薄弱环节，则工程设计能力会大打折扣。对于隧道工程设计能力，既有的课程体系设置虽然覆盖了工程设计能力的需求，但在实际授课过程中，由于学时压缩，不可避免地会删减部分叙述性强的概括性内容。另外不同课程的授课教师并不了解其他相关课程的内容范围，存在所有教师共同忽略某一教学内容的可能性。基于此，在隧道工程课程中，采用了如下教学策略：

①少学时背景下的内容全覆盖。首先少学时与全内容两者并不矛盾，全内容是以往届学生课程设计过程中呈现失误的问题为导向，教师动态调整课程模块间的比例。其次少学时背景带来的教学内容模块化、标准化，其实现需要将能力目标进行分解，为防止遗漏教学内容，对于隧道工程课程要求全部模块的内容均有涉及，尽可能多覆盖学科完整知识体系。

②降低力学理论推导比重，强调理论的运用。隧道工程设计中更多的是经验类比法，现有荷载—衬砌分析模型多为简化模型，各角度的内力计算推导过程虽然在结构力学等课程中并未讲授，但是也不宜在本科隧道工程课程中作细致推导，以锻炼学生自学能力为目的，作为课外拓展内容较为合适。真实复杂工程中通常采用地层—结构法，该方法通常需要由数值计算求解，其计算理论内容不适宜作为本科教学内容，仅仅需要通过课程设计等环节掌握软件使用即可。这样的缩减内容也符合新工科建设的理念。

③教学中对隧道工程设计实例进行解读。在绪论教学中使用实际工程案例进行讲解，从选址论证到分部工程施工，从地质构造入手介绍工程设计、施工参数选择与取舍，进一步介绍工程造价的组成部分及估计，完整的讲解可以让学生迅速对本专业业务有宏观的认识，有利于扩充其知识体系。实例解读重在讲述完整的设计、施工环节，以及各环节需要完成的任务。

④隧道工程授课知识点与其他课程知识点之间的联系。为了使学生建立完整的知识体系，适当的知识点重合是必要的，这体现了模块化教学设计的优势。对于隧道工程课程来说，岩体力学中的围岩分级、地应力重分布、围岩压力计算等知识点，土力学中土压力计算、坡体稳定分析等知识点，工程地质学中地质构造等知识点，结构力学中力法等知识点，地下工程施工课程中盾构机、TBM等知识点，爆破工程课程中光面爆破等知识点，工程概预算中定额等知识点，均在课程中有重复，但是相应的授课时长有所缩减，且以课堂考察、课外推送形式予以回顾。

⑤增加阶段测试频率、数量。采用雨课堂等数字化教学平台，在重点教学模块结束后安排针对性习题进行知识巩固，加快学生知识结构形成。习题的考察点由教学知识点变形转化得到，以单选题为主。利用雨课堂平台的统计功能，查看学生学习情况，对错误率高的知识点在后续课程中安排巩固讲解。阶段测试习题的设计需要以工程设计流程为背景，以多个小问题的形式分解设计，目的在于增加规划、管理类知识点的复习次数，提高工程整体规划设计能力。

⑥适当增加学生的课外学习时间，绪论、分部开挖施工方法等部分章节采用翻转课堂方式教学。采用雨课堂课前视频、文字推送等手段，让学生预习课程内容，课堂教学以互动讨论与随堂测试习题解答为主，提高教学效率。推送视频内容应包含课程教学知识点并有所扩展，而且需具备足够的吸引力，如动画制作精良，视频讲解幽默，视频主题与现实联系紧密等特点。推动的文字以精炼的课程知识点为主，附带知识点逻辑关系图，提高学生的接受程度。

⑦提高学生的自学能力。部分章节可采用例题学习的方式进行，如隧道通风计算，教师仅简单介绍风量计算公式参数含义，布置课后习题让学生练习。习题为计算题，列出了计算所需的参数值，让学生学会使用公式。部分章节可采用任务布置的方式进行，如隧道选线需注意的工程地质条件，让学生在预习时搜集隧道工程受灾照片，在课堂上介绍这些灾害的成因及对应的工程地质环境。任务驱动式的学习对于提高学生的自学能力效果更明显，但在单一课程中不宜过多使用，避免挤占其他知识点的授课时间。

⑧模块化的课程评价体系，提高学生教学参与度与学习效果。采用雨课堂平台的统计功能，将以往主观性强的学生平时分分解为各模块的达标程度。通过对课堂测试、阶段测试的习题进行分类，可以将每个习题归类到各知识点下，通过习题的正确率可以评价各学生对不同知识点的学习效果。通过不同授课时间发布的习题正确率，可以评价学生的学习积极性，笔者所在教学团队认为如果随着授课进展，学生的正确率提高，表明学生的积极性逐渐提高，属于表现良好。

4 教学实践效果

从雨课堂学期总结、课堂测试报告、课程设计成绩分布等角度对隧道工程模块化教学效果进行介绍。

雨课堂平时成绩分析。授课过程中布置了视频预习（15%）、讨论（20%）、课后作业（40%）、课堂答题（10%）、随堂测验（15%）测评手段，学习结束后，各部分分值汇总得到学生平时成绩。班级人数为56 人，平时成绩平均分为70.2分，最高分95，最低分31，图1 为成绩直方图。对于完整参与了每一个评价项目的学生而言，及格率为100%，平均分87.5，表明评价项目的难度是适当的。对平时成绩不及格学生各评价项目的分析表明，视频预习（15%）及课后作业（40%）是他们失分最多的项目，大部分没有观看过预习视频，直接丢失15 分，据课堂观察及课后访谈，他们失分的主要原因在于学习态度不端正。

图1 隧道工程雨课堂平时成绩直方分布

课堂测试结果分析。该测试为随堂测试，占平时成绩的15%，由雨课堂平台从37 道题目中随机抽取30 道发送给同学，题目均为选择题，测试采用开卷方式，答题时间为40 分钟。从正确率与平均分上看，难度设置适当（图2，p44）。错误率较高的题目为高速公路隧道纵坡率设置，正确率为63%；隧道荷载结构计算方法相关问题，正确率为65%；围岩等级划分相关问题，正确率为69%。可清晰反映未来教学重难点。

图2 隧道工程雨课堂随堂测试成绩分布

课程设计成绩分析。设计任务为一浅埋公路隧道的洞门、衬砌、支护手段、通风与照明设计，成绩分布见图3。学生对围岩等级分类运用较为熟练，能准确使用隧道荷载计算模型，能正确选用支护手段；但是在绘制施工图时绘图质量参差不齐，与学生学习态度相关。

图3 隧道工程课程设计成绩分布直方图

经过一个学期的教学实践，学生普遍反映教学效果良好。在之后开设的设计实训中，学生的平均成绩相比往届学生也有了提高。模块化教学适用于少学时课程中，有助于提高学生的设计能力，有助于教师调整教学重点。

5 结语

隧道工程设计涉及众多知识点，学生需要具备地下工程方向完整的知识体系，才能拥有与毕业目标相匹配的设计能力。对于本科教学，需要慎重删减教学内容，尤其对于隧道工程为代表的工程类课程，需要加强管理、规划类知识模块教学。少学时背景下采用雨课堂等现代化教学平台，通过设计特定知识点习题，借助其强大的统计功能，可以实现快速的教学反馈，及时调整各教学模块的比重分配。