地下工程结构教学改革与实践

［摘要］结合我校开展的全日制硕士专业学位研究生“地下工程结构案例库建设”教育教学改革项目，课题组就工科院校地下工程结构的课程特点、案例库教学方法的实施办法进行了研究，就改革实践过程中出现的有关问题进行了系统的思考和探讨，可为相关工科硕士专业学位研究生课程的“教”与“学”两方面提供参考。

［关键词］地下工程结构；教学改革；案例教学法

地下工程结构是面向我校土木与建筑工程全日制硕士专业学位研究生开设的一门重要的专业课，每年开设一轮，每轮选修学生一般在10人左右。本课程综合利用数学、力学等基础知识和岩石力学、土力学、混凝土结构等应用性知识，以及弹塑性力学、有限单元法等数值模拟技术和数据处理技术等多方面的知识，对地下工程结构涉及的基本概念、基本理论和设计计算方法开展系统介绍和讲授。本课程的教学开展，不仅仅对学生数学、力学基本知识有较高的要求，也是对其所学的岩石力学、混凝土结构等课程知识的掌握和熟练程度的综合考验。本课程的特点是理论与实践并重，所涉及的数学、力学知识较多，且与工程实际联系密切，工程实践性强，基本理论、基本概念和基本计算多而杂。从教学效果来看，多数学生普遍反映本课程知识点多面广，难度较大，采用传统的教学方法很难收到较好的教学效果。为了激发学生的学习兴趣，着力提高地下工程结构课程的教学效果，我校近年来开展了以“地下工程结构案例库建设”为题的教育教学改革项目。本教学改革项目强调从绪论课的讲授入手，深度整合课程教学内容，综合采用以案例教学为主的新型教学方法，并就考核方式等进行了系统的研究。现就教学改革实践过程中的有关思考和取得的成效加以总结，可供国内相关专业学位研究生的课程教学工作提供参考。

一、讲好绪论课，提高学生的学习兴趣

俗话说良好的开端是成功的一半，事实也多次证明绪论课的讲授情况如何对于能否提高大家的学习兴趣，乃至对课程的整体教学效果具有至关重要的影响[1]。为了激发学生的学习兴趣，我们从教学环节安排、教学内容整合、教学流程控制等方面全方位、多角度地精心准备。在绪论课讲授时，我们一方面利用视频讲解等先进手段，结合近年来国内外在地下工程结构方面所开展的重大工程（如港珠澳大桥工程、红谷沉管隧道工程、重要城市地铁工程、南水北调中线穿黄隧洞工程等），就本课程所涉及的基本理论和专业知识做提纲挈领的介绍。通过展示和介绍，多数同学能够明白本课程将要学习的知识和内容是有用的、有趣的，所学知识和工程现场的联系是密切的，在工程实践上是能派上用场的。另一方面，在绪论课讲授中我们还就本课程的特点和要求，结合学生的实际情况，就大家需要补充或加强的数学、力学知识储备以及拟采用的教学方法和教学实施步骤跟学生进行充分的沟通、说明。与此同时，我们还广泛征求学生的意见和建议，提高学生的积极性、参与度和代入感，为课程教学的后续实施创造一个良好的氛围。几轮教学实践证明，通过绪论课从形式到内容以及具体的教学实施等一系列改进工作，极大地调动了广大学生学习本课程的热情。

二、整合教学内容，注重案例式教学方式的应用

前已述及地下工程结构所涉及的教学内容点多面广且繁杂，我们根据地下工程结构教学内容的具体情况，把教学内容整合成理论基础和工程实践两大块。以往在进行本课程讲授时，这两部分内容分开讲授，两块内容并重，学生们普遍反映第一部分内容理论性太强，而第二部分内容实践性强且内容过于宽泛，造成所谓“理论与实践两张皮”，不能形成有效的连接。为了提高大家的理解和接受能力，在对本课程进行教学改革的过程中，我们以案例教学法为主，进行了如下有益的尝试。（一）将理论内容融入工程案例中穿叉讲授。现有的地下工程结构教学内容理论部分主要涉及基本概念、基本原理和计算方法以及结构可靠度理论等几部分内容。上述内容除结构可靠度理论具有一定的独立性外，其他内容都是基础性和概略性内容，与后续工程实践联系紧密，是学生学习、掌握知识点和后续从事具体工程实践的基础与前提。为此，我们在教学改革中尝试把这些内容穿插到工程案例中一并讲授。具体的做法就是以工程案例为背景和切入点，把涉及的基本概念、基本原理、具体的设计计算模型与方法流程等内容按重要性和联系的密切程度不同抽丝剥茧地分类、分层次地引导学生去寻求答案，并对重要部分或难度较大的地方进行适度讲解。通过这种教学方式的应用，学生普遍反映所学内容能够理论联系实际，通过具体的工程案例就可以把复杂的、烦琐的基本概念、基本理论和计算流程等内容串联在一起，收效良好。（二）精选案例精选案例，采用案例教学，以案说法。在传统的教学模式下，课堂讲授内容与工程实践严重脱节。教师教学环节多采用“填鸭式”一言堂的教学模式，课堂气氛沉闷，毫无生气可言，教学效果之差可想而知。这不仅与当今大力提倡的素质教育潮流格格不入[1]，也不符合《教育部关于做好全日制硕士专业学位研究生培养工作的若干意见》（教研〔2009〕1号）所给出的培养模式和培养质量要求[2]。案例教学法[3-4]则可以较好地避免传统教学方法的不足。这一教学法是由哈佛大学法学院前院长克里斯托弗•格伦姆布斯•朗道尔教授（CCLangdell）于1870年率先创立并开始使用的。20世纪80年代，案例教学开始引入我国，目前已得到了广泛的应用，其效果显著，日益为国人所熟知和接受，其应用范围也逐渐扩大到法律、企业管理、医学、数学、矿山工程、地下建筑工程等众多领域[3-9]。具体到地下工程结构案例教学而言，就是在课程中选用一些经典的工程实例，结合工程反映出来的问题从概念、原理、方法、流程等层面进行分析讨论，让学生产生一种身临其境的直观认知，进而对所涉及的概念原理方法等知识有深刻的理解、认识和掌握。地下工程结构的工程实践教学涉及浅埋式地下结构、基坑围护结构、逆作法结构、沉井结构、沉管结构、整体式隧道结构、盾构隧道结构、顶管与箱涵结构等内容。这些内容又涉及较多的数学、力学基础课程知识和土力学、岩石力学及混凝土结构等相关专业内容。在有限的学时条件下，我们采用案例式教学法进行讲授，效果良好。对于某一具体的教学内容，我们通常的做法是结合国内外典型的工程实例，就这一类型的工程结构所涉及的基本概念、基本计算理论和方法、流程进行讲解。在长期的建设和发展过程中，国内外积累了大量的工程案例可供教学选择[10]。下面我们以沉管结构为例进行具体说明。沉管结构是一种重要的地下工程结构，是穿越江河、海峡的一种形式，在世界范围内有着较为广泛的应用和良好的前景。目前世界上沉管隧道技术靠前的国家有美国、荷兰和日本。中国作为后起之秀，先后建成了多座交通或市政沉管隧道。目前已建成通车的港珠澳大桥海底隧道[11]（见图1）是世界最长的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道，也是我国第一条外海沉管隧道。港珠澳大桥海底部分约5664米，由33节巨型沉管和1个合龙段最终接头组成，最大安装水深超过40米。我们结合港珠澳大桥海底隧道工程，就如下问题引导学生分析探究：（1）什么是沉管结构？沉管隧道的施工原理是什么？沉管结构常见类型有哪些？（2）沉管结构与盾构法隧道相比有何特点？（3）沉管结构设计时应该考虑哪些因素，应坚持哪些设计原则？（4）沉管管段制作有哪些要求，应采取哪些必要的技术措施？（5）沉管管段设计时荷载及其组合是如何确定的？结构计算过程是怎样的？管段断面设计有哪些要求？管节长度和分段要求如何？具体的细部构造要求有哪些？（6）管段接头、管节接头和最终接头有哪些特点和一般要求？具体做法如何实现？（7）管段防水、排水是如何处理的？（8）沉管出坞、浮运、沉放过程中有哪些技术要求或方法？（9）沉管管段水力压接是怎样一个过程？管段连接质量如何保证？（10）沉管基础处理的目的是什么，有哪些要求和具体做法？（11）该沉管工程施工过程中遇到了哪些困难，这些困难是如何克服的，对于其他类似工程有何启示或值得借鉴的地方？多轮教学实践表明，多数学生通过集中观看与该案例相关的视频（如中央电视台科教频道制作的专题节目《沉管隧道建成记》和纪录片《港珠澳大桥》等）、幻灯片等形式，都能够充分利用课上和课下时间扩展阅读教材和其他相关媒体资料，对该案例进行解读、体验、阐释[6]，基本上能对上述有关问题做出一定程度的了解、分析、把握和解答。然后经过课堂交流环节的师生交流、生生交流产生思维碰撞，案例所裹挟的新的知识与学生的已有知识产生正面对接，学生在身临其境中感知到所学知识的实在感与应用性。这样一来，大家不仅对其中所涉及的数学力学知识有了更多的认识，对所涉及的土力学和混凝土结构方面的知识能够做出对照，进而有针对性地复习强化某些具体的知识点，同时还能增强民族自信心和自豪感，提高学好本课程的信心和决心。1港珠澳大桥海底隧道（三）案例库建设框案例库建设框架。应该指出，案例库建设与其他项目建设类似，不是一蹴而就的，总需要有一个过程。在建设过程中涉及建设目的的明确，建设框架的确定，建设原则的细化，案例库的充实、更新与优化调整等多个层面，工作头绪多，任务杂。应以保证质量为前提，在保证基本知识体系不变或变化不大的同时，更要注重与时俱进，加强针对性和时效性。为此，我们初步拟定本课程案例库建设所采用的基本框架（见图2）。其中，案例选取的综合性原则是指所选结构某个案例一般不单单包括某一方面的具体结构，有可能包括多种地下结构形式，相应的支护或加固模式对于同一案例也可能出现多种选择或多种形式并存的现象。另外，案例选取的针对性原则是指所选案例既有成功的案例，也有负面的失败的案例。正反两方面案例的学习，使大家不仅能品尝到典型案例的成功经验，也能体会到失败案例所带来的教训，从而引以为戒，避免今后从事实际工作时出现类似的错误或不恰当的举措。

三、改革考核方式，重视对学生能力和素质的考查

考核作为教学工作的最后一环，其目的在于检验教师教学效果和学生学习成效[1]。经过一段时间的摸索，在我们所采用的考核方式中，学生成绩一般由平时成绩和期末成绩两部分构成，所占比重各为50%。为了培养大家的学习能力和工程素养，我们在考核时必须体现过程考核，因此特别加入了典型工程案例搜集整理水平和教学意见、建议与反馈两部分内容，两者在平时成绩中所占比重分别为70%和30%。作为过程考核的体现，前者能够检验大家对地下工程结构案例的认知、基本概念的理解、基本原理的准确把握和灵活应用程度，锻炼学生的灵活的分析能力、高度的概括能力和敏锐的洞察力[10]，同时也便于将学生制作较好的案例适当充实进现有案例库。而教学意见、建议与反馈，能够及时把本轮课程教学过程中发现的不足与值得改进的地方以及良好的建议反馈给教师，教师根据学生反馈开展教学反思，并结合新技术、新工艺、新近工程与时俱进地做出相应的调整和改进[8]，可为下一届学生的学习提供有益参考。期末考核时，我们一般给学生每人选取一个国内外典型的工程案例，让学生就该案例所涉及的基本概念、基本原理和方法流程等内容拓展成可用于教学实践的案例形式。这样，整个教学和考核环节也就变成了所谓的以案例学案例、以案例体现案例[7]，进而以案例丰富案例的良性建设过程。

四、结论

地下工程结构是一门广泛应用数学、力学知识，综合运用土力学、岩石力学和混凝土结构等应用性学科知识分析处理地下工程建设中所涉及的结构设计、分析和诊断等实践问题的课程。本课程教学成效对于土木与建筑工程硕士专业学位研究生的培养质量有着重要的影响。本文把我们在地下工程结构教学改革实践中的一些思考和做法进行了总结，目的在于抛砖引玉，希望对广大专业硕士学位研究生课程的“教”与“学”的顺利开展有所帮助。

［参考文献］

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［3］案例教学法［EB/OL］.［2020-02-20］案例教学法.

［4］王树西.高校案例教学浅析［C］//对外经济贸易大学信息学院.现代服务业人才培养探索与实践.北京：对外经济贸易大学出版社，2017：214-220.

［5］王成伟.案例教学在线性代数教学中的应用［C］//王关义.服务教学，促进发展，2017年度教师教学发展中心论文集.北京：文化发展出版社，2018：201-206.

［6］晏福宝.案例教学的“体”与“用”之道［J］.宁波大学学报（教育科学版），2018（6）：94-98.

［7］许磊.数值模拟教学改革呼唤案例教学法：以岩土、采矿工程为例［J］.大学教育，2018（9）：46-49+73.

［8］钟祖良，王婷，刘新荣，等.地下建筑结构课程教学模式探讨［J］.科教文汇（下旬刊），2018（9）：75-76.

［9］张慧萍.全日制专业学位研究生培养体系改革探讨［J］.重庆交通大学学报（社会科学版），2018（4）：132-136.

［10］顾宝和.岩土工程的科学性和艺术性：《岩土工程典型案例述评》自序［J］.工程勘察，2015（6）：94-96.

［11］港珠澳大桥海底隧道［EB/OL］.［2020-02-20］

作者:韩宪军 王立平 单位:河南理工大学土木工程学院