新工科背景下隧道工程课堂教学模式改革与探索

作者:未知

  [摘 要]针对目前我国高等工程教育中全面推进新工科建设与发展的新形势,通过分析传统课堂教学理念与新工科背景下教学理念的差异,结合土木工程隧道工程课程的教学实践,提出基于互动式教学,实时更新教学内容并在此基础上融合现代化教学手段的教学模式。文章探索了基于新工科教学理念的高等工程教育课堂教学方法,为新工科背景下创新型人才和复合型人才的培养提供了一些思路。
  [关键词]新工科;互动式教学;教学模式;教学理念;隧道工程课程
  [中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2019)01-0037-03
  随着世界范围内新一轮科技革命和产业变革的加速以及我国“一带一路”“制造強国”等重大战略的实施,以新技术、新产业、新模式为特点的新经济蓬勃发展,势必要求我国的高等教育培养大批新型工程科技人才,为新形势下国民经济的持续发展提供动力。鉴于这一现状,教育部于2017年2月和4月分别在复旦大学和天津大学召开了高等教育发展战略研讨会,确立了新工科背景下高等工程教育的发展共识和建设行动路线。在此基础上,教育部高等教育司下发了《关于开展新工科研究与实践的通知》,全面推进新工科的建设与发展。新工科建设是一种新的工程教育发展模式,其核心内涵是以立德树人为引领,以应对变化、塑造未来为建设理念,以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径,培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1-4]。从新工科的核心理念可以看出,新工科是在培养具备实践创新能力的新型工程科技人才的基础上,根据未来新技术和新产业的发展,推动不同学科的交叉融合,以新理念、新结构、新模式对高等工程教育进行新一轮改革。
  土木工程专业隶属于工程类学科,对学生的实践能力和创新能力有较高的要求,尤其是在目前我国“一带一路”国家级合作倡议大规模实施的背景下,大量由我国投资或者参与的基础设施在“一带一路”沿途国家建设。国外的地理环境、地质条件和法律法规与我国有很大不同,导致按我国现行规范设计和施工不一定完全符合当地的建设要求,需要参与的施工设计人员具备更好的创新思维和灵活应变能力来解决项目建设过程中遇到的各种问题。因此,有必要在土工工程人才培养过程中通过对现有专业课程教学方法进行改革,寻求新的教学模式,满足新工科形势下土木工程技术人才培养的需求。
  本文拟从新工科的视角,结合土木工程隧道工程课程的教学实践,通过分析传统课堂教学体系和教学方法存在的不足,对新工科背景下的课堂教学模式改革进行探索。
  一、传统工科的课程教学存在的主要问题
  (一)新工科的教学理念没有完全融入传统工科的课堂教学体系中
  传统的工科课堂教学还是以灌输式教学方法为主,教师按照教学大纲制定的教学内容,将课本上的知识点传授给学生,学生被当成“知识容器”,被动地接受一个个知识点,课堂成为知识搬运的场所,教学过程中忽视了对知识的探索,压抑了学生的创新热情,从而导致学生学习兴趣下降,影响教学效果。而新工科背景下的高等工程教育,提倡以学生为中心,注重个性化学习,提高学生的适应变化能力与工程创新能力。传统教学主要采用“以教师为中心”的“传道、授业、解惑”方式,与新工科所要求的“以学生为中心”的“悟道、生惑、解疑”方式有很大的差别。
  (二)传统工科的教学内容体系与新工科背景下的社会需求脱节
  传统的工科课程教学按照学校制定的教学大纲和教学计划开展教学,教学大纲一旦通过学校审核,课堂教学的内容和进度必须严格按照教学大纲执行。当前科技的发展日新月异,工程技术的更新速度更是一日千里,而教学大纲一般几年才会重新修订一次,这就造成了传统工科教学内容难以跟上现代工程技术更新的步伐,不能很好地为新工科所需求的新型工程人才培养服务。
  以笔者承担的隧道工程课程为例,某版本的《隧道工程》教材多年没有再版,课本还在介绍十几年前的老式施工工艺和设备。而随着机械化施工技术的成熟,以盾构机和硬岩掘进机为施工设备的大型机械化掘进技术在地铁和长大山岭隧道施工中所占的比率越来越高。盾构机作为一种高度自动化的大型机械,其施工过程和支护方式与常规的钻爆法截然不同,而且对施工人员综合能力的要求更高,因此有必要对盾构机的结构和盾构隧道的施工过程进行详细介绍。如果学生在课堂里没有学习过相关的专业知识,当走上工作岗位、面对采用盾构法施工的隧道时,就需要花费更多的时间和精力去熟悉设备和相关工法,从而难以快速融入项目团队。
  二、新工科背景下的课堂教学模式探索
  本研究根据新工科教育理念,结合笔者在隧道工程课程中的教学实践,通过对传统的工程课堂教学模式进行改革,探寻构建“知识探究、能力培养、实践创新”的以学生为中心的教学方法,以为新工科背景下的新型工科人才培养提供一些有益的思路。
  (一)采用互动式教学提升课堂教学效果
  根据教学班级人数将全班分为6个小组,每个小组8-10人,按照隧道工程课程教学大纲对知识点的要求,将知识点分配给各个小组。每个小组在课余时间对相应的知识点进行自学并展开讨论,通过查阅文献和相关资料对自学结果进行归纳总结,制作一个用于讲解该知识点的PPT。在课堂教学中,各个小组派出一个代表利用本小组制作的PPT向全班同学和老师讲授该知识点,并在讲授结束后提出在自学过程中遇到的问题。其他学生可以回答这些问题,也可以根据听讲情况提出自己的问题。教师在此过程中组织学生开展讨论,并对学生提出的问题进行点评,与此同时也可以根据学生的讨论情况提出一些具有前瞻性的问题,激发学生对学科前沿问题的探索欲望。教师接着再对学生讲授不够完善的内容进行补充,完成预定的课堂教学任务。此外,教师还要将学生在课堂上的表现记录下来,在平时成绩的评定中予以体现,并计入期末成绩,这样可以有效激励学生积极投入互动式教学当中,从而进一步提升课堂教学效果,实现良性循环。   互动式教学方法需要大部分学生在课前就对教学内容进行自学。在自学过程中,学生不但可以树立勤于思考的意识,还可以锻炼他们解决问题的能力,这对于新工科人才必须具备的工程创新能力的培养是大有裨益的。此外,学生通过“讲授—讨论—提问—回答”这样的教学模式参与到教学活动中,有助于活跃课堂教学气氛,避免传统课堂教学中常见“低头族”的出现,这对于课堂教学效果的提升有很大的帮助。在这种教学模式中,授课教师不能作为旁观者,而是要成为课堂走向的引导者和课堂讨论的组织者。这需要教师非常熟悉相关教学内容并且在备课过程中通过查阅文献资料储备大量的专业知识,这样在面对学生提出的各种问题时才能从容回答,做到游刃有余。另外,学生在开展讨论时容易偏离主题,教师在这个时候要进行有效引导,用比较自然的方式把讨论内容过渡到与授课知識点相关的主题上,需要教师具备比较好的应变能力。总而言之,互动式教学方法,从表面上看好像只是一种新的教学形式,实际上它对学生和教师都有较高的要求。如果没有理解互动式教学的核心思想,即使采用了互动式教学也只是空有“互动式”的外壳而已[5]。
  (二)结合科研成果将最新的工程技术引入课堂教学
  由于本专业绝大多数本科毕业生都面向施工单位就业,因此我们将隧道的施工方法作为隧道工程课程教学大纲中的重点内容。目前,我国山岭隧道施工中采用得最为广泛的施工方法还是20世纪60年代由奥地利学者提出的新奥法。由于该方法适用于从软岩到硬岩,从完整岩体到破碎岩体的各种类型岩体和地质条件的隧道施工,因而在我国隧道施工中占据了统治性地位。隧道工程教材主要介绍的也是这种施工方法,而对于其他施工方法则较少涉及。但是,随着岩体力学理论的发展和工程技术人员对岩体力学认识的进步,其他国家也提出了适合自己国情的施工方法,并逐渐在一些隧道工程中加以应用和推广。比如挪威的工程技术人员根据斯堪的纳维亚半岛的地质条件,提出了适合在硬质岩体中开挖隧道的挪威法。挪威法也强调发挥围岩的自我承载能力,但是把支护看作是辅助手段,采用喷射混凝土和锚杆支护之后,不再施作二次衬砌。因此,施工成本降低了很多,而且减少了大量施工工序,提高了施工速度,节约了后期的维修成本。
  笔者在对自己所承担的深埋隧道围岩塌方机理研究课题进行研究的过程中接触到挪威法这一新型施工方法。考虑到我国幅员辽阔,也广泛分布着硬质岩层,笔者在讲授隧道施工方法这部分内容时,就将教学大纲中没有的挪威法加入到讲授内容中。笔者在教学中通过对比新奥法和挪威法的不同特点,介绍了在硬岩中采用挪威法开挖隧道的优势,并利用典型的工程案例加深了学生对挪威法的理解。介绍这些新型的施工方法,可以开阔学生的视野,为他们解决类似的工程问题提供一些参考。将国内外最新的工程技术引入课堂教学,不但可以提高学生的学习兴趣,而且可以为培养新工科所需要的复合型人才奠定基础。
  (三)采用现代化的教学手段提高学生的学习兴趣
  隧道工程是一门专业性很强的课程,内容涵盖隧道的规划、勘测、设计、施工和养护几个方面,许多知识点难以采用传统教学方法中的板书予以展示。例如,山岭隧道二次衬砌施工中采用衬砌台车对混凝土衬砌进行浇筑,衬砌台车利用钢材架设起与隧道内轮廓吻合的钢制模板,然后在底部轨道铺设好的轨道上推进,根据隧道施工进尺,完成混凝土的浇筑作业。这样的工艺流程,如果在课堂上仅仅采用文字介绍很难把这一过程描述清楚。即使采用PPT演示,二维的图片也只能展示这个施工过程的一个断面,难以反映这个三维施工过程的整个流程。因此,笔者在备课过程中考虑采用三维动画展示这个三维施工过程。笔者在网上搜索到一个山岭隧道施工的三维动画,里面演示了利用衬砌台车浇筑二次衬砌的施工过程,制作比较精致,但是这个视频还涵盖了其他施工工艺,不利于学生集中精力学习二次衬砌浇筑这个知识点。此外,视频只演示了施工过程,没有对每个施工步骤进行解说,学生在观看过程中对一些细节难以充分理解。因此,笔者采用视频编辑软件,将授课所需要的内容剪辑出来。在此基础上对该施工过程进行详细的讲解,并利用软件将讲解音频与视频进行合成,制作出一段符合授课要求的动画演示视频。最后将制作好的视频插入到PPT中,在讲授到二次衬砌施工这一知识点时进行播放,学生通过观看视频并聆听讲解,较好地理解了采用衬砌台车浇筑二次衬砌的整个过程。
  上述例子可以看出,采用现代化的教学手段对于隧道工程这类与工程实践结合得很紧密的课程的课堂教学有很好的帮助。采用动画、视频等手段,不但能够把一些难以用语言描述清楚的知识点直接演示出来,还可以加深学生对知识点的理解,激发学生的学习兴趣[6]。现代化的教学手段与新工科背景下的高等工程教育所提倡的教学模式是一致的,采用这样的教学手段有助于提升新工科背景下的课堂教学效果,促进新工科教学理念在高等工程课堂教学中的推广。
  三、结语
  笔者结合本科生隧道工程课程课堂教学的实践经验,通过对比传统的课堂教学模式与基于新工科教学理念的课堂教学模式的差异,探索了采用新工科教学理念的课堂教学方法,并提出了具体实施思路。由于“新工科”这一教育理念提出的时间还不长,仍需要在高等工程教育实践过程中进行不断的探索和完善。基于新工科理念的教学模式是目前高等工程教育发展的趋势,对于培养土木工程领域需要的创新型人才和复合型人才有重要意义。
  [[ 参 考 文 献 ]]
  [1] 周静,刘全菊,张青.新工科背景下实践教学模式的改革与构建[J].实验技术与管理,2018(3):165-168+176.
  [2] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究,2017(3):1-6.
  [3] 陈建义.基于“新工科”的“过程流体机械”教学方法研究[J].教育教学论坛,2017(48):154-156.
  [4] 韦钰,石蕴玉,曾国辉.新工科背景下的电气工程专业实践教学模式探究[J].中国现代教育装备,2017(21):72-74.
  [5] 施成华.隧道课程互动式教学方法的探索与实践[J].长沙铁道学院学报(社会科学版),2009(3):87-88.
  [6] 左清军,谈云志,刘艺梁.视频教学模式在“隧道工程”课程教学中的应用[J].中国地质教育,2014(4):92-95.
  [责任编辑:庞丹丹]
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