地下工程結(jié)構(gòu)案例庫教學(xué)改革與實踐

韓憲軍 王立平

[關(guān)鍵詞]地下工程結(jié)構(gòu);教學(xué)改革;案例教學(xué)法

地下工程結(jié)構(gòu)是面向我校土木與建筑工程全日制碩士專業(yè)學(xué)位研究生開設(shè)的一門重要的專業(yè)課，每年開設(shè)一輪，每輪選修學(xué)生一般在10人左右。本課程綜合利用數(shù)學(xué)、力學(xué)等基礎(chǔ)知識和巖石力學(xué)、土力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)等應(yīng)用性知識，以及彈塑性力學(xué)、有限單元法等數(shù)值模擬技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)等多方面的知識，對地下工程結(jié)構(gòu)涉及的基本概念、基本理論和設(shè)計計算方法開展系統(tǒng)介紹和講授。本課程的教學(xué)開展，不僅僅對學(xué)生數(shù)學(xué)、力學(xué)基本知識有較高的要求，也是對其所學(xué)的巖石力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)等課程知識的掌握和熟練程度的綜合考驗。本課程的特點是理論與實踐并重，所涉及的數(shù)學(xué)、力學(xué)知識較多，且與工程實際聯(lián)系密切，工程實踐性強，基本理論、基本概念和基本計算多而雜。從教學(xué)效果來看，多數(shù)學(xué)生普遍反映本課程知識點多面廣，難度較大，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難收到較好的教學(xué)效果。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，著力提高地下工程結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)效果，我校近年來開展了以“地下工程結(jié)構(gòu)案例庫建設(shè)”為題的教育教學(xué)改革項目。本教學(xué)改革項目強調(diào)從緒論課的講授入手，深度整合課程教學(xué)內(nèi)容，綜合采用以案例教學(xué)為主的新型教學(xué)方法，并就考核方式等進行了系統(tǒng)的研究?，F(xiàn)就教學(xué)改革實踐過程中的有關(guān)思考和取得的成效加以總結(jié)，可供國內(nèi)相關(guān)專業(yè)學(xué)位研究生的課程教學(xué)工作提供參考。

一、講好緒論課，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

俗話說良好的開端是成功的一半，事實也多次證明緒論課的講授情況如何對于能否提高大家的學(xué)習(xí)興趣，乃至對課程的整體教學(xué)效果具有至關(guān)重要的影響[1]。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們從教學(xué)環(huán)節(jié)安排、教學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)流程控制等方面全方位、多角度地精心準備。在緒論課講授時，我們一方面利用視頻講解等先進手段，結(jié)合近年來國內(nèi)外在地下工程結(jié)構(gòu)方面所開展的重大工程（如港珠澳大橋工程、紅谷沉管隧道工程、重要城市地鐵工程、南水北調(diào)中線穿黃隧洞工程等），就本課程所涉及的基本理論和專業(yè)知識做提綱挈領(lǐng)的介紹。通過展示和介紹，多數(shù)同學(xué)能夠明白本課程將要學(xué)習(xí)的知識和內(nèi)容是有用的、有趣的，所學(xué)知識和工程現(xiàn)場的聯(lián)系是密切的，在工程實踐上是能派上用場的。另一方面，在緒論課講授中我們還就本課程的特點和要求，結(jié)合學(xué)生的實際情況，就大家需要補充或加強的數(shù)學(xué)、力學(xué)知識儲備以及擬采用的教學(xué)方法和教學(xué)實施步驟跟學(xué)生進行充分的溝通、說明。與此同時，我們還廣泛征求學(xué)生的意見和建議，提高學(xué)生的積極性、參與度和代入感，為課程教學(xué)的后續(xù)實施創(chuàng)造一個良好的氛圍。幾輪教學(xué)實踐證明，通過緒論課從形式到內(nèi)容以及具體的教學(xué)實施等一系列改進工作，極大地調(diào)動了廣大學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情。

二、整合教學(xué)內(nèi)容，注重案例式教學(xué)方式的應(yīng)用

前已述及地下工程結(jié)構(gòu)所涉及的教學(xué)內(nèi)容點多面廣且繁雜，我們根據(jù)地下工程結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容的具體情況，把教學(xué)內(nèi)容整合成理論基礎(chǔ)和工程實踐兩大塊。以往在進行本課程講授時，這兩部分內(nèi)容分開講授，兩塊內(nèi)容并重，學(xué)生們普遍反映第一部分內(nèi)容理論性太強，而第二部分內(nèi)容實踐性強且內(nèi)容過于寬泛，造成所謂“理論與實踐兩張皮”，不能形成有效的連接。為了提高大家的理解和接受能力，在對本課程進行教學(xué)改革的過程中，我們以案例教學(xué)法為主，進行了如下有益的嘗試。

（一）將理論內(nèi)容融入工程案例中穿叉講授

現(xiàn)有的地下工程結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容理論部分主要涉及基本概念、基本原理和計算方法以及結(jié)構(gòu)可靠度理論等幾部分內(nèi)容。上述內(nèi)容除結(jié)構(gòu)可靠度理論具有一定的獨立性外，其他內(nèi)容都是基礎(chǔ)性和概略性內(nèi)容，與后續(xù)工程實踐聯(lián)系緊密，是學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握知識點和后續(xù)從事具體工程實踐的基礎(chǔ)與前提。為此，我們在教學(xué)改革中嘗試把這些內(nèi)容穿插到工程案例中一并講授。具體的做法就是以工程案例為背景和切入點，把涉及的基本概念、基本原理、具體的設(shè)計計算模型與方法流程等內(nèi)容按重要性和聯(lián)系的密切程度不同抽絲剝繭地分類、分層次地引導(dǎo)學(xué)生去尋求答案，并對重要部分或難度較大的地方進行適度講解。通過這種教學(xué)方式的應(yīng)用，學(xué)生普遍反映所學(xué)內(nèi)容能夠理論聯(lián)系實際，通過具體的工程案例就可以把復(fù)雜的、煩瑣的基本概念、基本理論和計算流程等內(nèi)容串聯(lián)在一起，收效良好。

（二）精選案例，采用案例教學(xué)，以案說法

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，課堂講授內(nèi)容與工程實踐嚴重脫節(jié)。教師教學(xué)環(huán)節(jié)多采用“填鴨式”一言堂的教學(xué)模式，課堂氣氛沉悶，毫無生氣可言，教學(xué)效果之差可想而知。這不僅與當今大力提倡的素質(zhì)教育潮流格格不入[1]，也不符合《教育部關(guān)于做好全日制碩士專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)工作的若干意見》（教研〔2009〕1號）所給出的培養(yǎng)模式和培養(yǎng)質(zhì)量要求[2]。案例教學(xué)法[3-4]則可以較好地避免傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足。這一教學(xué)法是由哈佛大學(xué)法學(xué)院前院長克里斯托弗·格倫姆布斯·朗道爾教授（C C Langdell）于1870年率先創(chuàng)立并開始使用的。20世紀80年代，案例教學(xué)開始引入我國，目前已得到了廣泛的應(yīng)用，其效果顯著，日益為國人所熟知和接受，其應(yīng)用范圍也逐漸擴大到法律、企業(yè)管理、醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、礦山工程、地下建筑工程等眾多領(lǐng)域[3-9]。具體到地下工程結(jié)構(gòu)案例教學(xué)而言，就是在課程中選用一些經(jīng)典的工程實例，結(jié)合工程反映出來的問題從概念、原理、方法、流程等層面進行分析討論，讓學(xué)生產(chǎn)生一種身臨其境的直觀認知，進而對所涉及的概念原理方法等知識有深刻的理解、認識和掌握。

地下工程結(jié)構(gòu)的工程實踐教學(xué)涉及淺埋式地下結(jié)構(gòu)、基坑圍護結(jié)構(gòu)、逆作法結(jié)構(gòu)、沉井結(jié)構(gòu)、沉管結(jié)構(gòu)、整體式隧道結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)、頂管與箱涵結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。這些內(nèi)容又涉及較多的數(shù)學(xué)、力學(xué)基礎(chǔ)課程知識和土力學(xué)、巖石力學(xué)及混凝土結(jié)構(gòu)等相關(guān)專業(yè)內(nèi)容。在有限的學(xué)時條件下，我們采用案例式教學(xué)法進行講授，效果良好。對于某一具體的教學(xué)內(nèi)容，我們通常的做法是結(jié)合國內(nèi)外典型的工程實例，就這一類型的工程結(jié)構(gòu)所涉及的基本概念、基本計算理論和方法、流程進行講解。在長期的建設(shè)和發(fā)展過程中，國內(nèi)外積累了大量的工程案例可供教學(xué)選擇[10]。下面我們以沉管結(jié)構(gòu)為例進行具體說明。

沉管結(jié)構(gòu)是一種重要的地下工程結(jié)構(gòu)，是穿越江河、海峽的一種形式，在世界范圍內(nèi)有著較為廣泛的應(yīng)用和良好的前景。目前世界上沉管隧道技術(shù)靠前的國家有美國、荷蘭和日本。中國作為后起之秀，先后建成了多座交通或市政沉管隧道。目前已建成通車的港珠澳大橋海底隧道[11]（見圖1）是世界最長的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道，也是我國第一條外海沉管隧道。港珠澳大橋海底部分約5664米，由33節(jié)巨型沉管和1個合龍段最終接頭組成，最大安裝水深超過40米。我們結(jié)合港珠澳大橋海底隧道工程，就如下問題引導(dǎo)學(xué)生分析探究：

（1）什么是沉管結(jié)構(gòu)？沉管隧道的施工原理是什么？沉管結(jié)構(gòu)常見類型有哪些？

（2）沉管結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)法隧道相比有何特點？

（3）沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該考慮哪些因素，應(yīng)堅持哪些設(shè)計原則？

（4）沉管管段制作有哪些要求，應(yīng)采取哪些必要的技術(shù)措施？

（5）沉管管段設(shè)計時荷載及其組合是如何確定的？結(jié)構(gòu)計算過程是怎樣的？管段斷面設(shè)計有哪些要求？管節(jié)長度和分段要求如何？具體的細部構(gòu)造要求有哪些？

（6）管段接頭、管節(jié)接頭和最終接頭有哪些特點和一般要求？具體做法如何實現(xiàn)？

（7）管段防水、排水是如何處理的？

（8）沉管出塢、浮運、沉放過程中有哪些技術(shù)要求或方法？

（9）沉管管段水力壓接是怎樣一個過程？管段連接質(zhì)量如何保證？

（10）沉管基礎(chǔ)處理的目的是什么，有哪些要求和具體做法？

（11）該沉管工程施工過程中遇到了哪些困難，這些困難是如何克服的，對于其他類似工程有何啟示或值得借鑒的地方？

多輪教學(xué)實踐表明，多數(shù)學(xué)生通過集中觀看與該案例相關(guān)的視頻（如中央電視臺科教頻道制作的專題節(jié)目《沉管隧道建成記》和紀錄片《港珠澳大橋》等）、幻燈片等形式，都能夠充分利用課上和課下時間擴展閱讀教材和其他相關(guān)媒體資料，對該案例進行解讀、體驗、闡釋[6]，基本上能對上述有關(guān)問題做出一定程度的了解、分析、把握和解答。然后經(jīng)過課堂交流環(huán)節(jié)的師生交流、生生交流產(chǎn)生思維碰撞，案例所裹挾的新的知識與學(xué)生的已有知識產(chǎn)生正面對接，學(xué)生在身臨其境中感知到所學(xué)知識的實在感與應(yīng)用性。這樣一來，大家不僅對其中所涉及的數(shù)學(xué)力學(xué)知識有了更多的認識，對所涉及的土力學(xué)和混凝土結(jié)構(gòu)方面的知識能夠做出對照，進而有針對性地復(fù)習(xí)強化某些具體的知識點，同時還能增強民族自信心和自豪感，提高學(xué)好本課程的信心和決心。

（三）案例庫建設(shè)框架

應(yīng)該指出，案例庫建設(shè)與其他項目建設(shè)類似，不是一蹴而就的，總需要有一個過程。在建設(shè)過程中涉及建設(shè)目的的明確，建設(shè)框架的確定，建設(shè)原則的細化，案例庫的充實、更新與優(yōu)化調(diào)整等多個層面，工作頭緒多，任務(wù)雜。應(yīng)以保證質(zhì)量為前提，在保證基本知識體系不變或變化不大的同時，更要注重與時俱進，加強針對性和時效性。為此，我們初步擬定本課程案例庫建設(shè)所采用的基本框架（見圖2）。其中，案例選取的綜合性原則是指所選結(jié)構(gòu)某個案例一般不單單包括某一方面的具體結(jié)構(gòu)，有可能包括多種地下結(jié)構(gòu)形式，相應(yīng)的支護或加固模式對于同一案例也可能出現(xiàn)多種選擇或多種形式并存的現(xiàn)象。另外，案例選取的針對性原則是指所選案例既有成功的案例，也有負面的失敗的案例。正反兩方面案例的學(xué)習(xí)，使大家不僅能品嘗到典型案例的成功經(jīng)驗，也能體會到失敗案例所帶來的教訓(xùn)，從而引以為戒，避免今后從事實際工作時出現(xiàn)類似的錯誤或不恰當?shù)呐e措。

三、改革考核方式，重視對學(xué)生能力和素質(zhì)的考查

考核作為教學(xué)工作的最后一環(huán)，其目的在于檢驗教師教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)成效[1]。經(jīng)過一段時間的摸索，在我們所采用的考核方式中，學(xué)生成績一般由平時成績和期末成績兩部分構(gòu)成，所占比重各為50%。為了培養(yǎng)大家的學(xué)習(xí)能力和工程素養(yǎng)，我們在考核時必須體現(xiàn)過程考核，因此特別加入了典型工程案例搜集整理水平和教學(xué)意見、建議與反饋兩部分內(nèi)容，兩者在平時成績中所占比重分別為70%和30%。作為過程考核的體現(xiàn)，前者能夠檢驗大家對地下工程結(jié)構(gòu)案例的認知、基本概念的理解、基本原理的準確把握和靈活應(yīng)用程度，鍛煉學(xué)生的靈活的分析能力、高度的概括能力和敏銳的洞察力[10]，同時也便于將學(xué)生制作較好的案例適當充實進現(xiàn)有案例庫。而教學(xué)意見、建議與反饋，能夠及時把本輪課程教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的不足與值得改進的地方以及良好的建議反饋給教師，教師根據(jù)學(xué)生反饋開展教學(xué)反思，并結(jié)合新技術(shù)、新工藝、新近工程與時俱進地做出相應(yīng)的調(diào)整和改進[8]，可為下一屆學(xué)生的學(xué)習(xí)提供有益參考。期末考核時，我們一般給學(xué)生每人選取一個國內(nèi)外典型的工程案例，讓學(xué)生就該案例所涉及的基本概念、基本原理和方法流程等內(nèi)容拓展成可用于教學(xué)實踐的案例形式。這樣，整個教學(xué)和考核環(huán)節(jié)也就變成了所謂的以案例學(xué)案例、以案例體現(xiàn)案例[7]，進而以案例豐富案例的良性建設(shè)過程。

四、結(jié)論

地下工程結(jié)構(gòu)是一門廣泛應(yīng)用數(shù)學(xué)、力學(xué)知識，綜合運用土力學(xué)、巖石力學(xué)和混凝土結(jié)構(gòu)等應(yīng)用性學(xué)科知識分析處理地下工程建設(shè)中所涉及的結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析和診斷等實踐問題的課程。本課程教學(xué)成效對于土木與建筑工程碩士專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)質(zhì)量有著重要的影響。本文把我們在地下工程結(jié)構(gòu)教學(xué)改革實踐中的一些思考和做法進行了總結(jié)，目的在于拋磚引玉，希望對廣大專業(yè)碩士學(xué)位研究生課程的“教”與“學(xué)”的順利開展有所幫助。