基于OBE的城市地下空間工程實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

劉勇健　梁文添　鄧滸標(biāo)　魏建軍

[摘 要]本研究以廣東工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革為例，探討在新時(shí)代背景下城市地下空間工程專業(yè)創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建的理念和措施。項(xiàng)目組以O(shè)BE工程教育理念為指導(dǎo)，以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和“粵港澳大灣區(qū)”建設(shè)對(duì)人才的新要求，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)習(xí)基地建設(shè)。將校內(nèi)工程模擬與校外實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練相結(jié)合，構(gòu)建了具有地方特色的城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系和仿真教學(xué)平臺(tái)。仿真實(shí)踐平臺(tái)包括盾構(gòu)機(jī)施工仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、地下水模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和地下空間工程原位測(cè)試仿真系統(tǒng)。學(xué)校通過(guò)“三向融通”實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式，開展 “實(shí)踐育人”，以滿足社會(huì)和行業(yè)發(fā)展的新要求。

[關(guān)鍵詞]城市地下空間工程; OBE工程教育模式;實(shí)踐教學(xué)體系;仿真平臺(tái)

[中圖分類號(hào)] TU94; G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）06-0068-03

進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)高等教育開始從精英教育向大眾教育轉(zhuǎn)化，我國(guó)已邁入世界高等工程教育大國(guó)行列。為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家培養(yǎng)大批具有創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才是當(dāng)前高等工程教育的根本任務(wù)[1-2]。2016年我國(guó)正式加入《華盛頓協(xié)議》，實(shí)現(xiàn)了歷史性跨越，為我國(guó)高等工程教育實(shí)現(xiàn)與國(guó)際化接軌提供了重要契機(jī)，加速了工程教育教學(xué)改革的深化。近年來(lái)，為緩解城市壓力，加大開發(fā)利用城市地下綜合體，軌道交通、綜合管廊、地下商場(chǎng)等城市地下空間資源，實(shí)現(xiàn)我國(guó)城市可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，需要大批城市地下空間工程技術(shù)人才[3-4]。中南大學(xué)于2002 年率先開設(shè)了城市地下空間工程專業(yè)，隨后山東大學(xué)、南華大學(xué)等高校也開設(shè)了該專業(yè)。目前，全國(guó)已有76所高校開設(shè)了本專業(yè)，每年招生約3800人。 “一帶一路”倡議和“粵港澳大灣區(qū)”的開發(fā)，對(duì)城市地下空間工程專業(yè)的畢業(yè)生需求量增大，對(duì)人才培養(yǎng)提出了更高更新的要求 [5]。

在《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》（2012年）中，城市地下空間工程專業(yè)（081005T）為新增特設(shè)專業(yè)，于2019年1月在土木工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)下成立了城市地下空間專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)小組。由于本專業(yè)開設(shè)時(shí)間短，各高校的人才培養(yǎng)模式和實(shí)踐性教學(xué)體系仍處于探索階段[6-7]。廣東工業(yè)大學(xué)作為廣東省第一所開設(shè)城市地下空間工程專業(yè)的高校，其依托國(guó)家級(jí)特色專業(yè)土木工程專業(yè)，經(jīng)專業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后增設(shè)，于2013年開始招生。根據(jù)近3年來(lái)用人單位需求及畢業(yè)生調(diào)查，近70%的畢業(yè)生在企業(yè)從事地下空間工程技術(shù)工作，用人單位特別看重畢業(yè)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。如何構(gòu)建新時(shí)代背景下城市地下空間工程專業(yè)創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)體系，培養(yǎng)新工科人才？廣東工業(yè)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┮劳小盎浉郯拇鬄硡^(qū)”城市軌道交通迅猛發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了具有地方特色的城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系和仿真教學(xué)平臺(tái)。

一、OBE工程教育模式

OBE （Outcome-Based Education）教育理念是一種基于學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的工程教育模式，最早應(yīng)用于美國(guó)和澳大利亞的基礎(chǔ)教育，很快在世界各地高校中推廣開來(lái)。它強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，即以學(xué)生發(fā)展為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心、以學(xué)習(xí)成效為中心，注重學(xué)生的能力培養(yǎng)和個(gè)性發(fā)展[8]。如圖1所示，OBE工程教育模式遵循“反向設(shè)計(jì)”原則，結(jié)合國(guó)家、行業(yè)和社會(huì)發(fā)展需求、學(xué)校辦學(xué)定位、專業(yè)特色和學(xué)生家長(zhǎng)期望等多種因素，由培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求反向構(gòu)建專業(yè)課程體系、教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容及相關(guān)評(píng)價(jià)體系。可以通過(guò)考核環(huán)節(jié)，分析課程達(dá)程度，并制訂持續(xù)改進(jìn)措施。OBE工程教育三個(gè)核心要義為：成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心和持續(xù)改進(jìn)。在OBE專業(yè)認(rèn)證體系中，特別重視實(shí)踐教學(xué)體系及教學(xué)效果的評(píng)價(jià)。

二、基于OBE理念的城市地下空間工程實(shí)踐教學(xué)體系

（一）明確“以學(xué)生為中心”的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)

城市地下空間工程具有三大屬性：實(shí)踐性、綜合性和創(chuàng)新性。OBE工程教育模式適合城市地下空間工程應(yīng)用型創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)。在此理念指導(dǎo)下，以學(xué)生為中心，以社會(huì)需求為導(dǎo)向，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，即畢業(yè)生適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，反映學(xué)生畢業(yè)后5年左右在社會(huì)與專業(yè)領(lǐng)域的預(yù)期成就，能解決城市地下空間工程專業(yè)的復(fù)雜工程問(wèn)題，能準(zhǔn)確理解和評(píng)價(jià)工程實(shí)踐對(duì)社會(huì)、健康、安全、環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展的影響。培養(yǎng)具備扎實(shí)的自然科學(xué)知識(shí)和良好的人文素養(yǎng)，獲得工程師基本訓(xùn)練，掌握城市地下空間工程及相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理和BIM等前沿應(yīng)用技術(shù)，具有基礎(chǔ)較扎實(shí)、專業(yè)知識(shí)面寬、實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)意識(shí)和可持續(xù)發(fā)展理念的應(yīng)用型創(chuàng)新城市地下空間工程技術(shù)人才。我校先后制訂與修訂了2013版、2016版、2018版人才培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱和課程體系，根據(jù)“粵港澳大灣區(qū)”城市地下空間發(fā)展對(duì)人才的新要求，明確“以學(xué)生為中心”的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)建新工科背景下實(shí)踐教學(xué)體系。

（二）以成果為導(dǎo)向，構(gòu)建基于OBE模式的實(shí)踐課程體系

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾h(huán)節(jié)。實(shí)踐教學(xué)以學(xué)生為本，以社會(huì)和行業(yè)對(duì)工程類人才的需求為導(dǎo)向，整合優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)習(xí)基地建設(shè)，將校內(nèi)工程模擬與校外實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練相結(jié)合，構(gòu)建OBE模式下的實(shí)踐課程體系。實(shí)踐教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容緊密圍繞城市地下空間工程產(chǎn)業(yè)變革及新工科建設(shè)要求，建立了“基礎(chǔ)實(shí)踐模塊+專業(yè)實(shí)踐模塊+科學(xué)實(shí)踐模塊”的多層次實(shí)踐教學(xué)體系，見表1。由于現(xiàn)代城市地下空間工程的復(fù)雜性和綜合性，其對(duì)人才的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力要求很高。在制訂人才培養(yǎng)方案時(shí)，我們堅(jiān)持“理論與實(shí)踐并重”的原則，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有44.5學(xué)分。課程的實(shí)踐（實(shí)驗(yàn)）教學(xué)、專業(yè)實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新訓(xùn)練和工程實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的相互支撐，課內(nèi)外的相互補(bǔ)充，產(chǎn)學(xué)研有機(jī)結(jié)合，綜合培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。以畢業(yè)要求達(dá)成為標(biāo)桿，強(qiáng)化課程體系與畢業(yè)要求的匹配度，課程實(shí)驗(yàn)的畢業(yè)要求，使各課程體系更好地支撐人才培養(yǎng)目標(biāo)，并制訂各課程持續(xù)改進(jìn)多項(xiàng)措施。

（三）構(gòu)建“三向融通”實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，開展 “實(shí)踐育人”

廣東工業(yè)大學(xué)與中山環(huán)宇實(shí)業(yè)有限公司（國(guó)家級(jí)工程實(shí)踐中心）、廣州工程總承包集團(tuán)有限公司（廣東省大學(xué)生實(shí)踐教育基地）、中天建設(shè)集團(tuán)有限公司、廣州市盾建地下工程公司等37家企業(yè)單位簽訂了校外實(shí)習(xí)基地。本著“共建教學(xué)資源、共享合作成果”的原則，建立了集教學(xué)、科研、人才培養(yǎng)“三向融通”的城市地下空間工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)行項(xiàng)目合作和“協(xié)同育人”。整合校內(nèi)外教學(xué)資源，綜合應(yīng)用各類實(shí)驗(yàn)室和校內(nèi)外實(shí)習(xí)基地，以項(xiàng)目為載體，實(shí)施“實(shí)踐育人”，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)行“雙導(dǎo)師”制和“一人一題”制，以實(shí)際工程為背景，解決工程實(shí)際問(wèn)題，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。通過(guò)校企深度合作，人才聯(lián)合培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)人才與用人單位的無(wú)縫對(duì)接。

三、城市地下工程仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

城市地下工程具有體量巨大、施工周期長(zhǎng)、參與方多、綜合性強(qiáng)、隱蔽性高、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)難度大。為了給學(xué)生創(chuàng)造更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，我們加強(qiáng)了校內(nèi)工程模擬訓(xùn)練。結(jié)合實(shí)際工程背景，利用專業(yè)的仿真模型和軟件，構(gòu)建了城市地下空間工程仿真平臺(tái)，包括盾構(gòu)機(jī)施工仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、地下水模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和地下空間工程原位測(cè)試仿真系統(tǒng);建設(shè)了地下工程原位測(cè)試校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地，開展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式。

（一）盾構(gòu)機(jī)施工仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)仿真模擬實(shí)訓(xùn)裝置在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用，突出強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)在學(xué)生基本技能和創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的作用。盾構(gòu)施工是一種重要的地下空間工程施工方法，要盡可能在不擾動(dòng)圍巖的前提下完成施工，從而最大限度地減少對(duì)地面建筑物及地基內(nèi)埋設(shè)物的影響。長(zhǎng)沙儒林儀器設(shè)備有限公司和我校專業(yè)教師共同研發(fā)了盾構(gòu)機(jī)施工仿真系統(tǒng)V3.0，該盾構(gòu)機(jī)仿真系統(tǒng)選用泥水式盾構(gòu)機(jī)原型作為制作藍(lán)本，按比例設(shè)計(jì)加工制作，在外觀、尺寸、參數(shù)性能上較前期制作的仿真系統(tǒng)有較大改進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)施工仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)集實(shí)訓(xùn)教學(xué)、數(shù)據(jù)采集模擬、三維虛擬仿真、考核培訓(xùn)系統(tǒng)于一體，實(shí)現(xiàn)了仿真模擬通過(guò)計(jì)算機(jī)操控演示得到各系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模擬等功能。盾構(gòu)機(jī)通過(guò)布局多處測(cè)點(diǎn)位置，安裝儀表、傳感器等儀器設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)軟件界面顯示不同時(shí)間段數(shù)值信號(hào)。通過(guò)模型操作，學(xué)生可以了解盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，利用動(dòng)畫演示盾構(gòu)刀盤切削、渣土輸送、管片拼裝等系列過(guò)程，可以提升學(xué)生對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)力學(xué)機(jī)理和施工技術(shù)的理解。

該“教、學(xué)、訓(xùn)”一體化仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電腦操控下或手動(dòng)操作下的仿真模型系統(tǒng)參數(shù)和各種運(yùn)行狀況分析;操作訓(xùn)練安全、直觀，符合現(xiàn)場(chǎng)工況的仿真，充分保證了學(xué)生、學(xué)員能獲得足夠的時(shí)間進(jìn)行高質(zhì)量“真刀真槍”的實(shí)際職能崗位動(dòng)手技能訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)與工程實(shí)踐的“零距離”接觸。這在訓(xùn)練學(xué)生從事隧道施工設(shè)備領(lǐng)域的研究、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和管理等方面工作基本技能的同時(shí)，還可以讓學(xué)生獲得多種故障識(shí)辨與處理的鍛煉，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（二）地下水模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

地下工程設(shè)計(jì)與施工必須掌握工程場(chǎng)地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，以確保設(shè)計(jì)的合理、施工的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)合理。工程地質(zhì)與水文地質(zhì)課程開設(shè)了地下水模擬實(shí)驗(yàn)。地下水模擬系統(tǒng)包括承壓水模擬系統(tǒng)和潛水模擬系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)抬高河水的水位來(lái)補(bǔ)給承壓水，同時(shí)以泉、集水廊道和井的形式進(jìn)行排泄，分析承壓水運(yùn)移規(guī)律，讓學(xué)生更直觀地了解承壓水。通過(guò)測(cè)量泉流量，學(xué)生可以更清楚地了解天然條件下泉流量的衰減曲線。學(xué)生通過(guò)實(shí)際承壓水模擬系統(tǒng)，測(cè)繪測(cè)壓水位線，平均水力梯度與泉流量關(guān)系，測(cè)繪泉流量隨時(shí)間變化的衰減曲線，用于分析承壓含水層補(bǔ)給與排泄的關(guān)系、觀測(cè)天然條件下泉流量的衰減曲線。學(xué)生通過(guò)地下水模擬系統(tǒng)，熟悉承壓水和潛水模擬系統(tǒng)及其功能，測(cè)繪測(cè)壓水位線，測(cè)繪平均水力梯度與泉流量關(guān)系曲線，測(cè)定泉流量及單井抽水量，測(cè)繪泉流量隨時(shí)間的衰減曲線。

（三）地下工程原位測(cè)試模擬系統(tǒng)

原位測(cè)試是指在工程現(xiàn)場(chǎng)，在不破壞、不擾動(dòng)或少擾動(dòng)巖土體天然結(jié)構(gòu)與狀態(tài)的情況下，測(cè)定特定的物理量，進(jìn)而評(píng)價(jià)被測(cè)試對(duì)象的性能和狀態(tài)。由于地下工程的隱蔽性、巖土體分布不均勻性與工程性質(zhì)復(fù)雜性，原位測(cè)試技術(shù)在工程設(shè)計(jì)和施工中具有極其重要的作用。常用的原位測(cè)試方法有平板載荷試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、樁基的高應(yīng)變和低應(yīng)變測(cè)試等。我校在臨近巖土工程實(shí)驗(yàn)室的區(qū)域，建立了校內(nèi)地下工程原位測(cè)試基地，可開展包括樁基測(cè)試、地基平板載荷試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、靜力觸探和Evd試驗(yàn)等。我校綜合利用校內(nèi)實(shí)習(xí)基地和原位測(cè)試模擬系統(tǒng)，開展校內(nèi)工程模擬與校外實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，讓學(xué)生掌握地下工程原位測(cè)試與監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)，來(lái)強(qiáng)化實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)培養(yǎng)。

四、結(jié)語(yǔ)

在城市地下空間工程迅猛發(fā)展時(shí)期，如何順應(yīng)社會(huì)與行業(yè)發(fā)展新要求，培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才是我們面臨的重要任務(wù)。通過(guò)對(duì)實(shí)踐教學(xué)體系的改革與實(shí)踐，我們得出如下結(jié)論。1.以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，基于OBE模式構(gòu)建了具有地方特色的實(shí)踐教學(xué)體系和仿真平臺(tái)，將校內(nèi)工程模擬與校外實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練相結(jié)合，有效開展 “實(shí)踐育人”。2.“三向融通”實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)很好地服務(wù)于城市地下空間工程教學(xué)和科研。近年來(lái)，我校學(xué)生在國(guó)家級(jí)、省、校、院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練和競(jìng)賽中成績(jī)明顯提升，獲得國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)2項(xiàng)、省級(jí)獎(jiǎng)5項(xiàng)，發(fā)明專利36項(xiàng)，發(fā)表科技論文18篇，實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力有極大提升。通過(guò)“三向融通”實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式，通過(guò)校企深度合作和人才聯(lián)合培養(yǎng)，我們實(shí)現(xiàn)了人才與用人單位的無(wú)縫對(duì)接。3.實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)對(duì)實(shí)踐教學(xué)和人才培養(yǎng)發(fā)揮了積極作用。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐資源建設(shè)，促進(jìn)了城市地下空間工程核心課程群的建設(shè)。近年來(lái)，城市地下空間新專業(yè)已建成了4門省級(jí)精品資源共享課和3門在線資源課，有效提升了教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 戴兵，賀桂城，李春光.城市地下空間工程專業(yè)校企聯(lián)合培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系改革研究[J].教育現(xiàn)代化，2018（6）：47-48+60.

[2] 張軍偉，李雪，曲宏略. 城市地下空間工程應(yīng)用型人才實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新模式研究[J].高教學(xué)刊，2018（14）：45-47.

[3] 李富榮.城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建與創(chuàng)新[J].教育與職業(yè)，2014（5）：158-160.

[4] 楊慧，江學(xué)良，孫廣臣，等.基于實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的改革與實(shí)踐[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2016（2）：3-5.

[5] 閆長(zhǎng)斌.城市地下空間工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)機(jī)制探析[J].高等建筑教育，2015（4）：29-34.

[6] 李麗娟，劉勇健，吳炎海，等.以創(chuàng)新能力為核心的土木工程實(shí)踐教學(xué)體系[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015（4）：169-173.

[7] 李濤，任宏偉，劉波，等. 城市地下工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019（3）：242-246.

[8] 金利群，胡忠策，湯曉玲，等. 基于OBE 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)踐教學(xué)改革探索：以浙江工業(yè)大學(xué)為例[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（ 社會(huì)科學(xué)版）， 2017（2）：227-231.

[責(zé)任編輯：陳 明]