新工科背景下城市地下空間工程專業實踐教學體系建設

左昌群，焦玉勇，李雪平，譚 飛，程 毅，鄭 飛，鄒俊鵬

中國地質大學（武漢） 工程學院，湖北 武漢 430074

21世紀是地下空間大發展的世紀，空間資源的集約復合利用已經被視作支撐城市現代化持續發展的標準范式。2016——2019年以城市軌道交通、綜合管廊、地下停車為主導的中國城市地下空間開發產業每年以1.5萬多億元人民幣規模的速度增長，“十三五”期間，全國地下空間開發直接投資總規模約8萬億元人民幣，從業人員高達500萬，為推動中國經濟有效增長，推進供給側結構性改革提供了重要的產業支撐[1]。地下空間行業迅猛發展的同時，也勢必需要與之配套的大量城市地下空間工程專業技術人才，特別是能綜合利用各種信息知識且具備較強的工程實踐能力、創新能力和國際競爭力的專業技術人才。

為順應行業發展需求，中南大學于2002年率先開設了城市地下空間工程專業，2012年城市地下空間工程專業作為土木工程類的特設專業納入《普通高等學校本科專業目錄》中（專業代碼081005T），并于2019年1月由西南交通大學牽頭在土木工程教學指導委員會下成立了城市地下空間專業教學指導小組，為專業建設和人才培養提供了規范化的引導[2]。2020年，又有4所高校在教育部備案了城市地下空間工程專業，截至2020年底，全國已有83所高校開設了此專業，城市地下空間專業人才培養面臨新的機遇和挑戰。

建設和發展新工科是國家重大戰略實施及經濟社會發展的必然要求，是我國新時代提高國際競爭力、影響力、軟實力的必然要求，同時也是深化當前工程教育人才培養模式改革，提高工程科技人才適應新時代社會需求的現實需要[3]。在此背景下，新型實踐教學體系的構建是“新工科”建設中必不可少的一環，也是城市地下空間工程專業人才培養的重要支撐體系，其與理論教學共同構成一個完整的人才培養體系，兩者相輔相成。本專業由于開設時間短、各院校專業背景差異較大，在人才培養模式、培養方案設計和實踐教學體系建立等方面仍處于探索階段。

我校于2017年成功申報城市地下空間工程本科專業，于2018年招收本科生30人，為1個行政班建制。在高等學校新工科背景下，聚焦學?！懊利愔袊?、宜居地球”戰略目標，依托學校地質資源與地質工程、“雙一流”學科建設，探索和構建了體現我校辦學理念和專業特色的全周期四位一體的城市地下空間工程實踐教學體系，對提升專業人才培養質量奠定了良好的基礎條件，也為兄弟院校城市地下空間工程專業辦學提供參考和借鑒。

一、實踐教學體系構建

1.構建原則

城市地下空間專業的實踐教學體系構建要體現綜合性、科學性、合理性，同時還要易于操作，表現在：（1）實踐教學內容要與課堂教學無縫對接，作為課堂教學的強有力支撐；（2）實踐教學環節要緊跟城市地下空間工程學科發展和行業需求，要匹配現代工程對人才培養的需要；（3）必須以培養學生創造性思維、獨立思考及實踐能力為核心，增強學生解決實際問題的能力和團結協作的工程素養；（4）要充分利用現代多媒體教學及科技手段來提高實踐教學質量和完成度；（5）突出地質特色，加強多學科交叉融合。

2.建設方案及框架

據此，教學團隊搭建了覆蓋學生四年學習生涯的全周期多層次的四位一體的實踐教學體系，整體框架如圖1。

圖1 城市地下空間專業全過程實踐教學框架設計

首先從人才培養方案設計上，2019年修訂版培養方案相較2018年第一版培養方案，優化了課程結構設置，包括實驗、實習等實踐教學的占比由28.5%提高至31.2%，對實踐教學環節進行加強。講課教學及各實踐教學環節學時分配及占比如圖2所示。

圖2 培養方案中各教學環節學分占比圖

其次，根據2019年大類招生方案的思想，設置了模塊化的實踐教學環節，覆蓋了“通識教育”“大類平臺+學科基礎”“專業主干+專業選修”的教學需求，實現了從學生入校到畢業全閉環的培養模式。

再次，將傳統的以“學校+教師”為單一主體的實踐教學延伸至學校、企業、學會；實現教師與學生、企業與學生、企業與教師、學會與學校等協同發展的育人新模式。積極發揮我校自建實習基地、企業產學研基地、省校級科研創新平臺的優勢，開展了產教融合育人模式的新探索。

二、子模塊目標分解及實現途徑

1.校內實驗教學模塊

校內實驗教學模塊主要對標專業培養方案中的“大類平臺課”“學科基礎課”“專業主干課”，其主要目的是配合課堂教學，開展相關課下實驗，更好地掌握理解知識點，提高學生動手能力。實施的主體為校內實驗室，包括基礎的大學物理、化學實驗、工程力學、電工及電子基礎、地質學基礎、土力學、巖體力學等課程實驗環節。

2.野外實習模塊

野外地質實習是我校相關專業學生地質學基礎強有力的基地保障，是課堂實驗的延伸。我校有良好的野外實踐教學傳統和豐富的野外實習經驗，依托我校自建的龍泉山測量實習點、北戴河地質認識實習基地、秭歸實習基地和武漢地基與基礎教學實習點等校外實踐平臺，開展測量學、地質學基礎、水文地質學等課程的鞏固實習。在野外，培養和訓練學生識別、認識、分析各種工程、地質、水文、巖石礦物、構造現象等的能力，熟練掌握羅盤使用、野簿記錄、剖面繪制等專業基本技能（圖3），認識和了解各種工程結構及施工方法，為后續專業學習提供輔助。

圖3 北戴河地質認識實習

3.工程實訓模塊

學生在完成前兩年的大類課程學習后，會進行專業方向選擇，并逐漸進入專業學習階段，這時候培養學生利用所學知識，綜合分析解決相關工程問題就成為實踐教學重要內容。工程實訓模塊包括專業生產實習、課程設計、畢業實習和畢業設計等環節。

地下空間工程專業在培養方案中體現了目前地下空間工程開發利用的特點，專業主干課也涵蓋了地下空間工程代表性結構類型及典型建造技術。因此，在實踐環節補充了“地下空間規劃及利用”“基礎工程學”“城市地下管網工程”“地下工程結構”等課程設計，通過真實工程案例，真題真做，提高學生分析和解決實際問題及從事科學研究能力，也使學生在此過程中，熟練掌握CAD、數值計算、數理統計、計算機編程等專業軟件的使用。

與此同時，專業教師也動員發揮校友優勢，聯系和申報了一大批產學研基地，與行業龍頭企業，如鐵四院、漢陽市政集團、中鐵十六局、中建三局、中國一冶等簽訂了長期合作協議，為專業學生生產實習、畢業實習等提供了重要場所，成為工程實訓的又一重要陣地（圖4）。

圖4 黃岡綜合管廊頂管施工實習

4.創新科研模塊

創新科研模塊包括學科競賽、社會調查、科研項目等環節。大量實踐證明，學科競賽在實踐教學中發揮著特殊的創新教育功能，對學生全面提升自身的知識應用能力、問題解決能力以及創新實踐能力具有獨特而不可代替的作用，也更容易受到研究生導師和用人單位的青睞[4]。本專業的學科競賽主要包括各類（全國、省、校級）大學創新創業訓練、中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽、大學生挑戰杯、全國大學生數學建模競賽、周培源力學競賽，以及由地下空間、市政等行業協會主辦的全國城市地下空間工程專業模型設計大賽、全國地下空間創新大賽等。

近年來，隨著國家及學校宣傳力度的增加，本專業學生參與學科競賽和科研的熱情不斷提高，專業教師指導學生參與科研活動的精力及經費投入也逐年增加。2021年度，本專業學生又獲批4項國家級創新創業項目，全系有50%以上教師參與指導學生學科競賽活動，在全院起到了很好的示范效應。

三、實施效果及改進措施

1.實施效果

本專業第一屆學生經過三年系統的專業學習，班級學習風氣濃厚，平均學分績點在地下工程類3個班級中排名第一，在土木工程9個專業班中排名第三。學生在參加全國大學生創新創業大賽、全國大學生數學建模大賽，以及大學生“挑戰杯”大賽等活動中獲得較好成績，創新實踐能力突出。在剛剛結束的2021年第七屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽湖北省復賽中取得了一銀一銅的好成績，在今年7月份工程學院研招開放日選拔中，班級有14名學生通過考核，占班級總人數的50%。

2.改進建議措施

針對目前實踐教學在實施過程中仍有改進之處。

（1）增強校企融合力度，推進“企業導師制度”，建設協同育人新模式。

學校擁有龐大的專業教師隊伍和豐富的教學資源，在理論教學方面具有得天獨厚的優勢。企業直接面向具體工程，是工程實踐人才成長的沃土。學校和企業應發揮各自優勢，建立校企合作平臺，實現資源共享。具有豐富工程經驗的企業人員作為校外導師可直接參與學生生產實習、畢業實習和畢業設計全過程，負責學生實踐能力培養，實現理論知識和實踐技能兼具的人才培養目標。

（2）提升創新實踐模塊比重，以學科競賽驅動創新能力培養提升。

盡管學科競賽對學生創新能力發揮著較積極作用，但通過調研發現，學科競賽在學生中的普及率并不高，在學業學分中比重也較小。一方面是相對傳統土木、工程地質和結構工程而言，針對城市地下空間工程的專業競賽并不多；另一方面，競賽的規模和影響力不大，教師和學生往往忽視參賽和報名信息，使得競賽覆蓋的學校和學生數量都十分有限，通過競賽提升學生創新能力的效果也大打折扣。建議可以健全和發展學校舉辦學科競賽的獎勵激勵制度，形成學會主持、高校輪流主辦的良性循環機制，通過學科競賽驅動學校創新人才培養模式改進和人才質量提升。

（3）借助多元信息及互聯網手段，豐富實踐教學手段和內容。

城市地下工程具有體量大、施工期長、綜合性強、隱蔽性高、危險性大等特點，現場實驗及實踐教學難度大。為了給學生創造更多的實踐機會，拓展實踐教學，可以結合實際工程背景，利用專業的仿真模型和虛擬仿真試驗平臺，開展虛實結合的實踐教學模式，增強學生參與感及交互體驗[5]。

隨著計算機技術的發展，虛擬現實技術（VR）、翻轉課堂、微課、MOOC課等新手段和技術也有必要逐漸應用到實踐教學中來，滿足專業培養多元化的需求。

（4）加強教學過程管理，建立立體層次的實踐考核模式。

實踐教學一般周期長，場所不固定，教學過程的把控難度較大。尤其是對課程設計，通常一班一題，無法對學生參與投入進行區別化評價。對實踐教學的考核，也無法沿用傳統課堂教學“平時考勤+課間作業+試卷考核”的模式，給教學質量評價及反饋優化帶來困難。因此，遵循“新工科”理念，探索能體現過程參與度，以評估學生的思維、知識、個性和能力主要要素的綜合立體式考核評價體系，也是未來高校應積極探索的一個方向。

四、結束語

城市地下空間開發與利用是未來國家基礎建設的重要方向，是建設“資源節約型、環境友好型和諧社會”的必由途徑。城市地下空間工程專業作為新興專業，實踐教學特別需要創新，以適應城市建設、社會發展、學科建設、行業用人的新要求。以新工科理念為引領，通過城市地下空間工程專業全過程實踐教學綜合體系的構建與創新，優化了各實踐教學環節的教學內容、教學方式，提高了學生的專業技能和科技創新能力，帶動了學科整體質量的提高，為培養符合新工科背景下城市地下空間工程專業人才奠定了堅實基礎。