卓越港航人才培養(yǎng)與專業(yè)實驗教學(xué)改革

匡翠萍， 宋竑霖， 劉曙光， 鐘桂輝， 沈 超

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

卓越港航人才培養(yǎng)與專業(yè)實驗教學(xué)改革

匡翠萍， 宋竑霖， 劉曙光， 鐘桂輝， 沈 超

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

實驗教學(xué)是高校在教學(xué)、科研、管理等方面綜合能力的體現(xiàn)，其水平的高低直接決定了培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)量。同濟大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系在原有實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國家“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，針對港口航道與海岸工程專業(yè)本科生提出“卓越港航人才”培養(yǎng)計劃，旨在培養(yǎng)造就一批具有新時代特征的高素質(zhì)復(fù)合型人才。以同濟水利系港航本科專業(yè)培養(yǎng)模式為例，從實驗教學(xué)體系升級、精品課程強化以及精品實驗項目打造三大方面對實驗教學(xué)改革進行闡述和總結(jié)，以期為高校相關(guān)專業(yè)“卓越人才培養(yǎng)計劃”的實施提供借鑒與參考。

卓越工程師； 人才培養(yǎng)； 港航專業(yè); 實驗教學(xué)改革

0 引 言

“實驗室是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的搖籃”，我國著名物學(xué)家、中國科學(xué)院院士馮瑞老先生用一句簡短精煉的句子道出了實驗室對創(chuàng)新的重要性[1]。實驗教學(xué)作為知識向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的紐帶在高等教育教學(xué)體系中扮演著重要的角色，其水平的高低直接反映了一個學(xué)校在教學(xué)、科研、管理等方面的綜合能力[2-3]。因此，如何在現(xiàn)有實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)突破，加強學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，進一步推動滿足時代要求的高素質(zhì)復(fù)合型人才建設(shè)顯得尤為重要[4-6]。

我校土木工程學(xué)院是國內(nèi)同類專業(yè)中教學(xué)和研究實力最強的學(xué)院之一，根據(jù)國家“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”(以下簡稱“卓越計劃”)的要求，率先提出了土木工程培養(yǎng)卓越人才的理念與實施方案。其中，依托本院土木工程學(xué)科優(yōu)勢而建的水利工程系緊跟時代步伐，基于教育部高等學(xué)校水利類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會港航專業(yè)培養(yǎng)要求與“卓越計劃”要求，進一步提出培養(yǎng)“面向未來需要，適應(yīng)科技進步，掌握良好基礎(chǔ)、專業(yè)知識，具有創(chuàng)新能力、再學(xué)習(xí)能力、國際視野和領(lǐng)導(dǎo)意識的卓越港航人才”的理念[7-8]。培養(yǎng)卓越工程師的核心是培養(yǎng)創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力首先應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)創(chuàng)新思維，而結(jié)合實驗的專業(yè)教學(xué)正是創(chuàng)新思維培養(yǎng)的主體。

1 升級實驗教學(xué)體系

1.1 已有成果

自1999年港航專業(yè)成立以來，我系通過對實驗教學(xué)體系改革的不斷探索與實踐，在實驗教學(xué)方面已取得初步成效：①構(gòu)建了滿足社會需要的本科生實驗教學(xué)體系；②四屆全國大學(xué)生水利創(chuàng)新設(shè)計大賽共獲：特等獎4次、一等獎6次、二等獎4次，全國水利院校十佳未來水利之星1名，優(yōu)秀指導(dǎo)教師6人次等；③現(xiàn)有上海市教委重點課程3門，校精品課程3門，卓越課程2門及精品實驗課程4門。

水利工程系的水利港口綜合實驗室屬長江水環(huán)境教育部重點實驗室，其中包括波流水槽實驗室及港工結(jié)構(gòu)耐久性實驗室，擁有眾多先進儀器設(shè)備，如：波流水槽及波流模擬系統(tǒng)、粒子圖像測速儀(PIV)、聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)、表層流速場、波高及壓力測量系統(tǒng)、高精度點流速儀(ADV)、粒度分析儀、動態(tài)應(yīng)變儀、濁度儀、密度儀、測深儀、溫深儀，以及氯離子滲透儀、三軸滲透儀、氯離子含量測量儀等?？蓮氖虏ɡ诉\動特性、波浪與結(jié)構(gòu)相互作用、水下邊坡穩(wěn)定、泥沙運動、水環(huán)境污染、港工結(jié)構(gòu)檢測及耐久性等方面的試驗研究。目前，實驗室已為港口專業(yè)的本科學(xué)生開設(shè)了15個實驗項目，同時還承擔(dān)土木工程、地質(zhì)工程與港航專業(yè)的本科畢業(yè)設(shè)計和創(chuàng)新項目、研究生畢業(yè)論文和教師科研項目的相關(guān)實驗工作。

隨著水利學(xué)科的不斷發(fā)展與學(xué)科建設(shè)的不斷深化與改革，原有實驗教學(xué)內(nèi)容、方法及模式不再能滿足社會發(fā)展新形勢對港航專業(yè)人才的需要。因此，原有的實驗教學(xué)體系需順應(yīng)時代要求，根據(jù)“卓越計劃”進行相應(yīng)“升級”。

1.2 本研一體化實驗教學(xué)新體系

水利港口綜合實驗室從培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實、專業(yè)知識寬厚、實踐能力出眾，具有創(chuàng)新能力、再學(xué)習(xí)能力、國際視野和領(lǐng)導(dǎo)意識的卓越港航人才的目標(biāo)出發(fā)，構(gòu)建符合新時代要求的“1條主線、3個層次、8個模塊、一個中心”的本研一體化實驗教學(xué)新體系(見圖1)，加強本科生與研究生之間的交流學(xué)習(xí)，深化綜合素質(zhì)水平高的卓越港航人才培養(yǎng)[9-10]。

圖1 本研一體化實驗教學(xué)新體系

1.2.1 1條主線

以培養(yǎng)綜合素質(zhì)水平高的卓越港航人才為主線，突破實驗教學(xué)形式(物模實驗)、研究手段單一的局限，將本科生與研究生(虛擬仿真)實驗教學(xué)內(nèi)容整合，實現(xiàn)本研一體化的實驗教學(xué)新體系，將基礎(chǔ)訓(xùn)練與科學(xué)研究有機結(jié)合。研究生協(xié)助教師加入實驗教學(xué)體系，一方面拉近了師生間的距離，更有利于相互間的交流學(xué)習(xí)，另一方面研究生對知識結(jié)構(gòu)、實踐能力、創(chuàng)新教育等方面培養(yǎng)更有體會，可進一步幫助優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置，以達到更好的教學(xué)效果。

1.2.2 3個層次

根據(jù)已有實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，可梯級地將實驗項目類型分為3層。第1層是“演示型”實驗和“驗證型”實驗，以演示、驗證實驗和熟悉基本操作為目的。其實驗內(nèi)容和方法相對單一，學(xué)生按照既定方法、儀器和操作步驟完成實驗，以鞏固課堂理論知識，屬基礎(chǔ)教學(xué)；第2層是“設(shè)計型”實驗和“應(yīng)用型”實驗，學(xué)生根據(jù)設(shè)定的實驗?zāi)康模\用已掌握的知識自行設(shè)計實驗解決問題。其所涉及知識點、實驗方法較多，學(xué)生實踐能力、思考分析能力得到綜合鍛煉，屬拓展教學(xué)；第3層是“研究型”實驗和“創(chuàng)新型”實驗，針對所選定的課題與方向，學(xué)生自主學(xué)習(xí)探究、分析問題的方法與手段，其實驗過程與結(jié)果具有未知性，旨在培養(yǎng)學(xué)生科研、創(chuàng)新能力，屬拔高教學(xué)。

學(xué)生通過梯級實驗課程的學(xué)習(xí)，理論知識得到鞏固，實驗方法與手段得到豐富，綜合素質(zhì)水平提升顯著，并逐步接觸科研、創(chuàng)新內(nèi)容，視野和思維更為開闊。

1.2.3 8個模塊

在如今強調(diào)“科學(xué)與工程相互促進”的大背景下，理論與實踐相結(jié)合得到了大力提倡，教師更注重將工程、科研項目與實驗室教學(xué)相結(jié)合，讓學(xué)生對今后學(xué)習(xí)與工作有初步的認識。如今在原有實驗教學(xué)模塊內(nèi)容提升的基礎(chǔ)上，又新增模塊,本科生進入課題組，提升科研與創(chuàng)新能力。實驗項目在水利系教師的不斷探索、研究、設(shè)計下由原來的8個增至現(xiàn)今的15個(詳見表1)。這15個實驗項目基本涵蓋了港航專業(yè)實驗教學(xué)的所有知識點，極大地提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維與解決實際問題的能力。

表1 實驗項目

1.2.4 一個中心

在國家信息化發(fā)展的大背景下，信息技術(shù)正在逐漸深入教育系統(tǒng)以促進教學(xué)模式、教學(xué)方法以及學(xué)習(xí)方式的深化改革，而虛擬仿真教學(xué)中心的建設(shè)是高校實驗教學(xué)改革的必然發(fā)展方向[11-12]。土木工程學(xué)院始終走在教學(xué)與研究的前沿，較早地提出了將數(shù)字化教學(xué)帶進課堂，并逐步整合各系所虛擬仿真資源，成立了“土木工程實驗教學(xué)中心” 啟動了一系列虛擬仿真實驗教學(xué)改革項目；其中水利系目前共有三大虛擬實驗項目：洪水風(fēng)險虛擬實驗、波流水槽虛擬實驗以及砂質(zhì)海灘生態(tài)修復(fù)工程虛擬實驗。通過對虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的不斷完善，使其與實體物理模型實驗兩者實現(xiàn)互補，最終達到提升教學(xué)質(zhì)量、深化實驗教學(xué)改革的目的。

2 強化精品課程建設(shè)

2.1 精品課程的重要性

精品課程代表的是課程教學(xué)中的精華，反映了學(xué)校(院系)在教師、教學(xué)以及管理等方面綜合水平，具有很強的示范性作用。精品課程集科學(xué)性、先進性、教育性、整體性、有效性和示范性于一體，它的建設(shè)可提升專業(yè)與學(xué)科的建設(shè)水平，促進教學(xué)改革縱向發(fā)展、教學(xué)質(zhì)量全面提高，保障高綜合水平的卓越人才培養(yǎng)[13]。

2.2 教學(xué)要求與評價體系升級

針對目前水利工程系已有的精品課程“河流動力學(xué)”“工程水文學(xué)”“河口治理工程”和“河床演變及整治”課程，結(jié)合“卓越計劃”培養(yǎng)要求，提出新的建設(shè)目標(biāo)、培養(yǎng)方案，繼續(xù)深化課程改革，保持精品課程創(chuàng)新性，并適應(yīng)新時代的教學(xué)要求。同時，建立更為完善的精品課程評價體系以確保精品課程質(zhì)量，這不但需要在課程評選之初的“靜態(tài)評價”，還要有對建設(shè)過程中的“動態(tài)評價”以反映其建設(shè)和完善的經(jīng)過，更要有“后效評價”來保障已有精品課程的質(zhì)量。

2.3 教學(xué)師資、方式與內(nèi)容優(yōu)化

秉承“由淺入深，承舊創(chuàng)新”的教學(xué)理念[14]，我系致力于教學(xué)師資、方式與內(nèi)容優(yōu)化。師資方面，引入中組部“千人計劃”特聘教授、長江水環(huán)境重點實驗室副主任黃文銳教授，極大地加強了我系所實驗教學(xué)水平，豐富了教學(xué)方式與內(nèi)容，使得學(xué)生對實驗教學(xué)的積極性提高，探索創(chuàng)新的欲望增強；教學(xué)方式方面，適當(dāng)引入國際上極具開創(chuàng)性的“翻轉(zhuǎn)課堂”(Flipped Classroom)。首先讓學(xué)生利用課外時間在互聯(lián)網(wǎng)上或影像資料觀看相關(guān)教學(xué)視頻獲得對實驗的初步認識，再由老師在課堂上幫助學(xué)生內(nèi)化、獲取知識。該方法突破傳統(tǒng)約束采用現(xiàn)在學(xué)生更傾向于的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)方式教學(xué)，進而通過教學(xué)流程的變革將知識傳授提前，知識內(nèi)化過程優(yōu)化，讓學(xué)習(xí)更為靈活、主動，也讓學(xué)生參與度更高[15-16]。教學(xué)內(nèi)容方面：①教材。為與國際接軌，課程《工程水文學(xué)》與《海岸地貌學(xué)》采用雙語教學(xué)，其教材與課件采用全英文，授課則以英文為主，中文為輔，旨在將最前沿、最原汁原味的水利工程知識呈獻給學(xué)生。②實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置。將減少“演示型”“驗證型”等基礎(chǔ)實驗教學(xué)比重，相應(yīng)地增加“創(chuàng)新型”和“研究型”實驗比重，對學(xué)生實驗素養(yǎng)與創(chuàng)新、研究能力提出新的要求。例如，結(jié)合時下熱點如“海綿城市建設(shè)”等開展探索創(chuàng)新實驗項目，讓學(xué)生自主查閱資料、探究發(fā)現(xiàn)與專業(yè)相關(guān)的熱點問題。

3 打造精品實驗項目

我系現(xiàn)有精品實驗項目4個(詳見表1)，本節(jié)以“海岸地貌學(xué)綜合性實驗”為例進行詳細介紹?！逗０兜孛矊W(xué)》是港航專業(yè)本科生的一門核心專業(yè)課程，配套有實驗“海岸地貌學(xué)綜合性實驗”，旨在讓學(xué)生掌握海岸地貌的基本知識，具有對海岸地貌現(xiàn)象進行初步分析的能力。一直以來，“海岸地貌學(xué)綜合性實驗”的建設(shè)都是水利工程系教學(xué)改革發(fā)展的重要組成部分，其物理模型核心實驗“波流共同作用下離岸堤模型實驗”突破了以往平面實驗教學(xué)模式，與虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合，通過認知性、綜合性以及創(chuàng)新性的3層次實驗教學(xué)，實現(xiàn)全面、立體的實驗教學(xué)模式。

3.1 物理模型實驗

學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程《海岸地貌學(xué)》理論知識的基礎(chǔ)上，首先通過計算模型比尺，自主選材設(shè)計制作離岸堤模型，然后將制作好的模型按照自定方案分組放入波流水槽中，進而運用三維點式流速儀(ADV)、波高測量控制系統(tǒng)(CBY-Ⅱ)及動態(tài)應(yīng)變儀分別對流速、波高、壓力進行測量，最后通過對實驗數(shù)據(jù)的整理與分析，探究流場、波浪場對水工建筑物的響應(yīng)特征及響應(yīng)程度,分別如圖2、3所示。通過一套完整的物理模型實驗設(shè)計、操作過程，學(xué)生的動手能力、理論知識運用至解決實際工程問題的能力得到了初步鍛煉與提升。

圖2 波浪與潛堤作用后的波形變化

圖3 動態(tài)應(yīng)變儀測量波浪壓力

3.2 虛擬仿真實驗

隨著信息化的快速發(fā)展與計算流體力學(xué)的不斷成熟，根據(jù)工程需要而開發(fā)的虛擬仿真軟件在專業(yè)教學(xué)中所占比重也日趨增加?！吧百|(zhì)海灘生態(tài)修復(fù)工程虛擬實驗”通過國際上廣泛使用的虛擬仿真軟件CEDAS建立岸線演變數(shù)學(xué)模型(見圖4),圖5所示為離岸堤出水高度對岸線演變影響的虛擬仿真模擬結(jié)果，為學(xué)生演示不同海灘生態(tài)修復(fù)工程方案下海岸線的變化，選擇優(yōu)化工程方案。新穎、直觀的數(shù)字化教學(xué)方式不但活躍了課堂氣氛、激活了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情、開拓了學(xué)生的視野，使學(xué)生更早地接觸研究生或工作中可能需要使用到的軟件，還節(jié)約了一定的物理模型實驗教學(xué)成本，輔助學(xué)生更透徹地學(xué)習(xí)、分析、解釋實驗現(xiàn)象。

圖4 基于虛擬仿真軟件CEDAS建立的岸線演變數(shù)學(xué)模型

圖5 離岸堤出水高度對岸線演變影響的虛擬仿真模擬結(jié)果

4 結(jié) 語

實驗教學(xué)在高素質(zhì)復(fù)合型人才的培養(yǎng)中扮演著重要角色。土木工程學(xué)院水利工程系基于卓越工程師培養(yǎng)理念，依托土木工程學(xué)科優(yōu)勢，發(fā)揮自身特點，提出符合時代要求的“卓越港航人才”培養(yǎng)理念。通過升級實驗教學(xué)體系、強化精品課程及打造精品實驗項目，建立物模和數(shù)模的有機結(jié)合與本研一體化實驗教學(xué)新體系，對提高學(xué)生科研、創(chuàng)新能力，實現(xiàn)高素質(zhì)復(fù)合型卓越港航工程師人才的培養(yǎng)又上了一個新臺階。

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Reform of Experimental Teaching in Harbor Waterway and Coastal Engineering Based on the “Training Outstanding Engineers” Concept

KUANGCuiping,SONGHonglin,LIUShuguang,ZHONGGuihui,SHENChao

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Experimental teaching is an important indication of a university’s comprehensive ability in teaching, research and management, which has a great influence on the student training. On the basis of the previous experimental teaching and the national project of “Training Outstanding Engineers”, the Department of Hydraulic Engineering of College of Civil Engineering at Tongji University put forward an outstanding plan for the undergraduate students whose major in harbor waterway and coastal engineering. The objective of this plan is to train high-quality inter-disciplinary talents to be suitable to the new era. Taking the training mode of major in harbor waterway and coastal engineering from Department of Hydraulic Engineering of Tongji University as an example, this paper presents and sums up the reform of experimental teaching from three main aspects, i.e. upgrading of experimental teaching system, intensifying excellent courses and creating excellent experiments, the reform can provide some suggestions and references for others’ teaching reforms.

outstanding engineers; talent training; harbor waterway and coastal engineering; experimental teaching reform

2016-04-07

國家本科教學(xué)工程項目專業(yè)綜合改革試點-港口航道與海岸工程專業(yè)(0200104274)

匡翠萍(1966-),女,江蘇揚州人,博士,教授,從事港口海岸工程教學(xué)和研究。

Tel.：021-65983916; E-mail：cpkuang@#edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)02-0196-04