港航《專業(yè)導(dǎo)論》課程中的實驗教學(xué)建設(shè)與實踐

楊聞宇，劉春嶸，張振偉，傅丹娟，陳小云，王秋吟

（廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建 廈門 361024）

1 引言

《專業(yè)導(dǎo)論》是港口航道與海岸工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時又是港口水工建筑物、港口規(guī)劃與布置等后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。其課程目標為通過本課程的學(xué)習(xí)，力求培養(yǎng)學(xué)生對港口工程、航道工程、海岸工程的基本內(nèi)容有整體的認識，并了解港口航道與海岸工程考慮問題的思路，全面扼要地掌握專業(yè)基本知識和概念，了解當(dāng)代港航工程科學(xué)的發(fā)展，為以后的繼續(xù)學(xué)習(xí)和教學(xué)工作打下堅實的基礎(chǔ)。因此，《專業(yè)導(dǎo)論》課程的教學(xué)質(zhì)量對引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)認同感起著重要的作用，對學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)、就業(yè)、考研等方面起著重要的導(dǎo)向作用。

在《專業(yè)導(dǎo)論》的教學(xué)過程中，存在傳統(tǒng)課程體系與學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律不匹配、教學(xué)形式單一等問題[1,2]。各高校在教學(xué)過程中不斷探索《專業(yè)導(dǎo)論》課程的課程定位、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等，例如，請一位資深專業(yè)教師主講，或者多位專業(yè)教師輪流主講，邀請工程技術(shù)人員開設(shè)專題講座，將課堂講解與現(xiàn)場參觀教學(xué)相結(jié)合等多種教學(xué)方法[3-8]。課程學(xué)時設(shè)置上多為16 個學(xué)時。

我校港口航道與海岸工程專業(yè)對于《專業(yè)導(dǎo)論》課程的教學(xué)也進行了不斷地調(diào)整和探索。專業(yè)設(shè)立初期，《專業(yè)導(dǎo)論》課程安排在大一學(xué)年的第三學(xué)期，考慮到學(xué)生入學(xué)以后的適應(yīng)期，急需對專業(yè)的了解，使學(xué)生迅速找到專業(yè)的歸屬感和認同感，所以從大一學(xué)年第三學(xué)期調(diào)整為大一學(xué)年第一學(xué)期。學(xué)時安排上，由最初的10 個理論學(xué)時加6 個校外實踐課時，改為全部16 個理論學(xué)時，再改為目前的6 個理論學(xué)時，10 個實踐學(xué)時。教學(xué)方式主要為多位專任教師輪流主講。課程的調(diào)整增加了實踐學(xué)時，旨在提高學(xué)生的動手能力，提高學(xué)生對于專業(yè)的感性認識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

在《專業(yè)導(dǎo)論》課程學(xué)時、學(xué)期調(diào)整的背景下，為了能夠達到課程的培養(yǎng)目標，開展了滿足教學(xué)目標的實驗教學(xué)設(shè)計。

2 專業(yè)導(dǎo)論實驗教學(xué)設(shè)計

在實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計上，既要適應(yīng)學(xué)生現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)，避免過難的知識點和復(fù)雜的實驗操作，又要求實驗具有趣味性、科學(xué)性、探索性，更要體現(xiàn)出專業(yè)特色。就需要在實驗內(nèi)容設(shè)計上尋找這些要求的平衡。新生入學(xué)后，除基本的常識和原有的理論背景，對港航專業(yè)的內(nèi)容了解甚少，因此，在實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上要考慮教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，廣度上涵蓋今后學(xué)習(xí)的主要專業(yè)知識點，深度上要點到為止，以觀察性、規(guī)律性探究的定性實驗為主，又要求有一定的啟發(fā)性，注重與后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程的引導(dǎo)和銜接。因此，如何平衡學(xué)生現(xiàn)有知識體系與課程實驗教學(xué)內(nèi)容的關(guān)系，是《專業(yè)導(dǎo)論》課程實驗教學(xué)設(shè)計的難點之一。

實驗教學(xué)的組織設(shè)計上，力求要求學(xué)生廣泛的參與性和互動性，培養(yǎng)其動手能力。如何讓每個學(xué)生有事可做，參與其中，是實驗教學(xué)設(shè)計的另一個難點。

根據(jù)《水利類教學(xué)質(zhì)量國家標準》以及本專業(yè)的培養(yǎng)方案，港航專業(yè)的核心課程包括：理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水力學(xué)、土力學(xué)、工程制圖、CAD 制圖、工程水文學(xué)、河流動力學(xué)、海岸動力學(xué)、航道整治、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、港口規(guī)劃與布置、港口水工建筑物、水運工程施工。

波浪、泥沙、水工結(jié)構(gòu)物是港口航道與海岸工程專業(yè)研究的主要對象[9]。在綜合考慮港航專業(yè)核心課程的基礎(chǔ)上，初步探索設(shè)計了包括規(guī)則波浪觀測實驗、防波堤消波實驗、泥沙重力特性和水力特性實驗等。

3 實驗教學(xué)實踐

3.1 規(guī)則波浪觀測實驗

波浪是港口航道與海岸工程中面臨的主要動力因素，在港口建設(shè)、堤防和護岸的設(shè)計和建設(shè)中起著重要的作用[10,11]。因此，了解認識波浪是非常必要的，也是本專業(yè)的特色之一。

本實驗的目的包括：①了解實驗室內(nèi)的造波方式；②測量描述波浪信息的參數(shù)，包括波高、周期、波長。

波浪觀測實驗在小型波浪流循環(huán)水槽及自制的小水槽進行。①小型波浪流循環(huán)水槽總長35m，凈寬0.7m，凈深0.8m，最高水位0.6m，底架高0.55m，水槽總高1.35m。該水槽采用推板式造波裝置，造波周期0.5～5 秒，最大設(shè)計波高0.2m，配有波高測量儀。②自制的演示小水槽斷面尺寸30cm×20cm，長12m。造波采用搖板式自制造波裝置。

實驗過程中，講解了推板式、搖板式、下壓式等不同的造波方式，并讓同學(xué)們進行了實際的體驗和操作，使同學(xué)們了解了機構(gòu)的機械運動形式，例如，曲柄連桿機構(gòu)的運動（對應(yīng)理論力學(xué)課程），并觀察波浪的傳播規(guī)律，并采用標尺、秒表、手機等方便易行的工具對波高、周期、波長等波浪參數(shù)進行了測量。圖1 為波浪觀測實驗現(xiàn)場。

圖1 波浪觀測實驗現(xiàn)場

在對波浪有了基礎(chǔ)認識后，從簡易測量方式提升到實驗室專有儀器測量，通過小型波浪流循環(huán)水槽，學(xué)習(xí)推板式造波系統(tǒng)的操作，波高儀的標定和使用，并按照要求制造指定參數(shù)的波浪（對應(yīng)海岸動力學(xué)課程）。

3.2 防波堤消波實驗

防波堤用來防護港口水域不受風(fēng)浪的影響，保證船舶在港內(nèi)安全的停泊和進行裝卸作業(yè)，是重要的水工建筑物[12]。

在演示小水槽進行波浪觀測實驗，該水槽并未安裝消波裝置，學(xué)生可以觀察到波浪傳播到水槽端部的反射現(xiàn)象，造成入射波和反射波的疊加，由此引入消波的概念。此外，通過將簡易的模型放入波浪水槽內(nèi)，學(xué)生觀察模型在波浪作用下出現(xiàn)了上下的周期運動，不利于船舶的安全停泊和裝卸作業(yè)，引出防波堤的作用，使學(xué)生理解為什么要建設(shè)防波堤。

設(shè)計的防波堤消波實驗，讓學(xué)生在水槽后半段搭建堆石防波堤和堆沙防波堤。本實驗的目的包括：①了解防波堤的結(jié)構(gòu)，及其在港口工程中的作用；②搭建堆石防波堤，測量防波堤的幾何尺寸；③測量堆石防波堤堤前和堤后的波高，評價堆石防波堤的消波效果；④搭建堆沙壩防波堤，測量其幾何尺寸；⑤測量堆沙防波堤堤前和堤后的波高，評價堆沙防波堤的消波效果。

實驗過程中，讓學(xué)生用石子、河沙等材料搭建防波堤，通過標尺等工具測量防波堤前后的波高，評價防波堤的消波效果，學(xué)生發(fā)現(xiàn)堆石防波堤的消浪效果較好。堆沙防波堤在波浪作用下發(fā)生了泥沙運動，沙峰被削弱，迎水面越來約平坦，背水面變陡峭。圖2 和圖3 分別為學(xué)生搭建的防波堤實驗現(xiàn)場。

圖2 堆石防波堤實驗現(xiàn)場

圖3 堆沙防波堤實驗現(xiàn)場

3.3 泥沙重力特性和水力特性實驗

泥沙的運動和輸運將會引起河床的沖刷和淤積現(xiàn)象，會對港口工程、航道工程和海岸工程的建設(shè)和施工造成影響[13]。因此，了解泥沙的物理特性顯得尤為必要，是后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

本實驗?zāi)康模孩倭私饷枋瞿嗌硯缀翁匦缘膮?shù)：泥沙粒徑；②測量干燥條件下，泥沙的休止角；③測量靜水條件下，泥沙的水下休止角；④觀察、測量泥沙的沉降特性，包括小石子在靜水中的沉降過程，少量沙在靜水中的沉降過程，大量沙在靜水中的沉降和分層現(xiàn)象。

從堆石和堆沙防波堤的實驗中，學(xué)生接觸到了常見的工程材料石子和沙子。進而引導(dǎo)學(xué)生思考泥沙的幾何特性如何描述，講解泥沙粒徑的測量方式：篩分法和水析法。讓學(xué)生觀測泥沙在干燥條件和靜水條件下的水下休止角，如圖4 所示。此外，利用量筒等工具讓學(xué)生觀測了小石子、少量泥沙和大量泥沙的靜水沉降過程，如圖5 所示。通過手機拍攝小石子的沉降下落軌跡，觀察少量泥沙和大量泥沙的沉降過程，觀察大量泥沙沉降后的分層現(xiàn)象，大顆粒泥沙在下層，小顆粒泥沙在上層，如圖5 所示。

圖4 泥沙休止角測量

圖5 泥沙沉降實驗

由于選用的泥沙為河沙，沙粒表面附著有微小的黏土，因此，靜水實驗中還觀察到了異重流的運動現(xiàn)象，向靜水中傾倒河沙時，微小的黏土在水中形成了異重流（異重流是挾沙水流的一種特殊運動形式，指兩種密度相差不大、可以相混的流體,在條件適宜時因密度差異而產(chǎn)生的相對運動,在運動過程中不發(fā)生全局性的紊動和摻混[14,15]），形成于水槽底部，一直運動到水槽端部，如圖6 所示，可以看出異重流在13 秒的時間內(nèi)運動了約3.5cm。

圖6 異重流的運動現(xiàn)象

4 結(jié)論

為了提高港航《專業(yè)導(dǎo)論》課程的教學(xué)質(zhì)量，充分發(fā)揮課程的導(dǎo)向作用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，進行了專業(yè)導(dǎo)論課程實驗教學(xué)的探索，設(shè)計了包括規(guī)則波浪觀測實驗、防波堤消波實驗、泥沙重力特性和水力特性等實驗。學(xué)生在實驗過程中動手操作，觀察到了較為有趣的港工實驗現(xiàn)象，引發(fā)對自然物理規(guī)律和專業(yè)方向的思考，能夠起到較好的專業(yè)導(dǎo)向作用。