新型港口水工建筑物實(shí)踐設(shè)計(jì)在本科教學(xué)中的應(yīng)用

黃碩 唐雪蓮 蔡華陽(yáng) 王凱 任磊

摘? 要：隨著港口水工建筑物課程實(shí)踐性不斷增強(qiáng)以及社會(huì)層面對(duì)應(yīng)用型人才需求的不斷提高，課程的實(shí)踐融合與教學(xué)改革迫在眉睫，港工建筑物的實(shí)踐設(shè)計(jì)在本科教學(xué)中的應(yīng)用具有重要意義。為提高港口水工建筑物課程的教學(xué)質(zhì)量和效果、培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型科研人才，針對(duì)該課程的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面深入探討，創(chuàng)新教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合，提出加入新型港工建筑物實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的教學(xué)改革建議以及切實(shí)可行的教學(xué)及評(píng)價(jià)方案。

關(guān)鍵詞：港口水工建筑物；課程教學(xué)；教學(xué)改革；實(shí)踐設(shè)計(jì)；創(chuàng)新思維

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2023）30-0107-04

Abstract： As the course of Haven Water Engineering Construction becomes more and more practical and the demand for practical talents in society is increasing， the integration of curriculum practice teaching reform is imminent， figuring new practical design of the course is of great significance in undergraduate education. In order to improve the quality and effect of the course and cultivate scientific research talents equipped with practicality and innovation， this essay discusses deeply on the teaching status and existing problems of the course， it also discusses the teaching content and teaching methods in the course. In the end we realize the organic combination of theoretical studies and practical designs and put forward some suggestions for educational reform and evaluation schemes mainly to strengthen the link of practical design application.

Keywords： Haven Water Engineering Construction; course teaching; educational reform; practical design; innovative thinking

港口水工建筑物是高校海洋工程學(xué)科領(lǐng)域本科階段的主干課程之一，是一門綜合性、實(shí)踐性和創(chuàng)新性很強(qiáng)的課程。課程著重講授國(guó)內(nèi)外港口水工建筑物的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、先進(jìn)技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)。結(jié)合工程制圖、理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、土力學(xué)、海岸動(dòng)力學(xué)及港口規(guī)劃與布置等先修課程，通過(guò)開(kāi)展課程設(shè)計(jì)，與畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了有序銜接。

隨著工程技術(shù)的發(fā)展和海洋資源需求的增長(zhǎng)，港口水工建筑物的內(nèi)涵也更加廣泛，涵蓋碼頭、人工島、海岸防護(hù)結(jié)構(gòu)、跨海大橋及海底隧道等海上設(shè)施，正逐步發(fā)展為重要的現(xiàn)代綜合性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。在海洋強(qiáng)國(guó)背景之下，港口水工建筑物這門傳統(tǒng)的海洋工程、港口海岸工程專業(yè)基礎(chǔ)課要想達(dá)到更好更有效的授課效果，就要緊跟國(guó)民科技前沿發(fā)展，除講授傳統(tǒng)港口水工建筑物（碼頭、固定式防波堤、船塢）外，新概念、新形式、多功能的港口水工建筑物學(xué)習(xí)，更能帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。讓學(xué)生全面了解港口水工建筑物的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維的全鏈條知識(shí)體系至關(guān)重要。基于該課程的綜合性與實(shí)踐性，在授課過(guò)程中綜合運(yùn)用多學(xué)科的理論知識(shí)、生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)得出的經(jīng)驗(yàn)，并將理論聯(lián)系工程實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用經(jīng)典的理論知識(shí)思考、設(shè)計(jì)滿足國(guó)家重大工程需求的新型港口水工建筑物是教學(xué)改革的必然選擇。因此，本文以中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)專業(yè)港口水工建筑物課程教學(xué)為研究對(duì)象，結(jié)合該課程教學(xué)中存在的實(shí)際問(wèn)題，分析新型港口水工建筑物的實(shí)踐設(shè)計(jì)在本科教學(xué)中的應(yīng)用，針對(duì)如何提高授課效果和教學(xué)效率展開(kāi)研究。

一? 傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題及解決途徑

（一）? 課程教學(xué)內(nèi)容繁多與授課時(shí)間短的矛盾

由于港口水工建筑物課程的相關(guān)教材設(shè)計(jì)知識(shí)面廣泛，教學(xué)時(shí)間不足嚴(yán)重限制了教師的教學(xué)方式以及學(xué)生的接受程度，導(dǎo)致多數(shù)學(xué)生難以建立起有序的知識(shí)體系和有效地進(jìn)行知識(shí)融會(huì)貫通。楊邦柱認(rèn)為港口水工建筑物課程的理論知識(shí)講解部分可以分成以下六個(gè)部分：一是總體布置；二是載荷與組合；三是結(jié)構(gòu)計(jì)算；四是穩(wěn)定計(jì)算；五是水力計(jì)算；六是型式與構(gòu)造。良好的教學(xué)效果需要授課老師對(duì)課程內(nèi)容十分熟悉，做到可以根據(jù)學(xué)生的教學(xué)大綱以及過(guò)往已掌握的知識(shí)精選教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)這既保證了授課老師可以建立起有序的教學(xué)框架，又有助于學(xué)生建立起完整清晰的知識(shí)框架。

（二）? 先修課程安排與該課程教學(xué)要求不匹配

先修課程安排與該課程教學(xué)要求不匹配主要體現(xiàn)在：港口水工建筑物含有工程制圖、理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、土力學(xué)、海岸動(dòng)力學(xué)及港口規(guī)劃與布置等眾多先修課程，對(duì)學(xué)生掌握先修課程的程度要求較高，部分先修課程內(nèi)容的脫節(jié)可能會(huì)導(dǎo)致授課過(guò)程中課程體系的整體性有所降低，因此該課程對(duì)學(xué)院的整體培養(yǎng)計(jì)劃具有一定的要求。此外，任課老師還應(yīng)當(dāng)拓寬自己的理論知識(shí)面以及具有豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能更好地銜接大跨度的課程內(nèi)容，同時(shí)聯(lián)系工程實(shí)際加深學(xué)生對(duì)大型港口水工建筑物的感性認(rèn)識(shí)。

（三）? 教學(xué)方法單一

使用講授法進(jìn)行課程講解雖然能夠讓學(xué)生更加快速、精練地掌握理論知識(shí)，但單純使用填鴨式的理論教學(xué)模式更增加了學(xué)生理解該門課程理論知識(shí)及物理意義的難度，這直接關(guān)系到學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成以及將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用至實(shí)際工程的能力。因此，根據(jù)現(xiàn)代信息科學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢(shì)，課程教學(xué)應(yīng)該逐步加強(qiáng)信息化教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)方式的應(yīng)用。例如，可以采用經(jīng)典案例教學(xué)、情境對(duì)話教學(xué)、大型計(jì)算軟件等教學(xué)方法，使教學(xué)方法更加多元化，也更有利于學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析、解決實(shí)際問(wèn)題。尤其需要特別注意把大型計(jì)算軟件等的應(yīng)用與實(shí)踐設(shè)計(jì)教學(xué)部分相結(jié)合，由于實(shí)踐設(shè)計(jì)這部分任務(wù)內(nèi)容全面、計(jì)算量較大，單純依靠手動(dòng)計(jì)算難以提高解決問(wèn)題的效率，因此可以適當(dāng)應(yīng)用專業(yè)計(jì)算軟件對(duì)水工建筑物的整體進(jìn)行分析。

（四）? 學(xué)生對(duì)課程的重視程度不高

由于學(xué)生本身缺乏對(duì)大型港口水工建筑物的宏觀認(rèn)識(shí)以及生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程的參與感與提高重視程度也是值得注意的問(wèn)題，單純的理論知識(shí)講解往往容易令學(xué)生成為被動(dòng)的接受者，這無(wú)法充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。因此，要充分利用豐富的教學(xué)手段增加學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí)，并根據(jù)以往的就業(yè)趨勢(shì)側(cè)重授課內(nèi)容，注重師生間互動(dòng)、加強(qiáng)與學(xué)生討論，嘗試激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能。

二? 新時(shí)代“引經(jīng)據(jù)典”教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，首先通過(guò)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式的改革創(chuàng)新教學(xué)模式。不但要求學(xué)生掌握港口水工建筑物設(shè)計(jì)計(jì)算的基本理論，還要清楚如何收集、整理和分析港口水工建筑物設(shè)計(jì)所需要的各種原始數(shù)據(jù)和基本資料，具備運(yùn)用專業(yè)課知識(shí)提出港口水工建筑物的設(shè)計(jì)方案的能力，進(jìn)一步依照相關(guān)規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)算和綜合分析比較港口水工建筑物的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是這門課程的重點(diǎn)內(nèi)容。實(shí)踐過(guò)程中查閱規(guī)范、繪制施工圖紙、設(shè)計(jì)驗(yàn)算等操作能有效提高學(xué)生思考問(wèn)題、解決工程實(shí)踐中遇到的技術(shù)問(wèn)題的能力以及采用有效方法設(shè)計(jì)新型港口水工建筑物的創(chuàng)新能力。為了提高該門課程的教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)該適當(dāng)提高實(shí)踐設(shè)計(jì)在該門課程教學(xué)過(guò)程中的比重?；诮處熕邆鋬?yōu)秀教學(xué)能力和豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識(shí)的扎實(shí)掌握情況，給新型港口水工建筑物的實(shí)踐設(shè)計(jì)任務(wù)的實(shí)施提供切實(shí)的保障措施。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的調(diào)研，選取新型港口水工建筑物的三個(gè)經(jīng)典案例。①港珠澳大橋。如圖1所示，港珠澳大橋是我國(guó)繼青藏鐵路、南水北調(diào)等工程后又一重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，其是集海中橋隧工程、三地口岸人工島與三地連接線為一體的超級(jí)交通集群工程。港珠澳大橋地處外海，氣象水文條件十分復(fù)雜，具有極高的建設(shè)難度以及研究?jī)r(jià)值。②多功能浮式防波堤。多功能浮式防波堤通常存在多裝置成本共享的良好局面。例如浮式防波堤與風(fēng)機(jī)一體化裝置（圖2）具有良好的消波性能與耐波性，與常規(guī)防波堤相比還具有平穩(wěn)的發(fā)電能力。OWC-開(kāi)孔浮式防波堤（圖3）在具有消波功能的基礎(chǔ)上兼具發(fā)電功能，開(kāi)孔浮堤有利于進(jìn)行水體交換以及波浪能的吸收、轉(zhuǎn)化與利用。③生態(tài)護(hù)岸。如圖4所示，護(hù)岸是指在河口、海岸地區(qū)對(duì)原有岸坡進(jìn)行加固、防護(hù)等的重要工程措施，用以減輕水流、風(fēng)浪的侵襲破壞。與損害海岸生態(tài)功能的傳統(tǒng)護(hù)岸方式不同，生態(tài)護(hù)岸有機(jī)地實(shí)現(xiàn)了滿足護(hù)岸功能性需求和維持河道生態(tài)功能的平衡，既能有效防止暗灘向其后側(cè)腐蝕，又能實(shí)現(xiàn)一定的生態(tài)修復(fù)，具有良好的生態(tài)效應(yīng)、景觀效應(yīng)與自凈效應(yīng)。

使用結(jié)合現(xiàn)代建設(shè)特征的新型港口水工建筑物經(jīng)典案例有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生跳出課本中傳統(tǒng)港口水工建筑物工程的局限思維，從而觸發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，切實(shí)提升教學(xué)效果。

三? 新型港口水工建筑物的實(shí)踐設(shè)計(jì)

在兼具綜合性和實(shí)踐性的港口水工建筑物課程的教學(xué)過(guò)程中，大部分教師采用的教學(xué)方法為講授法。講授法可以讓學(xué)生快速、直接明了地掌握基礎(chǔ)的理論知識(shí)。但是，單靠填鴨式的授課方式只能讓學(xué)生在表面上接受理論知識(shí)，并不能夠讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何運(yùn)用所學(xué)相關(guān)理論知識(shí)去解決所遇到的實(shí)際問(wèn)題。特別是學(xué)生難以對(duì)港口水工建筑物有直觀了解，容易引起學(xué)生的學(xué)習(xí)疲勞也難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還會(huì)進(jìn)一步加深學(xué)生重理論、輕實(shí)踐的不良傾向，降低授課效率。而實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的引入有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力及獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。課程實(shí)踐設(shè)計(jì)的實(shí)施方法如下。

通過(guò)課堂講解，使學(xué)生理解部分經(jīng)典的港口水工建筑物的理論知識(shí)，掌握一般建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、型式。在實(shí)物設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求學(xué)生對(duì)建筑物實(shí)物進(jìn)行等比例縮放進(jìn)行圖紙繪制，嘗試讓學(xué)生使用傳統(tǒng)的手繪方式或者利用AutoCAD等繪圖軟件繪制出港口水工建筑物規(guī)范圖紙；帶領(lǐng)學(xué)生到施工現(xiàn)場(chǎng)或虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)建造過(guò)程，通過(guò)查閱相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，讓學(xué)生動(dòng)手制作3D打印模型。

在提供潮位、船型、地形地質(zhì)條件、波浪和氣象條件等設(shè)計(jì)資料以及主要建材的物理參數(shù)和堆貨載荷、門機(jī)載荷、船舶系纜力等多種使用載荷的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生確定碼頭標(biāo)準(zhǔn)斷面各部分的構(gòu)造和尺寸以及各種計(jì)算情況的載荷和載荷組合圖式，并進(jìn)行碼頭的各項(xiàng)穩(wěn)定驗(yàn)算，從而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有的港口水工建筑物進(jìn)行總結(jié)和提出實(shí)用創(chuàng)新的港口水工建筑物結(jié)構(gòu)。

由于多數(shù)大型港口水工建筑物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)及施工周期長(zhǎng)，使用壽命也較長(zhǎng)，短時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐甚至生產(chǎn)實(shí)習(xí)都不足以讓學(xué)生真正領(lǐng)悟到隱藏在大型港口工程背后的理論知識(shí)及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，與信息技術(shù)結(jié)合的實(shí)踐方式能夠改善實(shí)習(xí)周期短而工程施工周期與使用壽命長(zhǎng)的問(wèn)題，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)識(shí)并提高教學(xué)效率。因此，本課程分別在期中及期末階段循序漸進(jìn)地提出兩個(gè)實(shí)踐設(shè)計(jì)任務(wù)：簡(jiǎn)化的重力式碼頭設(shè)計(jì)及驗(yàn)算；新型多功能防波堤的概念設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析。這兩個(gè)實(shí)踐設(shè)計(jì)的安排，既能使學(xué)生領(lǐng)悟到經(jīng)典港口水工建筑物的魅力，又能激發(fā)學(xué)生主動(dòng)了解新型港口水工建筑物發(fā)展趨勢(shì)的興趣。

四? 三位一體考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本課程的實(shí)踐設(shè)計(jì)任務(wù)，要求學(xué)生以理論知識(shí)為基礎(chǔ)，以各種設(shè)計(jì)規(guī)范為依托，以水工設(shè)計(jì)手冊(cè)為指導(dǎo)，獨(dú)立完成任務(wù)書指定的設(shè)計(jì)任務(wù)。實(shí)踐設(shè)計(jì)任務(wù)的完成度主要通過(guò)學(xué)生實(shí)踐報(bào)告（包括設(shè)計(jì)說(shuō)明書及設(shè)計(jì)計(jì)算書）的完整性、準(zhǔn)確性、規(guī)范性和專業(yè)性以及提出結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新實(shí)用性來(lái)體現(xiàn)。如針對(duì)新型防波堤的概念設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析，會(huì)從新型防波堤的研發(fā)背景、研發(fā)意義、設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)圖以及可行性論證等多方面進(jìn)行綜合考慮評(píng)分。

考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的多樣化，更有利于激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的積極性和創(chuàng)造性，更加全面、合理地評(píng)價(jià)每一位學(xué)生對(duì)課程的掌握程度。加入實(shí)踐設(shè)計(jì)后，突出對(duì)學(xué)生綜合能力的考查。建立一套完整的融合隨堂測(cè)驗(yàn)、實(shí)踐設(shè)計(jì)報(bào)告、期末閉卷考試的三位一體課程考核方式替代以往單一的考試方式。隨堂測(cè)驗(yàn)可以反映學(xué)生的課堂表現(xiàn)和對(duì)課程內(nèi)容的接受程度；實(shí)踐設(shè)計(jì)則體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力、實(shí)踐能力及寫作能力；而期末考試則能夠從整體上反映學(xué)生對(duì)課程整體知識(shí)體系的融合與掌握。除此之外，還可以考慮引進(jìn)小組考核互評(píng)制度，作為隨堂測(cè)驗(yàn)的補(bǔ)充。

五? 結(jié)束語(yǔ)

港口水工建筑物是一門兼具綜合性和實(shí)踐性的課程，需要理論結(jié)合實(shí)踐，增加實(shí)踐在課程教學(xué)中的運(yùn)用等方法來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和課程的授課效率。通過(guò)增加新型港口水工建筑物的實(shí)踐設(shè)計(jì)，對(duì)港口水工建筑物課程進(jìn)行教學(xué)改革。創(chuàng)建新時(shí)代“引經(jīng)據(jù)典”的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合港珠澳大橋、多功能浮式防波堤、生態(tài)護(hù)岸等工程案例，深入淺出地將理論知識(shí)與實(shí)踐設(shè)計(jì)有機(jī)融合，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，并采用三位一體的考核評(píng)價(jià)體系，健全對(duì)學(xué)生綜合能力的考察體系。探索新型港口水工建筑物的教學(xué)實(shí)踐在本科教學(xué)中的應(yīng)用，其最終目的在于激發(fā)學(xué)生將所掌握的理論知識(shí)切實(shí)應(yīng)用到國(guó)家重要海洋基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)中，從而更高效地培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“遠(yuǎn)海島礁環(huán)境下多浮體波浪能裝置寬頻高效捕能機(jī)理研究”（52271301）；2022年中山大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量工程子項(xiàng)目“新型港工建筑物的實(shí)踐設(shè)計(jì)在本科教學(xué)中的應(yīng)用”（教務(wù)【2022】91號(hào)）

第一作者簡(jiǎn)介：黃碩（1984-），女，漢族，黑龍江伊春人，博士，副教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榇９こ虜?shù)字化。

*通信作者：蔡華陽(yáng)（1986-），男，漢族，福建晉江人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槲锢砗Ｑ蟆?/p>