新型港口水工建筑物实践设计在本科教学中的应用

2023-11-05黄硕唐雪莲蔡华阳王凯任磊

高教学刊 2023年30期

黄硕唐雪莲蔡华阳王凯任磊

摘要：随着港口水工建筑物课程实践性不断增强以及社会层面对应用型人才需求的不断提高，课程的实践融合与教学改革迫在眉睫，港工建筑物的实践设计在本科教学中的应用具有重要意义。为提高港口水工建筑物课程的教学质量和效果、培养应用创新型科研人才，针对该课程的教学现状及存在的问题，从教学内容和教学方法两方面深入探讨，创新教学模式，实现理论知识与实践设计的有机结合，提出加入新型港工建筑物实践设计环节的教学改革建议以及切实可行的教学及评价方案。

关键词：港口水工建筑物；课程教学；教学改革；实践设计；创新思维

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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科领域本科阶段的主干课程之一，是一门综合性、实践性和创新性很强的课程。课程着重讲授国内外港口水工建筑物的设计理论、计算方法、先进技术等基础知识。结合工程制图、理论力学、结构力学、材料力学、土力学、海岸动力学及港口规划与布置等先修课程，通过开展课程设计，与毕业实习、毕业设计等进行了有序衔接。

随着工程技术的发展和海洋资源需求的增长，港口水工建筑物的内涵也更加广泛，涵盖码头、人工岛、海岸防护结构、跨海大桥及海底隧道等海上设施，正逐步发展为重要的现代综合性和战略性产业。在海洋强国背景之下，港口水工建筑物这门传统的海洋工程、港口海岸工程专业基础课要想达到更好更有效的授课效果，就要紧跟国民科技前沿发展，除讲授传统港口水工建筑物（码头、固定式防波堤、船坞）外，新概念、新形式、多功能的港口水工建筑物学习，更能带动学生的学习积极性。让学生全面了解港口水工建筑物的设计、建造、运维的全链条知识体系至关重要。基于该课程的综合性与实践性，在授课过程中综合运用多学科的理论知识、生产实践中总结得出的经验，并将理论联系工程实际，引导学生应用经典的理论知识思考、设计满足国家重大工程需求的新型港口水工建筑物是教学改革的必然选择。因此，本文以中山大学海洋工程与技术专业港口水工建筑物课程教学为研究对象，结合该课程教学中存在的实际问题，分析新型港口水工建筑物的实践设计在本科教学中的应用，针对如何提高授课效果和教学效率展开研究。

一传统教学存在的问题及解决途径

（一）课程教学内容繁多与授课时间短的矛盾

由于港口水工建筑物课程的相关教材设计知识面广泛，教学时间不足严重限制了教师的教学方式以及学生的接受程度，导致多数学生难以建立起有序的知识体系和有效地进行知识融会贯通。杨邦柱认为港口水工建筑物课程的理论知识讲解部分可以分成以下六个部分：一是总体布置；二是载荷与组合；三是结构计算；四是稳定计算；五是水力计算；六是型式与构造。良好的教学效果需要授课老师对课程内容十分熟悉，做到可以根据学生的教学大纲以及过往已掌握的知识精选教学内容，同时这既保证了授课老师可以建立起有序的教学框架，又有助于学生建立起完整清晰的知识框架。

（二）先修课程安排与该课程教学要求不匹配

先修课程安排与该课程教学要求不匹配主要体现在：港口水工建筑物含有工程制图、理论力学、结构力学、材料力学、土力学、海岸动力学及港口规划与布置等众多先修课程，对学生掌握先修课程的程度要求较高，部分先修课程内容的脱节可能会导致授课过程中课程体系的整体性有所降低，因此该课程对学院的整体培养计划具有一定的要求。此外，任课老师还应当拓宽自己的理论知识面以及具有丰富的工程实践经验，才能更好地衔接大跨度的课程内容，同时联系工程实际加深学生对大型港口水工建筑物的感性认识。

（三）教学方法单一

使用讲授法进行课程讲解虽然能够让学生更加快速、精练地掌握理论知识，但单纯使用填鸭式的理论教学模式更增加了学生理解该门课程理论知识及物理意义的难度，这直接关系到学生专业素养的养成以及将所学理论知识应用至实际工程的能力。因此，根据现代信息科学发展的现状与趋势，课程教学应该逐步加强信息化教学和实践教学方式的应用。例如，可以采用经典案例教学、情境对话教学、大型计算软件等教学方法，使教学方法更加多元化，也更有利于学生综合运用所学知识分析、解决实际问题。尤其需要特别注意把大型计算软件等的应用与实践设计教学部分相结合，由于实践设计这部分任务内容全面、计算量较大，单纯依靠手动计算难以提高解决问题的效率，因此可以适当应用专业计算软件对水工建筑物的整体进行分析。

（四）学生对课程的重视程度不高

由于学生本身缺乏对大型港口水工建筑物的宏观认识以及生产实践经验，加强学生对课程的参与感与提高重视程度也是值得注意的问题，单纯的理论知识讲解往往容易令学生成为被动的接受者，这无法充分发挥学生的主观能动性。因此，要充分利用丰富的教学手段增加学生对课程内容的感性认识，并根据以往的就业趋势侧重授课内容，注重师生间互动、加强与学生讨论，尝试激发学生的创造潜能。

二新时代“引经据典”教学内容

针对上述问题，首先通过教学内容、教学方式的改革创新教学模式。不但要求学生掌握港口水工建筑物设计计算的基本理论，还要清楚如何收集、整理和分析港口水工建筑物设计所需要的各种原始数据和基本资料，具备运用专业课知识提出港口水工建筑物的设计方案的能力，进一步依照相关规范对设计方案进行验算和综合分析比较港口水工建筑物的技术、经济效益。

实践设计环节是这门课程的重点内容。实践过程中查阅规范、绘制施工图纸、设计验算等操作能有效提高学生思考问题、解决工程实践中遇到的技术问题的能力以及采用有效方法设计新型港口水工建筑物的创新能力。为了提高该门课程的教学质量，应该适当提高实践设计在该门课程教学过程中的比重。基于教师所具备优秀教学能力和丰富实践经验以及学生的理论基础知识的扎实掌握情况，给新型港口水工建筑物的实践设计任务的实施提供切实的保障措施。

通过对国内外研究现状的调研，选取新型港口水工建筑物的三个经典案例。①港珠澳大桥。如圖1所示，港珠澳大桥是我国继青藏铁路、南水北调等工程后又一重大基础设施项目，其是集海中桥隧工程、三地口岸人工岛与三地连接线为一体的超级交通集群工程。港珠澳大桥地处外海，气象水文条件十分复杂，具有极高的建设难度以及研究价值。②多功能浮式防波堤。多功能浮式防波堤通常存在多装置成本共享的良好局面。例如浮式防波堤与风机一体化装置（图2）具有良好的消波性能与耐波性，与常规防波堤相比还具有平稳的发电能力。OWC-开孔浮式防波堤（图3）在具有消波功能的基础上兼具发电功能，开孔浮堤有利于进行水体交换以及波浪能的吸收、转化与利用。③生态护岸。如图4所示，护岸是指在河口、海岸地区对原有岸坡进行加固、防护等的重要工程措施，用以减轻水流、风浪的侵袭破坏。与损害海岸生态功能的传统护岸方式不同，生态护岸有机地实现了满足护岸功能性需求和维持河道生态功能的平衡，既能有效防止暗滩向其后侧腐蚀，又能实现一定的生态修复，具有良好的生态效应、景观效应与自净效应。

使用结合现代建设特征的新型港口水工建筑物经典案例有利于激发学生的学习兴趣，帮助学生跳出课本中传统港口水工建筑物工程的局限思维，从而触发学生的创新思维，切实提升教学效果。

三新型港口水工建筑物的实践设计

在兼具综合性和实践性的港口水工建筑物课程的教学过程中，大部分教师采用的教学方法为讲授法。讲授法可以让学生快速、直接明了地掌握基础的理论知识。但是，单靠填鸭式的授课方式只能让学生在表面上接受理论知识，并不能够让学生学会如何运用所学相关理论知识去解决所遇到的实际问题。特别是学生难以对港口水工建筑物有直观了解，容易引起学生的学习疲劳也难以激发学生的学习兴趣，还会进一步加深学生重理论、轻实践的不良倾向，降低授课效率。而实践教学环节的引入有利于培养学生的自主学习能力及独立发现问题、分析问题、解决问题的能力。课程实践设计的实施方法如下。

通过课堂讲解，使学生理解部分经典的港口水工建筑物的理论知识，掌握一般建筑物的设计标准规范、型式。在实物设计过程中，要求学生对建筑物实物进行等比例缩放进行图纸绘制，尝试让学生使用传统的手绘方式或者利用AutoCAD等绘图软件绘制出港口水工建筑物规范图纸；带领学生到施工现场或虚拟仿真实验室学习设计建造过程，通过查阅相关设计规范，让学生动手制作3D打印模型。

在提供潮位、船型、地形地质条件、波浪和气象条件等设计资料以及主要建材的物理参数和堆货载荷、门机载荷、船舶系缆力等多种使用载荷的基础上，要求学生确定码头标准断面各部分的构造和尺寸以及各种计算情况的载荷和载荷组合图式，并进行码头的各项稳定验算，从而引导学生对现有的港口水工建筑物进行总结和提出实用创新的港口水工建筑物结构。

由于多数大型港口水工建筑物的结构复杂、设计及施工周期长，使用寿命也较长，短时间的现场实践甚至生产实习都不足以让学生真正领悟到隐藏在大型港口工程背后的理论知识及工程实践经验。因此，与信息技术结合的实践方式能够改善实习周期短而工程施工周期与使用寿命长的问题，进而增强学生的实践认识并提高教学效率。因此，本课程分别在期中及期末阶段循序渐进地提出两个实践设计任务：简化的重力式码头设计及验算；新型多功能防波堤的概念设计及应用分析。这两个实践设计的安排，既能使学生领悟到经典港口水工建筑物的魅力，又能激发学生主动了解新型港口水工建筑物发展趋势的兴趣。

四三位一体考核评价标准

本课程的实践设计任务，要求学生以理论知识为基础，以各种设计规范为依托，以水工设计手册为指导，独立完成任务书指定的设计任务。实践设计任务的完成度主要通过学生实践报告（包括设计说明书及设计计算书）的完整性、准确性、規范性和专业性以及提出结构的创新实用性来体现。如针对新型防波堤的概念设计及应用分析，会从新型防波堤的研发背景、研发意义、设计原理和设计图以及可行性论证等多方面进行综合考虑评分。

考核评价标准的多样化，更有利于激发学生独立思考和解决问题的积极性和创造性，更加全面、合理地评价每一位学生对课程的掌握程度。加入实践设计后，突出对学生综合能力的考查。建立一套完整的融合随堂测验、实践设计报告、期末闭卷考试的三位一体课程考核方式替代以往单一的考试方式。随堂测验可以反映学生的课堂表现和对课程内容的接受程度；实践设计则体现了学生对所学知识的应用能力、实践能力及写作能力；而期末考试则能够从整体上反映学生对课程整体知识体系的融合与掌握。除此之外，还可以考虑引进小组考核互评制度，作为随堂测验的补充。

五结束语

港口水工建筑物是一门兼具综合性和实践性的课程，需要理论结合实践，增加实践在课程教学中的运用等方法来提高学生的学习积极性和课程的授课效率。通过增加新型港口水工建筑物的实践设计，对港口水工建筑物课程进行教学改革。创建新时代“引经据典”的教学内容，结合港珠澳大桥、多功能浮式防波堤、生态护岸等工程案例，深入浅出地将理论知识与实践设计有机融合，有效地激发学生的学习兴趣，提高学习效率，并采用三位一体的考核评价体系，健全对学生综合能力的考察体系。探索新型港口水工建筑物的教学实践在本科教学中的应用，其最终目的在于激发学生将所掌握的理论知识切实应用到国家重要海洋基础工程设计中，从而更高效地培养综合创新型、应用型人才。

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