海洋土木工程教学案例库建设逻辑与实践
2024-07-11方庆贺赵庆丽陈再现
方庆贺 赵庆丽 陈再现
摘 要:在“海洋强国”战略背景下,土木工程专业作为传统工科专业有必要深入探索面向“海洋强国”国家战略实施推进的人才培养模式与实施方法。基于海洋土木工程实践对从业者知识结构的要求,土木工程专业学生有必要学习海洋相关的科学知识。针对这一需求,建设海洋土木工程教学案例库能够为相关教师和学生提供教学与学习资源。该文针对海洋土木工程教学案例库建设从定位、建设策略、案例库架构及试运用四个方面进行论述。海洋土木工程教学案例库的建设,可以为土木工程专业人才培养提供参考和教学实践借鉴。
关键词:海洋强国;土木工程;海洋工程;教学案例库;教学实践
中图分类号:G642 文献标志码:A 文章编号:2096-000X(2024)20-0055-04
Abstract: In the context of building China into a strong maritime country strategy, it is necessary for civil engineering majors, which is traditional engineering majors, to deeply explore talent training models and implementation methods for promoting the implementation of the strong maritime country national strategy. Based on the requirements of knowledge structure for practitioners in marine civil engineering practice, it is necessary for civil engineering students to learn scientific knowledge related to the ocean. In response to this demand, building a case library for marine civil engineering teaching can provide teaching and learning resources for relevant teachers and students. The article discusses the construction of a case library for marine civil engineering teaching from four aspects: positioning, construction strategies, case library architecture, and trial application. The construction of a case library for marine civil engineering teaching can provide reference and teaching practice for the cultivation of civil engineering professionals.
Keywords: strong maritime country; civil engineering; ocean engineering; case library for teaching; teaching practice
基础设施建设作为重要引擎不断推动我国经济的持续发展和人民生活质量的提高。土木工程专业作为我国高等教育体系工科门类的重要部分,培养了大量人才进入建筑、市政、交通等基础设施建设领域从事设计、建造、管理等工作[1]。因此,自改革开放以来,土木工程专业也成为我国高等院校,尤其是理工科高等院校所开设的热门工科专业。随着时代进步和科技更新,国家逐渐进入经济结构调整和产业转型时期,土木工程专业人才培养也呈现出新的形势与特征。2023年,教育部等五部门印发的《普通高等教育学科专业设置调整优化改革方案》提出新时期高等学校人才培养应立足国家、区域经济社会发展需要,主动适应产业发展趋势等[2]。在此形势下,土木工程专业理应主动适应经济社会发展需要,提高人才培养质量,服务支撑中国式现代化建设。
习近平总书记在党的二十大报告指出“发展海洋经济,保护海洋生态环境,加快建设海洋强国”,将海洋强国国家作为推动中国式现代化的有机组成和重要任务。2022年4月习近平总书记在海南考察时对建设海洋强国作出重要指示,强调要推动海洋科技实现高水平自立自强,加强原创性、引领性科技攻关……保障国家能源安全。这为研究、教育和传播海洋知识、建设海洋强国提供了重要指导,对新时代高等人才培养具有重大的指导意义和现实意义。
在“海洋强国”战略背景下,土木工程专业作为传统工科专业有必要深入探索面向“海洋强国”国家战略实施推进的人才培养模式与实施方法。立足目前国内高等教育学科设置的现实情况,国内部分高校开始探索新型人才培养模式,积极探索具有海洋特色的土木工程专业人才培养模式[3-5]。基于已有学科知识体系,建立海洋土木工程新理念,哈尔滨工业大学土木工程专业开设了近海结构工程导论专业选修课,旨在拓展传统土木工程专业学生的海洋知识背景,培养其具备初步海洋工程实践的能力[6]。这一课程经过多轮次教学实践后,课程团队发现该课程存在着理论模型复杂、数学推导较难、工程实践案例少等问题,虽然课堂教学中会穿插具体工程案例,但是数量仍然偏少、未能反映新时期海洋土木工程前沿工程实践进展。
为实现土木工程与海洋实践在知识体系上的巧妙衔接,采用先进教学方法成为应有之意,案例教学法是一种开放互动式的教学方法[7]。该方法以课程知识所涉及的案例为载体,通过对案例素材进行系统性帮助学生实现知识获取和能力提升。案例教学法于20世纪初起源于美国的哈佛大学法学院,在20世纪90年代逐渐在中国高校得到推广[8-9]。案例教学法所采用的案例必须真实可信、生动客观且丰富多样,在保证与课程具有充分的相关性的基础上具有典型性。在采用案例教学模式时,案例的设计、组织与筹划是基础和前提。海洋土木工程相关课程作为专门衔接土木专业学科知识与海洋工程实践的纽带课程,具有理论性强、工程实践超前等特点,因此,结合授课学生知识体系特点,专门建设海洋土木工程教学案例库,收纳与土木工程涉海方向相关的前沿新颖案例,可以彰显出课程教学的启发性与典型性,并将课程的理论性落地,进而让学生更好、更真切地了解与掌握所学的知识,增强课程教学的色彩性与丰富性。
一 教学案例库建设逻辑
(一) 海洋土木工程教学案例库定位
土木工程专业的课程体系以数学、力学为基础,以混凝土、钢结构、基础工程等核心课为支点,构建起学生专业基础知识架构。海洋工程较之土木工程培养方案内容的差异主要体现在设计海洋和水利相关的课程。典型的土木工程和海洋工程培养方案主干课程对比如图1所示。从图中可以看出,诸如数学类、力学类、画法几何类等基础课程部分两个专业基本相近,只是两个专业在课程学时和教学大纲上存在些许差异,如土木工程专业结构力学侧重对结构体系、内力及其计算方法的分析,一般为64学时;海洋工程专业结构力学则还涉及板、壳,其学时数一般少于64学时,多为48学时。在专业核心课程方面,如工程材料、土力学与工程地质、钢混结构原理和钢结构原理等课程设置基本相似,主要区别在于学时数与教学侧重点有所不同;两个专业的差异主要体现在核心课程的中、高阶专业主干课程上,土木工程专业建筑方向则主要聚焦于建筑结构的设计、防灾、施工等内容,而海洋工程则主要开设与港海工程相关的课程。从图1可以总结出,土木工程与海洋工程两个专业学科知识基础体系基本相同,差别在于高年级的专业课程有所区别。因此,定位于帮助土木专业学生建立海洋土木工程学科理念与知识体系,引导其主动融入海洋强国发展战略的需求,服务涉海基础设施建设,设计专门的海洋土木工程教学案例库,以支撑土木工程专业基础及核心课程的课堂教学。
(二) 海洋土木工程教学案例库建设策略
海洋土木工程教学案例库主要是为案例教学法在课堂教学实践奠定基础,从而以实际涉海基础设施建设实例为引领,潜移默化地引导学生建立对涉海学科知识的学习兴趣。基于案例库建设目的,可采用的建设策略如下。
1 充分利用科研资源具象化为教学案例
2019年教育部发布了《关于深化教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》,文件明确建议“推动科研反哺教学”,强化科研育人功能。将最新科研成果通过适当的形式转化为教学内容,是教学案例库建设的有效途径,如图2所示。例如,西南交通大学祝兵教授以跨海桥梁海洋波流作用与其相关的国家自然科学基金联合基金科研项目为载体,建设了工程结构多场耦合理论与方法课程案例,实现了帮助学生了解学习多场耦合作用理论与方法,有助于提高学生解决复杂环境服役工程结构设计分析、建造运营相关的科学与工程问题[10]。
2 大国工程建设是教学案例的典型素材
习近平总书记指出,中国制造、中国创造、中国建造共同发力,继续改变着中国的面貌。伴随着国家综合国力的提升,中国制造与中国建造的总体水平已居世界前列,港珠澳跨海大桥、深蓝1号养殖网箱、三峡引领号浮式风机等一大批大国工程与国之重器相继投产服役。这些大国工程从科研攻关、工程建设到运营维护,无不需要具有国际先进科技水平的人才和团队为之支撑。基于大国工程问世历程,探究关键科学问题攻关方法,结合专业知识建立相应的教学案例不仅可以充实案例库,而且可以培养学生的使命感。例如,中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心以海洋石油981平台为例,针对水钻井平台动力学的教学设计了案例教学系统,如图3所示,帮助学生通过海洋石油981平台掌握海洋平台动力学理论、仿真及安全作业过程,对培养科学研究能力起到积极的作用[11]。
3 典型知识点演绎
教学案例库最终要服务于教学活动,起到提高教师教学效率和教学质量的作用。基于这一目的,可以针对教学环节中的关键知识点进行正向或反向演绎,主动寻找合适的教学案例,通过教师对案例的讲解,让学生主动地参与到案例的简化分析、理论建模、研究探讨直至得出科学结论的全过程,从而在案例研究的全过程中体会到学习理论知识的重要性和必要性,实现学以致用。例如,在结构力学单自由度体系动力学讲解中,可以引入海上单桩固定式风机风荷载下的结构振动问题作为案例,通过将风机简化为质量块、将塔筒简化为弹性杆、将风荷载简化为集中荷载或分布荷载,然后建立运动学方程,通过对常微分方程求解即可以得到简化为单自由度模型的风机在风荷载作用下的运动响应,参考流程如图4所示。
(三) 海洋土木工程教学案例库架构
根据龚晓南院士在其专著中的定义[12],凡在海洋区域建造固定的构筑物都属于海洋土木工程。海洋土木工程结构与陆地土木工程结构类似,是服役于海洋环境之中,承受特定的环境荷载,由特定的工程材料经过设计建造而成,在正常的运营维护之下为人类在海洋区域从事工程活动提供基本载体,在达到其服役寿命后进行拆除的建筑或构筑物。因此,海洋土木工程教学案例库可以根据海洋土木工程结构物的自身特点进行设计构建,将案例库划分为工程环境、工程材料、基本构件、工程结构、设计建造、运营维护及拆除等若干个模块,然后针对每个模块进行案例编排。
二 教学案例库应用实践
基于前文所述教学案例库建设思路,笔者构建了海洋土木工程教学案例库,共包含36个案例,涉及了海洋土木工程结构工程环境、基本构件、设计建造等多个模块。笔者在所主讲的近海结构工程导论课程中应用了该案例库,课程授课对象为土木工程专业大三年级,课程性质为专业选修课,共24学时,课程考核方式为读书报告和汇报答辩综合的形式。课程内容主要包含海洋土木工程环境和典型海洋土木工程结构两个部分,其中前一部分主要为海洋土木工程结构工程环境。海洋土木工程结构与传统土木工程结构工程环境的主要差别在于海洋土木工程结构需要重点关注海洋波浪荷载,因此,在第一部分中主要涉及波浪理论与波浪荷载进行。波浪理论由于理论性强、公式推导多,学生对该部分知识的学习积极性不够,导致学习成效较差。
鉴于此,笔者借助哈尔滨工业大学威海校区位于黄海之滨的区位优势,建立了“现场观察+理论描述+数值计算”相结合的线性波浪理论案例。案例实施共包含三个环节,首先在课程开始之前要求学生在晴朗天气到海边实地观察海浪,书空描绘近海岸波浪的形状,拍摄小视频记录波浪轻拍海岸的时间间隔,形成对波浪的直观认识;其次,课堂教学过程中,启发学生利用已学的函数曲线对波浪表面形状进行描述,引导学生自主利用三角函数描述波浪自由液面;最后,将波浪抽象建立物理数学模型,启发学生动手对波浪理论模型中的色散方程进行数值求解,从而建立起波长、波周期、色散关系等波浪理论相关的基本概念。该案例的教学实施过程如图5所示。
笔者在近三轮次授课过程中采用该教学案例对波浪力学中的线性波理论进行讲解,明显提高了学生的参与度,并引导学生利用编程软件或Excel表格自主开发了求解波浪色散方程的程序,取得了良好的教学成效。
三 结论
抓住“海洋强国”国家战略实施契机,海洋土木工程领域成为土木工程专业发展的创新增长点,学生有必要主动了解海洋知识,为今后从事海洋土木工程建设作储备。结合国家海洋经济发展、教师科研项目开展、典型知识点演绎等方法建立海洋土木工程教学案例库,能够为相关教师和学生提供教学与学习资源,帮助学生建立工程思维,为学生毕业后从事具体工程实践解决实际工程问题提供思路与方法。经过多轮次教学时间,采用教学案例库后,学生课堂参与度显著提高,取得了良好的教学成效。
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基金项目:山东省优质专业学位教学案例库项目“海洋土木工程教学案例库建设”(SDYAL2022199);山东省本科教学改革研究重点项目“专业认证条件下高校基础力学课程教学改革与实践”(Z2022336);山东省研究生教育教学改革研究项目“专业学位硕士生创新实践能力培养研究”(SDYJG21018);哈尔滨工业大学研究生教育教学改革研究项目“海洋强国背景下土木水利专业学位研究生培养模式研究”(22MS057)
第一作者简介:方庆贺(1989-),男,汉族,山东济宁人,博士,副教授,博士研究生导师。研究方向为近海结构防灾减灾。
*通信作者:陈再现(1981-),男,汉族,河南驻马店人,博士,教授,主任,博士研究生导师。研究方向为混合试验方法。