基于結構性知識的水工建筑物課程教學探討

(三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

水工建筑物是一門綜合性和實踐性很強的長學時課程，涉及許多學科領域[1-5]，除基礎學科外，還與水力學、水文學、工程力學、土力學、巖石力學、工程結構、工程地質、建筑材料以及水利勘測、水利規劃、水利工程施工、水利管理等密切相關。以天津大學林繼鏞主編的《水工建筑物》（第5版）為例[1]，該書共12章，涉及到重力壩、拱壩、土石壩、水閘、水工隧洞、溢洪道等，每種不同的水工建筑物又涉及到抗滑穩定性分析、應力計算、剖面(結構型式)設計、地基處理、泄洪消能等，這導致該課程內容多而繁復，學生普遍感到學習時理不清頭緒。針對如何使學生有效地學習水工建筑物，筆者嘗試基于結構性知識進行水工建筑物課程教學，獲得了良好的教學效果。現將筆者這個嘗試簡單介紹如下，供同行參考。

2 結構性知識及在水工建筑物課程教學中的嘗試

2.1 結構性知識的含義

結構性知識是學生語義網絡的反應，其中，語義網絡指有關某一課題的命題結構。一個語義網絡是概念互相關聯的一個集合以及這些概念之間的許多連結。結構性知識的理論基礎是圖式理論[6]。圖式理論認為有意義的信息以相互聯系的事實或概念網絡的形式儲存在長時記憶中，這種網絡即圖式。圖式理論最重要的原則是[6]：學習者不斷地將新學習的知識聯系到頭腦中原有的知識圖式之中，利用原有的圖式對新知識進行組合，使其與原有的圖式發生聯系，以便對新知識進行理解，把新知識與學習者原有圖式進行聯系的過程，就是學習者理解知識的過程。新知識一旦與學習者頭腦中原有的知識聯系起來，有意義的學習就發生了，學習者理解了新的知識，包含新知識的圖式更新了原有的圖式。如果新的知識完全不能與原有的學習者頭腦中的圖式發生聯系，那么學習者就要建立一個新知識的圖式。

由結構性知識的含義可見：（1）結構是所有知識固有的；（2）在諸多知識間建立結構性聯系可以促進回憶和便于理解；（3）在現有的知識和新的知識之間連接被形成，新的知識能被更好地整合和理解；（4）人類記憶是客觀世界中存在的知識結構的一面鏡子等。為此，筆者基于結構性知識進行水工建筑物課程教學研究，期望基于結構性知識的課程教學，把專家的思維過程再現出來，引導學生像專家那樣思維，以形成專家似的結構性知識，培養學生以聯系的觀念和方法學習知識，以達到有意義的學習。

2.2 結構性知識在水工建筑物課程教學中嘗試

當前的水工建筑物教材主要分為 3大類，一類是天津大學版的水工建筑物，該教材對不同類型水工建筑物逐一進行介紹；另外一類是河海大學版的水工建筑物，該教材與天津大學版的水工建筑物不同之處在于，其將重力壩和拱壩所共有的關于泄水消能部分單獨成章介紹；還有一類是清華大學版的水工建筑物，該教材與天津大學版的水工建筑物內容設置相近，但內容講解的更深入。綜觀這三種不同版本的水工建筑物教材，雖然對于某種壩型的介紹，多少具有一定的結構性，但該結構性顯得松散，不明確。為此，筆者嘗試基于結構性知識進行水工建筑物課程教學。具體課堂教學基本思路和方法如下：

（1）首先結合水工建筑物課程教學中的重點內容進行試點，建立該重點內容的結構性知識圖式。

以抗滑穩定分析為例，在巖基上的重力壩、拱壩、土石壩、水閘等章節均要重點介紹該教學內容，但由于該教學內容較為繁復，以致學生難以理清頭緒，更談不上對不同類型水工建筑物的抗滑穩定分析進行縱向聯系。例如，在介紹重力壩抗滑穩定分析時，在 4個學時內，需要介紹穩定分析的種類、抗滑穩定分析的方法、抗滑穩定分析的內容、抗滑穩定分析的模型、抗滑穩定分析的公式、抗滑穩定分析的評價、抗滑穩定分析的工程措施等。其中，抗滑穩定分析的內容又包括沿壩基面抗滑穩定分析、深層抗滑穩定分析、岸坡抗滑穩定分析等，內容繁復。但對這些教學內容進行分析可知，這些繁復的內容背后隱藏了一定的結構性，如果能建立該繁復內容的結構性圖式，那么不僅可以大大方便學生對重力壩抗滑穩定分析的學習，而且在后續拱壩、土石壩、水閘等抗滑穩定分析內容學習時，可以促使學生不斷地將新學習的知識聯系到頭腦中原有的知識圖式之中，利用原有的圖式對新知識進行組合，使其與原有的圖式發生聯系，以便對新知識進行理解，從而達到高效的學習目的。如圖1所示。

圖1 不同章節抗滑穩定性分析內容

具體在教學實踐時，筆者以Why-How-What的提問方式作為切入點，即為什么要進行抗滑穩定分析(Why)-怎么進行抗滑穩定分析(How)-抗滑穩定分析需要學習那些內容(What)，如圖2，從而引出抗滑穩定分析結構性知識介紹。另外，在教學過程中，必須及時獲得學生聽課后的反饋。例如在教學過程中，定期與相關的學生座談來獲得學生對結構性知識學習后的掌握情況，及時進行結構性知識圖式的優化調整。建立的抗滑穩定性分析結構性知識圖式如圖3所示。

圖2 Why-How-What切入教學內容

圖3 抗滑穩定性分析結構性知識圖式

（2）接著對所建立的重點內容的結構性知識圖式，進行教學實踐，不斷改進該圖式，并在教學實踐中將最新的科學研究成果以“軟接軌”式融入到該結構性知識圖式。

仍以抗滑穩定分析為例，對于重力壩，規范規定以剛體極限平衡法為主要設計依據，有限元法作為輔助方法。考慮到目前有限元法強大的工程問題分析能力，在教學中，必然需要介紹采用有限元法進行重力壩的抗滑穩定分析。由于采用有限元法進行重力壩抗滑穩定分析時，存在揚壓力如何施加、強度參數和彈性參數如何折減等問題，需要順暢地將這些問題的最新研究成果嵌入抗滑穩定分析的結構性知識圖式。為此，筆者在抗滑穩定分析教學實踐時，將這個問題與圖2和圖3中結構性知識圖式的“How?”、分析模型、計算公式及評價指標等進行“軟接軌”。當然，不同的重點教學內容的最新科學研究內容與結構性知識圖式“軟接軌”的具體模式，需具體問題具體分析，以及根據學生座談反饋，然后進行完善。

（3）最后將結構性知識圖式推廣于水工建筑物課程其他教學內容，通過建立結構性知識圖式來促進學生的高效學習。

在對教學重點內容試點成功后，筆者在第二個學年的水工建筑物教學中，依據水工建筑物教學大綱，啟動了由“點到面”的推廣，例如，將結構性知識圖式推廣到應力計算、水力設計、剖面設計、地基處理、溫度控制、滲流控制等。

具體在通過教學實踐建立結構性知識的圖式時，筆者綜合采用表格式、線性圖式、結構框圖、概念圖、左右排列的大括弧形式、上下排列的樹狀結構、環形分布圖等不同的形式來建立結構性知識圖式。當然，“點到面”的推廣，對上課教師的綜合素質和能力也是嚴格的考驗，需要在教學實踐中不斷完善。

3 結語

在水工建筑物課程的教學實踐中，筆者感觸到水工建筑物課程內容多而繁復，使學生普遍感到學習時理不清頭緒。針對如何使學生高效地學習水工建筑物，筆者嘗試基于結構性知識進行水工建筑物課程教學，獲得了良好的教學效果，希望能給同行一點借鑒。

[1]林繼鏞.水工建筑物(第5版) [M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[2]左東啟,王世夏,林益才.水工建筑物[M].南京:河海大學出版社,1995.

[3]張楚漢.水工建筑物學[M].北京:清華大學出版社,2011.

[4]陳勝宏.水工建筑物[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[5]Novak,P. Moffat,A.I.Nalluri,C.et.al. Hydraulic structures,4thedition Taylor & Francis 2007.

[6]Slavin R.E. Educational psychology,7thEdition, Pearson Education,Inc.2003.

[7]黃耀英,周宜紅.關于水利工程概論課程教學改革的一個商榷[J].大眾科技,2011(12):177-178.