淺談面向土木工程方向的《近海工程導論》教學

賴馬樹金

摘要：《近海工程導論》是哈爾濱工業大學土木工程學院面向土木工程專業高年級本科生開設的一門專業選修課，旨在拓寬傳統土木工程專業的學生知識背景和學術視野，并使其初步掌握海洋平臺等近海工程結構的分析和設計能力。基于此，本文對《近海工程結構》的課程內容進行了詳細設計，并對教學方法和授課方式進行了初步探討。

關鍵詞：近海工程；教學內容；教學方法

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）26-0171-03

一、引言

21世紀是海洋的世紀，由于海洋中蘊含豐富的資源，比如水資源、海洋生物質資源、礦產與油氣資源、海上航運資源、海上能源資源及海上空間資源等，各國都在大力發展海洋工程。海洋工程是指應用海洋基礎科學開發利用海洋資源所形成的一門綜合性技術學科，狹義上講，也指開發利用海洋資源、保護海洋環境和某些特殊用途所需的各種建筑物、建筑群和其他工程設施[1]。海洋工程主要包括海岸工程、近海工程和深海工程。其中近海工程主要是在近海較淺水域的海上平臺、人工島等的建設工程，和在近海較深水域的半潛式平臺、鉆井船、石油和天然氣勘探開采平臺、浮式貯油庫、浮式煉油廠、浮式飛機場、張力腿平臺、牽索式平臺等的建設工程。近海工程技術除傳統的土木建筑工程技術外，還包括造船工程技術。隨著我國沿海地區開放程度的加大以及“一帶一路”海上絲綢戰略的提出，海洋在我國國民經濟發展中正扮演著越來越重要的作用。黨的十八大報告明確提出，“提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國”。

為了實現建設海洋強國的戰略目標，就必須在高等院校培養一批國際一流船舶與海洋工程專業人才。然而由于我國海洋工程建設起步比較晚，目前國內具有船舶與海洋工程專業的高校較少。另一方面，作為傳統的土木建筑工程專業，主要學習的課程局限在陸地上的建筑結構，一般不開設海洋工程結構相關課程。由于這兩方面的原因，極大地限制了我國海洋工程人才的培養。眾所周知，海洋工程的建設離不開土木工程專業技術，因此作為21世紀土木工程專業的本科生，也必須肩負起海洋開發建設部分責任。在海洋強國建設的大背景下，哈爾濱工業大學土木學院為土木工程專業高年本科生開設了《近海工程結構導論》這門專業選修課，旨在拓展傳統土木工程專業學生的專業知識背景，了解和掌握近海工程的海洋環境、結構特征及近海工程結構的最新進展，重點掌握波浪及波浪荷載的相關理論，初步掌握海洋平臺等近海工程結構的分析和設計能力。

二、教學內容設計

《近海工程結構導論》是面向土木工程專業高年級開設的專業選修課，總課時為24學時。由于課時較短，需針對傳統土木工程專業高年級本科生的知識背景，同時兼顧課程知識體系的連貫性和邏輯性，合理安排課程的教學內容，使學生不僅了解海洋工程結構概況及前沿，還能夠初步掌握海洋平臺等近海工程結構的分析和設計能力，基于此，該課程設計為5個章節。第一章為緒論，設計授課時長2學時。由于土木工程專業學生對海洋工程的了解較少，因此在緒論中需較全面地介紹海洋工程的重要性和發展狀況以及與傳統土木工程的異同點，激發學生的學習熱情和使命感。重點介紹世界和我國海洋資源的稟賦條件、開發和利用海洋資源所需要的海洋工程技術及其發展狀況、海洋工程面臨的海洋環境特征；海洋工程結構所遭受的環境荷載類型及近海工程結構的災害類型；近海工程結構分析和設計方法。第二章為海洋平臺結構，設計授課時長2學時。針對土木工程專業學生主要接觸城市建筑結構，對近海工程結構缺乏基本概念，專門介紹近海工程結構的特征、拖運和安裝形式，使得學生對海洋平臺結構具有較全面的認識。本章重點介紹固定式、移動式、半固定式海洋平臺使用環境和結構特征。第三章為海洋環境荷載，設計授課時長8學時。任何一種結構的設計，都首先需要確定作用在結構上的荷載，在這一點上，傳統土木工程建筑設計與海洋平臺設計沒有本質的區別。然而由于海洋平臺處于更加惡劣的自然環境中，其荷載形式異常復雜，比如其主要環境荷載形式為波浪荷載或風浪聯合荷載。本章首先重點介紹波浪理論及其作用在結構物上的波浪力，其主要課程內容包括：回顧流體力學基本方程及勢流理論；建立液體表面波基本方程，重點推導及闡述常深度小振幅簡單波動解及特征、簡單波動疊加特性、傾斜海底上波浪的傳播特性；簡要介紹有限振幅波（非線性波）理論；重點推導作用于小尺度結構上的波浪力，簡要推導作用于大尺度結構體上的波浪力；簡要介紹隨機波浪理論及作用于海洋工程結構體上的隨機波浪力。其次介紹風荷載、流荷載、地震荷載及其冰荷載，最后介紹荷載組合規則。第四章為固定式平臺（導管架平臺）設計，設計授課時長10學時。雖然目前海洋平臺向具有更深水深作業能力的半潛式平臺、張力腿平臺和Spar式平臺發展，但導管架平臺仍然是目前世界上使用最多的一種平臺，不論從設計理論還是從建造技術上來看，它都是一種最成熟和通用的平臺形式。因此本章重點介紹導管架平臺的基本設計過程。課程內容包括：導管架平臺的總體設計要求；海洋平臺結構的基本設計方法；樁基設計；導管架設計；平臺結構的動力反應分析；圓管構件的強度和穩定性計算；管節點的設計與疲勞分析。本章課程內容較多，是該門課程的主要部分。由于土木工程專業高年級本科生具有一定的結構設計先導知識，因此該章節主要介紹導管架設計的基本方法與流程，重點強調與傳統土木建筑結構設計方法的異同。第五章為移動式平臺設計，設計授課時長2學時。由于日益增長的能源需求，世界各國都將油氣資源的開發投向了深海，傳統的固定式平臺逐漸被深水浮式平臺所代替，海洋平臺朝著深水和超深水發展[2]。該章節將簡要介紹浮式平臺的設計要求和基本方法，基本內容包括：浮式平臺重量和重心計算、浮式平臺漂浮穩定性計算、錨泊系統設計、半潛平臺設計。

三、教學方法設計

針對課程內容多、授課學時較短的特點，本課程將采用“講授式”和“啟發式”相結合的教學法。“講授式”教學是指教師利用利用各種教學工具，通過口頭語言講解的方式，直接將知識傳授給學生的一種教學方式。該教學法的優點是：在“講授式”教學過程中，教師采取定論的形式直接向學生傳遞知識，從而排除學生對知識的神秘感和畏難情緒，使學習真正成為輕松的事情，還可以避免認識過程中許多不必要的曲折和困難[3]。這使得傳授知識變得簡捷和高效，非常適合課程內容多、授課學時短的課程。然而這種教學法下學生往往只是被動地接受知識，而不去主動思考傳授知識的內涵，并且“講授式”教學容易使學生產生依賴和期待心理，從而抑制學生學習的獨立性、主動性和創造性。為了克服這些缺點，強化該教學法的優點，“講授式”教學還需堅持啟發性教學原則，教學過程中積極調動學生的積極性和主動性，啟發學生獨立思考，建立學生對新知識的求知欲。總之教師在教學過程中發揮主導作用，直接快速地講解專業知識，同時使用通俗易懂的語言、生動鮮活的事例、新穎活潑的形式活躍教學氣氛，啟發學生思考，增強教學效果。強調學生在教學過程中的主體作用，激發學生學習的熱情和積極性。

課堂上授課教師需多與學生互動，讓學生發言，發表其對所講知識的認識與疑問等。本課程采用“多媒體+板書”的授課方式。通過PPT、影視、動畫等多媒體教學手段，使學生快速地將平面、抽象的知識轉化成立體、直觀的認識，同時也能調動學生的求知欲，激發學生的學習熱情。比如在緒論中，通過適當的圖片和影視資料，學生能夠直觀地認識到海洋資源、海洋環境及海洋工程的特征；在海洋平臺結構中，運用多媒體手段，使得學生全方位了解海洋平臺的結構特征及建設、拖運、安裝全過程。然而對于本門課而言，除了概念性知識外，還有理論知識部分。理論知識部分具有較多的公式推導，單純采用PPT介紹一方面不利于學生理解，另一方面比較枯燥，不利于調動學生的積極性。對于公式推導方面，板書教學具有很強的引導性和指引性，同時具有啟發性，能夠充分調動學生的積極性和參與性。

四、考核方法

為了評價學生掌握知識的程度，采用課堂提問、課后作業、隨堂考試、讀書報告及期末考試相結合的形式，綜合評價學生的學習效果。這種多樣的考查方式一方面能夠充分調動學生的積極性，另一方面也能綜合考查學生掌握知識的程度。

五、結語

《近海工程導論》是面向傳統土木工程專業高年級本科生開設的一門專業選修課，旨在拓展傳統土木工程專業學生的專業知識背景，初步掌握海洋平臺等近海工程結構的分析和設計能力，為建筑海洋強國戰略貢獻力量。本文根據近海工程結構設計的專業知識體系，結合傳統土木工程專業高年級本科生所學土木建筑知識背景，設計了面向傳統土木工程專業的《近海工程導論》課程內容，根據課程內容特點探討了“講授式+啟發式”的教學方法及“多媒體+板書”的授課方式。

參考文獻：

[1]薛鴻超.海岸及近海工程[M].中國環境科學出版社，2003.

[2]陳建民，婁敏，王天霖.海洋石油平臺設計[M].石油工業出版社，2012.

[3]陳菊梅，張祖榮.探究式教學與講授式教學的有機整合研究——“受迫振動和共振”的教學案例[J].物理與工程，2014，（s2）：23-27.