航道整治課教學內在要求的思考和改革實踐

羅優，秦景洪，蔣陳娟，張月尹

摘? 要：前期學科基礎課和航道整治課知識經驗結構存在差異，主要表現在“普適性與復雜性、差異性”“封閉確定性與開放非確定性”和“單維性與多維性”三方面。結合航道整治知識結構特征、建構主義理論和當代工程教育理念，對航道整治教學的內在要求進行了分析總結，并提出了相應的教學改革措施。從知識經驗結構角度對航道整治教學改革進行思考與實踐，可為類似專業課程教學改革提供參考。

關鍵詞：建構主義;專業課;知識建構;航道整治

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）30-0117-04

Abstract： There are different characteristics of the knowledge structures between pre-learn foundation courses and "Waterway Regulation" course， including "universality， uniqueness and difference"， "closed-certainty and open-uncertainty" and "single-dimension and multi-dimensions". Combining the characteristics of knowledge structure， the constructivism theory and the needs of the socioeconomic development， the internal requirements and corresponding reform measures in the teaching of "Waterway Regulation" have been analyzed and discussed. The discussion and practice of the teaching reform of "Waterway Regulation" from the aspect of knowledge structural characteristic offers a referential perspective for the teaching reform of similar courses.

Keywords： constructivism theory; specialized courses; the construction of knowledge; waterway regulation

建構主義是當代心理學理論中行為主義發展到認知主義后的進一步發展，建構主義理論揭示了人類學習過程的認知規律、意義建構及學習環境對知識建構的作用，對教育創新影響巨大[1]。建構主義理論中人類的知識經驗分為兩類，結構良好領域與結構不良領域。結構良好領域知識經驗基本特征是規范性和抽象性，有內在邏輯系統，是從多種情境中抽象出來的基本概念、原理和方法。結構不良領域的知識經驗有以下兩個特點：一是知識應用的每個實例中都包含著許多應用廣泛的概念在相互作用，即概念的復雜性;二是同類的各個具體實例之間，所涉及的概念及相互作用的模式有很大差異，即實例之間的差異性[2-3]。

港口航道及海岸工程專業在大一至大三上學期，主要學習了水力學、土力學與地基基礎、工程水文學和河流動力學等學科基礎課。大三下學期開始學習航道整治專業課，課程內容主要包括：航道與航道尺度、淺灘演變規律及分析方法、航道整治工程規劃與設計、整治建筑物設計、整治工程水力計算和疏浚工程幾部分。學科基礎課中的知識經驗偏向于結構良好領域;航道整治介紹的是采用基礎課中的理論成果去解決實際工程問題的知識經驗，實踐工程問題的復雜性和差異性，使得知識經驗顯得“松散”，屬于結構不良領域。

本文結合建構主義理論知識，對比分析基礎課與航道整治課知識結構的差異及其給教學帶來的挑戰，基于當代工程教育理念，分析航道整治教育的內在要求，探討航道整治教學改革實踐。

一、知識結構特征

本節從“普適性與復雜性、差異性”“封閉確定性與開放不確定性”和“單維性與多維性”三方面探討學科基礎課和航道整治課知識經驗結構的差異，以及其給航道整治教學帶來的挑戰。

（一）普適性與復雜性、差異性

學科基礎課程講授的內容是從多種情境中抽象出來的基本概念、原理和方法，知識結構良好，重視邏輯推導的嚴謹性。以水力學課程為例，諸多重要公式都是基于物質守恒、受力平衡和能量平衡推導而來的，包括歐拉平衡微分方程式、理想液體恒定流流束能量方程和Navier-Stokes方程等，這些成果應用范圍較廣，具有普適性。

航道整治講授的內容是利用學科基礎課中的知識經驗去解決實際工程問題，其知識經驗與工程實踐緊密結合，更加需要具體問題具體分析，重視實例之間的差異性。比如，山區河道和平原河道形態的差異導致糙率系數、局部阻力系數確定方法不同;由于不同類型的河道河床演變規律變化多端、礙航特征差異較大，因此航道整治工程方案也有所區別。通常航道整治的復雜性與實際河道邊界不規則、水文過程不斷變化及流態較為繁雜等實際情況有關。然而這些實際情況不符合學科基礎課程中均勻流、漸變流或恒定流等假設，因此在利用學科基礎課程相關成果解決實際問題時，也要采用經驗處理方法或引入經驗系數，比如水面線計算時河段的劃分和局部阻力系數的確定。航道整治的復雜性不僅僅體現在技術層面，更會涉及社會、經濟、人文和生態環境等諸多需求間的矛盾，即“復雜工程問題”的內涵廣于“復雜技術問題”[4]。

航道整治知識經驗的復雜性和差異性等結構不良特征可能導致學生難以適應，不能精確地把握學習重點。

（二）封閉確定性與開放不確定性

由于學科基礎課講授的內容是從多種情境中抽象出來的基本概念、原理和方法，比如水力學中能量方程和河流動力學中泥沙運動經驗公式是建立在恒定流、均勻流或漸變流假設基礎上。在學科基礎課程的課后練習中，學生可以按照特定的邏輯推導得到唯一準確的答案，原因是特定的假設條件和簡單的邊界條件構成了封閉性問題，答案或結論是唯一的。

航道整治對象是實際的河道，來水來沙隨時間變化而變化，河道邊界條件通常不規則，與學科基礎課程中的假設不符，因此無法構建封閉性問題。開放式問題的解決，往往需要提出假設，簡化問題，不同的假設產生不同的方法。此外，實際問題的復雜性和差異性給“答案”帶來了不確定性。比如，航道整治規劃中整治水位的確定方法有經驗法和造床流量法，整治線寬度的確立有經驗法、水力學計算法和輸沙平衡法等。整治水位和整治線寬度往往相關，其最優組合并不容易確定。很多重要整治工程的整治方案和整治參數通常需要開展物理模型試驗或者數值模擬試驗進行方案比選來確定，有些整治工程在實施后仍需要不斷調整。在航道整治規劃和設計時必須謹記這種不確定性，比如在淺灘段束窄河道時避免兩側同時使用順壩，方便工程實施后整治線寬度的調整。

航道整治規劃和設計中的開放不確定性往往會給沒有工程經驗的學生造成較大困擾和壓力，挫敗學生學習信心。

（三）單維性與多維性

學科基礎課程中基本概念、原理和方法一般只涉及技術范疇這單一維度，而航道整治課程中的內容涵蓋工程技術、社會、經濟、環境等多個維度。比如，航道整治工程設計必須依據航道等級，而航道等級的確定依賴于運量預測與船型及其運營組織形式，運量預測則與航運服務范圍內社會經濟和交通運輸的現狀及其遠景發展規劃密切相關;航道整治不僅要考慮行船問題，還要考慮防洪、取水等水利工程。因此，在航道整治工程規劃和設計時，整治工程方案的制定和整治參數的確定不能只考慮航道整治目標，還要考慮整治工程對其他水利設施的影響;整治建筑物材料和結構形式的選擇，不僅與航道整治工程的任務有關，而且受制于當地材料的供給和環境保護的需求。

運量預測、航道通過能力等軟科學知識與水面線計算、挖槽穩定性分析等硬科學知識的糅合，航道整治工程與其他水利工程間的協調，以及技術因素與非技術因素的綜合使得航道整治知識經驗呈現多維度性，對教師知識儲備和教學技巧等提供了挑戰。

二、教學的內在要求

本節結合航道整治知識結構特征、建構主義理論和當代工程教育理念，總結了航道整治教學的三個內在要求：重視新舊知識內在聯系的探討，重視工程思維習慣的培養和教學理念、方法等的與時俱進。

（一）重視新舊知識內在聯系的探討

建構主義的學習理論認為學習是每個學生在已有知識和經驗基礎上的主動建構過程，工程教育專業認證強調“以學生為中心”的教育理念[5]。航道整治工程的復雜性和各工程的差異性使得其知識體系較為松散，由教師單純灌輸知識，不能調動學生積極性，因此需要主動建構新知識。

航道整治需要利用學科基礎課程中的理論知識去解決實際工程問題，即新知識其實是舊知識的拓展。比如，航道整治規劃參數的確定、整治效果分析等利用了水力學和河流動力學中的水流連續方程、運動方程和泥沙起動流速等基本方程和概念。

因此，在教學中重視新舊知識間的對比分析，建立新舊知識間的內在聯系，可以協助學生鞏固學科基礎知識、同化新知識，不斷鞏固和發展其認知結構[6]。比如，在航道整治水力計算教學中讓學生明確山區河道糙率和局部阻力系數確定方法與水力學課程中管道和明渠邊界條件下糙率和局部阻力系數確定方法的異同;在整治水位造床流量法的教學中，探討河流動力學河相理論中提到的造床流量和確定航道整治水位時使用的造床流量之間概念的差別及原因。

（二）重視工程思維習慣的培養

學科基礎課程中的重要知識點大部分是在簡單邊界和規則流態條件下通過理性推導建立的，因此要重視推理過程。航道整治對象是實際河道，邊界條件復雜多樣，整治工程通常涉及多個維度的問題。因此，基于經過實踐檢驗的假設從而簡化復雜技術問題、技術與非技術因素綜合是航道整治規劃和設計中的重要思維方式。本文將這些學科基礎課中很少涉及的思維方式統一歸納為“工程思維”。

“工程思維”在整個航道整治課程中應用非常廣泛。經過實踐檢驗的假設及其相應的經驗處理方法是航道整治課程中的重要知識點。比如，基于相同水沙條件下河相關系基本一致這樣的隱含假設，提出了超高設計水位法和平邊灘水位法等確定整治水位的經驗方法;采用水力學方法計算整治線寬度時，假設河道糙率和比降不變;計算山區河道急流段挖槽擴卡工程后的水面線時，通常假設擴卡后局部阻力系數與縮窄比例的比值不變。航道整治問題的開放不確定性通常導致經驗方法的多樣性，因此要重視比較不同方法的適用性，適當地選擇經驗方法。對于航道發展成熟的河段，整治參數的確定方法和整治建筑物的選擇可以參照已建工程。

航道整治規劃和設計除考慮航道工程任務和目標外，還要考慮整治工程對其他水利工程的影響，以及整治工程的社會經濟和生態環境效蓋。比如，整治工程方案比選時不能只依據整治效果，還要進行防洪評估、經濟評估和環境評估;整治工程建筑物材料和結構形式的選擇除整治任務和目標的考量外，還要考慮材料在當地的供應能力及材料的環保性能等。

“工程思維”的培養是工程范式下工程教育的首要任務，是“整體工程觀”和“回歸工程實踐”理念貫徹落實的重要環節[7]。

（三）教學理念、方法和內容與時俱進

隨著社會經濟發展需求和科學技術的發展，工程教育教學理念和方法在不斷地調整和改進。近年來，為應對第四次工業革命的需求和挑戰，國內外提出了新工程教育轉型、工程教育融合創新等教育改革理念，對工程教育改革的方向及如何培養學生提出了思考[8-11]。2016年我國加入了《華盛頓協議》，協議中工程教育認證通用標準是從社會對解決復雜工程問題的人才需求出發建立的[12]?；ヂ摼W技術的發展推動著傳統教學模式的改革，雨課堂、慕課、翻轉課堂和微課等的合理應用，改善了師生之間的互動方式，更好地激發了學生的學習興趣，有利于創新實踐人才的培養[13]。

工程教育的使命是培養社會經濟發展需要的工程人才，最終目標是服務于社會經濟發展需求，因此工程教學理念、方法和內容與時俱進是工程教育最終目標實現的保障，也是航道整治教學的內在要求。

三、教學改革及效果

航道整治課知識結構特征的分析和航道整治教學內在要求的總結，為教學改革提供了依據。本節從教學方法、教學內容和課程考核三方面對航道整治教學進行改革，并簡單介紹改革效果。

（一）教學方法的完善

航道整治課包括32學時的理論教學課程和為期一周的課程設計。理論教學的目標是讓學生掌握各章節的知識重點和難點，結合工程案例分析與探討讓學生學會工程思維并熟練使用專業術語進行論述;課程設計的目標是促使學生復習和鞏固航道整治課程知識點，深入認識航道整治規劃、設計的基本原則、原理和方法，掌握整治效果評估的基本方法。

建構主義學習觀十分強調意義建構、情境、協作和對話等。為此，利用2個學時的理論教學課時進行現場教學，帶領學生參觀物理模型實驗室，現場向學生講解模型的設計、建立和應用等，結合工程案例，與學生一起探討工程的背景、工程的目的、實施過程和實施效果等。通過直觀的見聞和現場的交流互動，引導學生對工程設計進行整體、系統地思考，培養學生的“整體工程觀”，促進學生對工程實踐的認識。

互聯網、多媒體和云技術等現代化信息技術為提高教學效率奠定了基礎。比如課前利用“雨課堂”發布預習任務，一方面促使學生鞏固已學知識，另一方面通過預習結果的反饋了解學生學習現狀、調整課堂授課重點，使得課堂教學更有針對性，也有更多時間用于新舊知識之間的對比以及工程案例的講解和探討。

（二）教學內容的調整

隨著航道整治工程實踐的不斷發展，整治工程規劃理念、工程技術和材料在不斷革新，教材中的內容往往落后于工程實踐，甚至與工程實踐脫節，因此需要對教學內容進行調整和補充。教學內容的調整與補充從兩方面入手，一方面在授課時合理引入科研內容，讓學生了解航道整治工程現狀以及未來發展趨勢，啟發學生的創新思維。國內大學大部分教師都在承擔教學工作的同時還從事科研活動，為教師以科研促教學提供了基礎。最新工程實踐和科研成果的引入，有助于學生拓展知識面，進一步完善以學科基礎課舊知識和航道整治課程新知識為基礎的知識結構，為學生未來職業生涯發展奠定更扎實的基礎。

另一方面，發布撰寫閱讀報告任務，要求學生搜索和閱讀科學文獻，了解近10年開展的重要的航道整治工程，撰寫閱讀報告，并以PPT形式分享報告成果。閱讀報告任務以分組協作的形式完成，不同組的文獻閱讀主題不同。以揚州大學港航1601班教學實踐為例，在完成“航道整治工程設計”章節的教學后，發布閱讀報告任務：要求學生利用兩個星期時間按照給定主題搜索、下載文獻并進行閱讀，協作完成閱讀報告，并在課堂中以PPT形式分享閱讀報告成果。港航1601班共28位學生分成了7組，每個組4人，文獻閱讀的主題包括山區航道整治、長江中游河道整治、長江下游河道整治、河口整治、水利樞紐河段整治、分汊航道整治和彎曲航道整治。這種撰寫閱讀報告的任務不僅能讓學生了解實際航道整治工程現狀，接觸最新的研究方法和成果，而且能夠激發學生學習的興趣，增加師生之間、學生與學生之間的溝通交流，鍛煉學生交流和協作能力，培養學生熟練使用專業術語進行論述的習慣。

（三）考核方式的改革

教學方法、內容和課程考核是統一的整體，與教學方法完善、教學內容調整相對應，課程考核方式也需進行相應改革，從而滿足航道整治教學的內在要求。原理論教學部分考核主要包括課堂表現、課后作業和閉卷考試三部分，比重分別為10%、20%和70%，改革后增加了課前預習、閱讀報告兩部分，課前預習通過雨課堂預習任務的完成情況來考核，閱讀報告根據報告內容和PPT匯報情況來考核;課前預習、課堂表現、課后作業、閱讀報告和閉卷考試五部分比重調整為15%，10%，10%，15%和50%。此外，在閉卷考試中引入開放性的案例分析題目，考核學生綜合使用所學知識解決實際問題的能力，以及學生對專業詞匯的熟練使用程度。課程設計考核包括課程設計期間表現和最終設計報告兩部分，占比分別為30%和70%，此次改革并未做調整。

本課程教學改革在揚州大學港航1601班中進行了實驗，對比港航1501班和1502班，教學改革增加了學生的學習熱情，促進了師生之間的溝通。在課程設計任務不變的條件下，相比于港航1501班和1502班，港航1601班在河床演變分析、整治方案制定與論證中表現更好，能夠更規范地使用專業術語進行論述，對整治任務和目標把握更準確，能合理地綜合使用不同類型的整治建筑物組合制定整治方案。

四、結束語

航道整治課的教學不能忽視從前期學科基礎課到航道整治課知識經驗結構特征的轉變及其帶來的挑戰。本文結合航道整治課程知識結構特征、建構主義理論和當代工程教育理念，總結出航道整治教學的三個內在要求，并依此進行了教學改革探索，實踐證明改革確有成效。大三、大四工程專業課程教學通常都面臨類似的挑戰，因而本課程教學的思考和實踐對其他類似專業課程具有很好的借鑒意義。

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