新型港口水工建筑物實踐設計在本科教學中的應用

黃碩 唐雪蓮 蔡華陽 王凱 任磊

摘? 要：隨著港口水工建筑物課程實踐性不斷增強以及社會層面對應用型人才需求的不斷提高，課程的實踐融合與教學改革迫在眉睫，港工建筑物的實踐設計在本科教學中的應用具有重要意義。為提高港口水工建筑物課程的教學質量和效果、培養應用創新型科研人才，針對該課程的教學現狀及存在的問題，從教學內容和教學方法兩方面深入探討，創新教學模式，實現理論知識與實踐設計的有機結合，提出加入新型港工建筑物實踐設計環節的教學改革建議以及切實可行的教學及評價方案。

關鍵詞：港口水工建筑物；課程教學；教學改革；實踐設計；創新思維

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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領域本科階段的主干課程之一，是一門綜合性、實踐性和創新性很強的課程。課程著重講授國內外港口水工建筑物的設計理論、計算方法、先進技術等基礎知識。結合工程制圖、理論力學、結構力學、材料力學、土力學、海岸動力學及港口規劃與布置等先修課程，通過開展課程設計，與畢業實習、畢業設計等進行了有序銜接。

隨著工程技術的發展和海洋資源需求的增長，港口水工建筑物的內涵也更加廣泛，涵蓋碼頭、人工島、海岸防護結構、跨海大橋及海底隧道等海上設施，正逐步發展為重要的現代綜合性和戰略性產業。在海洋強國背景之下，港口水工建筑物這門傳統的海洋工程、港口海岸工程專業基礎課要想達到更好更有效的授課效果，就要緊跟國民科技前沿發展，除講授傳統港口水工建筑物（碼頭、固定式防波堤、船塢）外，新概念、新形式、多功能的港口水工建筑物學習，更能帶動學生的學習積極性。讓學生全面了解港口水工建筑物的設計、建造、運維的全鏈條知識體系至關重要。基于該課程的綜合性與實踐性，在授課過程中綜合運用多學科的理論知識、生產實踐中總結得出的經驗，并將理論聯系工程實際，引導學生應用經典的理論知識思考、設計滿足國家重大工程需求的新型港口水工建筑物是教學改革的必然選擇。因此，本文以中山大學海洋工程與技術專業港口水工建筑物課程教學為研究對象，結合該課程教學中存在的實際問題，分析新型港口水工建筑物的實踐設計在本科教學中的應用，針對如何提高授課效果和教學效率展開研究。

一? 傳統教學存在的問題及解決途徑

（一）? 課程教學內容繁多與授課時間短的矛盾

由于港口水工建筑物課程的相關教材設計知識面廣泛，教學時間不足嚴重限制了教師的教學方式以及學生的接受程度，導致多數學生難以建立起有序的知識體系和有效地進行知識融會貫通。楊邦柱認為港口水工建筑物課程的理論知識講解部分可以分成以下六個部分：一是總體布置；二是載荷與組合；三是結構計算；四是穩定計算；五是水力計算；六是型式與構造。良好的教學效果需要授課老師對課程內容十分熟悉，做到可以根據學生的教學大綱以及過往已掌握的知識精選教學內容，同時這既保證了授課老師可以建立起有序的教學框架，又有助于學生建立起完整清晰的知識框架。

（二）? 先修課程安排與該課程教學要求不匹配

先修課程安排與該課程教學要求不匹配主要體現在：港口水工建筑物含有工程制圖、理論力學、結構力學、材料力學、土力學、海岸動力學及港口規劃與布置等眾多先修課程，對學生掌握先修課程的程度要求較高，部分先修課程內容的脫節可能會導致授課過程中課程體系的整體性有所降低，因此該課程對學院的整體培養計劃具有一定的要求。此外，任課老師還應當拓寬自己的理論知識面以及具有豐富的工程實踐經驗，才能更好地銜接大跨度的課程內容，同時聯系工程實際加深學生對大型港口水工建筑物的感性認識。

（三）? 教學方法單一

使用講授法進行課程講解雖然能夠讓學生更加快速、精練地掌握理論知識，但單純使用填鴨式的理論教學模式更增加了學生理解該門課程理論知識及物理意義的難度，這直接關系到學生專業素養的養成以及將所學理論知識應用至實際工程的能力。因此，根據現代信息科學發展的現狀與趨勢，課程教學應該逐步加強信息化教學和實踐教學方式的應用。例如，可以采用經典案例教學、情境對話教學、大型計算軟件等教學方法，使教學方法更加多元化，也更有利于學生綜合運用所學知識分析、解決實際問題。尤其需要特別注意把大型計算軟件等的應用與實踐設計教學部分相結合，由于實踐設計這部分任務內容全面、計算量較大，單純依靠手動計算難以提高解決問題的效率，因此可以適當應用專業計算軟件對水工建筑物的整體進行分析。

（四）? 學生對課程的重視程度不高

由于學生本身缺乏對大型港口水工建筑物的宏觀認識以及生產實踐經驗，加強學生對課程的參與感與提高重視程度也是值得注意的問題，單純的理論知識講解往往容易令學生成為被動的接受者，這無法充分發揮學生的主觀能動性。因此，要充分利用豐富的教學手段增加學生對課程內容的感性認識，并根據以往的就業趨勢側重授課內容，注重師生間互動、加強與學生討論，嘗試激發學生的創造潛能。

二? 新時代“引經據典”教學內容

針對上述問題，首先通過教學內容、教學方式的改革創新教學模式。不但要求學生掌握港口水工建筑物設計計算的基本理論，還要清楚如何收集、整理和分析港口水工建筑物設計所需要的各種原始數據和基本資料，具備運用專業課知識提出港口水工建筑物的設計方案的能力，進一步依照相關規范對設計方案進行驗算和綜合分析比較港口水工建筑物的技術、經濟效益。

實踐設計環節是這門課程的重點內容。實踐過程中查閱規范、繪制施工圖紙、設計驗算等操作能有效提高學生思考問題、解決工程實踐中遇到的技術問題的能力以及采用有效方法設計新型港口水工建筑物的創新能力。為了提高該門課程的教學質量，應該適當提高實踐設計在該門課程教學過程中的比重。基于教師所具備優秀教學能力和豐富實踐經驗以及學生的理論基礎知識的扎實掌握情況，給新型港口水工建筑物的實踐設計任務的實施提供切實的保障措施。

通過對國內外研究現狀的調研，選取新型港口水工建筑物的三個經典案例。①港珠澳大橋。如圖1所示，港珠澳大橋是我國繼青藏鐵路、南水北調等工程后又一重大基礎設施項目，其是集海中橋隧工程、三地口岸人工島與三地連接線為一體的超級交通集群工程。港珠澳大橋地處外海，氣象水文條件十分復雜，具有極高的建設難度以及研究價值。②多功能浮式防波堤。多功能浮式防波堤通常存在多裝置成本共享的良好局面。例如浮式防波堤與風機一體化裝置（圖2）具有良好的消波性能與耐波性，與常規防波堤相比還具有平穩的發電能力。OWC-開孔浮式防波堤（圖3）在具有消波功能的基礎上兼具發電功能，開孔浮堤有利于進行水體交換以及波浪能的吸收、轉化與利用。③生態護岸。如圖4所示，護岸是指在河口、海岸地區對原有岸坡進行加固、防護等的重要工程措施，用以減輕水流、風浪的侵襲破壞。與損害海岸生態功能的傳統護岸方式不同，生態護岸有機地實現了滿足護岸功能性需求和維持河道生態功能的平衡，既能有效防止暗灘向其后側腐蝕，又能實現一定的生態修復，具有良好的生態效應、景觀效應與自凈效應。

使用結合現代建設特征的新型港口水工建筑物經典案例有利于激發學生的學習興趣，幫助學生跳出課本中傳統港口水工建筑物工程的局限思維，從而觸發學生的創新思維，切實提升教學效果。

三? 新型港口水工建筑物的實踐設計

在兼具綜合性和實踐性的港口水工建筑物課程的教學過程中，大部分教師采用的教學方法為講授法。講授法可以讓學生快速、直接明了地掌握基礎的理論知識。但是，單靠填鴨式的授課方式只能讓學生在表面上接受理論知識，并不能夠讓學生學會如何運用所學相關理論知識去解決所遇到的實際問題。特別是學生難以對港口水工建筑物有直觀了解，容易引起學生的學習疲勞也難以激發學生的學習興趣，還會進一步加深學生重理論、輕實踐的不良傾向，降低授課效率。而實踐教學環節的引入有利于培養學生的自主學習能力及獨立發現問題、分析問題、解決問題的能力。課程實踐設計的實施方法如下。

通過課堂講解，使學生理解部分經典的港口水工建筑物的理論知識，掌握一般建筑物的設計標準規范、型式。在實物設計過程中，要求學生對建筑物實物進行等比例縮放進行圖紙繪制，嘗試讓學生使用傳統的手繪方式或者利用AutoCAD等繪圖軟件繪制出港口水工建筑物規范圖紙；帶領學生到施工現場或虛擬仿真實驗室學習設計建造過程，通過查閱相關設計規范，讓學生動手制作3D打印模型。

在提供潮位、船型、地形地質條件、波浪和氣象條件等設計資料以及主要建材的物理參數和堆貨載荷、門機載荷、船舶系纜力等多種使用載荷的基礎上，要求學生確定碼頭標準斷面各部分的構造和尺寸以及各種計算情況的載荷和載荷組合圖式，并進行碼頭的各項穩定驗算，從而引導學生對現有的港口水工建筑物進行總結和提出實用創新的港口水工建筑物結構。

由于多數大型港口水工建筑物的結構復雜、設計及施工周期長，使用壽命也較長，短時間的現場實踐甚至生產實習都不足以讓學生真正領悟到隱藏在大型港口工程背后的理論知識及工程實踐經驗。因此，與信息技術結合的實踐方式能夠改善實習周期短而工程施工周期與使用壽命長的問題，進而增強學生的實踐認識并提高教學效率。因此，本課程分別在期中及期末階段循序漸進地提出兩個實踐設計任務：簡化的重力式碼頭設計及驗算；新型多功能防波堤的概念設計及應用分析。這兩個實踐設計的安排，既能使學生領悟到經典港口水工建筑物的魅力，又能激發學生主動了解新型港口水工建筑物發展趨勢的興趣。

四? 三位一體考核評價標準

本課程的實踐設計任務，要求學生以理論知識為基礎，以各種設計規范為依托，以水工設計手冊為指導，獨立完成任務書指定的設計任務。實踐設計任務的完成度主要通過學生實踐報告（包括設計說明書及設計計算書）的完整性、準確性、規范性和專業性以及提出結構的創新實用性來體現。如針對新型防波堤的概念設計及應用分析，會從新型防波堤的研發背景、研發意義、設計原理和設計圖以及可行性論證等多方面進行綜合考慮評分。

考核評價標準的多樣化，更有利于激發學生獨立思考和解決問題的積極性和創造性，更加全面、合理地評價每一位學生對課程的掌握程度。加入實踐設計后，突出對學生綜合能力的考查。建立一套完整的融合隨堂測驗、實踐設計報告、期末閉卷考試的三位一體課程考核方式替代以往單一的考試方式。隨堂測驗可以反映學生的課堂表現和對課程內容的接受程度；實踐設計則體現了學生對所學知識的應用能力、實踐能力及寫作能力；而期末考試則能夠從整體上反映學生對課程整體知識體系的融合與掌握。除此之外，還可以考慮引進小組考核互評制度，作為隨堂測驗的補充。

五? 結束語

港口水工建筑物是一門兼具綜合性和實踐性的課程，需要理論結合實踐，增加實踐在課程教學中的運用等方法來提高學生的學習積極性和課程的授課效率。通過增加新型港口水工建筑物的實踐設計，對港口水工建筑物課程進行教學改革。創建新時代“引經據典”的教學內容，結合港珠澳大橋、多功能浮式防波堤、生態護岸等工程案例，深入淺出地將理論知識與實踐設計有機融合，有效地激發學生的學習興趣，提高學習效率，并采用三位一體的考核評價體系，健全對學生綜合能力的考察體系。探索新型港口水工建筑物的教學實踐在本科教學中的應用，其最終目的在于激發學生將所掌握的理論知識切實應用到國家重要海洋基礎工程設計中，從而更高效地培養綜合創新型、應用型人才。

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基金項目：國家自然科學基金項目“遠海島礁環境下多浮體波浪能裝置寬頻高效捕能機理研究”（52271301）；2022年中山大學本科教學質量工程子項目“新型港工建筑物的實踐設計在本科教學中的應用”（教務【2022】91號）

第一作者簡介：黃碩（1984-），女，漢族，黑龍江伊春人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為船海工程數字化。

*通信作者：蔡華陽（1986-），男，漢族，福建晉江人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為物理海洋。