水利土木“三位一體”化實踐教學的改革與探索

陳 紅，張 潔，陳 林

（1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210024；2.河海大學 農業科學與工程學院，江蘇 南京 211100；3.河海大學 實驗與分析測試中心，江蘇 南京 210024）

引言

當前水利工程建設呈現多學科多專業交融的趨勢，復雜程度越來越高［1-2］，建設中出現的大量新課題、新挑戰，對工程技術人員提出了更高的要求。繆林昌等［3］以“土力學”課程為例，提出大土木專業土力學教學建議。楊敬林等［4］針對湖南農業大學“大土木”類專業，挑選三門專業結構類課程，從培養計劃、教學手段及內容、教學實施過程等多層次多維度開展教學改革探索。常鴻飛等［5］針對大土木中的結構設計課程，提出了精品教材的編寫建議，為大土木工程專業基礎課程教材的建設提供參考。張滿棟等［6］實現了泛土木水利工程制圖教學內容的有機融合。鄭健等［7］依托西北黃土高原地區“大土木”水力學課程教學需結合工程背景與專業特色，從教學內容、方法、考核等多層面實施改革與創新。何春保等［8］針對農業特色院校，通過校內外水利、土木工程實驗資源優化整合，構建了學科交叉、科教融合、課創一體、校企協同的實踐教學模式。邊亞東等［9］以土木水利專業研究生教育創新培養基地建設為背景，探索適合現階段發展需要的基地建設的新模式。張其亮等［10］提出構建“第一課堂+第二課堂+企業”的三位一體實踐教學體系，用以滿足不同層次學生的需求。

本文依托河海大學校級公共實驗基地，著眼于一體化教學和協同創新平臺兩個維度，融入考核、教學、平臺三位一體化建設思路，構建水利土木交融背景下的一體化實踐教學平臺，培養具有新時代工程思維的高質量復合型人才。

一、平臺構建

河海大學水利土木類本科專業劃分較為詳細，包括水文與水資源工程、水務工程、水利水電工程、港口航道與海岸工程、土木工程、交通工程等，專業間資源開放共享率低，教學內容相互融合少，不利于新工科背景下復合型人才的培養。

依托學校校級公共實驗基地（189實驗基地），構建水利土木專業一體化實踐教學平臺。該平臺目標明確，集中各方優勢，優化配置水利類、土木類實驗設施、儀器設備等資源，統籌規劃實踐教學項目，有機整合水工、河工、結構、土工、港工等實驗，拓寬學生知識面，提升專業素養，激發學生的學習興趣和創新能力，有助于培養具有水利、土木一體化專業知識的復合型工程技術人才。

一體化實踐教學平臺具體建設思路如圖1所示。通過建設水利土木“三位一體”化實踐教學，實現考核一體化、教學一體化和平臺一體化。其中平臺一體化是基礎，將水利實驗平臺“水流試驗大廳”與土木實驗平臺“結構試驗大廳”有機整合，通過水下振動臺、河流模型等承載水利土木實驗。教學一體化是整合水利、土木基礎實驗、專業實驗和創新實驗，統一建設教學資源庫，同步面向水利、土木專業開展實踐教學。考核一體化是建立統一的考核體系，制定統一的考核標準，針對水利、土木專業學生開展統一考核。由此，平臺、教學和考核相互支撐，融為一體，“三位一體”建設將推進水利、土木實踐教學的交叉融合。

圖1 一體化實踐教學平臺建設思路

二、建設內容

（一）考核一體化

考核一體化是目標導向，在統一考核內容的基礎上開展考核一體化，具體考核內容包括創新成果、問題解決能力和現場操作三個方面。

1.創新成果考核。突出水利土木交叉融合，水利專業相關實踐教學在考核時應明確體現土木專業方向的創新應用或突破；同理，土木專業考核時也要體現水利專業方向的創新成果。比如，制定土木工程專業“橋梁工程”實踐課程考核內容時，可將橋墩受水流沖刷規律及防護措施納入考核內容，充分考核學生對水利專業相關知識的掌握。

2.問題解決能力考核。學生解決問題的能力尤其是解決復雜工程中科學問題的能力，是高校工程類專業畢業生應具備的核心能力，也是工程教育專業認證的重要要求。考核問題解決能力時應明確水利土木交叉融合，通過設置基礎實驗、專業實驗和創新實驗，分層級融合交叉知識，考查學生對基礎知識交叉的掌握程度以及對專業技能掌握的熟練程度。

3.現場操作能力考核。實踐教學目的是培養學生的實踐動手能力。在“大土木”、新工科背景下，現場操作能力要求學生對水利、土木專業儀器、設施的操作熟練掌握。比如，土木專業學生除本專業必備儀器外，還需具備對流速、水位、流量等測量儀器的操作能力；同理，水利專業學生也應掌握壓力機等儀器的操作。

（二）教學一體化

水利土木一體化實踐教學將整合基礎類實驗、專業類實驗和創新類實驗，不區分專業，由實踐課程內容配備相應師資。教學統一采取現場實驗、遠程虛擬化實驗、工程案例等形式，其中遠程虛擬化實驗主要通過遠程視頻教學、視頻講座等形式開展。為了豐富教學內容和形式，采用虛實結合的方式，學生現場開展實踐教學，完成實際操作內容，對于實驗結果展示及部分無法現場實現的教學內容，可通過大屏、視頻、虛擬仿真等手段進行展示，使實踐教學內容更加完善、生動、趣味，有力提升實踐教學的質量。一體化平臺從實驗案例、儀器設備、場所條件、教師隊伍、管理體系等多層面支撐教學一體化資源落地生根。

（三）平臺一體化

依托校級公共實驗平臺水流實驗大廳、結構實驗大廳進行實踐教學平臺一體化建設，其中水流實驗大廳總建筑面積約5萬平方米，主要用于開展大型水利工程、河道整治、海洋工程、水環境治理、流域模型等試驗研究；結構實驗大廳總建筑面積約1.5萬平方米，目前擁有眾多大型儀器設備，主要開展工程材料、結構靜動力模型試驗。

該平臺能滿足水利、土木專業實踐課程的教學需求，可容納近百名學生開展高質量實踐活動，滿足學生開展創新訓練的需求。學校設置了系列水利土木一體化實踐教學課程及案例，借助課程及案例教學載體，開展復合型人才培養，并實現教學一體化、考核一體化的目標。

三、典型教學案例

（一）地震作用下潰壩實驗

依托河海大學全國最大三向六自由度模擬地震水下振動臺搭建了地震作用下潰壩實驗，面向水利、土木等專業開展工程結構類課程設計實踐教學。

在振動臺臺面上設置大壩模型，上游模擬水庫，下游模擬河流及周圍環境，一旦水庫大壩出現潰壩險情，上游水庫水體將形成洪水涌向下游，周圍被洪水淹沒，造成嚴重自然災害。模擬地震水下振動臺及拱壩模型如圖2所示。

圖2 模擬地震水下振動臺及拱壩模型

在該案例中，壩體結構破壞屬于結構安全性研究范疇，洪水演進屬于河流動力學范疇，工程風險評價屬于管理科學與工程領域，最后地震災害認知承載了科學普及實踐重任。因此，通過該實踐教學案例，首先，能在水利工程各二級學科之間實現交叉融合；其次，能夠幫助水利工程、土木工程、管理科學與工程等專業學生建立起水利工程整體系統性認知，而不再是割裂的、單一的，培養塑造的是復合型人才，同時該案例可以承擔起科學普及社會服務職責。

（二）水工建筑物上部框架結構抗震減震模型試驗

框排架結構在土木工程、水利工程中均廣泛應用，區別主要在于所受外荷載以及建設位置。水利工程中框排架結構所受荷載除常見的自重、樓面荷載、風載、雪載、地震作用等，還有獨特的流激振動、動靜水壓力等荷載。此外，水利工程框排架結構多建于大體積混凝土上。例如，大壩上部、閘墩上部等。當上下結構質量、剛度發生突變，易產生“鞭梢效應”。

通過該案例，針對水利工程專業學生可將土木領域較為成熟的設計理念融入水利工程建設；針對土木工程專業學生，能夠了解和掌握框排架結構更多應用場景、振動響應特征等，最終實現水利、土木工程在框排架結構抗震研究領域的交叉融合，更有利于復合型人才的培養，學生實驗過程如圖3所示。

圖3 水工建筑物上部框架結構抗震、減震模型試驗

此外，學校在產學研用一體化考慮的基礎上，還設置了雙曲拱壩靜力加載模型試驗、海上風電抗震模型試驗、工程結構動力特性試驗、工程結構全生命周期健康監測案例、工程結構快速診斷及除險加固案例等，充分融合水利、土木類學生培養需求，實現一體化實踐教學。

結語

依托河海大學校級公共實驗基地，通過考核一體化、教學一體化、平臺一體化的“三位一體”建設，整合水利、土木實踐教學資源，打造系列水利土木一體化實踐教學課程與案例，涵蓋水利工程不同二級學科之間的融合、水利工程與土木工程之間的融合、水利工程與管理科學與工程之間的融合、水利工程與工程力學之間的融合等。課程及案例呈現出典型性、創新性、實用性、趣味性、探索性、啟發性等特點，形成多學科交叉融合的協同育人體系，培養適應新時代工程建設需求的水利土木復合型人才。