航道整治課教學(xué)內(nèi)在要求的思考和改革實踐

羅優(yōu)，秦景洪，蔣陳娟，張月尹

摘? 要：前期學(xué)科基礎(chǔ)課和航道整治課知識經(jīng)驗結(jié)構(gòu)存在差異，主要表現(xiàn)在“普適性與復(fù)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(jié)合航道整治知識結(jié)構(gòu)特征、建構(gòu)主義理論和當(dāng)代工程教育理念，對航道整治教學(xué)的內(nèi)在要求進(jìn)行了分析總結(jié)，并提出了相應(yīng)的教學(xué)改革措施。從知識經(jīng)驗結(jié)構(gòu)角度對航道整治教學(xué)改革進(jìn)行思考與實踐，可為類似專業(yè)課程教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：建構(gòu)主義;專業(yè)課;知識建構(gòu);航道整治

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(gòu)主義是當(dāng)代心理學(xué)理論中行為主義發(fā)展到認(rèn)知主義后的進(jìn)一步發(fā)展，建構(gòu)主義理論揭示了人類學(xué)習(xí)過程的認(rèn)知規(guī)律、意義建構(gòu)及學(xué)習(xí)環(huán)境對知識建構(gòu)的作用，對教育創(chuàng)新影響巨大[1]。建構(gòu)主義理論中人類的知識經(jīng)驗分為兩類，結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域與結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域知識經(jīng)驗基本特征是規(guī)范性和抽象性，有內(nèi)在邏輯系統(tǒng)，是從多種情境中抽象出來的基本概念、原理和方法。結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域的知識經(jīng)驗有以下兩個特點：一是知識應(yīng)用的每個實例中都包含著許多應(yīng)用廣泛的概念在相互作用，即概念的復(fù)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(yè)在大一至大三上學(xué)期，主要學(xué)習(xí)了水力學(xué)、土力學(xué)與地基基礎(chǔ)、工程水文學(xué)和河流動力學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)課。大三下學(xué)期開始學(xué)習(xí)航道整治專業(yè)課，課程內(nèi)容主要包括：航道與航道尺度、淺灘演變規(guī)律及分析方法、航道整治工程規(guī)劃與設(shè)計、整治建筑物設(shè)計、整治工程水力計算和疏浚工程幾部分。學(xué)科基礎(chǔ)課中的知識經(jīng)驗偏向于結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域;航道整治介紹的是采用基礎(chǔ)課中的理論成果去解決實際工程問題的知識經(jīng)驗，實踐工程問題的復(fù)雜性和差異性，使得知識經(jīng)驗顯得“松散”，屬于結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域。

本文結(jié)合建構(gòu)主義理論知識，對比分析基礎(chǔ)課與航道整治課知識結(jié)構(gòu)的差異及其給教學(xué)帶來的挑戰(zhàn)，基于當(dāng)代工程教育理念，分析航道整治教育的內(nèi)在要求，探討航道整治教學(xué)改革實踐。

一、知識結(jié)構(gòu)特征

本節(jié)從“普適性與復(fù)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(xué)科基礎(chǔ)課和航道整治課知識經(jīng)驗結(jié)構(gòu)的差異，以及其給航道整治教學(xué)帶來的挑戰(zhàn)。

（一）普適性與復(fù)雜性、差異性

學(xué)科基礎(chǔ)課程講授的內(nèi)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(jié)構(gòu)良好，重視邏輯推導(dǎo)的嚴(yán)謹(jǐn)性。以水力學(xué)課程為例，諸多重要公式都是基于物質(zhì)守恒、受力平衡和能量平衡推導(dǎo)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(yīng)用范圍較廣，具有普適性。

航道整治講授的內(nèi)容是利用學(xué)科基礎(chǔ)課中的知識經(jīng)驗去解決實際工程問題，其知識經(jīng)驗與工程實踐緊密結(jié)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(qū)河道和平原河道形態(tài)的差異導(dǎo)致糙率系數(shù)、局部阻力系數(shù)確定方法不同;由于不同類型的河道河床演變規(guī)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(qū)別。通常航道整治的復(fù)雜性與實際河道邊界不規(guī)則、水文過程不斷變化及流態(tài)較為繁雜等實際情況有關(guān)。然而這些實際情況不符合學(xué)科基礎(chǔ)課程中均勻流、漸變流或恒定流等假設(shè)，因此在利用學(xué)科基礎(chǔ)課程相關(guān)成果解決實際問題時，也要采用經(jīng)驗處理方法或引入經(jīng)驗系數(shù)，比如水面線計算時河段的劃分和局部阻力系數(shù)的確定。航道整治的復(fù)雜性不僅僅體現(xiàn)在技術(shù)層面，更會涉及社會、經(jīng)濟(jì)、人文和生態(tài)環(huán)境等諸多需求間的矛盾，即“復(fù)雜工程問題”的內(nèi)涵廣于“復(fù)雜技術(shù)問題”[4]。

航道整治知識經(jīng)驗的復(fù)雜性和差異性等結(jié)構(gòu)不良特征可能導(dǎo)致學(xué)生難以適應(yīng)，不能精確地把握學(xué)習(xí)重點。

（二）封閉確定性與開放不確定性

由于學(xué)科基礎(chǔ)課講授的內(nèi)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(xué)中能量方程和河流動力學(xué)中泥沙運(yùn)動經(jīng)驗公式是建立在恒定流、均勻流或漸變流假設(shè)基礎(chǔ)上。在學(xué)科基礎(chǔ)課程的課后練習(xí)中，學(xué)生可以按照特定的邏輯推導(dǎo)得到唯一準(zhǔn)確的答案，原因是特定的假設(shè)條件和簡單的邊界條件構(gòu)成了封閉性問題，答案或結(jié)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(guī)則，與學(xué)科基礎(chǔ)課程中的假設(shè)不符，因此無法構(gòu)建封閉性問題。開放式問題的解決，往往需要提出假設(shè)，簡化問題，不同的假設(shè)產(chǎn)生不同的方法。此外，實際問題的復(fù)雜性和差異性給“答案”帶來了不確定性。比如，航道整治規(guī)劃中整治水位的確定方法有經(jīng)驗法和造床流量法，整治線寬度的確立有經(jīng)驗法、水力學(xué)計算法和輸沙平衡法等。整治水位和整治線寬度往往相關(guān)，其最優(yōu)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(shù)通常需要開展物理模型試驗或者數(shù)值模擬試驗進(jìn)行方案比選來確定，有些整治工程在實施后仍需要不斷調(diào)整。在航道整治規(guī)劃和設(shè)計時必須謹(jǐn)記這種不確定性，比如在淺灘段束窄河道時避免兩側(cè)同時使用順壩，方便工程實施后整治線寬度的調(diào)整。

航道整治規(guī)劃和設(shè)計中的開放不確定性往往會給沒有工程經(jīng)驗的學(xué)生造成較大困擾和壓力，挫敗學(xué)生學(xué)習(xí)信心。

（三）單維性與多維性

學(xué)科基礎(chǔ)課程中基本概念、原理和方法一般只涉及技術(shù)范疇這單一維度，而航道整治課程中的內(nèi)容涵蓋工程技術(shù)、社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多個維度。比如，航道整治工程設(shè)計必須依據(jù)航道等級，而航道等級的確定依賴于運(yùn)量預(yù)測與船型及其運(yùn)營組織形式，運(yùn)量預(yù)測則與航運(yùn)服務(wù)范圍內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀及其遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃密切相關(guān);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(guī)劃和設(shè)計時，整治工程方案的制定和整治參數(shù)的確定不能只考慮航道整治目標(biāo)，還要考慮整治工程對其他水利設(shè)施的影響;整治建筑物材料和結(jié)構(gòu)形式的選擇，不僅與航道整治工程的任務(wù)有關(guān)，而且受制于當(dāng)?shù)夭牧系墓┙o和環(huán)境保護(hù)的需求。

運(yùn)量預(yù)測、航道通過能力等軟科學(xué)知識與水面線計算、挖槽穩(wěn)定性分析等硬科學(xué)知識的糅合，航道整治工程與其他水利工程間的協(xié)調(diào)，以及技術(shù)因素與非技術(shù)因素的綜合使得航道整治知識經(jīng)驗呈現(xiàn)多維度性，對教師知識儲備和教學(xué)技巧等提供了挑戰(zhàn)。

二、教學(xué)的內(nèi)在要求

本節(jié)結(jié)合航道整治知識結(jié)構(gòu)特征、建構(gòu)主義理論和當(dāng)代工程教育理念，總結(jié)了航道整治教學(xué)的三個內(nèi)在要求：重視新舊知識內(nèi)在聯(lián)系的探討，重視工程思維習(xí)慣的培養(yǎng)和教學(xué)理念、方法等的與時俱進(jìn)。

（一）重視新舊知識內(nèi)在聯(lián)系的探討

建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是每個學(xué)生在已有知識和經(jīng)驗基礎(chǔ)上的主動建構(gòu)過程，工程教育專業(yè)認(rèn)證強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心”的教育理念[5]。航道整治工程的復(fù)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(diào)動學(xué)生積極性，因此需要主動建構(gòu)新知識。

航道整治需要利用學(xué)科基礎(chǔ)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(guī)劃參數(shù)的確定、整治效果分析等利用了水力學(xué)和河流動力學(xué)中的水流連續(xù)方程、運(yùn)動方程和泥沙起動流速等基本方程和概念。

因此，在教學(xué)中重視新舊知識間的對比分析，建立新舊知識間的內(nèi)在聯(lián)系，可以協(xié)助學(xué)生鞏固學(xué)科基礎(chǔ)知識、同化新知識，不斷鞏固和發(fā)展其認(rèn)知結(jié)構(gòu)[6]。比如，在航道整治水力計算教學(xué)中讓學(xué)生明確山區(qū)河道糙率和局部阻力系數(shù)確定方法與水力學(xué)課程中管道和明渠邊界條件下糙率和局部阻力系數(shù)確定方法的異同;在整治水位造床流量法的教學(xué)中，探討河流動力學(xué)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(xí)慣的培養(yǎng)

學(xué)科基礎(chǔ)課程中的重要知識點大部分是在簡單邊界和規(guī)則流態(tài)條件下通過理性推導(dǎo)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(fù)雜多樣，整治工程通常涉及多個維度的問題。因此，基于經(jīng)過實踐檢驗的假設(shè)從而簡化復(fù)雜技術(shù)問題、技術(shù)與非技術(shù)因素綜合是航道整治規(guī)劃和設(shè)計中的重要思維方式。本文將這些學(xué)科基礎(chǔ)課中很少涉及的思維方式統(tǒng)一歸納為“工程思維”。

“工程思維”在整個航道整治課程中應(yīng)用非常廣泛。經(jīng)過實踐檢驗的假設(shè)及其相應(yīng)的經(jīng)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(guān)系基本一致這樣的隱含假設(shè)，提出了超高設(shè)計水位法和平邊灘水位法等確定整治水位的經(jīng)驗方法;采用水力學(xué)方法計算整治線寬度時，假設(shè)河道糙率和比降不變;計算山區(qū)河道急流段挖槽擴(kuò)卡工程后的水面線時，通常假設(shè)擴(kuò)卡后局部阻力系數(shù)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(dǎo)致經(jīng)驗方法的多樣性，因此要重視比較不同方法的適用性，適當(dāng)?shù)剡x擇經(jīng)驗方法。對于航道發(fā)展成熟的河段，整治參數(shù)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(guī)劃和設(shè)計除考慮航道工程任務(wù)和目標(biāo)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(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效蓋。比如，整治工程方案比選時不能只依據(jù)整治效果，還要進(jìn)行防洪評估、經(jīng)濟(jì)評估和環(huán)境評估;整治工程建筑物材料和結(jié)構(gòu)形式的選擇除整治任務(wù)和目標(biāo)的考量外，還要考慮材料在當(dāng)?shù)氐墓?yīng)能力及材料的環(huán)保性能等。

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

（三）教學(xué)理念、方法和內(nèi)容與時俱進(jìn)

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程教育教學(xué)理念和方法在不斷地調(diào)整和改進(jìn)。近年來，為應(yīng)對第四次工業(yè)革命的需求和挑戰(zhàn)，國內(nèi)外提出了新工程教育轉(zhuǎn)型、工程教育融合創(chuàng)新等教育改革理念，對工程教育改革的方向及如何培養(yǎng)學(xué)生提出了思考[8-11]。2016年我國加入了《華盛頓協(xié)議》，協(xié)議中工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)是從社會對解決復(fù)雜工程問題的人才需求出發(fā)建立的[12]。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展推動著傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革，雨課堂、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂和微課等的合理應(yīng)用，改善了師生之間的互動方式，更好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于創(chuàng)新實踐人才的培養(yǎng)[13]。

工程教育的使命是培養(yǎng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的工程人才，最終目標(biāo)是服務(wù)于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，因此工程教學(xué)理念、方法和內(nèi)容與時俱進(jìn)是工程教育最終目標(biāo)實現(xiàn)的保障，也是航道整治教學(xué)的內(nèi)在要求。

三、教學(xué)改革及效果

航道整治課知識結(jié)構(gòu)特征的分析和航道整治教學(xué)內(nèi)在要求的總結(jié)，為教學(xué)改革提供了依據(jù)。本節(jié)從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和課程考核三方面對航道整治教學(xué)進(jìn)行改革，并簡單介紹改革效果。

（一）教學(xué)方法的完善

航道整治課包括32學(xué)時的理論教學(xué)課程和為期一周的課程設(shè)計。理論教學(xué)的目標(biāo)是讓學(xué)生掌握各章節(jié)的知識重點和難點，結(jié)合工程案例分析與探討讓學(xué)生學(xué)會工程思維并熟練使用專業(yè)術(shù)語進(jìn)行論述;課程設(shè)計的目標(biāo)是促使學(xué)生復(fù)習(xí)和鞏固航道整治課程知識點，深入認(rèn)識航道整治規(guī)劃、設(shè)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(gòu)主義學(xué)習(xí)觀十分強(qiáng)調(diào)意義建構(gòu)、情境、協(xié)作和對話等。為此，利用2個學(xué)時的理論教學(xué)課時進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，帶領(lǐng)學(xué)生參觀物理模型實驗室，現(xiàn)場向?qū)W生講解模型的設(shè)計、建立和應(yīng)用等，結(jié)合工程案例，與學(xué)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(xiàn)場的交流互動，引導(dǎo)學(xué)生對工程設(shè)計進(jìn)行整體、系統(tǒng)地思考，培養(yǎng)學(xué)生的“整體工程觀”，促進(jìn)學(xué)生對工程實踐的認(rèn)識。

互聯(lián)網(wǎng)、多媒體和云技術(shù)等現(xiàn)代化信息技術(shù)為提高教學(xué)效率奠定了基礎(chǔ)。比如課前利用“雨課堂”發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，一方面促使學(xué)生鞏固已學(xué)知識，另一方面通過預(yù)習(xí)結(jié)果的反饋了解學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀、調(diào)整課堂授課重點，使得課堂教學(xué)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(xué)內(nèi)容的調(diào)整

隨著航道整治工程實踐的不斷發(fā)展，整治工程規(guī)劃理念、工程技術(shù)和材料在不斷革新，教材中的內(nèi)容往往落后于工程實踐，甚至與工程實踐脫節(jié)，因此需要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充。教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整與補(bǔ)充從兩方面入手，一方面在授課時合理引入科研內(nèi)容，讓學(xué)生了解航道整治工程現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。國內(nèi)大學(xué)大部分教師都在承擔(dān)教學(xué)工作的同時還從事科研活動，為教師以科研促教學(xué)提供了基礎(chǔ)。最新工程實踐和科研成果的引入，有助于學(xué)生拓展知識面，進(jìn)一步完善以學(xué)科基礎(chǔ)課舊知識和航道整治課程新知識為基礎(chǔ)的知識結(jié)構(gòu)，為學(xué)生未來職業(yè)生涯發(fā)展奠定更扎實的基礎(chǔ)。

另一方面，發(fā)布撰寫閱讀報告任務(wù)，要求學(xué)生搜索和閱讀科學(xué)文獻(xiàn)，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(wù)以分組協(xié)作的形式完成，不同組的文獻(xiàn)閱讀主題不同。以揚(yáng)州大學(xué)港航1601班教學(xué)實踐為例，在完成“航道整治工程設(shè)計”章節(jié)的教學(xué)后，發(fā)布閱讀報告任務(wù)：要求學(xué)生利用兩個星期時間按照給定主題搜索、下載文獻(xiàn)并進(jìn)行閱讀，協(xié)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(xué)生分成了7組，每個組4人，文獻(xiàn)閱讀的主題包括山區(qū)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(wù)不僅能讓學(xué)生了解實際航道整治工程現(xiàn)狀，接觸最新的研究方法和成果，而且能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增加師生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的溝通交流，鍛煉學(xué)生交流和協(xié)作能力，培養(yǎng)學(xué)生熟練使用專業(yè)術(shù)語進(jìn)行論述的習(xí)慣。

（三）考核方式的改革

教學(xué)方法、內(nèi)容和課程考核是統(tǒng)一的整體，與教學(xué)方法完善、教學(xué)內(nèi)容調(diào)整相對應(yīng)，課程考核方式也需進(jìn)行相應(yīng)改革，從而滿足航道整治教學(xué)的內(nèi)在要求。原理論教學(xué)部分考核主要包括課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)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(yù)習(xí)、閱讀報告兩部分，課前預(yù)習(xí)通過雨課堂預(yù)習(xí)任務(wù)的完成情況來考核，閱讀報告根據(jù)報告內(nèi)容和PPT匯報情況來考核;課前預(yù)習(xí)、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、閱讀報告和閉卷考試五部分比重調(diào)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(xué)生綜合使用所學(xué)知識解決實際問題的能力，以及學(xué)生對專業(yè)詞匯的熟練使用程度。課程設(shè)計考核包括課程設(shè)計期間表現(xiàn)和最終設(shè)計報告兩部分，占比分別為30%和70%，此次改革并未做調(diào)整。

本課程教學(xué)改革在揚(yáng)州大學(xué)港航1601班中進(jìn)行了實驗，對比港航1501班和1502班，教學(xué)改革增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)了師生之間的溝通。在課程設(shè)計任務(wù)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(xiàn)更好，能夠更規(guī)范地使用專業(yè)術(shù)語進(jìn)行論述，對整治任務(wù)和目標(biāo)把握更準(zhǔn)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(jié)束語

航道整治課的教學(xué)不能忽視從前期學(xué)科基礎(chǔ)課到航道整治課知識經(jīng)驗結(jié)構(gòu)特征的轉(zhuǎn)變及其帶來的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合航道整治課程知識結(jié)構(gòu)特征、建構(gòu)主義理論和當(dāng)代工程教育理念，總結(jié)出航道整治教學(xué)的三個內(nèi)在要求，并依此進(jìn)行了教學(xué)改革探索，實踐證明改革確有成效。大三、大四工程專業(yè)課程教學(xué)通常都面臨類似的挑戰(zhàn)，因而本課程教學(xué)的思考和實踐對其他類似專業(yè)課程具有很好的借鑒意義。

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