海洋土木工程教學案例庫建設邏輯與實踐

方慶賀 趙慶麗 陳再現(xiàn)

摘? 要：在“海洋強國”戰(zhàn)略背景下，土木工程專業(yè)作為傳統(tǒng)工科專業(yè)有必要深入探索面向“海洋強國”國家戰(zhàn)略實施推進的人才培養(yǎng)模式與實施方法?；诤Ｑ笸聊竟こ虒嵺`對從業(yè)者知識結構的要求，土木工程專業(yè)學生有必要學習海洋相關的科學知識。針對這一需求，建設海洋土木工程教學案例庫能夠為相關教師和學生提供教學與學習資源。該文針對海洋土木工程教學案例庫建設從定位、建設策略、案例庫架構及試運用四個方面進行論述。海洋土木工程教學案例庫的建設，可以為土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)提供參考和教學實踐借鑒。

關鍵詞：海洋強國；土木工程；海洋工程；教學案例庫；教學實踐

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0055-04

Abstract： In the context of building China into a strong maritime country strategy， it is necessary for civil engineering majors， which is traditional engineering majors， to deeply explore talent training models and implementation methods for promoting the implementation of the strong maritime country national strategy. Based on the requirements of knowledge structure for practitioners in marine civil engineering practice， it is necessary for civil engineering students to learn scientific knowledge related to the ocean. In response to this demand， building a case library for marine civil engineering teaching can provide teaching and learning resources for relevant teachers and students. The article discusses the construction of a case library for marine civil engineering teaching from four aspects： positioning， construction strategies， case library architecture， and trial application. The construction of a case library for marine civil engineering teaching can provide reference and teaching practice for the cultivation of civil engineering professionals.

Keywords： strong maritime country; civil engineering; ocean engineering; case library for teaching; teaching practice

基礎設施建設作為重要引擎不斷推動我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高。土木工程專業(yè)作為我國高等教育體系工科門類的重要部分，培養(yǎng)了大量人才進入建筑、市政、交通等基礎設施建設領域從事設計、建造、管理等工作[1]。因此，自改革開放以來，土木工程專業(yè)也成為我國高等院校，尤其是理工科高等院校所開設的熱門工科專業(yè)。隨著時代進步和科技更新，國家逐漸進入經(jīng)濟結構調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型時期，土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)也呈現(xiàn)出新的形勢與特征。2023年，教育部等五部門印發(fā)的《普通高等教育學科專業(yè)設置調(diào)整優(yōu)化改革方案》提出新時期高等學校人才培養(yǎng)應立足國家、區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展需要，主動適應產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢等[2]。在此形勢下，土木工程專業(yè)理應主動適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，服務支撐中國式現(xiàn)代化建設。

習近平總書記在黨的二十大報告指出“發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，加快建設海洋強國”，將海洋強國國家作為推動中國式現(xiàn)代化的有機組成和重要任務。2022年4月習近平總書記在海南考察時對建設海洋強國作出重要指示，強調(diào)要推動海洋科技實現(xiàn)高水平自立自強，加強原創(chuàng)性、引領性科技攻關……保障國家能源安全。這為研究、教育和傳播海洋知識、建設海洋強國提供了重要指導，對新時代高等人才培養(yǎng)具有重大的指導意義和現(xiàn)實意義。

在“海洋強國”戰(zhàn)略背景下，土木工程專業(yè)作為傳統(tǒng)工科專業(yè)有必要深入探索面向“海洋強國”國家戰(zhàn)略實施推進的人才培養(yǎng)模式與實施方法。立足目前國內(nèi)高等教育學科設置的現(xiàn)實情況，國內(nèi)部分高校開始探索新型人才培養(yǎng)模式，積極探索具有海洋特色的土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式[3-5]?；谝延袑W科知識體系，建立海洋土木工程新理念，哈爾濱工業(yè)大學土木工程專業(yè)開設了近海結構工程導論專業(yè)選修課，旨在拓展傳統(tǒng)土木工程專業(yè)學生的海洋知識背景，培養(yǎng)其具備初步海洋工程實踐的能力[6]。這一課程經(jīng)過多輪次教學實踐后，課程團隊發(fā)現(xiàn)該課程存在著理論模型復雜、數(shù)學推導較難、工程實踐案例少等問題，雖然課堂教學中會穿插具體工程案例，但是數(shù)量仍然偏少、未能反映新時期海洋土木工程前沿工程實踐進展。

為實現(xiàn)土木工程與海洋實踐在知識體系上的巧妙銜接，采用先進教學方法成為應有之意，案例教學法是一種開放互動式的教學方法[7]。該方法以課程知識所涉及的案例為載體，通過對案例素材進行系統(tǒng)性幫助學生實現(xiàn)知識獲取和能力提升。案例教學法于20世紀初起源于美國的哈佛大學法學院，在20世紀90年代逐漸在中國高校得到推廣[8-9]。案例教學法所采用的案例必須真實可信、生動客觀且豐富多樣，在保證與課程具有充分的相關性的基礎上具有典型性。在采用案例教學模式時，案例的設計、組織與籌劃是基礎和前提。海洋土木工程相關課程作為專門銜接土木專業(yè)學科知識與海洋工程實踐的紐帶課程，具有理論性強、工程實踐超前等特點，因此，結合授課學生知識體系特點，專門建設海洋土木工程教學案例庫，收納與土木工程涉海方向相關的前沿新穎案例，可以彰顯出課程教學的啟發(fā)性與典型性，并將課程的理論性落地，進而讓學生更好、更真切地了解與掌握所學的知識，增強課程教學的色彩性與豐富性。

一? 教學案例庫建設邏輯

（一）? 海洋土木工程教學案例庫定位

土木工程專業(yè)的課程體系以數(shù)學、力學為基礎，以混凝土、鋼結構、基礎工程等核心課為支點，構建起學生專業(yè)基礎知識架構。海洋工程較之土木工程培養(yǎng)方案內(nèi)容的差異主要體現(xiàn)在設計海洋和水利相關的課程。典型的土木工程和海洋工程培養(yǎng)方案主干課程對比如圖1所示。從圖中可以看出，諸如數(shù)學類、力學類、畫法幾何類等基礎課程部分兩個專業(yè)基本相近，只是兩個專業(yè)在課程學時和教學大綱上存在些許差異，如土木工程專業(yè)結構力學側(cè)重對結構體系、內(nèi)力及其計算方法的分析，一般為64學時；海洋工程專業(yè)結構力學則還涉及板、殼，其學時數(shù)一般少于64學時，多為48學時。在專業(yè)核心課程方面，如工程材料、土力學與工程地質(zhì)、鋼混結構原理和鋼結構原理等課程設置基本相似，主要區(qū)別在于學時數(shù)與教學側(cè)重點有所不同；兩個專業(yè)的差異主要體現(xiàn)在核心課程的中、高階專業(yè)主干課程上，土木工程專業(yè)建筑方向則主要聚焦于建筑結構的設計、防災、施工等內(nèi)容，而海洋工程則主要開設與港海工程相關的課程。從圖1可以總結出，土木工程與海洋工程兩個專業(yè)學科知識基礎體系基本相同，差別在于高年級的專業(yè)課程有所區(qū)別。因此，定位于幫助土木專業(yè)學生建立海洋土木工程學科理念與知識體系，引導其主動融入海洋強國發(fā)展戰(zhàn)略的需求，服務涉海基礎設施建設，設計專門的海洋土木工程教學案例庫，以支撐土木工程專業(yè)基礎及核心課程的課堂教學。

（二）? 海洋土木工程教學案例庫建設策略

海洋土木工程教學案例庫主要是為案例教學法在課堂教學實踐奠定基礎，從而以實際涉?；A設施建設實例為引領，潛移默化地引導學生建立對涉海學科知識的學習興趣?；诎咐龓旖ㄔO目的，可采用的建設策略如下。

1? 充分利用科研資源具象化為教學案例

2019年教育部發(fā)布了《關于深化教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，文件明確建議“推動科研反哺教學”，強化科研育人功能。將最新科研成果通過適當?shù)男问睫D(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，是教學案例庫建設的有效途徑，如圖2所示。例如，西南交通大學祝兵教授以跨海橋梁海洋波流作用與其相關的國家自然科學基金聯(lián)合基金科研項目為載體，建設了工程結構多場耦合理論與方法課程案例，實現(xiàn)了幫助學生了解學習多場耦合作用理論與方法，有助于提高學生解決復雜環(huán)境服役工程結構設計分析、建造運營相關的科學與工程問題[10]。

2? 大國工程建設是教學案例的典型素材

習近平總書記指出，中國制造、中國創(chuàng)造、中國建造共同發(fā)力，繼續(xù)改變著中國的面貌。伴隨著國家綜合國力的提升，中國制造與中國建造的總體水平已居世界前列，港珠澳跨海大橋、深藍1號養(yǎng)殖網(wǎng)箱、三峽引領號浮式風機等一大批大國工程與國之重器相繼投產(chǎn)服役。這些大國工程從科研攻關、工程建設到運營維護，無不需要具有國際先進科技水平的人才和團隊為之支撐?；诖髧こ虇柺罋v程，探究關鍵科學問題攻關方法，結合專業(yè)知識建立相應的教學案例不僅可以充實案例庫，而且可以培養(yǎng)學生的使命感。例如，中國石油大學海洋油氣裝備與安全技術研究中心以海洋石油981平臺為例，針對水鉆井平臺動力學的教學設計了案例教學系統(tǒng)，如圖3所示，幫助學生通過海洋石油981平臺掌握海洋平臺動力學理論、仿真及安全作業(yè)過程，對培養(yǎng)科學研究能力起到積極的作用[11]。

3? 典型知識點演繹

教學案例庫最終要服務于教學活動，起到提高教師教學效率和教學質(zhì)量的作用?；谶@一目的，可以針對教學環(huán)節(jié)中的關鍵知識點進行正向或反向演繹，主動尋找合適的教學案例，通過教師對案例的講解，讓學生主動地參與到案例的簡化分析、理論建模、研究探討直至得出科學結論的全過程，從而在案例研究的全過程中體會到學習理論知識的重要性和必要性，實現(xiàn)學以致用。例如，在結構力學單自由度體系動力學講解中，可以引入海上單樁固定式風機風荷載下的結構振動問題作為案例，通過將風機簡化為質(zhì)量塊、將塔筒簡化為彈性桿、將風荷載簡化為集中荷載或分布荷載，然后建立運動學方程，通過對常微分方程求解即可以得到簡化為單自由度模型的風機在風荷載作用下的運動響應，參考流程如圖4所示。

（三）? 海洋土木工程教學案例庫架構

根據(jù)龔曉南院士在其專著中的定義[12]，凡在海洋區(qū)域建造固定的構筑物都屬于海洋土木工程。海洋土木工程結構與陸地土木工程結構類似，是服役于海洋環(huán)境之中，承受特定的環(huán)境荷載，由特定的工程材料經(jīng)過設計建造而成，在正常的運營維護之下為人類在海洋區(qū)域從事工程活動提供基本載體，在達到其服役壽命后進行拆除的建筑或構筑物。因此，海洋土木工程教學案例庫可以根據(jù)海洋土木工程結構物的自身特點進行設計構建，將案例庫劃分為工程環(huán)境、工程材料、基本構件、工程結構、設計建造、運營維護及拆除等若干個模塊，然后針對每個模塊進行案例編排。

二? 教學案例庫應用實踐

基于前文所述教學案例庫建設思路，筆者構建了海洋土木工程教學案例庫，共包含36個案例，涉及了海洋土木工程結構工程環(huán)境、基本構件、設計建造等多個模塊。筆者在所主講的近海結構工程導論課程中應用了該案例庫，課程授課對象為土木工程專業(yè)大三年級，課程性質(zhì)為專業(yè)選修課，共24學時，課程考核方式為讀書報告和匯報答辯綜合的形式。課程內(nèi)容主要包含海洋土木工程環(huán)境和典型海洋土木工程結構兩個部分，其中前一部分主要為海洋土木工程結構工程環(huán)境。海洋土木工程結構與傳統(tǒng)土木工程結構工程環(huán)境的主要差別在于海洋土木工程結構需要重點關注海洋波浪荷載，因此，在第一部分中主要涉及波浪理論與波浪荷載進行。波浪理論由于理論性強、公式推導多，學生對該部分知識的學習積極性不夠，導致學習成效較差。

鑒于此，筆者借助哈爾濱工業(yè)大學威海校區(qū)位于黃海之濱的區(qū)位優(yōu)勢，建立了“現(xiàn)場觀察+理論描述+數(shù)值計算”相結合的線性波浪理論案例。案例實施共包含三個環(huán)節(jié)，首先在課程開始之前要求學生在晴朗天氣到海邊實地觀察海浪，書空描繪近海岸波浪的形狀，拍攝小視頻記錄波浪輕拍海岸的時間間隔，形成對波浪的直觀認識；其次，課堂教學過程中，啟發(fā)學生利用已學的函數(shù)曲線對波浪表面形狀進行描述，引導學生自主利用三角函數(shù)描述波浪自由液面；最后，將波浪抽象建立物理數(shù)學模型，啟發(fā)學生動手對波浪理論模型中的色散方程進行數(shù)值求解，從而建立起波長、波周期、色散關系等波浪理論相關的基本概念。該案例的教學實施過程如圖5所示。

筆者在近三輪次授課過程中采用該教學案例對波浪力學中的線性波理論進行講解，明顯提高了學生的參與度，并引導學生利用編程軟件或Excel表格自主開發(fā)了求解波浪色散方程的程序，取得了良好的教學成效。

三? 結論

抓住“海洋強國”國家戰(zhàn)略實施契機，海洋土木工程領域成為土木工程專業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新增長點，學生有必要主動了解海洋知識，為今后從事海洋土木工程建設作儲備。結合國家海洋經(jīng)濟發(fā)展、教師科研項目開展、典型知識點演繹等方法建立海洋土木工程教學案例庫，能夠為相關教師和學生提供教學與學習資源，幫助學生建立工程思維，為學生畢業(yè)后從事具體工程實踐解決實際工程問題提供思路與方法。經(jīng)過多輪次教學時間，采用教學案例庫后，學生課堂參與度顯著提高，取得了良好的教學成效。

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基金項目：山東省優(yōu)質(zhì)專業(yè)學位教學案例庫項目“海洋土木工程教學案例庫建設”（SDYAL2022199）；山東省本科教學改革研究重點項目“專業(yè)認證條件下高?；A力學課程教學改革與實踐”（Z2022336）；山東省研究生教育教學改革研究項目“專業(yè)學位碩士生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)研究”（SDYJG21018）；哈爾濱工業(yè)大學研究生教育教學改革研究項目“海洋強國背景下土木水利專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式研究”（22MS057）

第一作者簡介：方慶賀（1989-），男，漢族，山東濟寧人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為近海結構防災減災。

*通信作者：陳再現(xiàn)（1981-），男，漢族，河南駐馬店人，博士，教授，主任，博士研究生導師。研究方向為混合試驗方法。