卓越港航人才培養與專業實驗教學改革

匡翠萍， 宋竑霖， 劉曙光， 鐘桂輝， 沈 超

(同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

卓越港航人才培養與專業實驗教學改革

匡翠萍， 宋竑霖， 劉曙光， 鐘桂輝， 沈 超

(同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

實驗教學是高校在教學、科研、管理等方面綜合能力的體現，其水平的高低直接決定了培養學生的質量。同濟大學土木工程學院水利工程系在原有實驗教學的基礎上，結合國家“卓越工程師教育培養計劃”，針對港口航道與海岸工程專業本科生提出“卓越港航人才”培養計劃，旨在培養造就一批具有新時代特征的高素質復合型人才。以同濟水利系港航本科專業培養模式為例，從實驗教學體系升級、精品課程強化以及精品實驗項目打造三大方面對實驗教學改革進行闡述和總結，以期為高校相關專業“卓越人才培養計劃”的實施提供借鑒與參考。

卓越工程師； 人才培養； 港航專業; 實驗教學改革

0 引 言

“實驗室是培養創新人才的搖籃”，我國著名物學家、中國科學院院士馮瑞老先生用一句簡短精煉的句子道出了實驗室對創新的重要性[1]。實驗教學作為知識向生產力轉化的紐帶在高等教育教學體系中扮演著重要的角色，其水平的高低直接反映了一個學校在教學、科研、管理等方面的綜合能力[2-3]。因此，如何在現有實驗教學的基礎上實現突破，加強學生實踐與創新能力培養，進一步推動滿足時代要求的高素質復合型人才建設顯得尤為重要[4-6]。

我校土木工程學院是國內同類專業中教學和研究實力最強的學院之一，根據國家“卓越工程師教育培養計劃”(以下簡稱“卓越計劃”)的要求，率先提出了土木工程培養卓越人才的理念與實施方案。其中，依托本院土木工程學科優勢而建的水利工程系緊跟時代步伐，基于教育部高等學校水利類專業教學指導委員會港航專業培養要求與“卓越計劃”要求，進一步提出培養“面向未來需要，適應科技進步，掌握良好基礎、專業知識，具有創新能力、再學習能力、國際視野和領導意識的卓越港航人才”的理念[7-8]。培養卓越工程師的核心是培養創新能力，培養創新能力首先應當培養創新思維，而結合實驗的專業教學正是創新思維培養的主體。

1 升級實驗教學體系

1.1 已有成果

自1999年港航專業成立以來，我系通過對實驗教學體系改革的不斷探索與實踐，在實驗教學方面已取得初步成效：①構建了滿足社會需要的本科生實驗教學體系；②四屆全國大學生水利創新設計大賽共獲：特等獎4次、一等獎6次、二等獎4次，全國水利院校十佳未來水利之星1名，優秀指導教師6人次等；③現有上海市教委重點課程3門，校精品課程3門，卓越課程2門及精品實驗課程4門。

水利工程系的水利港口綜合實驗室屬長江水環境教育部重點實驗室，其中包括波流水槽實驗室及港工結構耐久性實驗室，擁有眾多先進儀器設備，如：波流水槽及波流模擬系統、粒子圖像測速儀(PIV)、聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)、表層流速場、波高及壓力測量系統、高精度點流速儀(ADV)、粒度分析儀、動態應變儀、濁度儀、密度儀、測深儀、溫深儀，以及氯離子滲透儀、三軸滲透儀、氯離子含量測量儀等?？蓮氖虏ɡ诉\動特性、波浪與結構相互作用、水下邊坡穩定、泥沙運動、水環境污染、港工結構檢測及耐久性等方面的試驗研究。目前，實驗室已為港口專業的本科學生開設了15個實驗項目，同時還承擔土木工程、地質工程與港航專業的本科畢業設計和創新項目、研究生畢業論文和教師科研項目的相關實驗工作。

隨著水利學科的不斷發展與學科建設的不斷深化與改革，原有實驗教學內容、方法及模式不再能滿足社會發展新形勢對港航專業人才的需要。因此，原有的實驗教學體系需順應時代要求，根據“卓越計劃”進行相應“升級”。

1.2 本研一體化實驗教學新體系

水利港口綜合實驗室從培養理論基礎扎實、專業知識寬厚、實踐能力出眾，具有創新能力、再學習能力、國際視野和領導意識的卓越港航人才的目標出發，構建符合新時代要求的“1條主線、3個層次、8個模塊、一個中心”的本研一體化實驗教學新體系(見圖1)，加強本科生與研究生之間的交流學習，深化綜合素質水平高的卓越港航人才培養[9-10]。

圖1 本研一體化實驗教學新體系

1.2.1 1條主線

以培養綜合素質水平高的卓越港航人才為主線，突破實驗教學形式(物模實驗)、研究手段單一的局限，將本科生與研究生(虛擬仿真)實驗教學內容整合，實現本研一體化的實驗教學新體系，將基礎訓練與科學研究有機結合。研究生協助教師加入實驗教學體系，一方面拉近了師生間的距離，更有利于相互間的交流學習，另一方面研究生對知識結構、實踐能力、創新教育等方面培養更有體會，可進一步幫助優化實驗教學內容設置，以達到更好的教學效果。

1.2.2 3個層次

根據已有實驗教學內容和教學方法，可梯級地將實驗項目類型分為3層。第1層是“演示型”實驗和“驗證型”實驗，以演示、驗證實驗和熟悉基本操作為目的。其實驗內容和方法相對單一，學生按照既定方法、儀器和操作步驟完成實驗，以鞏固課堂理論知識，屬基礎教學；第2層是“設計型”實驗和“應用型”實驗，學生根據設定的實驗目的，運用已掌握的知識自行設計實驗解決問題。其所涉及知識點、實驗方法較多，學生實踐能力、思考分析能力得到綜合鍛煉，屬拓展教學；第3層是“研究型”實驗和“創新型”實驗，針對所選定的課題與方向，學生自主學習探究、分析問題的方法與手段，其實驗過程與結果具有未知性，旨在培養學生科研、創新能力，屬拔高教學。

學生通過梯級實驗課程的學習，理論知識得到鞏固，實驗方法與手段得到豐富，綜合素質水平提升顯著，并逐步接觸科研、創新內容，視野和思維更為開闊。

1.2.3 8個模塊

在如今強調“科學與工程相互促進”的大背景下，理論與實踐相結合得到了大力提倡，教師更注重將工程、科研項目與實驗室教學相結合，讓學生對今后學習與工作有初步的認識。如今在原有實驗教學模塊內容提升的基礎上，又新增模塊,本科生進入課題組，提升科研與創新能力。實驗項目在水利系教師的不斷探索、研究、設計下由原來的8個增至現今的15個(詳見表1)。這15個實驗項目基本涵蓋了港航專業實驗教學的所有知識點，極大地提高了學生的創新思維與解決實際問題的能力。

表1 實驗項目

1.2.4 一個中心

在國家信息化發展的大背景下，信息技術正在逐漸深入教育系統以促進教學模式、教學方法以及學習方式的深化改革，而虛擬仿真教學中心的建設是高校實驗教學改革的必然發展方向[11-12]。土木工程學院始終走在教學與研究的前沿，較早地提出了將數字化教學帶進課堂，并逐步整合各系所虛擬仿真資源，成立了“土木工程實驗教學中心” 啟動了一系列虛擬仿真實驗教學改革項目；其中水利系目前共有三大虛擬實驗項目：洪水風險虛擬實驗、波流水槽虛擬實驗以及砂質海灘生態修復工程虛擬實驗。通過對虛擬仿真實驗教學建設的不斷完善，使其與實體物理模型實驗兩者實現互補，最終達到提升教學質量、深化實驗教學改革的目的。

2 強化精品課程建設

2.1 精品課程的重要性

精品課程代表的是課程教學中的精華，反映了學校(院系)在教師、教學以及管理等方面綜合水平，具有很強的示范性作用。精品課程集科學性、先進性、教育性、整體性、有效性和示范性于一體，它的建設可提升專業與學科的建設水平，促進教學改革縱向發展、教學質量全面提高，保障高綜合水平的卓越人才培養[13]。

2.2 教學要求與評價體系升級

針對目前水利工程系已有的精品課程“河流動力學”“工程水文學”“河口治理工程”和“河床演變及整治”課程，結合“卓越計劃”培養要求，提出新的建設目標、培養方案，繼續深化課程改革，保持精品課程創新性，并適應新時代的教學要求。同時，建立更為完善的精品課程評價體系以確保精品課程質量，這不但需要在課程評選之初的“靜態評價”，還要有對建設過程中的“動態評價”以反映其建設和完善的經過，更要有“后效評價”來保障已有精品課程的質量。

2.3 教學師資、方式與內容優化

秉承“由淺入深，承舊創新”的教學理念[14]，我系致力于教學師資、方式與內容優化。師資方面，引入中組部“千人計劃”特聘教授、長江水環境重點實驗室副主任黃文銳教授，極大地加強了我系所實驗教學水平，豐富了教學方式與內容，使得學生對實驗教學的積極性提高，探索創新的欲望增強；教學方式方面，適當引入國際上極具開創性的“翻轉課堂”(Flipped Classroom)。首先讓學生利用課外時間在互聯網上或影像資料觀看相關教學視頻獲得對實驗的初步認識，再由老師在課堂上幫助學生內化、獲取知識。該方法突破傳統約束采用現在學生更傾向于的互聯網教學方式教學，進而通過教學流程的變革將知識傳授提前，知識內化過程優化，讓學習更為靈活、主動，也讓學生參與度更高[15-16]。教學內容方面：①教材。為與國際接軌，課程《工程水文學》與《海岸地貌學》采用雙語教學，其教材與課件采用全英文，授課則以英文為主，中文為輔，旨在將最前沿、最原汁原味的水利工程知識呈獻給學生。②實驗教學內容設置。將減少“演示型”“驗證型”等基礎實驗教學比重，相應地增加“創新型”和“研究型”實驗比重，對學生實驗素養與創新、研究能力提出新的要求。例如，結合時下熱點如“海綿城市建設”等開展探索創新實驗項目，讓學生自主查閱資料、探究發現與專業相關的熱點問題。

3 打造精品實驗項目

我系現有精品實驗項目4個(詳見表1)，本節以“海岸地貌學綜合性實驗”為例進行詳細介紹?！逗０兜孛矊W》是港航專業本科生的一門核心專業課程，配套有實驗“海岸地貌學綜合性實驗”，旨在讓學生掌握海岸地貌的基本知識，具有對海岸地貌現象進行初步分析的能力。一直以來，“海岸地貌學綜合性實驗”的建設都是水利工程系教學改革發展的重要組成部分，其物理模型核心實驗“波流共同作用下離岸堤模型實驗”突破了以往平面實驗教學模式，與虛擬仿真教學相結合，通過認知性、綜合性以及創新性的3層次實驗教學，實現全面、立體的實驗教學模式。

3.1 物理模型實驗

學生在學習專業課程《海岸地貌學》理論知識的基礎上，首先通過計算模型比尺，自主選材設計制作離岸堤模型，然后將制作好的模型按照自定方案分組放入波流水槽中，進而運用三維點式流速儀(ADV)、波高測量控制系統(CBY-Ⅱ)及動態應變儀分別對流速、波高、壓力進行測量，最后通過對實驗數據的整理與分析，探究流場、波浪場對水工建筑物的響應特征及響應程度,分別如圖2、3所示。通過一套完整的物理模型實驗設計、操作過程，學生的動手能力、理論知識運用至解決實際工程問題的能力得到了初步鍛煉與提升。

圖2 波浪與潛堤作用后的波形變化

圖3 動態應變儀測量波浪壓力

3.2 虛擬仿真實驗

隨著信息化的快速發展與計算流體力學的不斷成熟，根據工程需要而開發的虛擬仿真軟件在專業教學中所占比重也日趨增加。“砂質海灘生態修復工程虛擬實驗”通過國際上廣泛使用的虛擬仿真軟件CEDAS建立岸線演變數學模型(見圖4),圖5所示為離岸堤出水高度對岸線演變影響的虛擬仿真模擬結果，為學生演示不同海灘生態修復工程方案下海岸線的變化，選擇優化工程方案。新穎、直觀的數字化教學方式不但活躍了課堂氣氛、激活了學生學習的熱情、開拓了學生的視野，使學生更早地接觸研究生或工作中可能需要使用到的軟件，還節約了一定的物理模型實驗教學成本，輔助學生更透徹地學習、分析、解釋實驗現象。

圖4 基于虛擬仿真軟件CEDAS建立的岸線演變數學模型

圖5 離岸堤出水高度對岸線演變影響的虛擬仿真模擬結果

4 結 語

實驗教學在高素質復合型人才的培養中扮演著重要角色。土木工程學院水利工程系基于卓越工程師培養理念，依托土木工程學科優勢，發揮自身特點，提出符合時代要求的“卓越港航人才”培養理念。通過升級實驗教學體系、強化精品課程及打造精品實驗項目，建立物模和數模的有機結合與本研一體化實驗教學新體系，對提高學生科研、創新能力，實現高素質復合型卓越港航工程師人才的培養又上了一個新臺階。

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Reform of Experimental Teaching in Harbor Waterway and Coastal Engineering Based on the “Training Outstanding Engineers” Concept

KUANGCuiping,SONGHonglin,LIUShuguang,ZHONGGuihui,SHENChao

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Experimental teaching is an important indication of a university’s comprehensive ability in teaching, research and management, which has a great influence on the student training. On the basis of the previous experimental teaching and the national project of “Training Outstanding Engineers”, the Department of Hydraulic Engineering of College of Civil Engineering at Tongji University put forward an outstanding plan for the undergraduate students whose major in harbor waterway and coastal engineering. The objective of this plan is to train high-quality inter-disciplinary talents to be suitable to the new era. Taking the training mode of major in harbor waterway and coastal engineering from Department of Hydraulic Engineering of Tongji University as an example, this paper presents and sums up the reform of experimental teaching from three main aspects, i.e. upgrading of experimental teaching system, intensifying excellent courses and creating excellent experiments, the reform can provide some suggestions and references for others’ teaching reforms.

outstanding engineers; talent training; harbor waterway and coastal engineering; experimental teaching reform

2016-04-07

國家本科教學工程項目專業綜合改革試點-港口航道與海岸工程專業(0200104274)

匡翠萍(1966-),女,江蘇揚州人,博士,教授,從事港口海岸工程教學和研究。

Tel.：021-65983916; E-mail：cpkuang@tongji.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)02-0196-04