淺談面向土木工程方向的《近海工程導(dǎo)論》教學(xué)

賴馬樹(shù)金

摘要：《近海工程導(dǎo)論》是哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院面向土木工程專業(yè)高年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)選修課，旨在拓寬傳統(tǒng)土木工程專業(yè)的學(xué)生知識(shí)背景和學(xué)術(shù)視野，并使其初步掌握海洋平臺(tái)等近海工程結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)能力。基于此，本文對(duì)《近海工程結(jié)構(gòu)》的課程內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)教學(xué)方法和授課方式進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞：近海工程；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）26-0171-03

一、引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，由于海洋中蘊(yùn)含豐富的資源，比如水資源、海洋生物質(zhì)資源、礦產(chǎn)與油氣資源、海上航運(yùn)資源、海上能源資源及海上空間資源等，各國(guó)都在大力發(fā)展海洋工程。海洋工程是指應(yīng)用海洋基礎(chǔ)科學(xué)開(kāi)發(fā)利用海洋資源所形成的一門綜合性技術(shù)學(xué)科，狹義上講，也指開(kāi)發(fā)利用海洋資源、保護(hù)海洋環(huán)境和某些特殊用途所需的各種建筑物、建筑群和其他工程設(shè)施[1]。海洋工程主要包括海岸工程、近海工程和深海工程。其中近海工程主要是在近海較淺水域的海上平臺(tái)、人工島等的建設(shè)工程，和在近海較深水域的半潛式平臺(tái)、鉆井船、石油和天然氣勘探開(kāi)采平臺(tái)、浮式貯油庫(kù)、浮式煉油廠、浮式飛機(jī)場(chǎng)、張力腿平臺(tái)、牽索式平臺(tái)等的建設(shè)工程。近海工程技術(shù)除傳統(tǒng)的土木建筑工程技術(shù)外，還包括造船工程技術(shù)。隨著我國(guó)沿海地區(qū)開(kāi)放程度的加大以及“一帶一路”海上絲綢戰(zhàn)略的提出，海洋在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中正扮演著越來(lái)越重要的作用。黨的十八大報(bào)告明確提出，“提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”。

為了實(shí)現(xiàn)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，就必須在高等院校培養(yǎng)一批國(guó)際一流船舶與海洋工程專業(yè)人才。然而由于我國(guó)海洋工程建設(shè)起步比較晚，目前國(guó)內(nèi)具有船舶與海洋工程專業(yè)的高校較少。另一方面，作為傳統(tǒng)的土木建筑工程專業(yè)，主要學(xué)習(xí)的課程局限在陸地上的建筑結(jié)構(gòu)，一般不開(kāi)設(shè)海洋工程結(jié)構(gòu)相關(guān)課程。由于這兩方面的原因，極大地限制了我國(guó)海洋工程人才的培養(yǎng)。眾所周知，海洋工程的建設(shè)離不開(kāi)土木工程專業(yè)技術(shù)，因此作為21世紀(jì)土木工程專業(yè)的本科生，也必須肩負(fù)起海洋開(kāi)發(fā)建設(shè)部分責(zé)任。在海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)的大背景下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院為土木工程專業(yè)高年本科生開(kāi)設(shè)了《近海工程結(jié)構(gòu)導(dǎo)論》這門專業(yè)選修課，旨在拓展傳統(tǒng)土木工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)背景，了解和掌握近海工程的海洋環(huán)境、結(jié)構(gòu)特征及近海工程結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)掌握波浪及波浪荷載的相關(guān)理論，初步掌握海洋平臺(tái)等近海工程結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)能力。

二、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

《近海工程結(jié)構(gòu)導(dǎo)論》是面向土木工程專業(yè)高年級(jí)開(kāi)設(shè)的專業(yè)選修課，總課時(shí)為24學(xué)時(shí)。由于課時(shí)較短，需針對(duì)傳統(tǒng)土木工程專業(yè)高年級(jí)本科生的知識(shí)背景，同時(shí)兼顧課程知識(shí)體系的連貫性和邏輯性，合理安排課程的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生不僅了解海洋工程結(jié)構(gòu)概況及前沿，還能夠初步掌握海洋平臺(tái)等近海工程結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)能力，基于此，該課程設(shè)計(jì)為5個(gè)章節(jié)。第一章為緒論，設(shè)計(jì)授課時(shí)長(zhǎng)2學(xué)時(shí)。由于土木工程專業(yè)學(xué)生對(duì)海洋工程的了解較少，因此在緒論中需較全面地介紹海洋工程的重要性和發(fā)展?fàn)顩r以及與傳統(tǒng)土木工程的異同點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和使命感。重點(diǎn)介紹世界和我國(guó)海洋資源的稟賦條件、開(kāi)發(fā)和利用海洋資源所需要的海洋工程技術(shù)及其發(fā)展?fàn)顩r、海洋工程面臨的海洋環(huán)境特征；海洋工程結(jié)構(gòu)所遭受的環(huán)境荷載類型及近海工程結(jié)構(gòu)的災(zāi)害類型；近海工程結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)方法。第二章為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)授課時(shí)長(zhǎng)2學(xué)時(shí)。針對(duì)土木工程專業(yè)學(xué)生主要接觸城市建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)近海工程結(jié)構(gòu)缺乏基本概念，專門介紹近海工程結(jié)構(gòu)的特征、拖運(yùn)和安裝形式，使得學(xué)生對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)具有較全面的認(rèn)識(shí)。本章重點(diǎn)介紹固定式、移動(dòng)式、半固定式海洋平臺(tái)使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)特征。第三章為海洋環(huán)境荷載，設(shè)計(jì)授課時(shí)長(zhǎng)8學(xué)時(shí)。任何一種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，都首先需要確定作用在結(jié)構(gòu)上的荷載，在這一點(diǎn)上，傳統(tǒng)土木工程建筑設(shè)計(jì)與海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。然而由于海洋平臺(tái)處于更加惡劣的自然環(huán)境中，其荷載形式異常復(fù)雜，比如其主要環(huán)境荷載形式為波浪荷載或風(fēng)浪聯(lián)合荷載。本章首先重點(diǎn)介紹波浪理論及其作用在結(jié)構(gòu)物上的波浪力，其主要課程內(nèi)容包括：回顧流體力學(xué)基本方程及勢(shì)流理論；建立液體表面波基本方程，重點(diǎn)推導(dǎo)及闡述常深度小振幅簡(jiǎn)單波動(dòng)解及特征、簡(jiǎn)單波動(dòng)疊加特性、傾斜海底上波浪的傳播特性；簡(jiǎn)要介紹有限振幅波（非線性波）理論；重點(diǎn)推導(dǎo)作用于小尺度結(jié)構(gòu)上的波浪力，簡(jiǎn)要推導(dǎo)作用于大尺度結(jié)構(gòu)體上的波浪力；簡(jiǎn)要介紹隨機(jī)波浪理論及作用于海洋工程結(jié)構(gòu)體上的隨機(jī)波浪力。其次介紹風(fēng)荷載、流荷載、地震荷載及其冰荷載，最后介紹荷載組合規(guī)則。第四章為固定式平臺(tái)（導(dǎo)管架平臺(tái)）設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)授課時(shí)長(zhǎng)10學(xué)時(shí)。雖然目前海洋平臺(tái)向具有更深水深作業(yè)能力的半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)和Spar式平臺(tái)發(fā)展，但導(dǎo)管架平臺(tái)仍然是目前世界上使用最多的一種平臺(tái)，不論從設(shè)計(jì)理論還是從建造技術(shù)上來(lái)看，它都是一種最成熟和通用的平臺(tái)形式。因此本章重點(diǎn)介紹導(dǎo)管架平臺(tái)的基本設(shè)計(jì)過(guò)程。課程內(nèi)容包括：導(dǎo)管架平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)要求；海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)方法；樁基設(shè)計(jì)；導(dǎo)管架設(shè)計(jì)；平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)分析；圓管構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算；管節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與疲勞分析。本章課程內(nèi)容較多，是該門課程的主要部分。由于土木工程專業(yè)高年級(jí)本科生具有一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先導(dǎo)知識(shí)，因此該章節(jié)主要介紹導(dǎo)管架設(shè)計(jì)的基本方法與流程，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)與傳統(tǒng)土木建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的異同。第五章為移動(dòng)式平臺(tái)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)授課時(shí)長(zhǎng)2學(xué)時(shí)。由于日益增長(zhǎng)的能源需求，世界各國(guó)都將油氣資源的開(kāi)發(fā)投向了深海，傳統(tǒng)的固定式平臺(tái)逐漸被深水浮式平臺(tái)所代替，海洋平臺(tái)朝著深水和超深水發(fā)展[2]。該章節(jié)將簡(jiǎn)要介紹浮式平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求和基本方法，基本內(nèi)容包括：浮式平臺(tái)重量和重心計(jì)算、浮式平臺(tái)漂浮穩(wěn)定性計(jì)算、錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、半潛平臺(tái)設(shè)計(jì)。

三、教學(xué)方法設(shè)計(jì)

針對(duì)課程內(nèi)容多、授課學(xué)時(shí)較短的特點(diǎn)，本課程將采用“講授式”和“啟發(fā)式”相結(jié)合的教學(xué)法。“講授式”教學(xué)是指教師利用利用各種教學(xué)工具，通過(guò)口頭語(yǔ)言講解的方式，直接將知識(shí)傳授給學(xué)生的一種教學(xué)方式。該教學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)是：在“講授式”教學(xué)過(guò)程中，教師采取定論的形式直接向?qū)W生傳遞知識(shí)，從而排除學(xué)生對(duì)知識(shí)的神秘感和畏難情緒，使學(xué)習(xí)真正成為輕松的事情，還可以避免認(rèn)識(shí)過(guò)程中許多不必要的曲折和困難[3]。這使得傳授知識(shí)變得簡(jiǎn)捷和高效，非常適合課程內(nèi)容多、授課學(xué)時(shí)短的課程。然而這種教學(xué)法下學(xué)生往往只是被動(dòng)地接受知識(shí)，而不去主動(dòng)思考傳授知識(shí)的內(nèi)涵，并且“講授式”教學(xué)容易使學(xué)生產(chǎn)生依賴和期待心理，從而抑制學(xué)生學(xué)習(xí)的獨(dú)立性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。為了克服這些缺點(diǎn)，強(qiáng)化該教學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)，“講授式”教學(xué)還需堅(jiān)持啟發(fā)性教學(xué)原則，教學(xué)過(guò)程中積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，建立學(xué)生對(duì)新知識(shí)的求知欲。總之教師在教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮主導(dǎo)作用，直接快速地講解專業(yè)知識(shí)，同時(shí)使用通俗易懂的語(yǔ)言、生動(dòng)鮮活的事例、新穎活潑的形式活躍教學(xué)氣氛，啟發(fā)學(xué)生思考，增強(qiáng)教學(xué)效果。強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的主體作用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性。

課堂上授課教師需多與學(xué)生互動(dòng)，讓學(xué)生發(fā)言，發(fā)表其對(duì)所講知識(shí)的認(rèn)識(shí)與疑問(wèn)等。本課程采用“多媒體+板書(shū)”的授課方式。通過(guò)PPT、影視、動(dòng)畫(huà)等多媒體教學(xué)手段，使學(xué)生快速地將平面、抽象的知識(shí)轉(zhuǎn)化成立體、直觀的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也能調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。比如在緒論中，通過(guò)適當(dāng)?shù)膱D片和影視資料，學(xué)生能夠直觀地認(rèn)識(shí)到海洋資源、海洋環(huán)境及海洋工程的特征；在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，運(yùn)用多媒體手段，使得學(xué)生全方位了解海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特征及建設(shè)、拖運(yùn)、安裝全過(guò)程。然而對(duì)于本門課而言，除了概念性知識(shí)外，還有理論知識(shí)部分。理論知識(shí)部分具有較多的公式推導(dǎo)，單純采用PPT介紹一方面不利于學(xué)生理解，另一方面比較枯燥，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。對(duì)于公式推導(dǎo)方面，板書(shū)教學(xué)具有很強(qiáng)的引導(dǎo)性和指引性，同時(shí)具有啟發(fā)性，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和參與性。

四、考核方法

為了評(píng)價(jià)學(xué)生掌握知識(shí)的程度，采用課堂提問(wèn)、課后作業(yè)、隨堂考試、讀書(shū)報(bào)告及期末考試相結(jié)合的形式，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。這種多樣的考查方式一方面能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，另一方面也能綜合考查學(xué)生掌握知識(shí)的程度。

五、結(jié)語(yǔ)

《近海工程導(dǎo)論》是面向傳統(tǒng)土木工程專業(yè)高年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)選修課，旨在拓展傳統(tǒng)土木工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)背景，初步掌握海洋平臺(tái)等近海工程結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)能力，為建筑海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略貢獻(xiàn)力量。本文根據(jù)近海工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)體系，結(jié)合傳統(tǒng)土木工程專業(yè)高年級(jí)本科生所學(xué)土木建筑知識(shí)背景，設(shè)計(jì)了面向傳統(tǒng)土木工程專業(yè)的《近海工程導(dǎo)論》課程內(nèi)容，根據(jù)課程內(nèi)容特點(diǎn)探討了“講授式+啟發(fā)式”的教學(xué)方法及“多媒體+板書(shū)”的授課方式。

參考文獻(xiàn)：

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[3]陳菊梅，張祖榮.探究式教學(xué)與講授式教學(xué)的有機(jī)整合研究——“受迫振動(dòng)和共振”的教學(xué)案例[J].物理與工程，2014，（s2）：23-27.