港航《專業導論》課程中的實驗教學建設與實踐

楊聞宇，劉春嶸，張振偉，傅丹娟，陳小云，王秋吟

（廈門理工學院土木工程與建筑學院，福建 廈門 361024）

1 引言

《專業導論》是港口航道與海岸工程專業的一門重要的專業基礎課，同時又是港口水工建筑物、港口規劃與布置等后續專業課程的基礎。其課程目標為通過本課程的學習，力求培養學生對港口工程、航道工程、海岸工程的基本內容有整體的認識，并了解港口航道與海岸工程考慮問題的思路，全面扼要地掌握專業基本知識和概念，了解當代港航工程科學的發展，為以后的繼續學習和教學工作打下堅實的基礎。因此，《專業導論》課程的教學質量對引導學生學習興趣，培養學生的專業認同感起著重要的作用，對學生后續的學習、就業、考研等方面起著重要的導向作用。

在《專業導論》的教學過程中，存在傳統課程體系與學生學習規律不匹配、教學形式單一等問題[1,2]。各高校在教學過程中不斷探索《專業導論》課程的課程定位、教學方法、教學內容等，例如，請一位資深專業教師主講，或者多位專業教師輪流主講，邀請工程技術人員開設專題講座，將課堂講解與現場參觀教學相結合等多種教學方法[3-8]。課程學時設置上多為16 個學時。

我校港口航道與海岸工程專業對于《專業導論》課程的教學也進行了不斷地調整和探索。專業設立初期，《專業導論》課程安排在大一學年的第三學期，考慮到學生入學以后的適應期，急需對專業的了解，使學生迅速找到專業的歸屬感和認同感，所以從大一學年第三學期調整為大一學年第一學期。學時安排上，由最初的10 個理論學時加6 個校外實踐課時，改為全部16 個理論學時，再改為目前的6 個理論學時，10 個實踐學時。教學方式主要為多位專任教師輪流主講。課程的調整增加了實踐學時，旨在提高學生的動手能力，提高學生對于專業的感性認識，激發學生學習興趣。

在《專業導論》課程學時、學期調整的背景下，為了能夠達到課程的培養目標，開展了滿足教學目標的實驗教學設計。

2 專業導論實驗教學設計

在實驗教學內容的設計上，既要適應學生現有的知識結構，避免過難的知識點和復雜的實驗操作，又要求實驗具有趣味性、科學性、探索性，更要體現出專業特色。就需要在實驗內容設計上尋找這些要求的平衡。新生入學后，除基本的常識和原有的理論背景，對港航專業的內容了解甚少，因此，在實驗教學內容設計上要考慮教學內容的廣度和深度，廣度上涵蓋今后學習的主要專業知識點，深度上要點到為止，以觀察性、規律性探究的定性實驗為主，又要求有一定的啟發性，注重與后續專業基礎課和專業課程的引導和銜接。因此，如何平衡學生現有知識體系與課程實驗教學內容的關系，是《專業導論》課程實驗教學設計的難點之一。

實驗教學的組織設計上，力求要求學生廣泛的參與性和互動性，培養其動手能力。如何讓每個學生有事可做，參與其中，是實驗教學設計的另一個難點。

根據《水利類教學質量國家標準》以及本專業的培養方案，港航專業的核心課程包括：理論力學、材料力學、結構力學、水力學、土力學、工程制圖、CAD 制圖、工程水文學、河流動力學、海岸動力學、航道整治、混凝土結構設計原理、港口規劃與布置、港口水工建筑物、水運工程施工。

波浪、泥沙、水工結構物是港口航道與海岸工程專業研究的主要對象[9]。在綜合考慮港航專業核心課程的基礎上，初步探索設計了包括規則波浪觀測實驗、防波堤消波實驗、泥沙重力特性和水力特性實驗等。

3 實驗教學實踐

3.1 規則波浪觀測實驗

波浪是港口航道與海岸工程中面臨的主要動力因素，在港口建設、堤防和護岸的設計和建設中起著重要的作用[10,11]。因此，了解認識波浪是非常必要的，也是本專業的特色之一。

本實驗的目的包括：①了解實驗室內的造波方式；②測量描述波浪信息的參數，包括波高、周期、波長。

波浪觀測實驗在小型波浪流循環水槽及自制的小水槽進行。①小型波浪流循環水槽總長35m，凈寬0.7m，凈深0.8m，最高水位0.6m，底架高0.55m，水槽總高1.35m。該水槽采用推板式造波裝置，造波周期0.5～5 秒，最大設計波高0.2m，配有波高測量儀。②自制的演示小水槽斷面尺寸30cm×20cm，長12m。造波采用搖板式自制造波裝置。

實驗過程中，講解了推板式、搖板式、下壓式等不同的造波方式，并讓同學們進行了實際的體驗和操作，使同學們了解了機構的機械運動形式，例如，曲柄連桿機構的運動（對應理論力學課程），并觀察波浪的傳播規律，并采用標尺、秒表、手機等方便易行的工具對波高、周期、波長等波浪參數進行了測量。圖1 為波浪觀測實驗現場。

圖1 波浪觀測實驗現場

在對波浪有了基礎認識后，從簡易測量方式提升到實驗室專有儀器測量，通過小型波浪流循環水槽，學習推板式造波系統的操作，波高儀的標定和使用，并按照要求制造指定參數的波浪（對應海岸動力學課程）。

3.2 防波堤消波實驗

防波堤用來防護港口水域不受風浪的影響，保證船舶在港內安全的停泊和進行裝卸作業，是重要的水工建筑物[12]。

在演示小水槽進行波浪觀測實驗，該水槽并未安裝消波裝置，學生可以觀察到波浪傳播到水槽端部的反射現象，造成入射波和反射波的疊加，由此引入消波的概念。此外，通過將簡易的模型放入波浪水槽內，學生觀察模型在波浪作用下出現了上下的周期運動，不利于船舶的安全停泊和裝卸作業，引出防波堤的作用，使學生理解為什么要建設防波堤。

設計的防波堤消波實驗，讓學生在水槽后半段搭建堆石防波堤和堆沙防波堤。本實驗的目的包括：①了解防波堤的結構，及其在港口工程中的作用；②搭建堆石防波堤，測量防波堤的幾何尺寸；③測量堆石防波堤堤前和堤后的波高，評價堆石防波堤的消波效果；④搭建堆沙壩防波堤，測量其幾何尺寸；⑤測量堆沙防波堤堤前和堤后的波高，評價堆沙防波堤的消波效果。

實驗過程中，讓學生用石子、河沙等材料搭建防波堤，通過標尺等工具測量防波堤前后的波高，評價防波堤的消波效果，學生發現堆石防波堤的消浪效果較好。堆沙防波堤在波浪作用下發生了泥沙運動，沙峰被削弱，迎水面越來約平坦，背水面變陡峭。圖2 和圖3 分別為學生搭建的防波堤實驗現場。

圖2 堆石防波堤實驗現場

圖3 堆沙防波堤實驗現場

3.3 泥沙重力特性和水力特性實驗

泥沙的運動和輸運將會引起河床的沖刷和淤積現象，會對港口工程、航道工程和海岸工程的建設和施工造成影響[13]。因此，了解泥沙的物理特性顯得尤為必要，是后續專業課程學習的基礎。

本實驗目的：①了解描述泥沙幾何特性的參數：泥沙粒徑；②測量干燥條件下，泥沙的休止角；③測量靜水條件下，泥沙的水下休止角；④觀察、測量泥沙的沉降特性，包括小石子在靜水中的沉降過程，少量沙在靜水中的沉降過程，大量沙在靜水中的沉降和分層現象。

從堆石和堆沙防波堤的實驗中，學生接觸到了常見的工程材料石子和沙子。進而引導學生思考泥沙的幾何特性如何描述，講解泥沙粒徑的測量方式：篩分法和水析法。讓學生觀測泥沙在干燥條件和靜水條件下的水下休止角，如圖4 所示。此外，利用量筒等工具讓學生觀測了小石子、少量泥沙和大量泥沙的靜水沉降過程，如圖5 所示。通過手機拍攝小石子的沉降下落軌跡，觀察少量泥沙和大量泥沙的沉降過程，觀察大量泥沙沉降后的分層現象，大顆粒泥沙在下層，小顆粒泥沙在上層，如圖5 所示。

圖4 泥沙休止角測量

圖5 泥沙沉降實驗

由于選用的泥沙為河沙，沙粒表面附著有微小的黏土，因此，靜水實驗中還觀察到了異重流的運動現象，向靜水中傾倒河沙時，微小的黏土在水中形成了異重流（異重流是挾沙水流的一種特殊運動形式，指兩種密度相差不大、可以相混的流體,在條件適宜時因密度差異而產生的相對運動,在運動過程中不發生全局性的紊動和摻混[14,15]），形成于水槽底部，一直運動到水槽端部，如圖6 所示，可以看出異重流在13 秒的時間內運動了約3.5cm。

圖6 異重流的運動現象

4 結論

為了提高港航《專業導論》課程的教學質量，充分發揮課程的導向作用，激發學生學習興趣，進行了專業導論課程實驗教學的探索，設計了包括規則波浪觀測實驗、防波堤消波實驗、泥沙重力特性和水力特性等實驗。學生在實驗過程中動手操作，觀察到了較為有趣的港工實驗現象，引發對自然物理規律和專業方向的思考，能夠起到較好的專業導向作用。