卓越港航人才培养与专业实验教学改革

匡翠萍， 宋竑霖， 刘曙光， 钟桂辉， 沈 超

(同济大学 土木工程学院，上海 200092)

卓越港航人才培养与专业实验教学改革

匡翠萍， 宋竑霖， 刘曙光， 钟桂辉， 沈 超

(同济大学 土木工程学院，上海 200092)

实验教学是高校在教学、科研、管理等方面综合能力的体现，其水平的高低直接决定了培养学生的质量。同济大学土木工程学院水利工程系在原有实验教学的基础上，结合国家“卓越工程师教育培养计划”，针对港口航道与海岸工程专业本科生提出“卓越港航人才”培养计划，旨在培养造就一批具有新时代特征的高素质复合型人才。以同济水利系港航本科专业培养模式为例，从实验教学体系升级、精品课程强化以及精品实验项目打造三大方面对实验教学改革进行阐述和总结，以期为高校相关专业“卓越人才培养计划”的实施提供借鉴与参考。

卓越工程师； 人才培养； 港航专业; 实验教学改革

0 引 言

“实验室是培养创新人才的摇篮”，我国著名物学家、中国科学院院士冯瑞老先生用一句简短精炼的句子道出了实验室对创新的重要性[1]。实验教学作为知识向生产力转化的纽带在高等教育教学体系中扮演着重要的角色，其水平的高低直接反映了一个学校在教学、科研、管理等方面的综合能力[2-3]。因此，如何在现有实验教学的基础上实现突破，加强学生实践与创新能力培养，进一步推动满足时代要求的高素质复合型人才建设显得尤为重要[4-6]。

我校土木工程学院是国内同类专业中教学和研究实力最强的学院之一，根据国家“卓越工程师教育培养计划”(以下简称“卓越计划”)的要求，率先提出了土木工程培养卓越人才的理念与实施方案。其中，依托本院土木工程学科优势而建的水利工程系紧跟时代步伐，基于教育部高等学校水利类专业教学指导委员会港航专业培养要求与“卓越计划”要求，进一步提出培养“面向未来需要，适应科技进步，掌握良好基础、专业知识，具有创新能力、再学习能力、国际视野和领导意识的卓越港航人才”的理念[7-8]。培养卓越工程师的核心是培养创新能力，培养创新能力首先应当培养创新思维，而结合实验的专业教学正是创新思维培养的主体。

1 升级实验教学体系

1.1 已有成果

自1999年港航专业成立以来，我系通过对实验教学体系改革的不断探索与实践，在实验教学方面已取得初步成效：①构建了满足社会需要的本科生实验教学体系；②四届全国大学生水利创新设计大赛共获：特等奖4次、一等奖6次、二等奖4次，全国水利院校十佳未来水利之星1名，优秀指导教师6人次等；③现有上海市教委重点课程3门，校精品课程3门，卓越课程2门及精品实验课程4门。

水利工程系的水利港口综合实验室属长江水环境教育部重点实验室，其中包括波流水槽实验室及港工结构耐久性实验室，拥有众多先进仪器设备，如：波流水槽及波流模拟系统、粒子图像测速仪(PIV)、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、表层流速场、波高及压力测量系统、高精度点流速仪(ADV)、粒度分析仪、动态应变仪、浊度仪、密度仪、测深仪、温深仪，以及氯离子渗透仪、三轴渗透仪、氯离子含量测量仪等。可从事波浪运动特性、波浪与结构相互作用、水下边坡稳定、泥沙运动、水环境污染、港工结构检测及耐久性等方面的试验研究。目前，实验室已为港口专业的本科学生开设了15个实验项目，同时还承担土木工程、地质工程与港航专业的本科毕业设计和创新项目、研究生毕业论文和教师科研项目的相关实验工作。

随着水利学科的不断发展与学科建设的不断深化与改革，原有实验教学内容、方法及模式不再能满足社会发展新形势对港航专业人才的需要。因此，原有的实验教学体系需顺应时代要求，根据“卓越计划”进行相应“升级”。

1.2 本研一体化实验教学新体系

水利港口综合实验室从培养理论基础扎实、专业知识宽厚、实践能力出众，具有创新能力、再学习能力、国际视野和领导意识的卓越港航人才的目标出发，构建符合新时代要求的“1条主线、3个层次、8个模块、一个中心”的本研一体化实验教学新体系(见图1)，加强本科生与研究生之间的交流学习，深化综合素质水平高的卓越港航人才培养[9-10]。

图1 本研一体化实验教学新体系

1.2.1 1条主线

以培养综合素质水平高的卓越港航人才为主线，突破实验教学形式(物模实验)、研究手段单一的局限，将本科生与研究生(虚拟仿真)实验教学内容整合，实现本研一体化的实验教学新体系，将基础训练与科学研究有机结合。研究生协助教师加入实验教学体系，一方面拉近了师生间的距离，更有利于相互间的交流学习，另一方面研究生对知识结构、实践能力、创新教育等方面培养更有体会，可进一步帮助优化实验教学内容设置，以达到更好的教学效果。

1.2.2 3个层次

根据已有实验教学内容和教学方法，可梯级地将实验项目类型分为3层。第1层是“演示型”实验和“验证型”实验，以演示、验证实验和熟悉基本操作为目的。其实验内容和方法相对单一，学生按照既定方法、仪器和操作步骤完成实验，以巩固课堂理论知识，属基础教学；第2层是“设计型”实验和“应用型”实验，学生根据设定的实验目的，运用已掌握的知识自行设计实验解决问题。其所涉及知识点、实验方法较多，学生实践能力、思考分析能力得到综合锻炼，属拓展教学；第3层是“研究型”实验和“创新型”实验，针对所选定的课题与方向，学生自主学习探究、分析问题的方法与手段，其实验过程与结果具有未知性，旨在培养学生科研、创新能力，属拔高教学。

学生通过梯级实验课程的学习，理论知识得到巩固，实验方法与手段得到丰富，综合素质水平提升显著，并逐步接触科研、创新内容，视野和思维更为开阔。

1.2.3 8个模块

在如今强调“科学与工程相互促进”的大背景下，理论与实践相结合得到了大力提倡，教师更注重将工程、科研项目与实验室教学相结合，让学生对今后学习与工作有初步的认识。如今在原有实验教学模块内容提升的基础上，又新增模块,本科生进入课题组，提升科研与创新能力。实验项目在水利系教师的不断探索、研究、设计下由原来的8个增至现今的15个(详见表1)。这15个实验项目基本涵盖了港航专业实验教学的所有知识点，极大地提高了学生的创新思维与解决实际问题的能力。

表1 实验项目

1.2.4 一个中心

在国家信息化发展的大背景下，信息技术正在逐渐深入教育系统以促进教学模式、教学方法以及学习方式的深化改革，而虚拟仿真教学中心的建设是高校实验教学改革的必然发展方向[11-12]。土木工程学院始终走在教学与研究的前沿，较早地提出了将数字化教学带进课堂，并逐步整合各系所虚拟仿真资源，成立了“土木工程实验教学中心” 启动了一系列虚拟仿真实验教学改革项目；其中水利系目前共有三大虚拟实验项目：洪水风险虚拟实验、波流水槽虚拟实验以及砂质海滩生态修复工程虚拟实验。通过对虚拟仿真实验教学建设的不断完善，使其与实体物理模型实验两者实现互补，最终达到提升教学质量、深化实验教学改革的目的。

2 强化精品课程建设

2.1 精品课程的重要性

精品课程代表的是课程教学中的精华，反映了学校(院系)在教师、教学以及管理等方面综合水平，具有很强的示范性作用。精品课程集科学性、先进性、教育性、整体性、有效性和示范性于一体，它的建设可提升专业与学科的建设水平，促进教学改革纵向发展、教学质量全面提高，保障高综合水平的卓越人才培养[13]。

2.2 教学要求与评价体系升级

针对目前水利工程系已有的精品课程“河流动力学”“工程水文学”“河口治理工程”和“河床演变及整治”课程，结合“卓越计划”培养要求，提出新的建设目标、培养方案，继续深化课程改革，保持精品课程创新性，并适应新时代的教学要求。同时，建立更为完善的精品课程评价体系以确保精品课程质量，这不但需要在课程评选之初的“静态评价”，还要有对建设过程中的“动态评价”以反映其建设和完善的经过，更要有“后效评价”来保障已有精品课程的质量。

2.3 教学师资、方式与内容优化

秉承“由浅入深，承旧创新”的教学理念[14]，我系致力于教学师资、方式与内容优化。师资方面，引入中组部“千人计划”特聘教授、长江水环境重点实验室副主任黄文锐教授，极大地加强了我系所实验教学水平，丰富了教学方式与内容，使得学生对实验教学的积极性提高，探索创新的欲望增强；教学方式方面，适当引入国际上极具开创性的“翻转课堂”(Flipped Classroom)。首先让学生利用课外时间在互联网上或影像资料观看相关教学视频获得对实验的初步认识，再由老师在课堂上帮助学生内化、获取知识。该方法突破传统约束采用现在学生更倾向于的互联网教学方式教学，进而通过教学流程的变革将知识传授提前，知识内化过程优化，让学习更为灵活、主动，也让学生参与度更高[15-16]。教学内容方面：①教材。为与国际接轨，课程《工程水文学》与《海岸地貌学》采用双语教学，其教材与课件采用全英文，授课则以英文为主，中文为辅，旨在将最前沿、最原汁原味的水利工程知识呈献给学生。②实验教学内容设置。将减少“演示型”“验证型”等基础实验教学比重，相应地增加“创新型”和“研究型”实验比重，对学生实验素养与创新、研究能力提出新的要求。例如，结合时下热点如“海绵城市建设”等开展探索创新实验项目，让学生自主查阅资料、探究发现与专业相关的热点问题。

3 打造精品实验项目

我系现有精品实验项目4个(详见表1)，本节以“海岸地貌学综合性实验”为例进行详细介绍。《海岸地貌学》是港航专业本科生的一门核心专业课程，配套有实验“海岸地貌学综合性实验”，旨在让学生掌握海岸地貌的基本知识，具有对海岸地貌现象进行初步分析的能力。一直以来，“海岸地貌学综合性实验”的建设都是水利工程系教学改革发展的重要组成部分，其物理模型核心实验“波流共同作用下离岸堤模型实验”突破了以往平面实验教学模式，与虚拟仿真教学相结合，通过认知性、综合性以及创新性的3层次实验教学，实现全面、立体的实验教学模式。

3.1 物理模型实验

学生在学习专业课程《海岸地貌学》理论知识的基础上，首先通过计算模型比尺，自主选材设计制作离岸堤模型，然后将制作好的模型按照自定方案分组放入波流水槽中，进而运用三维点式流速仪(ADV)、波高测量控制系统(CBY-Ⅱ)及动态应变仪分别对流速、波高、压力进行测量，最后通过对实验数据的整理与分析，探究流场、波浪场对水工建筑物的响应特征及响应程度,分别如图2、3所示。通过一套完整的物理模型实验设计、操作过程，学生的动手能力、理论知识运用至解决实际工程问题的能力得到了初步锻炼与提升。

图2 波浪与潜堤作用后的波形变化

图3 动态应变仪测量波浪压力

3.2 虚拟仿真实验

随着信息化的快速发展与计算流体力学的不断成熟，根据工程需要而开发的虚拟仿真软件在专业教学中所占比重也日趋增加。“砂质海滩生态修复工程虚拟实验”通过国际上广泛使用的虚拟仿真软件CEDAS建立岸线演变数学模型(见图4),图5所示为离岸堤出水高度对岸线演变影响的虚拟仿真模拟结果，为学生演示不同海滩生态修复工程方案下海岸线的变化，选择优化工程方案。新颖、直观的数字化教学方式不但活跃了课堂气氛、激活了学生学习的热情、开拓了学生的视野，使学生更早地接触研究生或工作中可能需要使用到的软件，还节约了一定的物理模型实验教学成本，辅助学生更透彻地学习、分析、解释实验现象。

图4 基于虚拟仿真软件CEDAS建立的岸线演变数学模型

图5 离岸堤出水高度对岸线演变影响的虚拟仿真模拟结果

4 结 语

实验教学在高素质复合型人才的培养中扮演着重要角色。土木工程学院水利工程系基于卓越工程师培养理念，依托土木工程学科优势，发挥自身特点，提出符合时代要求的“卓越港航人才”培养理念。通过升级实验教学体系、强化精品课程及打造精品实验项目，建立物模和数模的有机结合与本研一体化实验教学新体系，对提高学生科研、创新能力，实现高素质复合型卓越港航工程师人才的培养又上了一个新台阶。

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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

国家本科教学工程项目专业综合改革试点-港口航道与海岸工程专业(0200104274)

匡翠萍(1966-),女,江苏扬州人,博士,教授,从事港口海岸工程教学和研究。

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

G 642.0

A

1006-7167(2017)02-0196-04