航道整治课教学内在要求的思考和改革实践

罗优，秦景洪，蒋陈娟，张月尹

摘  要：前期学科基础课和航道整治课知识经验结构存在差异，主要表现在“普适性与复杂性、差异性”“封闭确定性与开放非确定性”和“单维性与多维性”三方面。结合航道整治知识结构特征、建构主义理论和当代工程教育理念，对航道整治教学的内在要求进行了分析总结，并提出了相应的教学改革措施。从知識经验结构角度对航道整治教学改革进行思考与实践，可为类似专业课程教学改革提供参考。

关键词：建构主义;专业课;知识建构;航道整治

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）30-0117-04

Abstract： There are different characteristics of the knowledge structures between pre-learn foundation courses and "Waterway Regulation" course， including "universality， uniqueness and difference"， "closed-certainty and open-uncertainty" and "single-dimension and multi-dimensions". Combining the characteristics of knowledge structure， the constructivism theory and the needs of the socioeconomic development， the internal requirements and corresponding reform measures in the teaching of "Waterway Regulation" have been analyzed and discussed. The discussion and practice of the teaching reform of "Waterway Regulation" from the aspect of knowledge structural characteristic offers a referential perspective for the teaching reform of similar courses.

Keywords： constructivism theory; specialized courses; the construction of knowledge; waterway regulation

建构主义是当代心理学理论中行为主义发展到认知主义后的进一步发展，建构主义理论揭示了人类学习过程的认知规律、意义建构及学习环境对知识建构的作用，对教育创新影响巨大[1]。建构主义理论中人类的知识经验分为两类，结构良好领域与结构不良领域。结构良好领域知识经验基本特征是规范性和抽象性，有内在逻辑系统，是从多种情境中抽象出来的基本概念、原理和方法。结构不良领域的知识经验有以下两个特点：一是知识应用的每个实例中都包含着许多应用广泛的概念在相互作用，即概念的复杂性;二是同类的各个具体实例之间，所涉及的概念及相互作用的模式有很大差异，即实例之间的差异性[2-3]。

港口航道及海岸工程专业在大一至大三上学期，主要学习了水力学、土力学与地基基础、工程水文学和河流动力学等学科基础课。大三下学期开始学习航道整治专业课，课程内容主要包括：航道与航道尺度、浅滩演变规律及分析方法、航道整治工程规划与设计、整治建筑物设计、整治工程水力计算和疏浚工程几部分。学科基础课中的知识经验偏向于结构良好领域;航道整治介绍的是采用基础课中的理论成果去解决实际工程问题的知识经验，实践工程问题的复杂性和差异性，使得知识经验显得“松散”，属于结构不良领域。

本文结合建构主义理论知识，对比分析基础课与航道整治课知识结构的差异及其给教学带来的挑战，基于当代工程教育理念，分析航道整治教育的内在要求，探讨航道整治教学改革实践。

一、知识结构特征

本节从“普适性与复杂性、差异性”“封闭确定性与开放不确定性”和“单维性与多维性”三方面探讨学科基础课和航道整治课知识经验结构的差异，以及其给航道整治教学带来的挑战。

（一）普适性与复杂性、差异性

学科基础课程讲授的内容是从多种情境中抽象出来的基本概念、原理和方法，知识结构良好，重视逻辑推导的严谨性。以水力学课程为例，诸多重要公式都是基于物质守恒、受力平衡和能量平衡推导而来的，包括欧拉平衡微分方程式、理想液体恒定流流束能量方程和Navier-Stokes方程等，这些成果应用范围较广，具有普适性。

航道整治讲授的内容是利用学科基础课中的知识经验去解决实际工程问题，其知识经验与工程实践紧密结合，更加需要具体问题具体分析，重视实例之间的差异性。比如，山区河道和平原河道形态的差异导致糙率系数、局部阻力系数确定方法不同;由于不同类型的河道河床演变规律变化多端、碍航特征差异较大，因此航道整治工程方案也有所区别。通常航道整治的复杂性与实际河道边界不规则、水文过程不断变化及流态较为繁杂等实际情况有关。然而这些实际情况不符合学科基础课程中均匀流、渐变流或恒定流等假设，因此在利用学科基础课程相关成果解决实际问题时，也要采用经验处理方法或引入经验系数，比如水面线计算时河段的划分和局部阻力系数的确定。航道整治的复杂性不仅仅体现在技术层面，更会涉及社会、经济、人文和生态环境等诸多需求间的矛盾，即“复杂工程问题”的内涵广于“复杂技术问题”[4]。

航道整治知识经验的复杂性和差异性等结构不良特征可能导致学生难以适应，不能精确地把握学习重点。

（二）封闭确定性与开放不确定性

由于学科基础课讲授的内容是从多种情境中抽象出来的基本概念、原理和方法，比如水力学中能量方程和河流动力学中泥沙运动经验公式是建立在恒定流、均匀流或渐变流假设基础上。在学科基础课程的课后练习中，学生可以按照特定的逻辑推导得到唯一准确的答案，原因是特定的假设条件和简单的边界条件构成了封闭性问题，答案或结论是唯一的。

航道整治对象是实际的河道，来水来沙随时间变化而变化，河道边界条件通常不规则，与学科基础课程中的假设不符，因此无法构建封闭性问题。开放式问题的解决，往往需要提出假设，简化问题，不同的假设产生不同的方法。此外，实际问题的复杂性和差异性给“答案”带来了不确定性。比如，航道整治规划中整治水位的确定方法有经验法和造床流量法，整治线宽度的确立有经验法、水力学计算法和输沙平衡法等。整治水位和整治线宽度往往相关，其最优组合并不容易确定。很多重要整治工程的整治方案和整治参数通常需要开展物理模型试验或者数值模拟试验进行方案比选来确定，有些整治工程在实施后仍需要不断调整。在航道整治规划和设计时必须谨记这种不确定性，比如在浅滩段束窄河道时避免两侧同时使用顺坝，方便工程实施后整治线宽度的调整。

航道整治规划和设计中的开放不确定性往往会给没有工程经验的学生造成较大困扰和压力，挫败学生学习信心。

（三）单维性与多维性

学科基础课程中基本概念、原理和方法一般只涉及技术范畴这单一维度，而航道整治课程中的内容涵盖工程技术、社会、经济、环境等多个维度。比如，航道整治工程设计必须依据航道等级，而航道等级的确定依赖于运量预测与船型及其运营组织形式，运量预测则与航运服务范围内社会经济和交通运输的现状及其远景发展规划密切相关;航道整治不仅要考虑行船问题，还要考虑防洪、取水等水利工程。因此，在航道整治工程规划和设计时，整治工程方案的制定和整治参数的确定不能只考虑航道整治目标，还要考虑整治工程对其他水利设施的影响;整治建筑物材料和结构形式的选择，不仅与航道整治工程的任务有关，而且受制于当地材料的供给和环境保护的需求。

运量预测、航道通过能力等软科学知识与水面线计算、挖槽稳定性分析等硬科学知识的糅合，航道整治工程与其他水利工程间的协调，以及技术因素与非技术因素的综合使得航道整治知识经验呈现多维度性，对教师知识储备和教学技巧等提供了挑战。

二、教学的内在要求

本节结合航道整治知识结构特征、建构主义理论和当代工程教育理念，总结了航道整治教学的三个内在要求：重视新旧知识内在联系的探讨，重视工程思维习惯的培养和教学理念、方法等的与时俱进。

（一）重视新旧知识内在联系的探讨

建构主义的学习理论认为学习是每个学生在已有知识和经验基础上的主动建构过程，工程教育专业认证强调“以学生为中心”的教育理念[5]。航道整治工程的复杂性和各工程的差异性使得其知识体系较为松散，由教师单纯灌输知识，不能调动学生积极性，因此需要主动建构新知识。

航道整治需要利用学科基础课程中的理论知识去解决实际工程问题，即新知识其实是旧知识的拓展。比如，航道整治规划参数的确定、整治效果分析等利用了水力学和河流动力学中的水流连续方程、运动方程和泥沙起动流速等基本方程和概念。

因此，在教学中重视新旧知识间的对比分析，建立新旧知识间的内在联系，可以协助学生巩固学科基础知识、同化新知识，不断巩固和发展其认知结构[6]。比如，在航道整治水力计算教学中让学生明确山区河道糙率和局部阻力系数确定方法与水力学课程中管道和明渠边界条件下糙率和局部阻力系数确定方法的异同;在整治水位造床流量法的教学中，探讨河流动力学河相理论中提到的造床流量和确定航道整治水位时使用的造床流量之间概念的差别及原因。

（二）重视工程思维习惯的培养

学科基础课程中的重要知识点大部分是在简单边界和规则流态条件下通过理性推导建立的，因此要重视推理过程。航道整治对象是实际河道，边界条件复杂多样，整治工程通常涉及多个维度的问题。因此，基于经过实践检验的假设从而简化复杂技术问题、技术与非技术因素综合是航道整治规划和设计中的重要思维方式。本文将这些学科基础课中很少涉及的思维方式统一归纳为“工程思维”。

“工程思維”在整个航道整治课程中应用非常广泛。经过实践检验的假设及其相应的经验处理方法是航道整治课程中的重要知识点。比如，基于相同水沙条件下河相关系基本一致这样的隐含假设，提出了超高设计水位法和平边滩水位法等确定整治水位的经验方法;采用水力学方法计算整治线宽度时，假设河道糙率和比降不变;计算山区河道急流段挖槽扩卡工程后的水面线时，通常假设扩卡后局部阻力系数与缩窄比例的比值不变。航道整治问题的开放不确定性通常导致经验方法的多样性，因此要重视比较不同方法的适用性，适当地选择经验方法。对于航道发展成熟的河段，整治参数的确定方法和整治建筑物的选择可以参照已建工程。

航道整治规划和设计除考虑航道工程任务和目标外，还要考虑整治工程对其他水利工程的影响，以及整治工程的社会经济和生态环境效盖。比如，整治工程方案比选时不能只依据整治效果，还要进行防洪评估、经济评估和环境评估;整治工程建筑物材料和结构形式的选择除整治任务和目标的考量外，还要考虑材料在当地的供应能力及材料的环保性能等。

“工程思维”的培养是工程范式下工程教育的首要任务，是“整体工程观”和“回归工程实践”理念贯彻落实的重要环节[7]。

（三）教学理念、方法和内容与时俱进

随着社会经济发展需求和科学技术的发展，工程教育教学理念和方法在不断地调整和改进。近年来，为应对第四次工业革命的需求和挑战，国内外提出了新工程教育转型、工程教育融合创新等教育改革理念，对工程教育改革的方向及如何培养学生提出了思考[8-11]。2016年我国加入了《华盛顿协议》，协议中工程教育认证通用标准是从社会对解决复杂工程问题的人才需求出发建立的[12]。互联网技术的发展推动着传统教学模式的改革，雨课堂、慕课、翻转课堂和微课等的合理应用，改善了师生之间的互动方式，更好地激发了学生的学习兴趣，有利于创新实践人才的培养[13]。

工程教育的使命是培养社会经济发展需要的工程人才，最终目标是服务于社会经济发展需求，因此工程教学理念、方法和内容与时俱进是工程教育最终目标实现的保障，也是航道整治教学的内在要求。

三、教学改革及效果

航道整治课知识结构特征的分析和航道整治教学内在要求的总结，为教学改革提供了依据。本节从教学方法、教学内容和课程考核三方面对航道整治教学进行改革，并简单介绍改革效果。

（一）教学方法的完善

航道整治课包括32学时的理论教学课程和为期一周的课程设计。理论教学的目标是让学生掌握各章节的知识重点和难点，结合工程案例分析与探讨让学生学会工程思维并熟练使用专业术语进行论述;课程设计的目标是促使学生复习和巩固航道整治课程知识点，深入认识航道整治规划、设计的基本原则、原理和方法，掌握整治效果评估的基本方法。

建构主义学习观十分强调意义建构、情境、协作和对话等。为此，利用2个学时的理论教学课时进行现场教学，带领学生参观物理模型实验室，现场向学生讲解模型的设计、建立和应用等，结合工程案例，与学生一起探讨工程的背景、工程的目的、实施过程和实施效果等。通过直观的见闻和现场的交流互动，引导学生对工程设计进行整体、系统地思考，培养学生的“整体工程观”，促进学生对工程实践的认识。

互联网、多媒体和云技术等现代化信息技术为提高教学效率奠定了基础。比如课前利用“雨课堂”发布预习任务，一方面促使学生巩固已学知识，另一方面通过预习结果的反馈了解学生学习现状、调整课堂授课重点，使得课堂教学更有针对性，也有更多时间用于新旧知识之间的对比以及工程案例的讲解和探讨。

（二）教学内容的调整

随着航道整治工程实践的不断发展，整治工程规划理念、工程技术和材料在不断革新，教材中的内容往往落后于工程实践，甚至与工程实践脱节，因此需要对教学内容进行调整和补充。教学内容的调整与补充从两方面入手，一方面在授课时合理引入科研内容，让学生了解航道整治工程现状以及未来发展趋势，启发学生的创新思维。国内大学大部分教师都在承担教学工作的同时还从事科研活动，为教师以科研促教学提供了基础。最新工程实践和科研成果的引入，有助于学生拓展知识面，进一步完善以学科基础课旧知识和航道整治课程新知识为基础的知识结构，为学生未来职业生涯发展奠定更扎实的基础。

另一方面，发布撰写阅读报告任务，要求学生搜索和阅读科学文献，了解近10年开展的重要的航道整治工程，撰写阅读报告，并以PPT形式分享报告成果。閱读报告任务以分组协作的形式完成，不同组的文献阅读主题不同。以扬州大学港航1601班教学实践为例，在完成“航道整治工程设计”章节的教学后，发布阅读报告任务：要求学生利用两个星期时间按照给定主题搜索、下载文献并进行阅读，协作完成阅读报告，并在课堂中以PPT形式分享阅读报告成果。港航1601班共28位学生分成了7组，每个组4人，文献阅读的主题包括山区航道整治、长江中游河道整治、长江下游河道整治、河口整治、水利枢纽河段整治、分汊航道整治和弯曲航道整治。这种撰写阅读报告的任务不仅能让学生了解实际航道整治工程现状，接触最新的研究方法和成果，而且能够激发学生学习的兴趣，增加师生之间、学生与学生之间的沟通交流，锻炼学生交流和协作能力，培养学生熟练使用专业术语进行论述的习惯。

（三）考核方式的改革

教学方法、内容和课程考核是统一的整体，与教学方法完善、教学内容调整相对应，课程考核方式也需进行相应改革，从而满足航道整治教学的内在要求。原理论教学部分考核主要包括课堂表现、课后作业和闭卷考试三部分，比重分别为10%、20%和70%，改革后增加了课前预习、阅读报告两部分，课前预习通过雨课堂预习任务的完成情况来考核，阅读报告根据报告内容和PPT汇报情况来考核;课前预习、课堂表现、课后作业、阅读报告和闭卷考试五部分比重调整为15%，10%，10%，15%和50%。此外，在闭卷考试中引入开放性的案例分析题目，考核学生综合使用所学知识解决实际问题的能力，以及学生对专业词汇的熟练使用程度。课程设计考核包括课程设计期间表现和最终设计报告两部分，占比分别为30%和70%，此次改革并未做调整。

本课程教学改革在扬州大学港航1601班中进行了实验，对比港航1501班和1502班，教学改革增加了学生的学习热情，促进了师生之间的沟通。在课程设计任务不变的条件下，相比于港航1501班和1502班，港航1601班在河床演变分析、整治方案制定与论证中表现更好，能够更规范地使用专业术语进行论述，对整治任务和目标把握更准确，能合理地综合使用不同类型的整治建筑物组合制定整治方案。

四、结束语

航道整治课的教学不能忽视从前期学科基础课到航道整治课知识经验结构特征的转变及其带来的挑战。本文结合航道整治课程知识结构特征、建构主义理论和当代工程教育理念，总结出航道整治教学的三个内在要求，并依此进行了教学改革探索，实践证明改革确有成效。大三、大四工程专业课程教学通常都面临类似的挑战，因而本课程教学的思考和实践对其他类似专业课程具有很好的借鉴意义。

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