港航《专业导论》课程中的实验教学建设与实践

杨闻宇，刘春嵘，张振伟，傅丹娟，陈小云，王秋吟

（厦门理工学院土木工程与建筑学院，福建 厦门 361024）

1 引言

《专业导论》是港口航道与海岸工程专业的一门重要的专业基础课，同时又是港口水工建筑物、港口规划与布置等后续专业课程的基础。其课程目标为通过本课程的学习，力求培养学生对港口工程、航道工程、海岸工程的基本内容有整体的认识，并了解港口航道与海岸工程考虑问题的思路，全面扼要地掌握专业基本知识和概念，了解当代港航工程科学的发展，为以后的继续学习和教学工作打下坚实的基础。因此，《专业导论》课程的教学质量对引导学生学习兴趣，培养学生的专业认同感起着重要的作用，对学生后续的学习、就业、考研等方面起着重要的导向作用。

在《专业导论》的教学过程中，存在传统课程体系与学生学习规律不匹配、教学形式单一等问题[1,2]。各高校在教学过程中不断探索《专业导论》课程的课程定位、教学方法、教学内容等，例如，请一位资深专业教师主讲，或者多位专业教师轮流主讲，邀请工程技术人员开设专题讲座，将课堂讲解与现场参观教学相结合等多种教学方法[3-8]。课程学时设置上多为16 个学时。

我校港口航道与海岸工程专业对于《专业导论》课程的教学也进行了不断地调整和探索。专业设立初期，《专业导论》课程安排在大一学年的第三学期，考虑到学生入学以后的适应期，急需对专业的了解，使学生迅速找到专业的归属感和认同感，所以从大一学年第三学期调整为大一学年第一学期。学时安排上，由最初的10 个理论学时加6 个校外实践课时，改为全部16 个理论学时，再改为目前的6 个理论学时，10 个实践学时。教学方式主要为多位专任教师轮流主讲。课程的调整增加了实践学时，旨在提高学生的动手能力，提高学生对于专业的感性认识，激发学生学习兴趣。

在《专业导论》课程学时、学期调整的背景下，为了能够达到课程的培养目标，开展了满足教学目标的实验教学设计。

2 专业导论实验教学设计

在实验教学内容的设计上，既要适应学生现有的知识结构，避免过难的知识点和复杂的实验操作，又要求实验具有趣味性、科学性、探索性，更要体现出专业特色。就需要在实验内容设计上寻找这些要求的平衡。新生入学后，除基本的常识和原有的理论背景，对港航专业的内容了解甚少，因此，在实验教学内容设计上要考虑教学内容的广度和深度，广度上涵盖今后学习的主要专业知识点，深度上要点到为止，以观察性、规律性探究的定性实验为主，又要求有一定的启发性，注重与后续专业基础课和专业课程的引导和衔接。因此，如何平衡学生现有知识体系与课程实验教学内容的关系，是《专业导论》课程实验教学设计的难点之一。

实验教学的组织设计上，力求要求学生广泛的参与性和互动性，培养其动手能力。如何让每个学生有事可做，参与其中，是实验教学设计的另一个难点。

根据《水利类教学质量国家标准》以及本专业的培养方案，港航专业的核心课程包括：理论力学、材料力学、结构力学、水力学、土力学、工程制图、CAD 制图、工程水文学、河流动力学、海岸动力学、航道整治、混凝土结构设计原理、港口规划与布置、港口水工建筑物、水运工程施工。

波浪、泥沙、水工结构物是港口航道与海岸工程专业研究的主要对象[9]。在综合考虑港航专业核心课程的基础上，初步探索设计了包括规则波浪观测实验、防波堤消波实验、泥沙重力特性和水力特性实验等。

3 实验教学实践

3.1 规则波浪观测实验

波浪是港口航道与海岸工程中面临的主要动力因素，在港口建设、堤防和护岸的设计和建设中起着重要的作用[10,11]。因此，了解认识波浪是非常必要的，也是本专业的特色之一。

本实验的目的包括：①了解实验室内的造波方式；②测量描述波浪信息的参数，包括波高、周期、波长。

波浪观测实验在小型波浪流循环水槽及自制的小水槽进行。①小型波浪流循环水槽总长35m，净宽0.7m，净深0.8m，最高水位0.6m，底架高0.55m，水槽总高1.35m。该水槽采用推板式造波装置，造波周期0.5～5 秒，最大设计波高0.2m，配有波高测量仪。②自制的演示小水槽断面尺寸30cm×20cm，长12m。造波采用摇板式自制造波装置。

实验过程中，讲解了推板式、摇板式、下压式等不同的造波方式，并让同学们进行了实际的体验和操作，使同学们了解了机构的机械运动形式，例如，曲柄连杆机构的运动（对应理论力学课程），并观察波浪的传播规律，并采用标尺、秒表、手机等方便易行的工具对波高、周期、波长等波浪参数进行了测量。图1 为波浪观测实验现场。

图1 波浪观测实验现场

在对波浪有了基础认识后，从简易测量方式提升到实验室专有仪器测量，通过小型波浪流循环水槽，学习推板式造波系统的操作，波高仪的标定和使用，并按照要求制造指定参数的波浪（对应海岸动力学课程）。

3.2 防波堤消波实验

防波堤用来防护港口水域不受风浪的影响，保证船舶在港内安全的停泊和进行装卸作业，是重要的水工建筑物[12]。

在演示小水槽进行波浪观测实验，该水槽并未安装消波装置，学生可以观察到波浪传播到水槽端部的反射现象，造成入射波和反射波的叠加，由此引入消波的概念。此外，通过将简易的模型放入波浪水槽内，学生观察模型在波浪作用下出现了上下的周期运动，不利于船舶的安全停泊和装卸作业，引出防波堤的作用，使学生理解为什么要建设防波堤。

设计的防波堤消波实验，让学生在水槽后半段搭建堆石防波堤和堆沙防波堤。本实验的目的包括：①了解防波堤的结构，及其在港口工程中的作用；②搭建堆石防波堤，测量防波堤的几何尺寸；③测量堆石防波堤堤前和堤后的波高，评价堆石防波堤的消波效果；④搭建堆沙坝防波堤，测量其几何尺寸；⑤测量堆沙防波堤堤前和堤后的波高，评价堆沙防波堤的消波效果。

实验过程中，让学生用石子、河沙等材料搭建防波堤，通过标尺等工具测量防波堤前后的波高，评价防波堤的消波效果，学生发现堆石防波堤的消浪效果较好。堆沙防波堤在波浪作用下发生了泥沙运动，沙峰被削弱，迎水面越来约平坦，背水面变陡峭。图2 和图3 分别为学生搭建的防波堤实验现场。

图2 堆石防波堤实验现场

图3 堆沙防波堤实验现场

3.3 泥沙重力特性和水力特性实验

泥沙的运动和输运将会引起河床的冲刷和淤积现象，会对港口工程、航道工程和海岸工程的建设和施工造成影响[13]。因此，了解泥沙的物理特性显得尤为必要，是后续专业课程学习的基础。

本实验目的：①了解描述泥沙几何特性的参数：泥沙粒径；②测量干燥条件下，泥沙的休止角；③测量静水条件下，泥沙的水下休止角；④观察、测量泥沙的沉降特性，包括小石子在静水中的沉降过程，少量沙在静水中的沉降过程，大量沙在静水中的沉降和分层现象。

从堆石和堆沙防波堤的实验中，学生接触到了常见的工程材料石子和沙子。进而引导学生思考泥沙的几何特性如何描述，讲解泥沙粒径的测量方式：筛分法和水析法。让学生观测泥沙在干燥条件和静水条件下的水下休止角，如图4 所示。此外，利用量筒等工具让学生观测了小石子、少量泥沙和大量泥沙的静水沉降过程，如图5 所示。通过手机拍摄小石子的沉降下落轨迹，观察少量泥沙和大量泥沙的沉降过程，观察大量泥沙沉降后的分层现象，大颗粒泥沙在下层，小颗粒泥沙在上层，如图5 所示。

图4 泥沙休止角测量

图5 泥沙沉降实验

由于选用的泥沙为河沙，沙粒表面附着有微小的黏土，因此，静水实验中还观察到了异重流的运动现象，向静水中倾倒河沙时，微小的黏土在水中形成了异重流（异重流是挟沙水流的一种特殊运动形式，指两种密度相差不大、可以相混的流体,在条件适宜时因密度差异而产生的相对运动,在运动过程中不发生全局性的紊动和掺混[14,15]），形成于水槽底部，一直运动到水槽端部，如图6 所示，可以看出异重流在13 秒的时间内运动了约3.5cm。

图6 异重流的运动现象

4 结论

为了提高港航《专业导论》课程的教学质量，充分发挥课程的导向作用，激发学生学习兴趣，进行了专业导论课程实验教学的探索，设计了包括规则波浪观测实验、防波堤消波实验、泥沙重力特性和水力特性等实验。学生在实验过程中动手操作，观察到了较为有趣的港工实验现象，引发对自然物理规律和专业方向的思考，能够起到较好的专业导向作用。