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1、 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：G642 文献标志码：A ：2096-000X（2021）30-0117-04Abstract： There are dif
2、ferent 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 struc
3、ture， 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 aspe
4、ct 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
5、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
6、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。
7、（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
8、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
9、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
10、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、
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
