立足于知識背景的水力學課程教學實踐

祝鵬

摘 要 為了在課堂教學過程中幫助學生高效實現從讀懂數學到理解流動過程物理本質的轉變，本文開展了基于學生水力學知識背景的課堂教學實踐，并舉例對實踐過程進行闡述，同時針對實踐效果和需注意的問題進行了深入分析。

關鍵詞 知識背景 水力學 教學實踐

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.01.042

0 引言

作為流體力學的一部分，水力學主要以水為研究對象，分析其平衡和運動規律的具有較強理論性和實際工程意義的一門課程。在土木工程、市政工程、水利工程等專業中，水力學作為一門專業基礎課程對其他專業知識的學習影響深遠。

曾經有一位電子工程師談到他在大學學習數字信號課程時遇到一大堆數學公式，但只有在多年后的應用中才真正懂得什么是數字信號，水力學課程的學習也有類似之處。①水力學教師一般習慣于將教案中水力學理論知識按照其推導過程進行設計，在課堂講授時則一步一步詳細介紹其推導過程，其目的是讓學生清楚知道該理論的來源和數學依據，整個形式似乎是 “完美”的。但是，這樣的教學過程容易讓學生感覺水力學課程是“微積分的應用題”，不利于水力學課程“物理本質”的理解。

當然，水力學課程和其他力學課程一樣，與高等數學等基礎課程聯系密切，很多理論知識是利用數學知識推理而來，但是它又不同于數學，是一門具有實際物理意義的課程，這就是水力學和其它工程類專業基礎課程共同所具有的重要特點之一。為了讓學生在課堂學習的過程中能夠最高效地理解水力學課程的“物理本質”，而不是僅僅停留在“數學層面”上，這就要求水力學教師在教學過程中幫助學生實現從讀懂數學到理解流動過程物理本質這一轉變。筆者通過與學生的密切交流，在了解學生有關水力學知識背景的前提下開展了基于學生水力學知識背景的課堂教學實踐。通過在兩屆土木專業學生水力學課程上的課堂教學實踐，立足于水力學知識背景的教學方法在幫助學生課堂上加強對水力學物理本質的認識上取得了很好效果。下面就立足于水力學知識背景的教學方法舉兩個具體的例子進行闡述。

1 立足于知識背景的教學實踐舉例

我們在對“重力作用下流體靜壓強的分布規律”②一節進行教案設計時，往往習慣開始于歐拉平衡微分方程的綜合式表達式 = （ + + ），隨后分析作用在流體上的質量力只有重力情況下的單位質量力，將各方向單位質量力代入該式，經過縝密的微積分推導得到重力作用下流體靜力學基本方程 + = 。這個過程理論性強而且流暢，是許多教師習慣的課堂講授過程。其實，對學生而言，在中學物理課中就已經知道靜水的壓強表達式為 = 和 = + 。如果我們從學生已掌握的水力學知識背景出發，在教案設計中首先開始于 = 和 = + ，分析對比后得到重力作用下流體靜力學基本方程 + = ，如圖1所示。這樣的過程將更有利于學生對 + = 背后所代表的物理意義的理解。同時，這也是一個由已知到未知的過程，符合學生對知識的認知規律。這一過程弱化了微積分推導過程，讓學生學習的重點不在推導過程，而是在對水力學概念及其物理意義的認知上。顯然，立足于知識背景進行水力學教案設計和課堂講授更有利于加強和加速學生對水力學知識物理本質的理解。

水力學知識背景不僅僅局限于我們生活中的水力學常識，水力學課程前部分所學知識即為后部分知識學習過程中的知識背景。教學過程中充分利用已學的水力學知識，融會貫通，前后知識的比較和分析，可加深學生對新知識的理解，特別是對水力學問題物理本質的理解。例如，我們在對“伯努利方程”一節進行教案設計時，將其與前面靜力學知識建立類比關系進行分析，如圖2所示。顯然，通過與靜力學知識物理意義的類比更加加深了學生對伯努利方程背后所代表的物理意義的理解。

將新學知識建立在已學知識的基礎上，新知識和已學知識進行類比的教學設計，不僅幫助學生將整個水力學課程所需要掌握的知識內容貫穿起來，形成一張相互關聯的知識網，有利于了解各內容內在的本質聯系，而且通過這種類比更加有利于快速高效地掌握新知識背后所代表的物理本質。

2 實踐效果與思考

多年來，許多教師開展了有關水力學課程教學的研究工作，通過一系列的教學方法和教學模式的改進和創新，使得教學效果有了顯著的提高。基于學生的水力學知識背景開展課程教學實踐，對課程內容的講授靈活變通，一方面不僅有利于節約課堂教學時間，適應高校教學體制變革和學分制深入開展過程中水力學課堂學時縮減的實情，同時也豐富了教學方式，對改變課堂沉悶狀態、調動學生課堂積極思考有一定的促進作用；另一方面也更加有利于幫助學生實現從讀懂數學到理解流動的物理本質這一轉變，加強學生對水力學知識點的掌握及其物理意義的理解。

但是，在以水力學知識背景為出發點的教學過程中也需要注意一些問題。一方面，教師要在開課之前必須對學生所掌握的知識背景進行深入細致的了解，只有了解了學生的知識背景程度才能設計好課程教案；另一方面，教師必須全面而準確地把握水力學課堂內容，吃透教材，將課程內容巧妙地與學生的知識背景聯系起來。

基金項目：南昌大學教改基金項目（項目編號：NCUJG LX-13-1-88）

注釋

① 張鳴遠.對工科流體力學教學改革的一些思考[C].力學課程報告論壇論文集.高等教育出版社，2009：251-254.

② 禹華謙.工程流體力學（水力學）[M].西南交通大學出版社，2013.