土木工程專業《水力學》課程特點與教學探索*

王 燕，鄭 健，韓 偉

（蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050）

土木工程專業《水力學》課程特點與教學探索*

王 燕，鄭 健，韓 偉

（蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050）

水力學是土木工程專業的一門專業基礎課，該課程具有理論性強、公式繁多、內容枯燥、學生難于掌握等特點，本研究結合多年教學經驗，提出從教學方法、教學手段、教學內容、實踐環節等多方面入手，注重所講內容的物理本質，采用板書與多媒體相結合的教學手段，加強實踐環節，將生活常識融入水力學理論教學，全面提高學生的學習興趣，從而提高教學效果。

土木工程；水力學；教學方法；實踐探索

隨著經濟結構轉型和產業結構優化升級，社會對人才結構的需求重心下移，除了需要大量的研發型科技精英人才外，更急需大批能促進科技成果轉化、帶動產業發展的專門應用型人才［1］。土木工程專業是理工科院校的傳統核心專業，也是培養一切與水、土、文化相關的“復合型”工程技術人才的主要專業，主要目標是培養適應工程建設需要的，有扎實基礎理論和專業知識的，有較強實踐能力的，能夠從事設計、研究、施工、教育、管理、投資、開發等工作的高級專門人才。因此，土木工程專業在全國基礎建設與相關領域管理人才的培養中起著非常重要作用。

水力學是土木工程專業的一門專業基礎課，在基礎課和專業課中起著承前啟后的橋梁作用，具有很強的理論性和實踐性。水力學在土木工程專業學科建設中的課程定位與在水利工程專業不同，所占的比重與學時都遠低于水利工程專業，導致學生對該課程重視程度不夠，常處于應付作業、惰于思考的被動學習狀態。面對日新月異的社會基礎建設發展現狀和激烈的就業前景，如何把學生培養成適應社會發展需要、具有扎實理論基礎、知識面廣、動手能力強的復合型人才，這是當前高教改革的中心任務［2］。如何通過教學環節的探索與改革，優化教學過程，使理論性強、公式繁多復雜、內容枯燥難于掌握的水力學課程教學變得生動、易于理解掌握，全面培養學生的興趣，變被動學習為主動學習，成為教學實踐中探索的主要問題［3，4］。

1 土木工程專業水力學課程特點

水力學是流體力學的一個分支，它是以水為研究對象，研究其宏觀機械運動規律及工程應用的學科，課程以高等數學、理論力學、大學物理等課程學習為基礎，理論性強，涉及范圍廣，實踐性和應用性也很強。從最早的大禹治水，到阿基米德《論浮體》著作的發表，再到將水引導用于灌溉、交通運輸、發電等，人類就一直在探索著水的靜止與運動規律，在不斷探索與生產實踐中發現和總結了大量定律及規律，為利用水資源及消除水患提供了理論基礎及應用方法。土木工程專業與水利工程專業不同，未來的就業環境和所從事的工作也有所差別，因此，水力學課程教學內容與水利工程專業在基礎概念、理論與分析方法上相同，但由于就業方向的不同，實際教育教學側重點與教學的方式方法當有所不同。水力學課程以培養適應社會就業為導向，教學改革要做到正確處理理論與實踐、知識與能力的關系，突出理論應用能力、綜合思維能力和實踐反思提升能力的培養［5］。要使教師便于施教、學生易于掌握，總結其一些特點，找到突破口，有的放矢，是十分必要的。根據多年教學經驗，筆者以為水力學在土木工程專業本科、專科生的學習中，具有以下特點：

1.1 獨特性強

水力學雖然是聯系“水”與“力學”的紐帶，但相對于其他力學課程來說，水具有流動性，這是固體力學所沒有的，同時由于水的粘滯性和靜止時無法承受剪切應力的特性，使其具有與其他力學完全不同的思維方法，與之相對應的當是不同的教學方式。而水力學課程中主要內容是水的宏觀機械運動規律和工程應用，從這個方面來講，水力學課程內容涉及范圍較廣，需要的知識更多，具有更大的獨立性。可以形象地說，水力學是一門“水物理學”［6］。

1.2 理論性、邏輯性強

水力學課程的基本概念、基本公式、經驗公式、半經驗公式比較多，與理論力學、材料力學等力學課程類似，在講課的過程中，需要有大量的理論公式及推導，理論性、邏輯性強，學生在學習過程中需要緊跟教材內容及教師的講解思路，循序漸進，才能系統、連貫地掌握整個課程知識體系。對于這一點，我們老師應該更注重教學方法，不讓這個似乎“完美”的推導過程變成“微積分的應用題”，而是對公式所揭示的“物理本質”有清楚的描述，使學生更容易理解。

1.3 實踐應用性強

水力學是人類認識水的運動規律并把它應用到工程實踐的一門學科，具有較強的工程應用性，因此，在教學過程中，需理論與實踐并重［7］。人類歷史發展過程中的治理洪水、防洪興利、水磨、水車、水力發電以及各類水工建筑物和防滲加固處理等，都是水的工程應用，可以說水力學是在人們生產生活的探索總結出來的，它是一門專業理論性和實踐性都較強的基礎課。因此，在進行水力學課程理論教學的同時，必須加強水力學課程的實踐教學環節，將各類水流運動的基本規律和實際工程及相關學科有機聯系起來，真正做到將所學知識準確地運用到實際生活生產實踐中去，這對鞏固課堂教學知識，培養學生的動手能力及加深理論知識的理解應用起到至關重要的作用。

1.4 專業針對性強

土木工程專業的專業課程主要包括土力學、建筑材料、混凝土結構、鋼結構、房屋結構、橋梁結構、道路勘測、施工技術與管理等課程，從中可以看出后期專業課與水利工程專業有很大的差別，因此，對水力學課程的教學內容也必須根據其專業特性進行相應傾斜，從而與專業課程有更好的銜接，也使學生能夠學以致用，在道路、橋梁、邊坡襯砌、防滲加固及地基處理等工程實踐中有更好的應用［8，9］。

2 水力學教學中的實踐探索

針對上述土木工程專業水力學課程的特點，筆者依據長期教學過程中存在的問題，結合專業背景，對當前土木工程專業水力學的教學內容與方法進行了大量有益的探索和改革。我們的總體目標是培養具有扎實的理論基礎，又具有實踐動手能力的，能夠獨立思考積極主動解決問題的專門技術人才。就如何做好水力學課程的教學工作，提出幾點看法。

2.1 立足知識背景，探求內容“物理本質”

水力學中涉及大量的公式推導，一般教師在講課過程中習慣于將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［3］。當然，水力學課程是以高等數學、理論力學為基礎的，與其聯系密切，很多理論知識是利用數學知識推理而來，但是為了讓學生在學習過程中，不僅僅停留在“數學層面”上，而是能夠更高效地理解水力學課程的“物理本質”，需要老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。例如，在講解歐拉法中液體質點通過任意空間坐標時的加流速時，可以從物理本質上說明加速度計算公式中各項的產生是由于空間位置發生了變化還是時間先后不同而產生了速度變化；同樣的，在講伯努利方程時，也可將方程中各項的物理本質進行講解，使學生對課程內容的理解不是停留在死記硬背或數學層面上，而是更深層次的物理本質乃至生活本質。通過長期教學的培養，使課堂講授對公式本質的了解由教學手段最終發展為心靈的自然轉化，使學生透過公式能夠看見所反映問題的本身物理意義，以及在工程中的應用價值，從而達到由理論到實踐的教學效果。

2.2 聯系生活實際，深入理解概念原理

水力學凝結了人類歷史發展過程中對水的認識與探索，其很多內容原理都可以在生活中找到相應的工程實例，在課堂中引入生活實例，可以使學生能夠更生動、清晰、深入的理解課程所學概念原理。例如，在講表面張力時，可以引入“露珠為什么是圓形的？”、“水在土壤中為什么只停留在作物耕作層，而沒有隨重力作用下滲？”等，啟發學生思考問題的能力，引發學生的學習興趣。在講解伯努利方程時，可以提問“人往高處走，水往低處流”這樣論據是否正確、“水是由流速高的地方流向流速低的地方嗎？”等問題，引導學生理解公式本質，加深理解，深化印象；在綜合考慮負壓及能量平衡和轉化原理時，還可以引入“列車車軌處的卷吸力”、“鼓風機的原理”等，以使學生深入理解位能、動能及壓能的相互轉化原理；在講平面所受靜水總壓力的計算時，可以舉例底面積相等，高度相等的不同形狀容器中，哪個容器充滿水時底面所受的壓力大等；在講解虹吸原理時，可以引入生活中魚缸的抽水換水原理，增加課堂的趣味性。

2.3 精選教學內容，靈活教學手段

隨著教學體制的改革，學分制的實行，理論課時縮短，土木工程專業的水力學課程學時也在縮短之列，因此，對課程教學內容應結合專業方向和知識結構進行優化，以便在有限的課時內高質量的完成課程教學任務。

消枝強干，突出重點。在課程教學過程中，結合土木工程專業的實際情況，并加強課程的工程性，簡化了一些偏于深奧的機理的講述內容，例如浮體、紊流運動等理論，保證了“液體靜力學”、“三大方程”等水力學最基本的內容有足夠的講授課時；同時，對水動力學的三大方程直接從物理學的基本定理和定律入手推導：從質量守恒原理推導連續性方程；從動能定理推導能量方程；從動量定律推導動量方程。實踐證明，這種模式既節省課時，又符合當前教學改革的目標，教學效果良好。對專業基礎內容，進行了內容整合與簡化，如將液體出流與管道流動進行了整合、將流動的一些基本概念進行了整合，使重點能夠更加突出，將明渠均勻流、給水管網等只采用多媒體課件進行簡單介紹。

與時俱進，刪舊增新。采取“刪、減、并、增”的思路，對于一些與土木工程相關性不大的課程內容予以刪除，例如液體的相對平衡、紊流運動機理、最佳水力斷面等內容進行了簡化，只采用多媒體的形式給以直觀展示；對于水力學的基本理論和優秀課程內容進行整合吸收；對于水力學與流體力學的最新研究成果，引入課堂內容的教學中，例如連續介質假設的使用條件、邊界層理論以及湍流的數值計算、點源的擴散等新的課程內容引入課堂，通過制作視頻文件，可以觀察局部能量損失原理，從而擴大學生的知識面，增加學生對課程的學習、探究興趣，培養學生創新思維能力。

2.4 傳統教學為主，多媒體教學為輔

水力學課程中，基本公式和經驗公式較多，在教學過程中，應該根據所講授的內容的重要性及邏輯性，選擇采用板書推導或多媒體講解，把多媒體教學與傳統板書教學有機結合，而不是把沒有感情的大屏幕變為教學主角。對課程中一些公式的推導，需要嚴密的邏輯性，則須采用板書推導，以使學生能跟上上課節奏，理解教師思路，對所學知識能更深入的把握。筆者在教學實踐中，通常采用板書推導，完成以后，再用多媒體課件整理一次思路，這樣使學生能夠再次加深理解，讓部分掉隊的同學也能夠了解所學知識，實踐證明起到了良好的教學效果。而一些抽象概念學生難以理解時，多媒體則可以化抽象為直觀，幫助學生理解、消化，例如，在雷諾實驗時講到流速較小時為層流，而流速大時各層流會形成渦體，流動中產生渦流。而這個由層流到穩流的演化過程可采用多媒體演示，化靜態授課為動態教學，不僅讓學生映像深刻，還激發了學生學習興趣，起到畫龍點睛的作用［7］。在講局部水頭損失時，可以將流動顯示實驗中的視頻插入多媒體播放，使學生了解不同形狀的邊界引起的渦及能量損失。“使一些難以用單一語言、文字、圖像來講解的概念能夠被清晰、透徹地理解”［8］。使學生能夠較好利用直觀的背景材料掌握理論知識，達到多重教學手段完美結合，提高教學質量的目的。

2.5 加強實踐環節，培養學生動手能力

實驗教學是水力學課程學習中的重要環節，通過實驗，學生可以對水的流動現象有直觀認識，加深對課堂所學理論知識的理解，培養學生的動手能力、獨立工作能力、分析和解決問題的能力。但是目前許多開設的實驗，實驗開始之前由老師負責把儀器設備安裝、調試完好，學生的實踐僅僅是依老師命令打開閥門、記錄數據，很少有學生思考實驗中用到的各種儀器、設備的作用，是否有更好的實驗設計方法［10］。針對這種情況及大學生普遍動手能力差的現狀，我們對實驗環節也進行了改革，特別要求學生實驗前先預習、實驗過程中每個學生對每個實驗都要親手操作、實驗結束后及時完成實驗報告，發現問題進行進一步講解。如果有實驗結果不符合規律時，要求重新做實驗。并且開設了流體相關的實驗創新課程，支持學生進行創新性研究，部分學生在試驗中還能夠提出新的實驗設計方案，有助于創新能力的培養。實驗教學彌補了理論教學的不足，對學生深入理解相關理論和動手能力的培養起到了關鍵作用。

水力學是土木工程專業的一門專業基礎課，本文根據土木工程專業水力學課程所具有的特點及在教學過程中存在的課程理論性強、公式繁多、內容枯燥、學生難于掌握等問題，結合多年教學經驗，提出從教學方法、教學手段、教學內容、實踐環節等多方面入手，注重所講內容的物理本質，采用板書與多媒體相結合的教學手段，加強實踐環節，將生活常識融入水力學理論教學，在教學內容及教學方法上進行有益的實踐與探索，全面提高學生的學習興趣，從而提高教學效果。

［1］ 董倩，黃林青，趙寶云.應用型本科土木工程專業實踐教學探索［J］.高等建筑教育，2011，20（5）：109-113.

［2］ 王文娥，呂宏興，張新燕.水力學課程教學方法改革探索［J］.黑龍江教育，2013，4：31-32.

［3］ 吳銀銀.論教師的實踐性知識與課堂教學有效性的提升［J］.西北師大學報（社會科學版），2015，52（5）：108-113.

［4］ 田祖安，高等學校水力學課程教學初探［J］.重慶科技學院學報（社會科學版），2007，（S）：62-63.

［5］ 趙振興.“水力學”國家精品課程建設的探索與實踐［J］.中國大學教學，2006，1：23-25.

［6］ 祝鵬.立足于知識背景的水力學課程教學實踐［J］.科教導刊，2011，1（中）：82-83.

［7］ 司春棣，韓會玲，齊清蘭，梁素韜.水力學教學中多媒體課件與板書的使用模式優化研究［J］.河北農業大學學報（農林教育版），2009，11（3）：351-354.

［8］ 劉麗，王林峰.水力學課程教學方法創新與教改探討［J］.科學咨詢，2010，34：123-124.

［9］ 何文學，陳冬云，李東風，等.《水力學》課程“123教學模式”的探索與實踐［J］.浙江水利水電專科學校學報，2012，24（4）：72-75.

［10］李曉麗，安進強，汪精海.水力學課程教學方法探討［J］.甘肅科技，2010，26（18）：184-186.

G718.5

蘭州理工大學教學研究項目（JY2013027）。