基于地域特色的“大土木”水力學課程建設與教學實踐*

鄭健　　王燕　　錢晨　　馬高生（蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050）

基于地域特色的“大土木”水力學課程建設與教學實踐*

鄭健王燕錢晨馬高生
（蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050）

西北黃土高原地區“大土木”水力學課程教學需結合工程背景與專業特色，目前的課程理論與教學實踐中存在諸多問題，須從教學內容、教學手段、教學方法、教學考核等方面結合教學實際進行改革與創新，以適應新形勢下人才培養的需求。

地域特色；大土木；水力學；課程建設；教學實踐

一、背景

土木工程專業是理工科院校的核心專業，也是培養一切與水、土、文化相關的“復合型”工程技術人才的搖籃，在全國基礎建設與管理人才培養中起著重要作用。根據教育部專業調整，土木工程專業涵蓋了礦井建設、建筑工程、城鎮建設（部分）、土木工程、交通土建工程、工業設備安裝工程、飯店工程、涉外建筑工程等八個專業，使該專業具有多學科、寬口徑、綜合性強和人文素質要求高的特點［1］。我校處于黃土高原地區，土木工程專業人才培養中突出地域特色，以解決西北地區地域性土木工程問題為己任，構筑了土木工程結構抗震與減震控制、黃土與濕陷性黃土工程和地質災害治理、大跨度空間結構與鋼結構、結構健康診斷及檢測加固等特色學科研究方向。“水力學”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一門學科，廣泛應用于水利工程、土木工程、地質工程、環境工程等相關專業［2］，具有較強的理論性與工程應用性。作為土木工程專業的專業基礎課程，水力學是將數理等基本理論課程與專業課程銜接的橋梁，承擔著“承前啟后”的重要作用。如何在專業改革與社會發展中適應變化，結合專業特色，優化課程內容與教學方法，以適應新形勢下“大土木”課程體系建設與專業培養的需求，是水力學課程教學實踐改革的重要任務。

二、現狀分析

（一）“大土木”對水力學的需求與挑戰

土木工程專業涉及面廣，地上房屋建筑、地下建筑、橋梁和道路設計與建造均在其專業范圍之內，其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，有較強實踐技能的，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。它的主干課程包括材料力學、結構力學、水力學、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，從中可以看出水力學是土木工程專業人才培養不可或缺的。

人類生存和生活都離不開水，“大土木”與水存在著千絲萬縷的聯系。隨著科學的發展，防洪、河道治理、灌溉、交通運輸、水力發電等都離不開水力學的專門知識和對水流運動規律的深入認識；同時，地鐵、跨海大橋、高層建筑等工程建設也需要人們對水的滲流理論有深刻理解和掌握。而在西北濕陷性黃土地區，高層房屋及地鐵工程的修建更需要人們把握水的滲流機理和特性，這對水力學的課程教學和研究提出了新的挑戰，也促進水力學學科的發展。

“大土木”的轉變對水力學課程的挑戰主要表現在：（1）隨著學校招生規模的不斷擴大，上課人數急劇增加，由以前的小班授課改為多個自然班合并的大班授課，人數通常在150人左右，由于光線等方面原因，以前“黑板+粉筆”的授課方式已不適應目前的上課需求，影響教學效果；（2）由于水力學課程開設在第四學期，而“大土木”前提下學生后續專業方向不同，各專業課程不同，使水力學與專業課的過渡復雜。水力學課程是前期數理基礎課與后期專業課的紐帶，使學生對水的力學特性及工程應用有初步認識，但“大土木”的跨度大、涵蓋面廣、學科方向多，導致水力學與后續專業課程的銜接必須淡化專業針對性、提高綜合性；（3）水力學與高等數學、理論力學、材料力學等聯系緊密，而學生前期的學習基礎層次不齊，如何將水力學中基本理論的復雜推導由求解“微積分應用題”轉化對“物理本質”的簡單描述，使不同層次的學生都能理解，提高學習興趣和積極性；（4）目前“大土木”形式下人才本科培養目標是滿足社會需求的應用型土木工程人才，這決定了授課內容的工程性，教學過程中要結合各專業特色，培養學生綜合分析、解決實際工程問題的意識和能力。

*基金項目：蘭州理工大學教學研究項目（編號：JY2013027）

作者簡介：鄭健（1981，06-），男，甘肅會寧人，博士，副教授，主要從事水力學及水利水電工程專業的教學與研究。

（二）目前教學中的不足與問題

如何在“大土木”下提高土木工程專業《水力學》課程的教學效果，使各方向學生均具有良好的知識結構和專業素質，便于后期學習和工作，是筆者一直在思考的問題。通過多年的教學實踐和調研，發現目前教學中普遍存在的一些問題：（1）學生對課程的重要性認識不足。由于“大土木”下，許多學生更重視混凝土結構、鋼結構、結構設計、房屋建筑等專業課，認為以后從事的工作只限于“土”與“木”，而與“水”不相干，對水力學這門課程不重視，投入精力較少；（2）教學大綱存在偏差。目前教學大綱中多注重理論知識的講解，輕視學生實踐技能與動手能力的培養，致使學生認識不到水力學課程的工程應用性，認為與自身專業關系不大，造成理論知識與實際脫離；（3）課時量短，教學內容深入不夠。土木工程專業的水力學課程僅為32學時，該課時量只能對水力學的三大基本方程和管道、渠道流動的水力計算進行講解，雖然對水的流動特性和力學規律有一定認識，但缺乏水在各類后續專業涉及到的實際工程實例應用的講解，這在土木工程領域是一塊較為重要的內容，導致學生無法深入理解課程內容；（4）缺乏實踐教學環節。由于教學資源與條件的限制，目前許多院校土木工程專業的水力學課程都沒有相匹配的實踐環節，使學生對初次接觸的流體力學知識很難消化，例如漸變流過流斷面的測壓管水頭齊平、各種流動損失的產生、雷諾實驗現象等；（5）與固體力學課程區別較大。水力學是流體力學的分支，與固體力學最大的特點是考慮液體的粘性，其運動的最小單元是液體質點，常采用歐拉法進行研究，而不像固體力學采用質點系法，學生由于長期接觸固體力學，很難將思維轉變到水力學的研究上；（6）教學手段單一。大班授課的教學模式，對力學類課程應用傳統的“黑板+粉筆”教學手段提出了挑戰，只采用傳統教學方法，存在后排、側面學生看不清楚的問題，而采用多媒體輔助教學，需要學生高度集中，跟上老師的節奏，如何更好的結合這兩者，避免班級中學生成績兩級分化嚴重的現象，也是值得探索的問題。

三、課程建設與教學實踐

（一）優化課程內容

隨著學科和社會需求的發展，“大土木”形式下的水力學課程不應該一成不變，應結合專業方向和教改實踐，對課程知識結構和教學內容進行更新和優化，以便有限的課時內高質量的完成課程教學任務，提高教學效果。

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，加強課程的工程性，簡化了一些偏于深奧的機理內容，例如浮體、紊流運動等理論，保證“液體靜力學”、“三大方程”等重要知識的內容有足夠的講授課時，同時對長管、短管水力計算的基本類型和工程應用等用實例進行講解，吸引學生興趣，加深學生理解；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、將流動基本概念進行整合，使重點能夠更加突出，將明渠流、給水管網等只作一般介紹。

刪舊增新，與時俱進。采取“刪、減、并、增”的思路，對一些落后的課程內容予以刪除，例如在講滲流理論時只講達西定律等；對水力學的基本理論和優秀課程內容進行整合吸收；對水力學與流體力學的最新研究成果，引入課堂教學中，例如邊界層理論以及湍流的數值計算、點源的擴散等內容引入課堂，擴大學生知識面，同時增加學生興趣，培養學生創新思維能力。

精心準備，完善內容。水力學屬于工程性較強的課程，為了能讓學生更好地理解水的流動特性，并對三大方程及水流損失有更深刻的理解，我們修訂了教學大綱，增加了教學實踐環節，開設了流體靜壓強、文丘里管、動量方程、雷諾實驗、流動演示等實驗，加強學生對教學內容的理解，提高實踐動手能力；同時，在教學過程中，將課程內容結合工程項目進行講授，加強學生對課本知識的深入領會，最大限度的完善教學內容。

（二）改革教學手段

理論與實踐并重。水力學是力學特性與工程應用性都較強的學科，在教學過程中，需對理論與實踐并重，改革教學手段。傳統教學中，主要是老師滿堂灌，輕視對學生創造力的培養，在以后的教學過程中，需要對理論講授、分組討論、實例引導等綜合起來，構筑多樣靈活的教學方法，啟發學生的創造性。同時注重學生實踐能力的培養，把“工程搬進課堂”，在教學過程中插入工程實際，培養學生工程意識和對所學知識的消化吸收。帶領學生體會《淺談都江堰工程中流體力學原理的運用》［3］中所涉及的流體靜力學與動力學原理，通過了解《蘭州地區大厚度自重濕陷性黃土場地浸水試驗綜合觀測研究》［4］與《蘭州新區濕陷性黃土地基處理》［5］等內容使學生了解水的滲流特性及工程常見問題的處理方法，潛移默化地培養學生的工程實踐能力。

板書與多媒體互補。在教學過程中，采用板書與現代多媒體技術相結合的方式，理論推導、教學互動等方面可采用傳統的板書方式，以清晰學生思路并加深學習印象；而在復雜圖形演示和一些工程實例等方面可采用多媒體的圖像、視頻、動畫等手段，以直觀生動的現場形象演示，易于學生認識和接受。同時，對一些了解性的課程內容，也可采用多媒體講解，以加快課程進度，余留更多的課時于較難理解的復雜理論和實踐互動環節。根據教學內容靈活選用，揚長避短，優勢互補，使基本原理理論、實例講解內容得以有機組合與巧妙編排，重點突出，使學生的易于吸收和掌握。

微課程與翻轉課堂教學方法相結合。通過微課程視頻將重點知識提供給學生，使學生自己去學習和探索，并設計“為什么？”，“怎么用？”等問題，從而改變傳統教育中“以教為主”，而以學生為中心，開發和培養學生的創新能力。而翻轉課堂，通過課前的微課程視頻，學生自學，在課堂中通過與教師的討論和交流來完成知識的吸收和升華，成為“以學為主”的創新教學方式［6］。本學期針對短管水力計算，采用了該教學模式，發現學生對新的教學方法特別好奇，也踴躍探討問題，起到了較好的教學效果，但教學時間控制還需要進一步把握。

（三）提高學生興趣

興趣是最好的老師。由于學生剛開始接觸具體工程實際問題，加之基礎理論薄弱，創新思維不夠，普遍反映“水力學”難學，導致學習積極性不高。針對該問題，筆者結合在該門課程教學中的切身體會，認為培養學生興趣是促進該課程高效講授的關鍵。緒論對激發學生學習興趣上非常重要，在“大土木”下，緒論中要針對不同專業，采用視頻影像等手段，展示工程應用實例，引起學生重視。例如對土木工程的學生，可以講為什么進行邊坡襯砌和設計排水孔，對道路與橋梁方向的學生可以講黃土地區路段的施工、路基排水和防滲處理等。同時，可以播放都江堰、三峽大壩等著名工程的設計原理，或者臺風下波濤洶涌的海浪資料來使學生生動、形象的認識水的各種物理性質。在講授每一章開始的時候，清晰闡述該部分內容的學習目的，讓學生有的放矢，在章節結束時加上內容討論，加強教學互動，從而調動學生學習的積極性。

（四）改進考核方法

考核是衡量教學效果的主要手段。傳統的閉卷考核方式已不適應素質教育下水力學課程的考核。通過改革，實行了多途徑、多方面的綜合考核，加大了對學生主觀思考與實踐動手能力的考核。在考試內容上，減少主觀題，加大客觀題的比重；在考試方法上，由原來的閉卷考試，實行了開卷的考試，允許學生帶課本，主要考察學生應用知識的能力，避免學生死記硬背公式；在層次上，有20%的考核題目加大了難度和靈活性；在考試范圍上，加上了實踐考核。這樣極大地調動了學生的積極性，對促進課程教學及提高學生的綜合素質有明顯效果。

四、結束語

“水力學”課程是“大土木”專業的主干課程，屬于專業基礎課，承擔著“承前啟后”的重任，其教學有內在規律。通過上述改革與實踐，基于地域特色，針對課程教學的特點與重點，在教學安排上做到以基本理論為主線，強調工程應用的專業針對性和實踐環節的主觀能動性。在教學方法上，突出啟發式研究性教學，做到講清整體輪廓、闡明主要概念、指引學生自導公式、培養學生獨立思考和解決實際問題的能力，從而培養學生的綜合素質，為社會輸出更多更好的專門人才。

［1］崔武文，韓紅霞，王喜燕.案例教學在土木工程專業課程教學中的應用［J］.教育探索，2007，5：51-52.

［2］吳持恭.水力學（第四版）［M］.高等教育出版社，2008，1.

［3］劉玉泉，朱克勤.淺談都江堰工程中流體力學原理的運用［J］.力學與實踐，2008，30（4）：102-103.

［4］姚志華，黃雪峰，陳正漢，等.蘭州地區大厚度自重濕陷性黃土場地浸水試驗綜合觀測研究［J］.巖土工程學報，2012（1）：65-74.

［5］陳海軍.蘭州新區濕陷性黃土地基處理［J］.西安科技大學學報，2014，34（2）：204-209.

［6］張武威，曾天山，黃宇星.微課程與翻轉課堂相結合的教學方法創新應用［J］.課程教材教法，2014，34（7）：10-17.

Teaching content and method of hydraulics curriculum for great civil engineering specialty in western China should combine the engineering background and specialty characteristics，especially in loess plateau areas. There are many problems existed in present course theory and teaching process，and reforms and innovations must be conducted to adapt to the requirement of talent cultivation under new situations.The changes in curriculum instruction should pay more attention to teaching content，teaching means，teaching methods and teaching examination.

regional characteristics；great civil engineering；hydraulics；curriculum construction；teaching practice

2096-000X（2016）16-0080-03

G642

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