水力學課程教學關鍵環(huán)節(jié)思考與探索

李娟

摘 要 在高度總結水力學課程特點的基礎上，針對教學過程中存在的問題，對水力學教學方法和教學過程中的關鍵環(huán)節(jié)進行思考與探索，增強教學與學習效果，為課程教學提供借鑒。

關鍵詞 水力學；實驗；多媒體

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）20-0103-03

Thought and Exploration of Key Links in Hydraulics Course Teaching//LI Juan

Abstract Based on the characteristics summary of the hydraulics course and problems in the teaching process， the teaching methods and key links were thought and explored deeply， which can enhance the teaching effect and provide some lessons to others.

Key words hydrologie； experiment； multimedia

1 前言

水力學課程是土木、水利類專業(yè)的一門必修課程，涉及水靜力學、液體運動的流束及流場理論、管道流動及明渠流動中水流運動時能量和動量的轉換、堰流及閘孔出流的水力計算、地下滲流的水力計算、建筑物的水流銜接與消能等多項重要內(nèi)容，是本科教學環(huán)節(jié)中要求較高、難度較大的一門課程[1-2]。本文在深入了解學生知識體系、高度總結課程特點的基礎上，對水力學課程的教學方法及關鍵環(huán)節(jié)進行思考與探索，以期增強教學效果，從而促進學生對相關知識的掌握理解和實際應用。

2 水力學課程特點

課程基礎覆蓋面廣 水力學課程是一門對基礎課程要求較高的課程，在課程學習過程中，要求學生掌握大學物理、高等數(shù)學、理論力學、材料力學等課程中的重要內(nèi)容，在此基礎上探尋液體平衡及運動狀態(tài)下的規(guī)律及應用。

基本概念多、理論性強 水力學課程涉及多項概念，對應的判別標準不同且容易混淆[3]。例如：流線定性反映液流的流速方向及大小，跡線反映液體質(zhì)點運動軌跡；依據(jù)運動要素是否隨時間變化判別恒定流與非恒定流，依據(jù)流線是否為平行直線判別均勻流與非均勻流；水流的形態(tài)分為層流及湍流，而水流的流態(tài)則分為緩流、急流與臨界

流；依據(jù)堰坎厚度與堰上水頭關系，堰流分為薄壁堰流、實用堰流與寬頂堰流，不同堰流具有不同的特點及計算方法等。

水力學課程理論性較強。自水靜力學至水動力學，涉及巴斯加壓強傳遞規(guī)律，連續(xù)性方程、能量方程及動量方程等三大方程，歐拉平衡微分方程式、納維—斯托克斯方程、達西公式等。每個公式均有復雜的推導過程和不同的應用條件，且往往是多個公式聯(lián)合運用才能解決某個具體問題，因此需要學生對所有理論熟練掌握并靈活加以運用。

與專業(yè)課程聯(lián)系緊密 水力學課程是水利類專業(yè)的專業(yè)基礎課[4]，是多門專業(yè)課程的基礎，其內(nèi)容與灌溉與排水工程學、水泵及水泵站、水工建筑物、土力學、工程地質(zhì)、水利工程施工、水工鋼結構等課程有機結合，互相聯(lián)系。

專業(yè)針對性強 水力學課程教材分為上下兩冊。依據(jù)本科生相關專業(yè)的教學計劃，上冊內(nèi)容多為水靜力學、液體運動的流束理論、液流形態(tài)及水頭損失、有壓管道的恒定流、明渠恒定均勻流與非均勻流，面向土木工程、交通工程、工程管理、水利工程等專業(yè)學生開設，要求掌握水靜力學基本規(guī)律、液體運動的三大方程、管道及渠道的簡單水力計算；下冊內(nèi)容多為水躍、堰流及閘孔出流、有壓管道非恒定流、水工建筑物下游的水流銜接與消能、液體運動的流場理論、滲流等，面向水利水電工程及農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)學生開設。相比上冊而言，下冊的理論性、實用性要求均有所提高。

3 教學過程中的重點、難點

課程內(nèi)容多為基于水靜力學基本理論和三大方程的實際應用問題。學生在學習過程中對于基本理論和三大方程的推導掌握較為輕松和熟練，但在實際應用過程中缺乏靈活性，存在以下主要問題。

三大方程的應用 連續(xù)性方程式考察斷面平均流速與斷面面積關系，理解和應用較為簡單；能量方程及動量方程的求解應注意方程的應用條件和建立求解過程。三大方程是基于恒定總流推導出來的質(zhì)量、能量與動量轉換關系，并且涉及利用斷面平均流速取代實際流速分布產(chǎn)生的誤差，因此，建立方程時一定要選擇恒定總流均勻流過水斷面；在求解實際問題時，注意能量方程變化量為上游斷面能量與下游斷面單位重量液體的能量差。為了準確應用能量方程，應首先選擇正確合適的水平基準面，對于明渠流動應選擇自由水面為計算帶標點，對于管道流動應選擇管道軸線為計算代表點；動量方程中的動量變化量為輸出動量與輸入動量之差，同時應選擇準確的控制體進行受力分析。受力分析時針對表面力（壓力和摩擦力）和質(zhì)量力（重力和慣性力）分別進行分析，建立的方程不易出錯。

圖形的繪制與輔助計算 課程中部分計算內(nèi)容可利用圖形進行輔助計算，如靜水壓強分布圖、壓力體圖、能量方程的圖示（總水頭線及測壓管水頭線）、明渠恒定非均勻漸變流的水面曲線、棱柱體地下河槽恒定簡便滲流的浸潤曲線等。

靜水壓強分布圖和壓力體圖是計算靜水總壓力的重要輔助圖形，在教學過程中應加入非常規(guī)圖形的講解與應用，促進圖形理論的理解和繪制的準確性。在進行壓力體圖繪制時，可加入中學物理中的阿基米德浮力定律，加深對壓力體的掌握與應用。能量方程的圖示包括總水頭線及測壓管水頭線。總水頭線一定是沿程下降且下降值為水頭損失，總水頭線與測壓管水頭線之間的鉛垂差值表示單位重量液體的流速水頭，對于管道入口、出口斷面應分析不同行近流速、不同壓強等情況下的實際表示。對于明渠恒定非均勻漸變流的水面曲線繪制，要分析并總結不同底坡、不同區(qū)域水面曲線的基本規(guī)律，并針對不同的渠道形式進行水面曲線的銜接分析，還可結合動畫展現(xiàn)不同尾水深度對于水面曲線形式的影響。對于棱柱體地下河槽恒定簡便滲流的浸潤曲線的教學，可聯(lián)系明渠水面曲線的繪制，分析滲流浸潤曲線同明渠水面曲線的異同點，促進理解掌握。endprint

工程實際問題的應用 理論學習的目的是解決工程中的實際問題。水躍、堰流、閘孔出流、泄水建筑物的水流銜接消能等問題，均為基本理論方程和工程的實際應用。此部分內(nèi)容中應適當加入工程實例，并通過適當?shù)恼n程設計促進學生對零星知識的系統(tǒng)整理和應用。

4 教學方法與關鍵環(huán)節(jié)的探索

依據(jù)課程特點，在傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學方法結合的水力學課程教學過程中，總結以下幾個可以增強教學效果的關鍵環(huán)節(jié)。

增強與學生的互動，豐富課堂內(nèi)容，提高學生學習興趣 由于工科課程內(nèi)容枯燥、學習難度大，學生畏難情緒明顯[1]。而興趣是學習最好的老師，因此，提高學生的學習興趣和主動性十分必要。現(xiàn)代多媒體與傳統(tǒng)教學方式的結合，突破了“教師主導講授”的傳統(tǒng)課堂教學方式，教學方式和內(nèi)容可豐富并多元化，可在課堂內(nèi)容基礎上，加入課程相關、引發(fā)學生關注的圖片、動畫、視頻等內(nèi)容，以提高學生學習興趣。

比如：在講到真空問題時，以生活中真空包裝的食物為例，講解部分真空和絕對真空之間的區(qū)別與聯(lián)系；講到水靜力學中的浮體與潛體的平衡時，加入東方之星客輪翻沉事件，讓學生分析潛體浮心與重心的關系，并自行分析浮體的平衡穩(wěn)定性，使其理論聯(lián)系實際；講到堰流與閘孔出流時，加入都江堰相關的圖文介紹，使其在享受水利文化的同時，了解堰流相關知識；在講到滲流管涌和流土變形破壞時，引用“千里之堤毀于蟻穴”的典故，結合壩體滲透變形破壞導致潰壩的實例，使得學生明白滲流破壞的嚴重性。

與此同時，可通過微信、QQ等學生較為喜歡的形式與學生建立和諧的師生關系，進一步進行互動溝通，及時了解學生群體的需求、思想與困難，并反饋至教學活動，從而增強教學效果。

整體認識，系統(tǒng)考慮，分塊解疑并前后聯(lián)系 在課程開課之初，先給學生介紹課程的相關內(nèi)容及要求，使其形成對課程的總體認識和基本框架；在每一章開始之初，介紹本章各節(jié)內(nèi)容的前后聯(lián)系與呼應，使其了解本章內(nèi)容的主線及所要解決的問題；針對每個章節(jié)學習的重點及難點，將其分解后與學生已有知識結構有機結合，逐步推導分析并形成相關結論。

另外，選用合適的教材并靈活加以運用。一般教材中前面內(nèi)容多為后面學習內(nèi)容的基礎，但任何課程的內(nèi)容均是前后聯(lián)系的，不應完全局限于教材章節(jié)的編排，而是將相關知識系統(tǒng)化后輻射講解。比如：講到第二章“能量方程中利用斷面平均流速取代實際的流速分布”后，應采用動能修正系數(shù)進行誤差的修正，可提前介入第三章“層流及湍流”概念，告訴學生除滲流中有部分層流外，工程中的管道流動、明渠流動水流均為流速分布較為均勻的湍流，動能修正系數(shù)可按1進行處理，使其將能量方程與實際工程相聯(lián)系；講到液體運動的加速度時，在講解時變加速度的基礎上，可提前介紹水力學下冊流場理論中的位變加速度概念，使得學生有對比性的認知；講到水躍部分時，提前介紹水躍的不同銜接形式，為第九章“泄水建筑物消能”內(nèi)容的掌握打好基礎。

加強課程間的聯(lián)系，并注重理論聯(lián)系實際 本科教育是專業(yè)教育，很多學生學習過程中經(jīng)常疑惑：學習這門課程的目的是什么？學了這門課程后如何應用？因此，課程間的聯(lián)系和課程體系的形成極為重要。在課程學習過程中，應幫助學生形成課程知識體系，并使學生建立課程與工程實踐之間的聯(lián)系，從而將所學知識應用于工程實踐。

水力學課程是水利類專業(yè)重要的基礎課程，其內(nèi)容涉及多門課程。例如：平面與曲面受到的靜水總壓力的計算，是水工鋼結構中閘門設計計算的重要基礎；有壓管道中的水泵揚程、流量、管路系統(tǒng)的水力計算等，是水泵與水泵站課程的重要內(nèi)容，涉及工程中水泵選型安裝等問題；管路系統(tǒng)中水頭損失的計算問題，是灌溉排水工程學中管路系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容；泄水建筑物水流銜接消能問題，是水工建筑物設計中的基礎知識；在實用堰勢能與動能轉化過程中，加入當?shù)啬硺蛩贿^高、建設溢流坎降低水位的實例，并演示對比建設前后水流形態(tài)圖片，使學生的學習更加生動。

組織課堂討論與典型習題研討并重視實驗環(huán)節(jié) 根據(jù)本科生培養(yǎng)目標和計劃，學生課程門類較多，每門課程的學時較為有限，教師可預先選擇考查知識點較為全面的典型性思考題及習題，組織學生進行課堂討論，從而快速高效地了解學生對于相關知識的掌握情況，并針對性地調(diào)整教學的側重點，取得事半功倍的效果。

另外，一般水力學上冊課程在第四學期開設，水力學下冊課程在第五學期開設，是專業(yè)基礎課程和專業(yè)課程的銜接與過渡階段，學生尚未參加工程實習與實踐，對于課程的理解還停留在表面認識上。此時應重視課程的實驗教學環(huán)節(jié)，通過學生的動手實驗，使其理論知識得以演示和驗證，從而加深學生對課程知識的理解與運用。

除此之外，教學內(nèi)容中可加入行業(yè)規(guī)范、標準和最新發(fā)展等，拓寬學生知識面，培養(yǎng)出更為優(yōu)秀的專業(yè)人才。

參考文獻

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