“水力學”課程工程化教學方法研究
——基于虛擬仿真方式

楊 蘭，戚曉明，潘爭偉，武心嘉，汪艷芳

（蚌埠學院 機械與車輛工程學院，安徽 蚌埠233030）

“水力學”是水利水電工程專業重要的專業基礎課程，也是本專業研究生入學考試的主要專業科目之一，對基礎課程和專業課程的學習具有承上啟下的作用［1］。水力學基本理論在工農業生產的很多部門應用廣泛，如水利水電工程、石油化工、建筑、交通運輸等領域往往都會有和液體運動相關的技術問題，這些問題的解決都要具備水力學的理論知識［2］。實際上，與流體、氣體流動相關的專業都是以水力學為理論基礎。該課程的學習為學生以后從事水力發電、給水排水、道路橋涵、農田排灌、防洪除澇、河道整治及港口工程等方面的工程研究打下基礎。隨著社會經濟的發展，蓬勃發展的經濟建設提出了越來越復雜的水力學問題，如高濃度泥沙河流的治理、高水頭水力發電的開發、輸油干管的敷設、采油平臺的建造、河流湖泊海港污染的防治等?！八W”課程隨水力學技術的快速發展而不斷更新，涉及的知識多、范圍廣，具有很強的理論性和實用性。課程的學習，不僅要求學生掌握水力學相關的基本理論和應用技能，更重要的是培養他們的獨立思考問題和解決實際問題的能力。

一、工程理念引領

隨著新工業革命的快速發展，不斷涌現出新的技術和產業、國家重大戰略的實施、舊產業的轉型和發展等方面都迫切要求新工科的大力建設。目前，我國正在實施創新驅動發展、“中國制造2025”、“互聯網+”等一系列重大戰略，因此迫切需要培養新興工程科技人才，以推動科技、教育、生產制造等方面的發展［3］。新興工程科技人才的培養需要大力提升學生在工程實踐應用方面的創新能力，這就要在制定高校的專業培養方案時以創新型工程教育思想、工程化的理念為指導，滲透到教師的備課、上課和課后輔導中去［4］，將工程化的思想貫穿到每一位學生的學習中，促使其參加具體的工程實踐活動。

二、課程教學的現狀

蚌埠學院水利水工程專業采用四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室編寫的第五版《水力學（上）》，共72學時，其中60學時的理論教學，12學時的實驗教學。教材包含了水靜力學、液體運動的流束理論、流動阻力及水頭損失、有壓管道流動、明渠流動、堰流及閘孔出流、水利銜接與消能、滲流等11章的內容，教學體系完整?！八W”學習過程中，理論公式較多，且推導過程復雜［5］，涉及到高等數學、理論力學中的一些計算和理論原理，將理論應用于實際工程時又引出大量的經驗公式和經驗常數，學生在學習應用過程中感到迷茫。水力學研究以水為代表的液體和不可壓縮的氣體，由靜態到動態，由作用力到能量，使水力學具有與其他力學不同的特殊性，課程的這些特點決定了教與學具有較大的難度。

在傳統的課程教學中，關于水力學在實際工程中的應用一般以單純的理論講解為主，過程抽象、乏味，導致學生學習興趣不高［6］。理論課程采用多媒體PPT授課，外加部分動畫演示，增加學生對一些水流特征的理解，但是講授仍偏于理論，與工程實踐脫離，教學效果不理想。按教學大綱要求，傳統實驗教學只是對基本的6個實驗項目采用實驗臺的形式進行，缺乏創新，不利于學生對基本理論的掌握和應用。同時，實驗項目固定，實驗室又不能完全開放，學生除簡單的驗證性實驗外，很難有機會進行實踐。學生的實踐能力提高有限，主觀能動性、創造性沒有得到很好的發揮，不足以滿足“工程化”教學的要求。

在綜合研究背景和現狀的基礎上，將軟件仿真技術引入水力學的理論和實驗教學過程中，通過“項目式、工程化”的教學方法與課程教學結合在一起，構建基于“仿真任務→掌握理論背景→理論教學→仿真驗證及優化→知識拓展”的實驗教學模式。充分發揮現有的實驗條件，更新教學內容，多樣化教學手段，加強學生對知識點的掌握，培養學生分析問題和解決問題的能力，以期為人才培養模式的深層次探索提供一定的研究基礎。

三、基于虛擬仿真的工程化教學改革

在”水力學”教學和實驗的過程中，通過計算流體力學軟件三維仿真和“工程化”思想從根本上激發學生的學習主動性，培養學生的工程實踐能力。

（一）基于仿真軟件可視化技術的課程教學模式

”水力學“教材中，許多基本概念如流場、流線等常采用一定的數學公式或抽象語言來描述，這對學生理解一些流動問題是非常抽象的。同時，水力學教學借助多媒體課件，以理論教學為主，課堂枯燥［7］。基于仿真軟件的可視化技術，在教學過程中邊講邊演示，讓學生能充分理解各種流動現象。教學過程可引入仿真實例，將原來抽象的流場用形象的云圖、矢量圖和等值面等直觀地顯示出來，甚至可以將流動過程通過視頻動態演示出來。例如講解圓柱繞流這一經典水力學問題時，通過Fluent軟件，動態的演示不同雷諾數時圓柱周圍的流動情況，Re=200時某一時刻圓柱繞流局部流場壓力等值線分布和渦量分布分別如圖1、圖2所示，幫助學生理解理論知識的同時加深學生的記憶，激發學生學習興趣。

圖1 圓柱繞流壓力等值線分布

圖2 圓柱繞流渦量分布

（二）基于軟件仿真的實驗教學模式

“水力學”課程中有較多的概念，理論知識比較抽象，一些流動形式和流態特征單純靠語言描述不夠清楚，而采用實驗的方式將抽象理論概念和復雜流動演示出來，可以讓學生更加深刻的理解。水力學核心實驗包括靜水壓強、雷諾實驗、能量方程、局部水頭損失、沿程水頭損失、孔口管嘴出流、流譜流線、水擊等，均為演示性和驗證性實驗。學校配套有專門的水力學實驗室，實驗模式固定，在演示性實驗中，學生聽教師講解為主，觀察其中的現象；驗證性試驗是在課堂理論教學中已經得到相關實驗結果或規律，通過實驗加以驗證，對學生在學習過程中的一些想法無從驗證，缺乏創新。

除了對基本知識點進行仿真教學外，利用Gam-bit、Fluent、Flow-3d、tecplot等軟件對經典的流體力學問題、教學重難點內容完成相關實驗任務，見表1。實驗任務與工程實際應用結合，學生可根據自己的興趣點選擇喜歡的題目，要求學生通過對相關理論背景、理論知識學習后建模，并對模型進行仿真驗證，形成基于“仿真任務→掌握理論背景→理論教學→仿真驗證及優化→知識拓展”的實驗教學模式，提高學生的工程素養。

表1 仿真性項目

（三）基于軟件仿真的“項目式、工程化”教學模式

“水力學”課程主要研究以水為代表的液體的平衡規律和運動規律，并將基本規律應用于實際工程中，研究對象具有復雜性。學生在課程學習之前掌握的專業知識較少，工程認知缺乏，只是聽得多、見得少。解決常見的水利工程實際問題都具有很強的實踐性。學生在設計計算時，甚至不知道相應水工建筑物的名稱和用途，如渡槽、虹吸管等各種明渠輸水管道的水力計算問題，大壩等擋水建筑物、導流洞、溢流壩等泄水建筑物的設計和計算［8］。大部分學生以機械學習為主，體會不到所學習的理論知識是用在哪些實際工程問題中。長期以往，學生會因為缺乏工程認識而對學習感到迷茫，學習的積極主動性會有所降低。因此，在教學過程中應該注意培養學生的工程意識，將理論知識和工程實際聯系起來，提高學生的設計能力和解決問題的能力。

隨著社會經濟的不斷發展，對技能型人才的要求越來越高，且需求量也增大。為了使學生在畢業之后更快的適應專業工作，在課程教學過程中，可以結合水力學在各個部門領域如水利水電工程、建筑工程、交通運輸、石油化工等的工程應用實例加以介紹和分析，使學生對水力學理論有更直觀的認識?！绊椖渴健⒐こ袒苯虒W模式就是將與教學內容密切相關，可直接用于教學的科研項目、工程案例納入教學實踐環節，通過教師的引導、講解，學生自行查閱資料、討論、CFD軟件仿真、分析結果解決問題，在此過程中培養學生分析問題、解決問題的能力，提升科研技能和科研素養。一般情況下，專業教師均有各自的水利工程項目，很多是可以作為教學案例的，從中選擇合適教學的項目、片段供學生課后去模擬實踐。工程案例可以是從網絡、設計院或水利事業單位收集的實際工程設計報告、水力計算書等供學生計算實踐。學生在課外自主學習，通過自己發掘問題、解決問題，提高學習的積極主動性，找到其中的樂趣，培養出更高水平的實用性人才［9］。將理論知識應用于實際工程中，對理論知識獲取新的認知和體會，同時也增強了學生的自信心。

（四）基于網絡教學平臺的全方位課程評價體系

通過考評可以有效檢驗教師的教學方法和學生的學習效果。蚌埠學院現行的課程考評制度是以學期期末考試成績為主（占總成績的70%），平時成績包括考勤、作業、課堂表現和實驗成績等占總成績的30%。這種情況使部分平時出勤較低或上課表現不佳的同學，只在期末考試前突擊復習，憑著卷面分數而減小和平時表現積極同學的差距，這對平時表現較好的學生的積極性會有一定的影響。

為了更加客觀、真實的體現考評結果，課程評價應該是針對學生學習的全過程，包括學習前的預習、基礎知識的了解情況，學習過程中的具體表現和學習后在知識、能力、態度方面的改變［10］?！皩W習通”是基于移動教學理念的移動終端 （智能手機）結合互聯網及網絡教學平臺，為實施互動式課堂教學等新興教學理念和教學形式而開發的移動應用。通過“學習通”網絡學習平臺，課前教師在電腦或手機上通過學習通APP創建課程和班級，上傳相關資料，發布預習要求，查看學生完成、訪問情況；課堂中，通過手機學習APP發布簽到、選人、搶答、投票等活動，調動學生的積極性；章節學習結束之后發布作業、章節測試、討論等活動，考察學生的綜合成績。同時，對于實驗成績應該有一定的重視，提高所占比重。采用線上考核與線下考核相結合的方式，使教學行為更加完整，更有利于培養學生創新精神，更加注重學習能力的培養。

四、結語

根據蚌埠學院“工程化、應用型”的辦學定位，結合“水力學”課程的具體特點對課程的教學方法進行研究，提出了以“項目式、工程化”教學理念為指導，基于虛擬仿真的理論教學、實驗教學方法。將流體力學軟件仿真可視化技術引入課堂的理論教學，將具體的工程案例融入教學環節，構建基于“仿真任務→掌握理論背景→理論教學→仿真驗證及優化→知識拓展”的實驗教學模式，并結合“學習通”網絡教學平臺構建全方位課程評價體系。實踐表明，這種教學模式從根本上激發了學生學習的積極主動性，對學生的工程素質、實踐能力有了很大的提升。