新工科背景下水力學實驗教學模式探索

張艷 白相東 關成堯 宋洋 孔慧敏

摘要：本文在新工科背景下，結合本校辦學定位和地學專業特色，經過探索和研究，提出了實驗教學的多極化體系。該體系分為四級，為基本理論驗證性教學實驗，基本理論設計性實驗，工程型、研究型設計性綜合提高實驗和開放創新型實驗。該體系層層遞進，級級拔高，潛移默化中提高學生各項能力。本次改革為應用型本科水力學類課程實驗建設與改革提供了可借鑒的經驗與示范。

關鍵詞：水力學；實驗教學；教學改革；多極化；新工科

中圖分類號：P315.8 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）24-0269-03

近期，教育部啟動了“新工科研究與實踐”項目，引起了工程教育界的廣泛關注。這是對傳統工程人才培養教育的一個挑戰，也是針對現今我國工科人才培養定位不清晰，工科教學理科化的改革。“新工科”重點在于“新”，即新興、新型和新生，新學科的產生，傳統學科的轉型和學科交叉[1]。新工科要求培養出的人才要能適應未來新興產業或行業發展，要有強的實踐力、創新力和競爭力，要具有學科交叉融合的特征，要能快速學習新知識、新技術并有解決問題的能力[2，3]。

水力學課程是工科類院校水利、土木、環境等專業的一門專業基礎課程，是研究水的宏觀機械運動規律（水靜力學和水動力學）及其在工程技術中的應用[4，5]。課程理論最終是要為相應的工程領域服務，所以該課程是一門以實用為目的的應用型課程，應以培養實踐能力強的學生為目標[6]。水力學實驗就是一個實踐能力培養的環節，是理論教學的補充，可鞏固課堂理論教學知識，同時培養動手操作能力，豐富實踐操作知識[7]。本文將在新工科背景下探討實驗教學模式的改革。

一、實驗教學模式改革的必要性

傳統的實驗教學以“教”為主，如水力學基礎理論實驗教學多為演示性、驗證性實驗，教師講解，學生按照教師講解步驟操作驗證理論，缺乏創新，很難激發學生自主學習與創新興趣，不利于培養學生創新意識和創新能力。另外，由于實驗系統不夠完善、功能單一，水力學實驗教學也應向多元化發展[8]。所以水力學實驗教學改革首先應該改變傳統的“以教為主”的實驗教學方法，發展為“以實踐為主”、“啟發式教學”為主，由學生被動接受轉變為培養學生獨立思考、獨立分析、自我更新知識的能力，教會學生分析問題、解決問題的方法。這個培養目標應該貫穿于整個實驗教學過程，著重訓練學生應用現有的實驗設備，獨立完成實驗設計，注重實驗數據的采集、分析整理、得出結論及誤差分析的過程訓練。鼓勵學生采集大量數據，啟發學生應用EXCEL、MATLAB、SPSS等數據處理軟件進行分析、歸納擬合方程或制作圖表，然后在理論教學過程中對學生的實驗結果進行討論，培養學生選擇最優方案的意識。這樣既驗證了實驗內容，又訓練了學生分析、歸納、總結實驗數據和實驗現象的能力。

二、實驗教學模式改革的目標

針對新工科理論下的人才培養目標要求：多學科交叉，適應新技術、新產業和新經濟的快速發展，培養具備整合能力、全球視野、領導能力、實踐能力的復合型、綜合性人才。人才培養模式要求將通識教育與工程教育、實踐教育與理論教學，工程教育與行業企業相聯系[9]。

本次實驗教學模式改革目標：改變學生被動、惰性的學習習慣，培養學生的團隊合作能力和主動思考，主動查閱資料，能將多學科知識結合進行實驗，并從實驗中舉一反三，得到更適用于實際應用的實驗操作過程及結論的能力。

三、實驗教學新模式的建立

實驗教學的新模式需要建立一套實驗教學的培訓體系。這個體系是要能夠服務于多目標的。為了服務于多目標，就需要根據目標的不同而實現實驗內容的分級化。

1.實驗內容分級化。根據學生的個體差異和對學生培養層次的不同要求，實驗內容應實施“多級化”，設計級別為四級：

一級為基本理論驗證性教學實驗，通過該類實驗，驗證課堂理論知識，讓學生加深對理論知識的理解，掌握溫度、壓力、流速、流量等基本物理量測量技術。該級實驗訓練目標：掌握基本實驗方法和技能。

二級為基本理論設計性實驗，該類實驗以課內基本理論為基礎，與教學實驗不重復的前提下進行實驗設計。該級實驗訓練目標：使學生充分發揮主觀能動性和創造性思維，具備自主探索精神，分析問題、解決問題的能力。

三級為工程型、研究型設計性綜合提高實驗，該類實驗是由具有應用背景的工程性實驗或結合教師科研項目為背景的理論性實驗組成。該類實驗更具綜合性，更突出實際問題中知識的多學科交叉性。該級實驗訓練目標：培養學生團隊合作、創新、自學、動手、綜合應用能力。

四級為開放創新型實驗，該類實驗針對課內學時少，實驗設備少，學生學習興趣和主動性差異大等特點建立。該級實驗訓練目標：充分挖掘學生興趣點，調動學生主動性，擴充基礎理論知識和拔高學生的動手操作能力。

2.實驗內容的實踐。（1）基本理論驗證性教學實驗。本校水力學實驗室已有課內教學實驗項目8個，雷諾實驗、沿程阻力系數實驗、伯努利方程驗證實驗、局部水頭損失實驗、恒動總流動量方程實驗5個驗證性實驗，及流譜流線演示實驗3個。通過課內教學實驗驗證水流運動的基本規律，測定公式中的待定系數，學會使用水力學實驗基本量測儀器，掌握基本操作技能，掌握分析實驗數據，整理實驗成果，完成實驗報告的過程。該類型實驗的執行重心為教師，教師先講解實驗原理、步驟、現象。學生再操作觀察，記錄數據，處理數據，完成報告。（2）基本理論設計性實驗。該類實驗仍屬課內實驗，即應用課內理論知識設計實驗，但執行重點轉移為以學生為執行主體，教師為輔助引導，即著重發揮學生的主觀能動性與創造性，以培養學生獨立思考能力和自主設計能力為目標。該類實驗屬半設計性實驗，教師先根據理論知識和實驗條件創設小型實驗項目，一般一個項目對應一個知識點，學生在規定的實驗項目內選擇，在給定的實驗條件下，充分利用已有的實驗器材組合實驗裝置，甚至可以改裝已有實驗裝置。學生用課內時間進行實驗，在實驗過程中教師需全程輔導，引導學生思路并及時更正學生在操作過程中出現的問題。本校開出的基本理論設計性實驗項目有：①水靜力學基本方程驗證實驗；②毛細力影響因素實驗；③恒定總流連續性方程驗證實驗；④孔口和管嘴出流流量比較實驗；⑤管道自由出流和淹沒出流流量比較實驗；⑥液體黏滯系數測定實驗；⑦彎管局部水頭損失的測量實驗。開出項目都未做教學實驗，完全由學生根據課內理論知識設計。實驗要求3人一組，選定項目后自行設計實驗步驟，不可使用教學實驗操作步驟。在教師確定其可行性后，學生可利用本校水力學實驗室現有的實驗條件自行安裝調試實驗設備，但不可完全使用教學實驗裝置，記錄整理實驗數據，書寫實驗報告，匯報實驗成果。小組成員在整個過程中，應輪流參與，并做合理分工。如學生根據水靜力學基本原理Z+■=C，自行設計了：①測壓管、U型管、差壓計測量某點的靜水壓強；②等壓面是水平面的條件；③觀察真空現象，計算真空值等內容。設計多樣化，真正體現了學生思考及創新的想法、對知識靈活運用和超強的動手能力，所以應該給學生更多的機會展示他們的能力、培養他們的能力。（3）工程型、研究型設計性綜合提高實驗。在新工科背景下開設重應用、重學科交叉、重能力培養的實驗類型，是非常有必要的，也是一個新的挑戰。該類實驗重在將理論知識的延伸，與其他學科交叉，與工程實例結合，也要求教師要不斷擴展知識面，提高自身教學實驗素質，而不能只局限于課本知識或本專業知識。如，根據不同專業設置針對不同專業特色的實驗項目。以地下水科學與工程專業為例，以地下水在巖石空隙中的滲流特征為主。課程因學時少，不能詳細講解滲流章節，但可以在該類實驗中設置滲流實驗專題，如地下水一維、二維滲流過程中滲透系數如何求解，潛水含水層潛水面毛細上升高度影響因素等等。再如與地質學專業中的沉積學學科交叉，地質學專業不學水力學，但沉積學中河流沉積的動力學作用是與水力學相關的，河流凹岸、凸岸的形成及形成速率，水平層理、交錯層理等沉積層理形成的水動力條件等，都可在實驗室中進行模擬。（4）開放創新型實驗。開放性實驗完全以學生為主體，學生自行選擇實驗項目（不限類型），自行安排實驗時間，學校實驗室全天向學生開放，教師只做項目可行性及最終結果的把關。開放實驗可與課內實驗結合，也可與設計綜合性實驗結合，但需不同于課內各類實驗，有創新性，也可與課外科技活動（科技競賽）、教師教科研項目相結合。以完全開放的方式，調動學生自主學習的積極性。我校為鼓勵學生參加科研活動，特設了“大學生創新項目”，并給予一定的資金資助，學生可自立課題申報，也可依托教師科研項目申報。

3.實驗考核方法改進。實驗內容課程化，即嚴格規范實驗課程，完善實驗考核制度。將實驗課提到與理論課同等重要的地位。實驗課設置考核機制，分為三類實驗考核，基本理論驗證實驗占40%，設計性實驗占40%，開放實驗占20%。基本理論驗證實驗考核包括實驗過程表現和實驗報告，所占比例分別為60%和40%。設計性實驗考核內容分為實驗設計、實驗過程綜合表現、實驗報告、實驗匯報四個部分，所占比例分別為30%、30%、30%、10%，實驗內容要求新穎，不依賴于課內教學實驗內容及操作過程，不可互相抄襲。開放實驗只考核實驗報告。

4.教學效果。（1）效果評價。新的實驗教學模式應用以來，取得了很好的效果。“多級化”的實驗體系，內容從簡單到復雜，從單一到綜合，多次重復應用課內知識點，加深對知識點的理解，逐級培養學生的動手能力、建立實驗思維和創新精神。實驗體系的重建和考核制度實施以來，實驗課的教學效果確有改善，學生們對實驗課的學習態度由被動式接受轉變成了主動式討論與探索，以前一些旁觀的學生、不愿動手的學生也參與進來，甚至有的學生主動申請進實驗室做一些自己感興趣的小實驗。當學生真正融入到實驗中，體會到動手操作的樂趣，體會到團隊合作的樂趣，體會到還能與其他所學專業知識結合，認清實驗操作對理解理論知識的重要性時，也就從本質上改變了對實驗課的認識。這是進行改革最重要的目的。（2）經驗思考。該套“多極化”實驗體系，從基本理論到實際工程應用，從基礎操作到靈活應用、舉一反三，整個過程層層遞進，級級拔高，潛移默化中提高了學生的各項能力。但在實施過程中，設計實驗題目內容以及類別的甄選，實驗過程的把控皆為難點。如本校為以地學為主的院校，在引導學生選擇綜合設計性實驗或開放實驗題目時，會結合學生已學地學基礎知識進行設計。所以題目的選擇、過程的把控需要教師在多次實際操作中總結出適合學生、適合學校性質、發展目標的經驗。

四、結語

經過幾年的探索和研究發現，多極化層層遞進的教學模式，能在潛移默化中提高學生的各項能力，降低學生對較難學科或不感興趣學科學習的抵觸心理。同時實驗教學體系的改革也是緊緊圍繞著我校培養應用型本科人才的辦學定位，結合了本專業課程需要和拓展了地學基礎課程的基礎上進行的，力爭帶動水力學課程的教學改革，為專業課程奠定扎實的專業技術基礎。

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