少學時水力學教學改革和達成度分析

何子干，趙志軍，肖 婧，胡世平

(長沙學院土木工程學院，湖南 長沙 410022)

水力學為應用型本科高校土木工程專業的一門專業限修課.通過對本課程的學習，使學生理解水力學在我國的發展進程，掌握水力學理論和實驗運用，為畢業設計和今后從事地質勘測、工程設計、施工等工作打下基礎.

水力學主要研究液體宏觀機械運動的規律及其在工程中應用，液體以水體為主要研究對象.可分為三大部分：水靜力學，水動力學，工程中的水力計算.通常將水靜力學，水動力學劃分在水力學基本原理(理論)部分，將工程中的水力計算劃分在工程水力學范疇內.

1 水力學課程教學改革的背景

《水力學》[1]課程由兩大部分組成，即水力學基本原理和工程水力學.土木類學生通過本門課程的學習，不僅要掌握水力學的基本理論，更重要的是掌握水力學的相關應用.在許多高等院校的少學時水力學教學大綱中，水力學一般安排45-50個學時[2,3]，而我院水力學總學時數減少至32(理論課時24，實驗課時8)學時，但是教學內容基本不變，這給授課教師和學生都帶來了巨大的挑戰，教師和學生都在趕進度.而且，教學內容不能與時俱進，即隨著學科的發展及時更新.又由于該課程與水利專業聯系密切，不少土木類學生概念理解困難，加之本課程公式繁多，理論推導較復雜，課程內容與課時比較大，導致一些學生對本課程的學習缺乏信心和目的性，方向不明則得過且過，使整個年級水力學課程的學習成績離散度較大.針對課時少，內容多，公式繁，概念雜的特點，筆者對近幾年《水力學》課程的教學改革進行了一些探索和歸納，并結合正在進行的專業認證，對本課程的2017版教學大綱要求的達成度進行了分析.

2 水力學課程教學改革的內容與方法

2.1 教學改革的內容

《水力學》是力學的一個分支，是我院學生的必修課.課程概括為兩部分內容：水力學基本原理和工程水力學兩部分.前者講述水力學基本原理和概念，是本門課程的基礎，學生必須堅實掌握這部分內容.為此，筆者在水力學教材的選擇上，仍然堅持選擇了傳統的最新優質教材(四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室編.水力學.北京：高等教育出版社，2016.4(第五版))，安排理論授課約18-20學時.后者就是水力學基本原理在工程中的應用，由于總課時的限制，僅能安排4-6個學時講授有壓管流和明渠恒定流動，因此，不能面面俱到，須重點突破.如圖1所示問題：

已知舊鋼管總長L=L1+L2+L3=100m，鋼管直徑d=800m，糙率n=0.01，各局部水頭損失系數分別為：ζ進口=0.5，ζ轉彎=0.3， ζ出口=1.0，求管中流量Q.

圖1 工程水力學問題

就是水力學基本原理在工程中的典型應用，涉及了本教材前四章大部分內容和公式.先將糙率代入曼寧公式求出謝才系數，再用謝才公式求出沿程水頭損失系數，接著用能量方程解出此管道系統的流量系數(涉及到沿程水頭損失和局部水頭損失)，最后，質量守恒得到流量.講透此問題，水力學在工程中的應用之門隨之打開，起到了事半功倍的效果.

筆者認為：掌握了堅實牢固的水力學基本原理和概念，工程水力學的學習和工作中的應用及自學沒有理論上的障礙.例如，有壓管道系統流動，明渠流動，堰流及閘孔出流，水流銜接和消能等都是工程水力學問題，看似復雜且流動形態各異，但萬變不離其宗，這些流動都受到水力學基本原理(方程)的控制，只要清楚了其流動特點(邊界條件)，逐個應用基本原理即可.

2.2 教學改革的探討

2.2.1 以應用能力培養為導向，改變傳統的教學模式

圖2 等壓面問題

2.2.2 教學方法多樣化

傳統的板書既費時間，圖像效果又差，水流運動過程也無法逼真表現，如，流線展示、層流和紊流的轉換和顯示，壓力體圖示等.而這正是多媒體大顯身手的機會[1，4，5]，它可以充分演示水流動態過程，如采用動畫和視頻錄像的方式演示管道和明渠流動、原型觀測和模型試驗的錄像演示挑流消能、堰流及孔口出流，以及相關數值模擬結果的計算機圖示等，增強了學生對相關原理的理解，擴大了知識面.但是，多媒體也存在停留時間短、跳躍性強等不足.在公式推導時不能依靠多媒體，教師要嚴格逐步利用黑板板書推導，以期加深學生的印象.有條件和學時允許時，進行原型觀測和模型實驗也大有益處，如在本校教學中安排了以下五個實驗：1靜水壓強測試；2動量方程驗證；3流線演示和虹吸管演示；4沿程阻力系數測定；5滲流實驗.增加了感性認識，理論與實際得到了良性的融合，也強化了學生的動手能力.

3 專業認證中的達成度分析

2018年11月長沙學院土木工程專業首次申請專業認證，其理念是：以學生為中心，以成果為導向的教學、教育、培養過程和結果得到跟蹤、評價與改進.

2011-2015級五屆學生學習時土木學院采用的2013教學大綱培養方案沒有安排水力學限修課(2011-2014級)，或未安排實驗課時(2015級)，故表一僅給出了近三屆學生(采用2017教學大綱培養方案)的總成績(含60%書面考查成績、20%實驗成績和20%平時成績)分布，可見平均成績逐年明顯得到提高，學習成績達到了持續改進的效果.

圖3近三屆學生總成績分布圖

3.1 評價對象

土木工程專業2016級路橋2班、2016級建筑2班、2017級土木4班和2017級土木6班的所有學生.

3.2 課程所支撐的指標體系

本課程支撐土木工程專業要求中2個指標點，教學內容對應關系如表1所列：

3.3 評價依據的合理性

本課程包括理論和實驗教學兩部分.教學環節占總分的比例：

平時成績占20%(含作業、課堂表現和考勤)；實驗成績占20%；期末考查成績占60%.

實驗成績由教師根據實驗報告、實驗結果展示和實驗操作等綜合評定，具備開展水力學實驗、測量和分析實驗數據，獲得正確結果的能力，以達到畢業要求指標點4.1的要求.若實驗成績不及格，則總成績不及格.

期末考查采用筆試(開卷，只可以看教材或參考書)形式，題型包括填空、選擇、簡答(判斷)、論述和計算等.考核內容應體現綜合運用基本概念、基本原理和計算方法進行水靜力學和動力學中的壓強、流速、水頭損失和受力等的計算，從而具備水力學工程問題設計、校核計算的能力，考核成績支撐畢業指標點2.1.如果學生的期末考查成績未達到50分，則平時各項考核成績不計入總評成績.

表1 本課程支撐土木工程專業要求的2個指標點和教學目標

3.4 課程評價和達成度分析

課程評價和達成度分析情況列于表2和表3.

通過對表2的近三年本門課程指標體系達成度分析，可以看出學生對基本概念和基本性質的試題完成情況較好，但在靈活運用知識解決實際問題方面有所欠缺.表四則表明這三屆學生評價值呈逐年上升的趨勢，但由于學生屆數較少，肯定的結論要在后續教學中得以驗證.在今后的教學中，在講透原理的基礎上，要緊密結合實際工程，靈活運用基本概念和基本原理分析和解決問題，幫助學生提高綜合運用水力學知識的能力.此外，要及時做好作業、課堂提問等記錄，以便了解學生對有關內容的掌握程度，對作業中錯誤較為集中的內容進行集中糾正，以引起這些學生的重視，提高教學效果.

表2 2016-2018學年《水力學》課程指標體系達成度計算

表3 課程達成度評價結果表—水力學

4 結論

以應用型本科人才培養為導向的土木類專業《水力學》課程教學改革，在學時總量安排(24+8)較少的情況下，要完成以前約45學時的內容教學，難度非常大，必須有所為有所不為.我們的做法是：安排較多學時用于講透水力學基本原理和基本理論，同時安排足夠的作業，使學生掌握較堅實的水力學理論，為工程水力學的學習和工作中的應用及自學解決理論障礙.通過不斷加強《水力學》課程教學改革，熟練應用靈活多樣的教學方法，科學組織教學內容，提高其應用能力，評價依據合理，最終得到了教學成績持續改進，課程達成度結果持續提高的效果.