《水力學》課程教學探索與改革

陶軼洋

（中原科技學院,河南 鄭州）

一 引言

水力學是高等工科院校學生必修的一門專業基礎課，以液體為研究對象，采用高等數學、理論力學等學科為工具，探索液體在運動和靜止狀態下的平衡規律。因此，大多學校將該課程開展在第四、五學期。而這一時期的學生不僅面臨大量的專業課程學習，同時面臨長期應試教育導致的生活實踐匱乏的現狀，導致在知識傳授過程中，學生長期處于被動狀態，從而喪失了對專業的興趣和熱情[1-2]。這些便成為水力學課程開展的絆腳石。針對上述情形，本文通過分析教學現狀及存在的問題，提出從教學內容和教學方式入手的課程改革措施。

二 教學現狀及存在的問題

水力學教學過程中存在教學觀念老化、思政屬性欠缺、教學手段單一等問題，這些問題的存在增加了教學開展的難度，也反映在學生的課堂表現上，如果不能對這些問題給予足夠的重視，學生不僅會對該課程喪失興趣，也會助長學習無用論的氣焰[3-4]。

（一） 教學觀念老化

水力學作為基礎性學科，教學目的以傳授理論知識為主。理論知識傳授大多建立在模型假設和數學推導之上，對于數學基礎一般、理解能力有限的普通高校學生，力學本身就已經足夠抽象，再加上諱莫如深的理論推導，無疑加深了理論傳輸的難度。科學的推導過程是水力學的精華，作為課堂的主要內容也毋庸置疑，但是一味地強調水力學的科學性，不僅會讓教學過程過于枯燥，也會在冗長的推導過程中磨平學生對水力學的熱情，學生學習熱情的降低也必然會影響學生接受知識的程度。因此，在水力學教學中，需要改變這種以理論推導為主的教學觀念，適當增加一些包含水力學應用的奇聞趣事，一方面減少學生的為難情趣，也為嚴謹的科學教學增加一些人文情懷。同時大學的課堂也要注重對學生動手能力的培養，鼓勵學生自主設計檢驗水力學理論的道具，通過動手加強對理論知識的認知要比課堂上長篇大論的推導更容易被學生接受。

（二） 思政屬性欠缺

科學本身就是人類認識世界改造世界的過程，水力學作為一門科學，本身也強調用辯證法和唯物論去看待事物，水力學的探索發展過程也處處彰顯著理論指導實踐，實踐反作用于理論的內涵。然而由于水力學概念較多、理論推導多，在水力學的傳授過程中，理論傳授已經占據了大多課時，它的思政屬性也被埋沒在理論教學中，這讓水力學成了一門沒有溫度的學科，而背離了教育立德樹人的根本目標。適當融入一些思政元素可以為冰冷的科學升溫，讓學生從人文的角度去接受這門學科，也讓知識有了人情味，成為可以改變生活改變社會的工具。

（三） 教學手段單一

大學課程大多在多媒體教室進行，應用多媒體可以實現板書直觀性強，幫助學生理解、記憶、分析的功能。但是盡管配備的有先進的多媒體設施，課程的開展依然未擺脫板書刻板的印象，依然是以教師為主導的大段的公式講解[5]。這顯然違背了多媒體創新課堂、活躍氣氛的教學目的，在水力學中應該根據學科特點恰當運用多媒體展開教學。例如在傳授水跌和水悅特性時，應用多媒體實現圖、文、聲、像并茂的課堂教學，豐富學生在課堂上的感官，加深學生對概念的認知。同時而隨著手機的普及，更多的學生能夠通過網絡接受到新鮮事物，傳統的教學方式也深受網絡沖擊，這就需要教師結合網絡實現多渠道教學，豐富教學手段的過程實現知識傳遞。

以上諸多問題的存在對教學內容和教學方法提出了改革的需求，針對教學觀念老化、思政屬性欠缺、教學手段單一，本文提出從思政元素入手的教學內容改革和基于能力培養的教學方式改革措施。

三 課程思政理念下的教學內容改革

黨的十八大以來，習近平總書記在全國教育大會、全國高校思想政治工作會議上多次發表重要講話，反復強調要落實“立德樹人”的根本任務，抓好思政課建設。在水力學教學中融入思政元素也是大勢所趨[3,6-7]，可以通過貼近生活的教學案例、人文情懷的工程案例、科學研究的經典案例將勞動教育、文化教育、創新教育與人文精神融入課堂之中。

（一） 貼近生活的教學案例

針對土建專業開展的水力學以水利工程為教學案例，這符合土木工程方向學生的培養方向，卻增加了學生的理解難度，尤其是在水靜力學基礎和水動力學理論的學習上。最初的理論學習是為了讓學生面對工程案例時能提出合理的設計方案，而選擇專業性較強的工程案例來揭示其中的力學內涵反而會使水力學這門科學脫離了實際的感受。因此，一些貼近生活的案例會比中規中矩的工程案例更能揭示水力學中的理論內涵。比如，潛入游泳池后身體會隨著埋深增加的靜水壓強，接水的過程中根據壓強等值原理避免液體飛濺。生活的體驗無不揭示和應用著水力學的內涵，適當地融入這些貼近生活的案例，能給學生應用水力學解決實際問題提供思路。同時貼近生活的案例也會吸引學生將刻板的理論知識應用在生活之中，賦予學生觀察動手的機會，將勞動教育融入水力學的學習之中。

（二） 人文情懷的工程案例

在水力學中不乏大國工程作為教學案例來深化理論應用，但長期生活在學校家庭兩點一線的學生對于這些大國工程的認知僅建立在新聞報刊上的一段文字和幾張圖片，而以大國工程為案例的水力學教學反倒不如被水淹的馬路更有直觀的感受。這就需要思政元素的加入來強化學生對大國工程的認可。例如，在以紅旗渠為例講解水力邊界對明渠流動的影響時融入林縣人民在修建紅旗渠時形成的“自力更生、艱苦創業、團結協作、無私奉獻”的精神，強化學生對水利工程的認知，也從中了解明渠流動原理對人們生活的改變，在增強民族自豪感的過程中強化學生的社會責任感，學會用理論武裝頭腦，用雙手改變世界的理論實踐過程。文化教育的融入，不僅讓學生對水力學有了更深刻的感官認識，也掌握知識改變命運的途徑。

（三） 科學研究的經典案例

水力學的發展離不開不同時期科學家的辛勤勞作，在敬畏他們所創造科學成果時，也要傳承他們崇尚科學、追求真理、為科學和真理傾其一生的大無畏精神。在水力學教學中，連續性方程、伯努利方程和動量方程建立了水力學的理論基礎，但在應用的過程中，這些方程無法解出一個明確的結果，這時候科學家的科研工作就顯得尤為重要。雷諾通過實驗發現了流體運動的兩種形態，并通過大量實驗測出了臨界雷諾數；尼古拉茲通過篩出不同粒徑的砂礫來制作人工粗糙管來探索管壁對水流阻力的影響；達西通過設計實驗裝置對砂質巖土進行了大量實驗研究給出滲流能量損失與滲流速度之間的關系。科學家們的實驗現在依然在水力學的實驗課上被不斷重復著，但是實驗設計的過程卻往往被置于課堂之外，更不用提基于水力學理論試驗設備的改進。這種教學模式顯然忽視了科學研究的經典案例中對于創新精神的培育。科學研究的經典案例不應該只是實驗室里的操作流程，更應該是培養學生自主創新能力的溫床。學生被授予的不僅是知識，還有檢驗真理的唯一途徑——實踐。

（四） 引經據典的文化案例

中國傳統文化中也飽含水的智慧，大到“水能載舟，亦能覆舟”的治世之道，小到“滴水穿石”的個人堅持，孕育了華夏文明的中國傳統文化在用生動的語言講述著水的智慧[8]。而優美文字下蘊含著水力學的深刻內涵，“上善若水，水善利萬物而不爭”是水沿程阻力作用的結果，“逍遙如水”是水流動性的體現，“水因地而制流”在講述著水力邊界對水的影響。中國優秀的傳統文化突破了教科書上刻板的定義，為水力學加入了文化的根髓，從科學的角度揭示經典的內涵。將晦澀的理論扎根在深厚的文化底蘊之中，在科學教學中實現人文精神的傳承，為現代化建設提供著精神動力和智力支持。

水力學的教學過程，用貼近生活的教學案例培養學生通過實踐檢驗真理，用人文情懷的工程案例增強學生的社會責任感，用科學研究的經典案例教會學生創新探索的途徑，用引經據典的文化案例實現人文精神的傳承。諸多思政元素的融入不僅讓知識更貼近生活，也賦予了科學社會屬性，讓教育為培養德智體美全面發展的社會主義建設者和接班人服務。

四 基于能力培養的教學方式改革

在水力學的教學過程中，教學內容本身就是理論與實踐的完美結合，這種結合豐富了課程的理論體系，也指出了實踐的應用方向。因此，教學方式也要從理論傳授和實踐應用兩方面拓展創新[9]。

（一） 溫故知新的理論傳授

在水力學的知識體系中，繁多的水力學概念刷新了學生的認知，卻也增加了理論傳授的難度。從認識的主體來看，人們對客觀事物的認識總要受到主觀條件的限制。全新的概念已經增加水力學的復雜本質，而脫離了實踐模型假設和理論推導進一步增加了學生接受知識的難度，這種直線式的認知過程無疑會導致認知上的脫節，也助長了學生在學習理論過程中不求甚解的習慣。長期以往，學生也就形成了理論基礎似曾相識，用起來無從下手的理論實踐脫節，導致認識世界是為了改造世界的初衷相悖，也就助長了學習無用論的風氣。因此，知識傳授過程中過于追求新知傳輸而忽略了建立與已有認知的聯系是不可取的。

針對上述情形，在水力學的教學中，應注重溫故知新的認知過程的建立，強化新舊知識的鏈接，例如，在傳授水力學基本方程時，以學生中學階段接觸過水中任意一點的靜水壓強為引，結合已有的水力學定義，建立全新的力學模型，進行受力分析，將中學階段學習到的壓強分布規律結擴展至一般狀況，既有強化了學生關于靜水壓強分布規律的認知，又傳授科學研究中從特殊到一般的規律探索過程。在強化理論認知中，溫故知新，讓水力學的學習不再是建立在全新概念認知上的數理方程，加強認知間的聯系，更好地落實理論認知。

（二） 結合生活的實踐應用

建立了系統的理論認識之后，適當地引導學生應用理論知識去揭示生活現象背后的科學本質。比如應用靜水壓強分布規律去揭示希羅噴泉能自動循環噴水的規律，并探索該循環過程不能持續的原因。生活中不乏水力學基本原理的應用，而這些應用并不局限于工程領域。水力學理論體系的建立不僅是為了培養學生的工程素質，也應該注重培養學生聯系水力學理論解決實際問題的過程。生活現象要比水利工程來得更直觀，用來揭示液體平衡和機械運動的規律，也要比理想模型更有說服力。

同時也需要學生緊跟時代，勤學善思，在遇到問題時掌握分析問題解決問題的途徑。比如車輛落水后該如何逃生，遇到急流時該如何自救。將這些生活中的問題擺在課堂上，一方面加強學生對理論的認知，同時也加強學生的安全觀念，讓學生認識到用知識武裝頭腦在關鍵時候可以救人也可以救己。

（三） 接軌國際的雙語課堂

18 世紀起，力學理論引入了符號代數的表達方式，隨著大量物理符號的引入，即使是牛頓第二定律也是幾經波折才變成了現在F=ma 的形式[10]。由于物理學家在語言和習慣上存在差異，直到19 世紀物理符號才在眾多學術交流中獲得了統一。而這些統一的物理符號大多采用英文單詞縮寫的形式，對于以漢語為母語的眾多國內學生實用性有限，也難免出現望文生義的理解。比如用水力半徑R 建立沿程阻力系數與沿程摩擦阻力的關系時，學生難免會把水力半徑與圓管半徑混淆，而水力學中常用的流速v 與運動粘度ν 在外形上也是相似度極高。這些源自于印歐語系的物理量對于大多數學生而言，就像重新學習了一門外語，在接受程度上也就有了高低之分。作為水力學授課的對象，大三的學生經歷了英語四六級考驗，大多具有良好的英語基礎，在教學上采用英文的形式講授物理量定義會有更深刻的理解，同時也能揭示物理符號背后的實踐本質。其次學生在專業英語學習上接觸的專有名詞畢竟有限，對于想要在本學科繼續深造的學生，結合應用背景的英語學習要比傳統英語課堂的死記硬背更有現實意義。因此，采用接軌國際的雙語課堂的教學模式既可以加深對專有名詞的理解，也可以為學生打好參與國際交流的語言基礎。

通過溫故知新的理論傳授、結合生活的實踐應用與接軌國際的雙語課堂，不僅實現了理論體系的建立，也能培養學生學以致用的能力，讓教學的過程富有生活氣息，又不乏科學認知，實現了從理論到實踐的過渡，也實現了個人能力的提升。

五 結語

在現代多元化的社會中，課程教育的開展要結合“立德樹人”和“教書育人”兩個目標。一方面要求學生學有所得，另一方面也要求學生學有所用。通過內容改革，讓水力學教學融入勞動教育、文化教育與創新教育的思政元素，通過教學方式改革實現溫故知新、學以致用的理論傳授和實踐應用，讓教學過程既有科學內在，又飽含人文情懷，最終落實“立德樹人”和“教書育人”兩個目標。