基于解決復雜工程問題的水力學課程教學實踐

王繼保，崔玉潔，劉 偉

（三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002）

水利工程要求工程師必須掌握扎實的工程技術基礎理論和規范，必須能將知識應用于實際，將科學技術轉化為現實生產力和實際貢獻率。為使學生在畢業后3～5年內成長為卓越工程師，那么在學校培養學生時不僅要使其掌握扎實的理論基礎，而且要使具有較強的解決復雜工程問題的能力。2016年我國正式成為國際工程教育《華盛頓協議》的成員國，標志著我國工程教育向標準化和規范化發展[1-3]。三峽大學水利水電專業、水文與水資源工程專業、農業水利工程專業先后通過工程教育認證，對培養學生解決復雜工程問題能力有十分明確的要求。

《水力學》是水利水電工程、水文水資源專業、農業水利工程、港口航道與海岸工程等水利類工程專業重要的技術基礎課。該課程緊密結合水利工程實際，課程理論性強，實踐性強、運用性強。

《水力學》課程通常安排在大學二年級進行學習，此時學生沒有專業背景，缺乏對水利工程的認識，學生因缺乏對工程的感性認識，當講到閘、泵、堰等工程概念時顯得茫然。很大程度上學生只能機械地接受，很難體會到所學理論在解決實際問題中的重要性，故而在遇到實際工程水力學問題時而不能靈活運用所學知識進行應用。

筆者認真研究了水力學課程在水利工程師培養中的地位與作用，分析該課程與后續課程的關系，針對水力學課程的教學現狀和學生專業背景的缺乏，對提高學生的解決復雜工程問題能力進行了課程教學探索。

1 精選內容、打好基礎

結合水利類專業突出了工程應用性強的內容，強化了課程基本概念的理解和基本原理的應用，弱化了基本原理的數理論證過程，刪除了與專業關系不大的內容。在注意后續專業課需求的同時，在水力學課程的講授過程中還注意了將內容劃分為專業基礎性理論與應用和學科體系性理論兩部分。專業基礎性理論與應用包括水力學的基本概念、基本原理、基本方程的物理意義以及它們在工程實際中的應用。這部分是水力學課程學習的重點容。對于工科各專業來講，水力學系列課程的基本理論部分是相同的，但對不同的專業，其應用部分則從教學內容、例題到思考題與習題等都力求結合專業特點有所側重。學科體系性理論包括水力學基本原理和基本方程的建立或其邏輯推導過程。從培養應用型人才的角度而言，這部分應作為訓練學生邏輯性思維的主要內容。關于這部分內容的教學，我們以教師提示性講解為主，其中部分內容在教師的指導下，以學生自主學習完成。在該課程體系框架的指導下教學，使內容講授主次分明，學生能夠較好地把握學習的重點，并能較好地與后續專業課程銜接。

2 用“工程中的水力學”充實教學過程

從水利工程角度來說，工程中存在大量的水力學問題，實際工程中所遇到的水力學問題，都遵循著水力學中的普遍原理和基本規律。在教學中，我們將工程中水力學現象和問題進行剖析，使學生們學過的理論概念更加深化。

在學習之初，我們就讓學生思考，在水利工程中會遇到的水力學問題有哪些，并組織學生分組討論。問題一提出，課堂氣氛頓時活躍起來，大家積極去思索。教師從中總結及提示，要從工程應用和實際需求中去考慮。最后，將學生們討論的結果匯總分類，得到工程中的基本水力學問題是泄水建筑物的過流能力問題、建筑物受水流作用力問題、水流流態問題、水流的能量消耗問題等。這樣就使學生對水力學基本作用和功能有了工程認識。

在學習中，也將部分內容和工程問題直接聯系起來。如在講解第四章有壓管的恒定流，教材中很多例題采用是一般管道的概念和應用，但是我們發現部分學生并不能將管道的概念和應用轉移到類似問題的水利工程中隧洞中去，所以我們在講解這部分內容時，就直接將書中的管道變成隧洞，直接講有壓隧洞中的恒定流，使學生直接接受隧洞這一工程概念和學習隧洞水力學問題。再比如將第七章水躍和水利工程消力池的設計聯系起來，將孔口出流和底孔泄流聯系起來等。

由于將“工程中的水力學”充實了教學，使學生們在遇到了工程水力學問題時不在束手無策。實際工程水力學問題是復雜的、困難的。但只要我們平常在教學過程中，適當和工程問題結合起來，就不僅可激發學生們對課程學習興趣，而且會逐漸培養他們自己解決工程中復雜問題的信心，對活躍思維、提高想象力，都有著積極作用。

3 加強工程水力學工程問題的縱橫聯系

水力學教學內容包括地面水和地下水，管道水流和明渠水流，恒定流和非恒定流等各種工程水力學問題，內容十分廣泛，實際上其各水力學問題客觀上存在著緊密的聯系，揭示并深刻認識這種必然的內在聯系，對學生們學習水力學和理解好工程水力學問題有十分重要的幫助。

我們在教學過程中，為使學生對工程水力學問題認識系統化，加深對各類水力學問題的知識，我們努力引導學生去尋找各種水流之間的共同規律區別所在。比如，非恒定流是一種比較復雜的，具有普遍意義的水流運動，我們從基本定義、方程推導、理論概念以及力學本質，處處與恒定流作為對比，從而使學生比較深刻地掌握非恒定流的基本規律。我們還啟發學生將明渠水流與無壓滲流進行對比，兩者的基本方程推導、阻力規律、水面曲線特征等一一作為對照研究。又比如，“水壓力”在水力學中是一個具有廣泛意義的問題，我們在本課程教學的后期，讓學生對壩體靜水壓力、管道中的水壓力、水工建筑物基礎下的水壓力作綜合分析，找出它們的共性和特性。如我們以“過水能力的含義”為題，要求學生聯系過的實際工程中管流、明渠流及堰閘出流等，做一番分析討論。學通過自己歸納總結，發表必得，教師一起參加討論，從不同的側面去弄清“過水能力”的意義。

通過這樣的教學，一方面使教學過程闡述得既生動又深刻，另一方面也增加了對工程水力學問題的認識，加深了對水力學知識的理解和應用。

4 引入工程實例進行綜合應用能力培養

對水利類專業學生來說中，水力學要求是能應用水力學基本理論和方法去解決工程的各種復雜工程水力學問題。然而由于工程實際中千變萬化的邊界條件和水流條件，水力計算中包含了眾多的經驗公式和各種系數，頭緒紛雜，往往令初學者抓不到關鍵，因而常出現用錯公式，圖表，造成計算結果的錯誤。我們對這部分內容的教學，采用用實際工程實例訓練使學生掌握水力學在工程問題中應用。

我們通過和學生談話，對已經畢業的學生回訪，確定學生對工程水力學計算比較經難點主要集中在發下幾方面。隧洞過流能力、明渠天然河道水面線計算、溢洪道水力學計算等水力學問題。我們在課程快要結束時，安排一次綜合練習，從實際工程設計中，抽出與水力學直接相關的設計計算問題，包括隧洞水力學計算，渠道及閘室水力學計算，溢洪道及消能的水力計算等。讓學生在老師的指導下獨立完成。完成之前，首先與學生講解實例的來源及相關工程概況，使學生認識到自己確實是解決一個工程問題，然后在學生完成的過程中，結合工程實際、設計要點，引導學生以工程師的思路主動思考，查找技術參數，確定相關參數，一步一步完成最終任務。最終達到練習的目的，使學生將“學”與“用”有機結合，讓學生對知識的應用有切實的體會。

5 結語

在水利工程中水力學知識應用廣泛，水利工程的勘測、設計、施工、管理各個環節均需要解決大量水力學問題。水力學課程一個很鮮明的特點就是工程應用性。水力學課程教學不僅是要求學生掌握有關水流的相關知識和概念，更重要的是學會運用這些知識解決復雜工程實際問題。因此，在教學過程中，只有將理論和工程實際緊密結合，將書本上的知識和實際問題相對應，提高學生工程應用能力，才能使學生深刻全面地理解水力學內涵，更好掌握課程的基本理論，使他們分析解決復雜工程問題的能力得到很好的培養。