水力學課程的教學改革及實效分析

蔣先剛， 黃 琴， 徐文財

（四川農業大學土木工程學院，四川 都江堰 611830）

0 引 言

水力學是研究液體（主要是水）的平衡和機械運動規律及其應用的一門學科。水力學作為土木工程專業一門重要的基礎課，具有極強的宏觀性、抽象性和應用性。主要體現在概念理解難，公式推導和證明多，分析及計算繁瑣等方面。

水力學的教學改革應從課程體系入手，結合教學目標和課程特點，以學生為主體，優化學習過程，推進教材學習深度，積極探索水力學教學的新模式［1］。例如，分課堂教學模式主要是把互動交流放在課堂上，學生相互協作共同解答，教師可參與討論，師生互動性大大提升［2］；互聯網輔助模式是利用互聯網技術，拓展優質課程資源，提升學生的學習興趣［3］，并對實際問題分析計算和模擬［4］。水力學的課程教學改革還應與實際相結合，時刻把握水力學學科的科研動態，保證在教學過程中適應學科發展［5］，并使教學真正實現“做中學，學中做”的目標［6］。為達到這個目標，通過實踐教學，使學生鞏固以往所學知識［7］，培養學生學習能力和創新能力［8-9］；利用全程參與式教學方法，提高理論教學與實踐教學的效果［10］；結合案例分析教學方法，培養和提高學生的思考、分析和解決問題的能力［11］。通過教學方式、實驗過程、考核體系等方面探討多元化教學改革方案。通過問卷調查，了解學生在教學改革后的學習效果。

1 課程現狀及存在問題

（1）課堂缺乏互動，學生學習興趣不高。對于水力學課程，內容大多數是公式、證明、推導等理論知識，枯燥難懂，學生學習難度較大［12］。學習水力學課程要求學生具備良好的高等數學、理論力學及大學物理等課程的基礎知識。同時，每節課所涉及的知識范圍較廣，學生只有在學習過程中對知識有清晰的理解和深刻的記憶，才能較好掌握。本應以學生為主的互動、交流學習課堂，往往會變成以教師為主的教學課堂，師生間互動較少。所以，大部分學生感到水力學課程學習難度較大，知識點不容易理解，從而對水力學課程有畏懼感，導致學生的學習興趣和積極性不高。

（2）教學方式低效性。在目前的水力學教學過程中，主要為多媒體與板書教學。多媒體課件雖然使教學內容更直觀、生動和形象化［13］。但是，多媒體呈現的內容較多、顯示速度較快，導致學生只能做到簡單的聽課和記錄，重難點內容難以有時間思考，不利于學生理解和思考。板書配合多媒體教學的局限性表現在花費時間長、上課效率低，尤其是在公式的證明和推導方面，嚴重影響了上課效率，不利于課堂教學的開展、降低授課效率。

（3）理論與實驗聯系不密切。水力學是一門實驗性極強的課程，很多概念和公式都是通過實驗得到的，所以實驗課在教學中顯得尤為重要。水力學實驗可以培養學生動手能力和創新能力，通過實驗教學與實驗操作，很大程度上激發學生學習動力和對相關知識的理解。

但是，在目前的教學過程中，由于受課時壓縮的限制，水力學主要以理論課為主，實驗課為輔［14-15］。實驗教學往往安排在理論教學之后，且間隔時間較長，導致學生對實驗有關的理論知識記憶比較模糊，甚至遺忘。另外，水力學的實驗大多都是經典實驗，在實驗過程中發現學生對實驗原理沒有深入研究，對實驗現象及原因理解不深刻，對實驗數據分析處理不認真。學生只是按照實驗指導手冊上的步驟進行實驗操作［16］和實驗數據獲取，缺乏對實驗相關知識的認真思考，缺乏分析實驗數據的能力。

（4）考核形式單一。目前的水力學課程考核主要由平時成績和期末成績兩部分組成。期末成績主要考察學生對水力學課程重點內容的掌握，學生會利用臨近考試的時間對水力學相關考點進行簡單的死記硬背，以便在考試中取得較高的成績。平時成績大都由出勤、作業以及實驗成績組成。因為目前的課堂人數較多，考勤消耗時間較多，所以教師不能做到每節課都進行考勤，也無法了解每一位同學的出勤情況。平時作業成績主要通過對課后習題作業的完成情況進行評價，但學生之間經常出現抄襲，導致批改后的作業分數代表不了學生的真實水平，對獨立完成作業的同學有失公平［17］。實驗課多以分組形式進行，主要是因為實驗儀器數量少，上課時間短［18］。各小組成員無法單獨完成整個實驗流程，出現一人撰寫實驗報告，其余組員直接抄襲的不良現象。然而對于學生抄襲作業和實驗報告的現象，教學方面難以控制。

2 教學改革措施

2.1 增強課堂互動性，分組進行教學

水力學課程中的概念、基本理論及公式推導等比較晦澀難懂。在課堂上經常會出現教師講，學生聽，師生之間沒有互動交流，課程枯燥、乏味無趣。因此，活躍水力學課堂上的教學氛圍就顯得尤為重要。①根據學生不同的差異情況，對學生進行3人分組。每個小組以一帶二的形式（中上學生帶領兩個中下學生）進行課上、課下互動交流學習，提升學生的學習積極性和團隊合作意識。②教師采用PBL（Problem-Based-Learning）模式，即以學生為中心的教學理念，讓學生從被動學習者轉變為主動學習者，提升學生的思考能力和綜合應用能力。教師以課程內容為基礎，提出有針對性的問題讓學生自主解答（驅動問題）。教師在此過程中以啟發、探討及參與的形式，引導學生對問題的認知，加強對知識的理解。同時，設定適合的情景，讓學生圍繞情景展開討論，提高學生對已學知識點的運用能力，加強教師與學生課堂上的互動交流，提升學生課堂的積極性。教師主要培養學生的思考能力及創新能力，組長和成員是互幫互助的合作伙伴。互助合作學習模式可提高學生的學習興趣和積極性，同時也會提升學生團隊合作能力及個人解答問題的能力。

2.2 運用網絡與多媒體結合

網絡在教學中有著極大的優勢和特點，主要體現在內容豐富、直觀，可以使抽象的內容具體化，宏觀的內容微觀化，有助于學生對內容的理解，在教學中的運用尤為重要。教師可以通過微信小程序平臺，在小程序界面中將教學內容上傳，包括章節基本內容、章節小測、課前預習的內容及課后測驗等。學生添加小程序后就可以訪問其中的內容，同時教師和學生、學生和學生間可以在小程序中互動交流。另外，教師可將教學重點內容拍攝成幾分鐘的視頻博客（VLOG）發布到教學群或微信小程序中，學生可利用課后或者睡覺前通過視頻復習課程內容。利用網絡教學方式可以調動學生學習興趣，提升學生學習的主動性。同時，學生可以通過運用Matlab等編程軟件，把相應的公式通過計算機編譯用于求解相關例題，可以與手算結果進行驗證。學生通過編程軟件可以鍛煉邏輯思維能力、學習鉆研能力和動手能力等。教師根據教學內容，結合多媒體和網絡技術，可以提升教學效率［19］。

2.3 加強實驗與理論教學

水力學的理論知識為實驗提供了依據和基礎，實驗為理論知識提供了支撐和保障。教師以小組形式給學生布置實驗案例，學生通過學習資料內容，建立理論框架和思維導圖［20］。讓學生明確理論知識與實驗之間的聯系，提高學生的學習興趣，為實驗課教學打下良好的基礎。學生通過動手操作實驗，可加深對水力學理論知識的理解。在實驗過程中，理論與實際往往存在差別，這就需要教師著重引導學生對實驗差別進行驗證和分析。學生對于實驗原理、實驗裝置及各實驗儀器間的連接等理解不夠深入，會限制學生對實驗的思考和創新。教師可通過VR實景仿真，布置實驗環境和實驗對象，允許學生在VR實景中開展實驗，甚至演示傳統實驗室無法完成的實驗現象，讓學生充分了解實驗儀器的工作原理和實驗整個過程。VR實景實驗室將抽象的實驗過程體現在逼真的場景演示中，提高了學生學習的積極性，增強了課堂趣味性，也加深了學生對實驗原理的理解。

2.4 多元化考核方式

水力學的考核主要評價學生對課程知識的掌握程度及綜合應用的能力。在課堂教學中，學生通過查閱文獻，加強對知識點的理解，有助于學生了解該知識的應用范圍。在課后，教師組織課程競賽，考察學生自主查閱資料和學習能力，有助于提升學生學習興趣。在實驗的過程中，考核學生自學實驗視頻后對整個實驗的操作能力，有助于鍛煉學生主動思考和創新能力。期末考核方式為卷面筆試，加大試卷中主觀題的題量，多增加一些實際應用的題目，可以避免學生通過死記硬背獲得高分，也能考察學生的分析能力。

3 教學分析評價

針對以上教學改革措施，為了了解學生在教學改革措施中的收獲以及對教學改革措施的評價，通過問卷調查的形式進行分析、歸納。對土木工程專業90名同學進行問卷調查。問卷調查內容針對文章教學改革措施而制定，內容包括對本門課學習興趣、學習情況、自學能力、分析問題和解決問題能力等方面。

3.1 對互動分組的評價

互動分組是學生為了完成共同的任務，建立的有明確責任分工的互助交流學習小組。分組的科學性與合作方式是分組互動學習的基礎。讓每個學生在合作中有展示自我的機會，讓對學習感到乏味的學生在互助學習中提升學習興趣和學習積極性，使學生更加自信。教師引導是互動分組學習的必要條件，學生的互動學習有了教師的參與和引導，會提升學生的思考能力和邏輯思維能力，會提升學生的學習效率。自主探索是互動分組學習的靈魂，教師應給學生獨立思考、自主探索的條件，也應為學生創造互動交流的機會，充分發揮學生互動學習的主動性。

學生在互動分組中的學習收獲情況如圖1所示。由圖可知，64.44%的學生認為互動分組可以提高學習興趣和積極性，表明采用互動分組學習的形式得到了學生的認可。有35.56%的學生認為在分組中可以學會欣賞和借鑒他人的優秀品質，表明學生在分組中學會了觀察和探索。有31.11%的學生認為在分組中可以增強團隊合作意識，表明學生在學習過程中意識到每一個組員在團隊里都極其重要。僅有11.11%的學生認為在分組中提升了創新能力和思考能力，表明有一部分學生不喜歡主動學習和獨立思考。在對PBL模式的學習興趣方面，有34.44%的學生較感興趣，有57.78%的學生感興趣，有7.78%的學生不感興趣，說明絕大部分同學認可PBL模式，極少部分學生認為這種模式比較浪費時間，對學習沒有較大的幫助。

對學習方式的調查結果如圖2所示，有53.33%的學生喜歡通過老師的講授和引導進行學習；有47.78%的學生喜歡通過實踐學習的過程來檢測自己基礎知識的掌握與運用；31.11%的學生喜歡自主學習去了解掌握知識；有27.78%、23.33%、14.44%的學生分別喜歡探索學習、勞逸結合學習和合作學習，表明學生更傾向于團隊合作學習和探索學習，也驗證了所采取的改革措施適合于現階段學生的學習訴求。

3.2 對網絡與多媒體教學方法的評價

網絡與多媒體教學有鮮明的教學特點，主要體現在豐富的教學資源，形象生動的情景，可充分調動學生的學習主動性，培養學生的創新能力，激勵學生的學習興趣。

學生使用微信小程序的滿意度調查結果是大部分學生對網絡學習內容滿意，表明網絡的自主運用更容易激發學生學習的主動性；少部分學生表示不滿意，學生可能認為網絡學習效率較慢，自身自制力不夠強。通過軟件學習后有51.11%的學生認為可以鍛煉自己的思維能力和學習鉆研能力，表明該類方法對學生以后的學習產生積極的影響；有32.22%的學生認為通過軟件學會了運用軟件推導公式，有16.67%的學生學會編程。整體來說，編程軟件的學習不僅提升了學生的學習興趣，同時讓學生學會運用相關軟件推導公式，也進一步提升了學生的思維及學習鉆研能力。盡管如此，從實際情況來看，需要做進一步思考和改進，①如何提高學生運用軟件學習次數，特別是在課下自主學習軟件；②如何提升軟件廣泛應用。如果可以解決這些問題，同時配合老師的積極參與，并對學生進行有效的指導，更容易激勵學生學習軟件的興趣，使學生在濃厚興趣的引導下探索學習。

對教學方式的統計數據如圖3所示，56.67%的學生傾向于通過實踐教學方式來進行理論知識的學習；36.67%的學生傾向于板書與多媒體融合的教學方式來提升自己的學習效率；而傾向于軟件應用教學、老師講授學生記筆記為主、同學間討論交流以及網絡在線這4種教學方式占比分別為27.78%、16.67%、13.33%和6.67%，表明少數學生傾向于使用固定的教學方式來提高自己的學習，不喜歡新穎的教學方式，說明少數學生已經習慣固定思維的教學方式，也反映了大部分同學愿意接受教學改革措施。

3.3 對理論與實驗教學模式的評價

問卷調查結果顯示，學生對VR實景實驗教學模式的學習感受如圖4所示。有62.22%的學生認為VR實景可以使實驗過程更加真實立體，學生在實驗過程中體驗感更強，對實驗現象認知更為清晰；有32.22%的學生認為VR實景可以使實驗內容更加豐富，學生通過實驗的內容學會分析問題；有6.67%的學生認為VR實景可以使實驗結果更真實形象。VR實景實驗能夠使學生對整個實驗過程的認知更加清晰透徹，有助于加深學生對相關知識的掌握。

對實驗案例教學模式的調查結果如圖5所示。有43.33%的學生傾向于生活中的水力學實驗案例，學生通過生活化的教學模式去了解基本知識在生活中的應用；有22.22%的學生傾向于綜合實驗案例教學模式，學生可以通過綜合案例的考察來檢驗自己的不足及需要補充的理論知識；有26.67%和12.22%的學生分別傾向于對理論知識的案例解讀和分模塊的案例教學，學生通過這種教學模式可以掌握每一個知識點的分析方法。以上結果顯示，絕大多數同學接受本文所提出的理論和教學模式結合的措施。

3.4 對考核方式的評價

采用科學合理的考核制度可以發揮積極的引導作用，提升學生自主學習的積極性，促進學生知識、能力、綜合素質的全面發展。

自助查閱資料考核調查的結果中，有38.89%的學生表示非常滿意，學生認為通過文獻資料的查閱，能夠讓自己對所學知識的綜合應用更加熟練；有34.44%的學生表示滿意，學生可以對單模塊的自我學習情況進行考核；有26.67%的學生表示不滿意，學生認為通過文獻查閱并不能很好地理解理論知識。這種考核的方式說明大部分學生還是傾向于對所學知識進行單節學習、模塊檢測和綜合知識掌握的應用考察。

競賽考核調查的結果中，有64.44%的學生認為競賽考核方式可以加強對知識的綜合應用，對該考核方式的形式是認可的；有26.67%的學生認為通過競賽考核方式學會了有方向性的查找相關內容，表明了該考核方式對學生以后的學習有很大益處；13.33%的學生認為競賽考核方式可以提升自身組織執行能力，對自身的管理和相關組織活動有很大的幫助。以上結果反映大部分同學接受自主查閱資料考核和競賽考核這種多元的考核方式。

對考核方式的調查結果如圖6所示，有46.67%、45.56%和42.22%的學生更傾向的考核方式分別為閉卷考試、考勤和作業；有33.33%、30.00%和25.56%的學生更傾向的考核方式分別為自我總結、課堂討論和測驗及文獻案例學習。總體說來，大部分學生還是青睞于傳統考核方式，對于新穎的考核方式持消極態度。這說明學生習慣了按部就班的學習考核方式，對新的學習考核方式的效果接受速度較慢。

4 結 語

水力學課程作為土木工程專業的一門基礎課，其重要性不言而喻。針對目前水力學課堂現狀及存在的問題，提出了幾點教學改革的措施，即引導式的分組互動教學，帶動學生的學習積極性；網絡與多媒體教學的應用，提升學生學習的興趣；實驗案例教學，培養學生實踐能力、創新思維能力和思考能力；多元化的考核方式激勵學生自主探索學習。結合問卷調查結果，驗證了所提改革方案可彌補現階段課程教學中的不足，激發學生學習自主性、積極性及興趣。結果表明，大部分學生對新的教學方式持肯定態度，少部分學生還是比較喜歡傳統的教學方式，也許與學生長期接受這種教學方式有關。