以學生為主體的水力學實驗課教學及評價試點研究

高淑會，柴小軍，胡廣錄

（1.蘭州交通大學環境與市政工程學院 甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司 甘肅 蘭州 730000）

水力學實驗作為培養學生實踐能力及將理論與實踐結合的一種手段[1]，是抽象知識到感官認識、由理論到實際轉化的關鍵，實驗質量直接影響學生的工程應用能力、工科專業工程教育認證的程度及專業培養目標的實現[2-3]。在本科學習階段，水力學實驗項目主要包括演示類實驗、基礎驗證量測類實驗和部分綜合創新型實驗[4]。實驗目的是通過觀察實驗流動現象，結合理論知識增強感性認識，深刻理解理論知識；通過學生動手參與實驗，對實驗裝置進行探索、操作并驗證已有理論，來培養其分析問題、解決問題的能力，在整個實驗過程中潛移默化地提升其科研技能和科研素養。但是在目前實際的水力學實驗教學中，由于主觀或客觀條件的限制，學生仍然沒有處于主體地位[5-6]。以往的實驗教學過程以“教”為主，學生按照教師講解的步驟進行操作，實驗結束后交實驗報告[4]。實際教學過程中發現，這種模式的實驗教學效果并不好[7-8]。學生在實驗過程中沒有積極性，缺乏創新，學生自主學習的動力與創新興趣很難被激發[9]。這種教學方式直接影響實驗教學質量，進而影響專業能力及培養目標的實現，更不能滿足工程認證的需要和新時代對創新型人才素質培養的要求。因此，本文將針對這些問題，對水力學實驗課教學過程及成績考核進行改革，以適應新工科背景下的工程認證要求及“雙一流”學科對人才培養目標的設定。

1 水力學實驗現狀分析

1.1 教學形式單一化，學生缺乏主動性

傳統的實驗教學過程采用的是教師提前布置任務讓學生預習，然后教師上課以講授和現場示范為主，接著學生開展實驗，最后提交實驗報告這一模式。實驗過程中，實驗指導教師雖然對實驗原理、實驗目的、實驗儀器設備、實驗操作步驟、實驗注意事項、實驗報告格式要求等方面進行了詳細講解，但由于學生初次接觸實體實驗裝置，很多學生很難集中精力仔細聽完并消化吸收，大部分學生不能徹底理解實驗裝置與理論知識之間的聯系。另外，雖然指導教師安排學生開展預習，鑒于沒有監督機制，預習效果很大部分受學生懶惰和學習氛圍的影響。大部分學生實驗前沒有認真閱讀實驗指導書，實驗過程不注重思考，敷衍完成實驗報告，不能達到預期的實驗教學效果。

1.2 教學內容固化，實驗缺乏綜合性

目前，每個學校根據其自身專業特點有選擇開設的水力學實驗項目主要包括三大類，驗證性實驗、演示性實驗以及綜合性實驗，主要實驗項目為驗證性實驗。這類實驗項目的操作流程基本已經固化，教學過程中缺少綜合性實驗、設計實驗以及創新型實驗。驗證性實驗有能量方程、畢托管測速、沿程和局部水頭損失以及孔口和管嘴出流實驗等。以上傳統實驗的目的就是驗證課本上理論知識和理論公式，各實驗之間沒有緊密的聯系，而且缺乏工程專業背景的滲透，不利于學生對理論知識的系統理解。此外，由于上述傳統驗證性實驗的實驗裝置都是標準化設計，學生開展實驗全部是按照實驗報告流程化操作，沒有創新性，大部分學生往往僅是利用實驗裝置完成實驗，導致完成實驗過程及實驗報告就意味著實驗結束，并未深入思考如此設計實驗裝置的原理，更談不上與已有理論知識進行連接。

1.3 考核模式單一，缺乏綜合評價方式

在目前的教學考核體系下，實驗考核方式主要是通過學生出勤和實驗報告為依據來確定的。基于上述考核體系，很多學生僅僅根據指導書撰寫完實驗報告，不能透徹理解實驗過程與理論知識之間的聯系，這種考核方式不能有效激發學生主動參與實驗過程。由于實驗儀器有限及開課班級及時間的限制，“流體力學實驗”開展過程中采用分組的模式，一般3—5 人成組完成實驗。因此，一個組內的實驗報告數據及圖表基本相同或相近。在實驗過程中，有些學生存在僥幸心理，不積極主動開展實驗，實驗報告中的實驗數據直接照搬小組內其他同學的內容。采用上述考核方式使得每個學生的成績在學習狀態、學習能力及操作過程中并不能恰當體現，而且在完成實驗過程中，學生的參與度、動手操作的過程、實驗數據分析處理的貢獻度也沒有得到有效考量。

1.4 實驗儀器利用率低，實驗室缺乏開放性

目前水力學實驗的大部分實驗儀器僅在教學中使用，而且教學過程中由于人數多，時間有限，使得學生沒有足夠的時間和精力對實驗儀器進行學習和探索。而在學生有較多空閑的時間段，受限于實驗室的相關規定及學生安全的問題，實驗儀器并沒有得到充分利用。雖然有些高校在實驗室管理中心的支持下設置了開放性和創新性實驗，但是現階段開展的上述實驗往往以授課老師的科研項目為載體，并沒有對本科實驗儀器及實驗裝置進行深入研究。這種實驗室開放形式對于學生自主學習和探索不夠暢通，也不利于學生自主創新意識的提高。

2 水力學實驗教學改革措施

2.1 改變水力學實驗以“教”為主的理念

水力學實驗改革的要點是如何充分調動學生對實驗課程的積極性，啟發學生自主思考，理論聯系實際，發掘學生的自主創新能力。將學生被動接受轉變為以學生為主體，教師輔助的實驗課教學活動方式，明確學生的主體地位，學生在實驗過程中通過發現問題分析問題來解決問題，其動手能力和創新能力才會被激發出來。

另外，教師在教學過程中需要秉承工科專業工程教育認證理念，采用以學生為中心、以產出為導向的持續改進方式，從微觀角度把握實驗教學改革設計過程，把學生作為主體對象來思考，提高學生的參與度。具體做法為：將學生被動接受轉變為以學生為主體，教師輔助的實驗課教學活動方式，通過讓學生自主預約實驗、實驗答辯、過程講解（指導教師負責）、后期實驗報告及設計創新型實驗等清晰明確的方式和可衡量的教學標準，落實實驗課程的可達成度，改變學生被動、惰性的學習習慣，培養學生獨立思考、獨立分析、自我更新知識的能力。

2.2 改革水力學實驗課教學過程，提高教學效率

為提高學生的參與度，激發學生做實驗的內生動力，水力學實驗教學活動過程可以根據學生理論課學習的進度，在開展實驗課之前借助虛擬網絡平臺預先開展水力學實驗的動畫模擬和數據處理，完成實驗預習。在實驗過程中，教師根據培養目標和學生的特點來設置不同層次的問題，請學生結合實驗預習情況，根據實驗裝置的設置在實驗過程中尋找答案。比如，介紹完局部水頭損失中突擴管和突縮管的三點法和四點法測量方法，引導學生思考采用上述方法的原因和機理，結合流動演示現象啟發學生自主思考，激發學生對知識進行遷移和融會貫通的能力。在實驗開展過程中，可以設置平行工況開展實驗，比如水靜力學實驗，讓學生自主選擇基準面進行測壓管水頭的量測，真正認識到基準面的物理意義。實驗結束后，實驗指導教師集中一個時間進行實驗答辯和實驗討論，根據實驗答辯情況確定實驗答辯成績。另外，實驗中可以加入創新型實驗，可讓學生自行開展實驗設計、實驗裝置準備、實驗操作、實驗分析及數據處理，并以創新實驗過程為考核依據，考核成績優秀的學生，可推薦其參加各種創新創業及大學生競賽等。

2.3 改革水力學實驗考核方式

根據實驗教學過程進行考核，考核以小組的形式開展，以激發小組成員之間互相交流和協作的能力。實驗教學過程具體流程為：學生預習→預約實驗→實驗過程→實驗答辯→實驗報告評價/創新型實驗→單項實驗總成績。實驗最終成績可采用[實驗預習（20%）+實驗過程（20%）+實驗答辯（20%）+實驗報告（40%）]的比例，取所做實驗的平均值即為本門課程的最終成績。學生單項實驗成績按照個人給分，其中，實驗報告、實驗過程答辯、實驗預約這三項按照小組給定成績，任何一項不參加者，該單項實驗成績記為不合格，實驗表現按照個人給分。實驗表現由指導教師按照實驗過程中學生的表現、發現問題、解決問題的能力進行給分，最后總成績由上述四部分組成。通過上述考核方式，可以鼓勵學生在實驗過程中互相討論、交流，在交流過程中加深對理論知識的理解，對實驗過程中自己哪些方面存在的優勢和不足有充分的了解，深刻激發學生的學習積極性。

2.4 改革實驗室開放制度，實行預約和彈性管理

針對實驗儀器利用率低，實驗室缺乏開放性的問題，可以嘗試改革實驗室開放制度，實行預約和彈性管理的新實驗教學體系。例如，本科實驗課的時間采用預約實驗的模式，學生根據自己的空余時間和學習程度來預約實驗，實驗室在規定的時間內呈現（半）開放狀態。為了保證學生和實驗室安全，實驗室門口設置打卡機，學生只有刷卡才能進入，實驗室內裝有攝像頭，確保實驗過程有記錄，學生完成實驗后刷卡退出。這種新的教學體系需要實驗室的硬件配合和課程教學體系的軟件支撐。硬件方面，開放實驗室需要與實驗室負責人相溝通，而且涉及學生安全問題，需要學生具有安全意識和對實驗室認真負責的態度。軟件方面，教學老師在課程體系設計上需要綜合考慮實驗預習、實驗過程、實驗結果等環節，在學生預約實驗前應給學生提供充足的資料進行預習，包括實驗原理和實驗操作的相關視頻、實驗教學CAI（輔助系統），根據實驗室現場觀察、實驗室錄像及實驗結果來反推實驗過程。另外，也可以嘗試利用實驗室現有的儀器設備，將大學生學科競賽、“互聯網+”創新創業大賽和與“水力學實驗”教學相結合，請學生到實驗室自主設計實驗方案，教師進行輔導，這樣更有利于提高學生的獨立思考問題、解決問題的能力。當然，基于實驗室的開放需要增加的實驗室管理和設備維護費用，相關管理部門應該予以支持，以保障實驗室的正常運行和實驗教學活動的順利開展。

3 結語

實驗教學是學生理解理論知識，探索未知領域的重要途徑，開展專業基礎課程實踐教學，是培養學生理論知識體系建立、動手能力以及實踐創新能力的最佳方法。本文針對當前水力學實驗教學中存在的問題，提出圍繞以學生為主體的實驗教學改革方法，包括：改變水力學教學理念、改變教學過程和考核方法、開放實驗室等方式，以提升實驗教學質量，激發學生的主觀能動性，實現專業能力培養和專業目標。