水力學實驗教學內容與方法改革探討*

張鵬 景秀麗 孫明霞 孫玉霞 張坤強

1 山東農業大學水利土木工程學院 山東泰安 271018 2 山東第一醫科大學（山東省醫學科學院）化學與制藥工程學院 濟南 250117

0 引言

水力學是研究以水為代表的液體的運動規律以及工程應用的一門重要的技術基礎課[1]，是高等院校水利水電工程、給排水科學與工程、水文與水資源工程等水利類專業的必修課。水力學實驗教學是水力學課程教學的重要組成部分，實驗方法是促進水力學學科發展的重要研究手段，它作為理論教學的補充與理論教學緊密相關，同時是一種直觀的教學而獨立于理論教學體系[2]。水力學實驗以鞏固課堂教學知識為出發點，通過水力學實驗使學生掌握水流運動的一般規律和與之相關的基本概念、基本理論、水力計算的基本方法與科學實驗的基本技能，培養學生在實驗過程中的動手能力、分析問題、解決問題的能力和創新能力以及嚴謹求實的科學態度，為學習后續專業課程、從事專業技術工作以及進行科學研究奠定基礎。

山東農業大學水力學實驗室是水利土木類專業的專業基礎實驗室，于2015年改擴建，現有使用面積420 m2，主要服務水利水電工程、給排水科學與工程、水文與水資源工程、建筑環境與能源應用工程、道路橋梁與渡河工程以及環境工程等六個專業的本科生實驗教學和創新能力培養，每年有400名左右的學生進行水力學實驗。水力學實驗室現有流動演示儀、流譜流線演示儀、自循環伯努利方程實驗裝置、自循環畢托管實驗裝置、自循環文丘里流量計實驗裝置、自循環動量定律實驗裝置、自循環沿程水頭損失實驗裝置、自循環局部阻力系數實驗裝置、自循環雷諾實驗裝置、水面曲線水槽、明渠水槽等實驗設備44套，根據教學大綱可開設10多項水力學實驗項目。本文針對水力學實驗教學中存在的部分問題，根據當前實驗室條件以及筆者的教學經驗，分別從教學內容和教學方法等方面開展研究。

1 實驗教學存在的問題

當前水力學實驗教學雖然在學生認識和掌握課程知識方面起到了較大的作用，但存在一些問題，主要表現在以下幾個方面。

1.1 實驗內容不夠完善

水力學實驗主要分為演示性、驗證性實驗兩種，由于這兩種實驗方法簡單、單一，教師在實驗課前已把實驗儀器、設備調試好，學生的動手操作僅限于閥門開閉、數據的讀取記錄以及現象的觀察等。實驗教學過程中主要側重學生對于理論知識的掌握，而忽略了學生思維的創新和實踐能力的培養，學生誤以為實驗教學只是對理論知識的驗證，導致學生實驗興趣不高，影響了學生的學習積極性。

1.2 實驗教學模式單一

目前，水力學實驗教學主要采取單一的“教師教、學生學”的模式[3]，教師是整個教學過程中的主體，學生的學習處于被動狀態。學生按照教師在理論課教學過程中講授的內容結合實驗報告中實驗步驟和方法進行實驗操作并記錄整理實驗數據上交實驗報告[4]。整個實驗教學過程學生始終都是按照教師的安排在進行實驗，這種教學方式讓學生在實驗過程遇到的問題較少，限制了學生對實驗的思考，有的學生甚至在實驗結束后對實驗原理一問三不知，無法達到鞏固知識、培養學生學習的主動性、創新能力的目的，這與學校培養復合型人才的要求是不相符的。

1.3 學生對實驗重視不夠

大部分學生在水力學實驗課前沒有對實驗內容做足課前準備，只是通過實驗教材或者實驗報告簡單地看了實驗儀器和步驟，沒有將實驗原理、實驗方法、實驗步驟吃準吃透，在實驗過程中，部分學生也是“現學現賣”，邊看實驗步驟邊進行實驗，由于實驗過程中對實驗步驟不熟練，要花費大量的時間去學習實驗步驟，沒有足夠的時間在實驗中思考，影響了實驗教學效果。

1.4 實驗教學中缺乏交互

水力學實驗教學一般是40～50人在實驗室一起進行實驗，由于人數眾多，教師很難兼顧到所有學生。另外，實驗課前學生沒有對實驗做足課前準備，小組內學生之間缺乏足夠的分工交流，出現會做實驗的學生在忙著實驗，不會做的學生無所事事的現象。另外，學生在實驗過程中完全按照實驗教材進行實驗，在實驗中思考較少，遇到的問題也較少，未能與教師交流，就會影響教師對學生實驗掌握程度的判斷，導致學生實驗流于形式，失去教學實驗的意義。

1.5 實驗考核體系有待改進

實驗考核是對學生掌握實驗情況的評價方式，水力學實驗考核，目前主要以學生的出勤率和實驗報告的完成情況進行打分。這種考核方式存在一些問題，例如，部分學生不重視實驗過程，做實驗不認真，實驗報告抄襲別人的實驗數據，獲得的成績有可能比認真做實驗的學生成績高，這種現象不僅影響學生實驗的積極性以及對實驗教學的重視程度，也會影響教師對實驗教學效果的客觀評價。

2 水力學實驗內容與教學方法改革

2.1 教學內容分級

根據當前實驗條件、不同的專業學習內容以及實驗課時的要求，結合工程實際以及水利工程發展趨勢，增加水利信息化部分內容，并將實驗內容實施多級化教學[2,5]。根據實驗所需理論知識以及實驗操作的難易程度，將水力學實驗分為演示性實驗、驗證性實驗、參數測定實驗、綜合提高實驗四個等級。第一級為演示性實驗，學生通過此類實驗了解水的流態以及相關的現象，增加學生對水力特性的理解，代表實驗有流動演示實驗、流譜流線實驗等。第二級為驗證性實驗，學生通過驗證性實驗增加對實驗原理的理解，為學生對原理的使用條件和公式的應用提供幫助，代表實驗有恒定總流伯努利方程實驗、動量定律實驗等。第三級為參數測定實驗，本類實驗需要一些特殊的儀器（例如畢托管、文丘里流量計）和方法，學生在實驗中學習了這些特殊儀器構造、適用性以及使用的技能，掌握了測定參數的方法和技能，增強了學生在實驗參數測定的認知、實驗成果的分析以及實驗原理的理解等。第四級為綜合提高實驗，該實驗將現代信息化技術應用到水力學實驗教學中，通過多通道信號采集系統儀、PLC觸摸屏測控系統、數據遠傳系統等系統結合實驗軟件、遠程攝像頭，建立虛實結合實驗，實現遠程計算機控制測量、現場手動測量、現場PLC觸摸屏測控等實驗方式，可用于線上遠程教學。通過本類實驗，學生能夠認識水力基本要素各類傳感器，了解水力要素相關數據采集傳輸方式，掌握PLC觸摸屏測控以及遠程控制測量的操作方法，開闊了學生的視野。

2.2 實驗教學方法

構建“實驗前—實驗中—實驗后”三階段水力學實驗教學方法（圖1）。改變傳統單向傳授的教學方法，結合水力學實驗教學的特點，構建“三階段”水力學實驗教學模式，該模式構建思路為：學生根據實驗任務，實驗課前利用實驗教材、網絡資源、小組討論等方式進行自主學習，利用實驗室開放時間進入實驗室熟悉水力學實驗儀器，實驗課上與同學、老師相互討論交流完成實驗，實驗課后完成實驗報告，總結反思[6-8]。

圖1 “三階段”水力學實驗教學模式

2.2.1 實驗前

教師根據教學計劃提前將實驗目的、實驗要求、實驗裝置等資源上傳QQ群、微信群等公共平臺以及學校網絡教學平臺內的水力學實驗電子資料庫，供學生自學查看。為了充分調動學生的積極性和創造性，根據學生自學后對本實驗的認識以及遇到的問題，在實驗課開始前兩天通過開放實驗室，讓學生進入實驗室，了解實驗時需要的水力學實驗裝置、儀器以及使用的材料等。教師在實驗課前將實驗儀器、實驗裝置調試好，并將學生提出的問題予以記錄并及時反饋，便于學生對整個實驗的認識和理解。

學生接受實驗教學任務后自由組建3人學習小組，并選出一名組長。學生在公共平臺下載實驗教學資源，通過學習實驗教學資源，深入理解實驗基本理論，在實驗課前填寫實驗室開放記錄表后進入實驗室，進行實驗的初步設計，通過小組內討論以及與教師線上或線下交流，解決在實驗前遇到的問題。學生通過自主學習開發個人的思維，主動思考實驗過程，調動了學習的積極性。

2.2.2 實驗中

學生到達實驗室后，教師首先強調實驗室規章制度和注意事項，然后各小組成員進行分工協作，根據課前實驗設計和步驟進行實驗，實驗中準確記錄實驗數據，對于遇到的問題，小組成員之間相互交流解決或者與教師交流解決。

實驗中，教師的角色從“傳道”“授業”轉變為“解惑”[9]。教師在實驗中主要查看學生的實驗操作是否規范以及掌握實驗程度，對于學生在實驗實施中存在的問題，與學生交流、討論并及時予以講解和相應的建議。課堂最后，教師對本節實驗課進行提問點評，根據本實驗中學生遇到的問題深入剖析，引導全班學生思考討論，尋求答案。對于學生在實驗中出現的常見問題，進行答疑解惑、查漏補缺，將相關的知識點進行串聯，不斷引導學生思考更深層次的問題。在整個實驗課堂中，學生主宰著整個實驗學習過程，而教師只是作為課堂活動的組織者、問題的解答者。

2.2.3 實驗后

學生在實驗結束后對實驗數據進行校核完成實驗報告，對整個實驗進行總結，對在實驗中學到的新知識、新方法進行歸納總結，對實驗后思考的問題，與同學、老師面對面交流或者通過QQ群、微信群等方式進行溝通，然后利用實驗室開放時間進行驗證，完善實驗報告。學生歸納總結知識的過程也是知識積累的過程，有助于學生拓展思路發揮創造力，對于遇到的問題能夠舉一反三，培養學生學習的自主性、創新性。

教師在實驗教學后對于學生提出的問題進行解答，對學生在整個實驗教學階段遇到的問題進行歸納總結，采用“過程+結果”的實驗評價方法對學生整個實驗教學過程進行評價，過程評價包括通過QQ群或微信群等公共平臺進行問題交流的次數、實驗課回答問題、參與討論的活躍度、實驗操作的熟練程度等；結果評價內容包括學生對實驗儀器的熟悉操作能力、疑難問題的思考解決能力、實驗報告完成情況、實驗數據準確性、回答問題準確性等。

3 結束語

本文通過分析當前水力學實驗教學中存在的實驗內容不夠完善、實驗教學模式單一、實驗考核體系陳舊等不足，探索“三階段”水力學實驗教學模式，讓學生能夠根據實驗任務，從主動思考到自主完成的整個實驗過程，真正成為教學的主體，在思考中不斷豐富自己的專業知識，充分發揮和調動學生在實驗教學中的積極性和能動性，提高學生思考問題、分析問題、解決問題的能力，增強了學生學習的創新性和綜合能力。另外，可將水力學實驗教學改革實施中的思路、方法、經驗應用到其他水利類實驗教學、工科實驗教學中，加深學生對教學內容的理解，提高學生的動手能力和創新能力。