基于結(jié)果導(dǎo)向的水力學(xué)教學(xué)改革探索

王煒，魏清順，段喜明

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西晉中 030801）

為了切實(shí)提高高等教育的教學(xué)質(zhì)量，教育部狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育，要求課程建設(shè)以質(zhì)量為導(dǎo)向，從而構(gòu)建更高水平的人才培養(yǎng)體系[1]。水力學(xué)作為一門涉水專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，其在教學(xué)中占據(jù)著重要的地位，課程既可以單獨(dú)解決工程中的水力學(xué)問題，還能構(gòu)建專業(yè)邏輯思維，為后續(xù)專業(yè)課程進(jìn)行鋪墊。課程內(nèi)容在水利工程、土木工程、橋梁工程、港口工程、機(jī)械工程等專業(yè)都有應(yīng)用，具有較強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性。各高校教師都在不斷摸索水力學(xué)課程的教學(xué)設(shè)計、實(shí)驗(yàn)改革、思政元素的融入等內(nèi)容[2-6]，從而更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，獲得更好的教學(xué)效果，讓學(xué)生學(xué)習(xí)有興趣、學(xué)習(xí)有用處。

一、水力學(xué)課程現(xiàn)狀及存在的問題

（一）課程內(nèi)容多，學(xué)習(xí)難度大

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的“水力學(xué)”主要講授以水為代表的液體運(yùn)動的一般規(guī)律，包括相關(guān)基本概念、基本公式和基本理論。課程共64學(xué)時，其中56學(xué)時的理論教學(xué)包括水靜力學(xué)、水動力學(xué)及工程應(yīng)用三個部分，具體包括水靜力學(xué)基礎(chǔ)、液體流動基本定理（三大方程）、液流形態(tài)和水頭損失（局部水頭損失和沿程水頭損失）、管道水流、明渠水流、堰流及孔口出流、泄水建筑物下游消能、滲流及水力模型試驗(yàn)基本原理等12章內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容多、課時緊張。課程中有許多與高等數(shù)學(xué)中微積分，大學(xué)物理、理論力學(xué)中相關(guān)的動量、動能、力有關(guān)的概念及公式，公式多且抽象，存在公式引出新公式、并有大量的經(jīng)驗(yàn)公式、圖表，枯燥難懂，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大[7]。如何幫助學(xué)生梳理課程內(nèi)容，準(zhǔn)確運(yùn)用所學(xué)知識解決工程實(shí)際問題，成為水力學(xué)教與學(xué)的重點(diǎn)目標(biāo)。

（二）教學(xué)方法簡單，教學(xué)資源匱乏，與工程案例結(jié)合少

水在日常生活中、河流管道中經(jīng)常見到，學(xué)生對于水并不陌生，然而對于水流流動的機(jī)理以及工程中水流問題如何解決，學(xué)生并不清楚。水力學(xué)開在農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的大二上學(xué)期，屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，在上課之前對于農(nóng)業(yè)水利工程的基礎(chǔ)知識涉獵較少，缺少一定的工程認(rèn)知。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師是課堂的主體，課程教學(xué)以教師講授為主，主導(dǎo)著教學(xué)的進(jìn)度與節(jié)奏，學(xué)生被動地參與，不能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，且理論知識的講授多以PPT講解為主，雖然在講授中穿插了大量的動畫、視頻，對于專業(yè)知識如消能、水面線繪制有一定的介紹，但這些水力學(xué)中的知識點(diǎn)都是融為一體，與工程實(shí)際結(jié)合較弱。教師很認(rèn)真地備課、充滿激情地講課，學(xué)生由于各種因素的限制，還是無法理解水工建筑物中水流的情況，缺乏感性認(rèn)識。在后續(xù)專業(yè)課中進(jìn)行建筑物如溢洪道的設(shè)計及遇消能問題時，學(xué)生難以運(yùn)用所學(xué)知識，也反映出水力學(xué)課程教學(xué)中的短板。

對于工程設(shè)計中的計算，多以教材中介紹的試算法、公式法為主，計算量大且不易求解，學(xué)生大多數(shù)也不愿意嘗試，這為學(xué)生在學(xué)習(xí)、工作中碰到類似的問題難以解決埋下隱患。教學(xué)中對于當(dāng)前設(shè)計院、研究所等單位多采用的軟件、程序介紹不足，非常不利于學(xué)生解決工程實(shí)際問題。另外，教材中提供的經(jīng)驗(yàn)公式都較為經(jīng)典，有的工程具有典型的地域性，對于有地域性特點(diǎn)的工程還需要結(jié)合地方標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，需要參考地方標(biāo)準(zhǔn)。

（三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，缺乏創(chuàng)新

水力學(xué)課程包含8學(xué)時實(shí)驗(yàn)，由必做與選做組成，必做實(shí)驗(yàn)有水靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)，選做實(shí)驗(yàn)有能量方程實(shí)驗(yàn)、動量方程實(shí)驗(yàn)、沿程阻力實(shí)驗(yàn)、局部阻力實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，只需根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟，記錄所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象即可完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這種學(xué)習(xí)方式抑制了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，使得學(xué)生本該在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的實(shí)驗(yàn)課中失去了探索的熱情，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果難以保證。

（四）課程思政機(jī)械，元素較少

課程思政是一種教學(xué)理念，也是一種思維方式。教師在教學(xué)過程中有意識、有目的、有效果地穿插思政教育，在專業(yè)課中充分發(fā)揮德育功能，提煉專業(yè)課程中的思維價值與文化元素。在本課程的教學(xué)過程中，思政點(diǎn)較為單一、固定，存在機(jī)械性思政、膚淺性思政，并且對于國家政策、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等方面的引申較少，對充分挖掘思政元素的工作還需進(jìn)一步推進(jìn)。

（五）考核形式單一

目前水力學(xué)課程采取平時+實(shí)驗(yàn)+期末成績?nèi)糠纸M成，占比分別為10%、30%、60%，平時成績占比較小，且主要由課后作業(yè)、課堂提問構(gòu)成，并不能引起學(xué)生對課堂表現(xiàn)的重視。期末考試占據(jù)了大量的比例，且是閉卷考試，學(xué)生往往會考前突擊，死記硬背，以便能獲得較好的考試成績，但這樣的成績并不能真實(shí)地反映學(xué)生的水平，對于實(shí)際的工程問題也不一定能夠順利解決。

二、水力學(xué)教學(xué)改革的策略

（一）打造以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向的教學(xué)模式

水力學(xué)為農(nóng)業(yè)水利工程的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要培養(yǎng)學(xué)生解決專業(yè)中常見工程問題的能力，如確定液體作用力，管道、渠道過流能力，消能及相似試驗(yàn)的設(shè)計問題。改進(jìn)為以結(jié)果為導(dǎo)向的教學(xué)方式[8]，梳理農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)后續(xù)專業(yè)課，如“水工建筑物”“灌溉排水工程學(xué)”“工程水文學(xué)”等課程對“水力學(xué)”知識點(diǎn)的需求，通過走訪、調(diào)查、咨詢設(shè)計院、工程局等用人單位后，總結(jié)出學(xué)生在工作中所需的水力學(xué)知識點(diǎn)，制定水力學(xué)課程的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)畢業(yè)要求將教學(xué)任務(wù)分解，對教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時進(jìn)行分配，確定教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，最終要求學(xué)生熟練應(yīng)用知識，使學(xué)生真正掌握水力學(xué)在工程中的應(yīng)用，將枯燥的經(jīng)驗(yàn)公式、各式各樣的圖表與工程實(shí)際結(jié)合，綜合運(yùn)用課程知識來解決復(fù)雜的工程問題，形成水力學(xué)的教學(xué)特色。

（二）重新劃分教學(xué)板塊，化零為整

夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)，加強(qiáng)教學(xué)的板塊化，將水力學(xué)課本中零碎的知識點(diǎn)對標(biāo)工程認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)，使課程具有高階性。教學(xué)內(nèi)容按照培養(yǎng)目標(biāo)，化零為整，教師將教材中的12章內(nèi)容劃為基礎(chǔ)知識和工程應(yīng)用。授課分為線上導(dǎo)學(xué)，課中重點(diǎn)講授知識（案例講解為主、輔助以討論式、探究式教學(xué)），課后進(jìn)行習(xí)題練習(xí)鞏固。授課順序?yàn)橛伸o到動，由基礎(chǔ)知識到工程應(yīng)用。基礎(chǔ)知識為水靜力學(xué)基本方程式、水流運(yùn)動的基本原理即水力學(xué)三大方程式，工程應(yīng)用為：

1.建筑物受壓面靜水壓力計算。建筑物壁面分為平面和曲面兩大類，平面受壓面以三峽大壩壩體及閘門受靜水壓力的計算為例，曲面受壓面以具有水平母線的二項(xiàng)曲面——某水電站泄洪中孔弧形閘門的受力計算為例，分別介紹平面靜水壓力與曲面靜水壓力的計算過程，將受壓平面由垂直變?yōu)閮A斜受壓面，將曲面受壓面向圓管等形似的受壓面進(jìn)行計算訓(xùn)練。同時，教師讓學(xué)生翻閱文獻(xiàn)、查找資料，收集國內(nèi)外典型的平面、曲面受壓面，讓學(xué)生觀察周圍類似的受壓面進(jìn)行規(guī)律總結(jié)。

2.管道水流常見于村鎮(zhèn)供水管道、農(nóng)田灌溉管道、水工建筑物有壓管道中，對于農(nóng)業(yè)灌溉工程及水利工程均有重要應(yīng)用。有壓管道水流根據(jù)計算中局部水頭損失、流速水頭計算與否分為短管和長管。短管主要用在堤壩中的泄洪管與放水管、水泵的吸水管和壓水管、虹吸管、路基涵管等，長管主要用在村鎮(zhèn)供水、城市室外給水等。因?yàn)楸緦I(yè)主要應(yīng)用短管進(jìn)行灌溉管道的布置、堤壩泄水管的設(shè)計、水泵、虹吸管的設(shè)計，所以短管的教學(xué)案例較為豐富，首先介紹壓力鋼管的總水頭線、測壓管水頭線的繪制，再以虹吸管的布置、水泵的布置為例講解短管的水力計算。長管在農(nóng)業(yè)水利工程中用得較少，學(xué)生利用線上資源進(jìn)行自學(xué)。通過工程案例，學(xué)生可以自己動手查表、找適用的經(jīng)驗(yàn)公式，對于一些系數(shù)的選取有深刻的認(rèn)識，為后續(xù)專業(yè)課程的課程設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

3.明渠水流在自然界和實(shí)際水利工程中極為常見，應(yīng)用極廣。灌區(qū)渠道、渡槽的設(shè)計、河道治理，甚至是大型水利工程中的導(dǎo)流明渠都應(yīng)用的是該部分的知識。課堂教學(xué)以灌區(qū)的矩形、梯形渡槽槽身的尺寸設(shè)計為案例，進(jìn)行明渠均勻流的教學(xué)；以重力壩的溢洪道設(shè)計為案例，進(jìn)行明渠非均勻流水面線計算、消能等問題的講解，引入成熟的計算表格，便于學(xué)生能迅速得到設(shè)計方案。

4.滲流范圍廣、危害大，導(dǎo)致滲流在水利工程中的關(guān)注度極高，一旦發(fā)生滲水問題，不論是土石壩還是混凝土壩，都將影響工程效益，甚至?xí)：こ贪踩谵r(nóng)業(yè)灌溉中又希望水流能盡快、盡廣地滲入到土壤中。教材中滲透量、溢出點(diǎn)兩者是通過兩段法聯(lián)立方程組求解的，方程需要進(jìn)行試算求解，且浸潤線、流網(wǎng)的繪制介紹的都是手繪法，這對于實(shí)際問題的求解是不方便的。設(shè)計院對于滲流是用軟件進(jìn)行計算，如Autobank或者理正軟件，授課中對土石壩用計算軟件進(jìn)行滲流計算，讓學(xué)生熟悉工程中對于滲流的計算流程。

5.相似原理，對于模型實(shí)驗(yàn)及大型水利工程尤為重要。教師在利用文字資料、視頻資料，展示一些工程設(shè)計及施工中，利用相似原理進(jìn)行模型試驗(yàn)來測試參數(shù)的過程，鼓勵學(xué)生進(jìn)行水工建筑物部件的模型設(shè)計，讓學(xué)生介紹原型與模型的長度比尺、流速比尺及力的比尺，既鍛煉了動手能力，又深入地理解比尺的概念與模型原型的關(guān)系。

（三）實(shí)驗(yàn)改革

水力學(xué)實(shí)驗(yàn)是課程教學(xué)必不可少的一部分。通過實(shí)驗(yàn)鍛煉，學(xué)生既可以更深入地理解理論部分的知識，又可以培養(yǎng)學(xué)生動手能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、課本知識與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的能力。在實(shí)驗(yàn)課程，要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

1.轉(zhuǎn)變師生對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)識，加入探索性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，鼓勵學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的儀器，或者自主設(shè)計、自由探索。如動量方程中動量的測量，局部水頭損失實(shí)驗(yàn)中設(shè)計不同的管道轉(zhuǎn)彎情況，來驗(yàn)證不同情況下的局部水頭損失系數(shù)與公式法的區(qū)別。以賽促學(xué)，舉辦實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新大賽，鼓勵學(xué)生組隊參加，并對作品進(jìn)行點(diǎn)評，且作品成績計入平時成績中，組織學(xué)生參加更高級別的創(chuàng)新大賽。

2.充實(shí)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。部分實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)CAI系統(tǒng)[9]，用虛擬仿真來完成沒有條件的實(shí)驗(yàn)，同時設(shè)置不同難度思考題，引發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的思考。

（四）思政融入與提升

課程思政就是將課程所蘊(yùn)含的思政元素自然地融入課程教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生的人格塑造，實(shí)現(xiàn)知識教育與思想教育的有機(jī)統(tǒng)一[10]?，F(xiàn)在學(xué)生的學(xué)習(xí)媒介、學(xué)習(xí)平臺眾多，發(fā)動師生共同思政，可以激發(fā)學(xué)生對水力學(xué)課程進(jìn)行深入思考，從而便于教師捕捉到學(xué)生感興趣的點(diǎn)，可以豐富思政素材庫。思政元素將從以下幾個方面進(jìn)行挖掘：

1.堅定“四個自信”，弘揚(yáng)大國工匠精神。我國的水力學(xué)發(fā)展史可以追溯到大禹治水時期，李冰父子修建都江堰水利工程是全世界迄今為止年代最長、唯一保存且持續(xù)運(yùn)行的無壩引水工程，京杭大運(yùn)河解決了南北運(yùn)輸問題，到現(xiàn)在三峽工程的修建、金沙江上梯級電站的開發(fā)、南水北調(diào)、港珠澳大橋等工程，這些成果都是前輩和水利工程師克服重重困難創(chuàng)造的，是我們祖國、我們黨集中力量辦大事的體現(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感與自信心，使學(xué)生相信中國力量是無窮的。我們祖先不僅留下了寶貴的水利工程，還留下了豐富的文化遺產(chǎn)，古人在詩詞中精準(zhǔn)地描述了水流的特性，如：“抽刀斷水水更流”，更多的詩句是古人對于人生觀的描寫，如蘇軾的“誰道人生再無少？門前流水尚能西！休將白發(fā)唱黃雞”。陸游的“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”等，引發(fā)學(xué)生對于人生、學(xué)業(yè)的思考。近年來江蘇省力學(xué)學(xué)會主辦的詩畫流體力學(xué)創(chuàng)作大賽，旨在鼓勵學(xué)生分享詩詞書畫之樂趣，我校連續(xù)兩年組織學(xué)生積極參加，并取得優(yōu)異的成績。通過這些水利工程及古代文學(xué)，堅定學(xué)生的“四個自信”，弘揚(yáng)大國工匠精神。

2.樹立科學(xué)思維，培養(yǎng)科學(xué)家精神。在水力學(xué)中，引入了連續(xù)介質(zhì)模型、理想流體模型、不可壓縮模型，這些模型為后續(xù)計算、求解過程都提供了理論依據(jù)。多種相似準(zhǔn)則的提出，更是具體問題具體分析的生動體現(xiàn)。課程中包含了大量的科學(xué)家，如歐拉、尼古拉茲、謝才等，這些科學(xué)家數(shù)年如一日地研究問題的精神，追求真理、為科學(xué)奉獻(xiàn)的科學(xué)家精神值得我們學(xué)習(xí)。

3.堅定學(xué)習(xí)信念，培養(yǎng)社會責(zé)任感。教師將水力學(xué)中不易理解、難以掌握的知識點(diǎn)，通過視頻、計算軟件模擬等辦法，讓學(xué)生深刻理解那些深奧的概念，如流線、流網(wǎng)、流速場等的概念；通過介紹工程中常用的布置管線、設(shè)計渠道、水利工程設(shè)計、施工的思路與辦法，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)熱情，養(yǎng)成關(guān)注行業(yè)發(fā)展、關(guān)心科研動態(tài)的職業(yè)習(xí)慣。介紹橋墩沖刷破壞、煤礦透水事故、塔科馬大橋垮塌、三峽船閘等實(shí)例，增強(qiáng)學(xué)生的工程倫理意識和社會責(zé)任感。

（五）教學(xué)方式改革及課程評價

為了充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，構(gòu)建“前中后授課模式”課程，充分利用線上教學(xué)資源及一些教學(xué)軟件[11]，如超星學(xué)習(xí)通平臺、雨課堂等，課前布置學(xué)習(xí)任務(wù)，課中以多種方式講解內(nèi)容，課后進(jìn)行知識點(diǎn)練習(xí)，實(shí)現(xiàn)線上線下協(xié)同教學(xué)，將緊缺的課時用在解決水力學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)的教學(xué)中。課前布置一些學(xué)生可以理解、容易掌握的預(yù)習(xí)作業(yè)，如避免文丘里流量計喉管處形成真空的措施有哪些？總水頭線和測壓管水頭線的趨勢有何不同？流態(tài)判別為何采用無量綱參數(shù)，而不采用臨界流速？教師讓學(xué)生帶著問題、有針對性地開展課前預(yù)習(xí)，根據(jù)教學(xué)環(huán)節(jié)將學(xué)生分成小組，進(jìn)行資料收集。教師要求每個學(xué)生上課之前準(zhǔn)備一個小問題，在課堂最后五分鐘隨機(jī)發(fā)問，答出來的給提問和被提問的同學(xué)課堂表現(xiàn)加5分，答不上來的給提問同學(xué)加5分，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增加學(xué)習(xí)的趣味性。課堂中，教師用多種教學(xué)方式如啟發(fā)式、探討式、案例式等方式。例如，教師在講解完有壓管流和明渠水流之后，讓學(xué)生收集南水北調(diào)工程資料，課堂上分組討論東線與中線分別遇到的困難，工程師是如何解決的，中線為什么是渠道和管道結(jié)合布置等等問題，對課程進(jìn)行展開，引導(dǎo)學(xué)生思考、理解。

課程評價反映了課程的教學(xué)情況。教師要加大過程性考核占比，將以往的平時成績由10%調(diào)整到30%、實(shí)驗(yàn)占30%，期末閉卷考試占40%。平時成績包括預(yù)習(xí)筆記、課堂討論、小組作業(yè)、作品展示、課堂測試、課后作業(yè)、讀書報告等，對于同一類水力學(xué)知識點(diǎn)的應(yīng)用，教師利用工程實(shí)例進(jìn)行總結(jié)考核，目的是動態(tài)掌握學(xué)生對該部分知識的掌握情況，分析匯總學(xué)生成績，進(jìn)行師生互評。教師對需要改進(jìn)的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)成績包括實(shí)驗(yàn)過程的表現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理、結(jié)論分析等。在期末考試中，教師主要考察水力學(xué)基本原理及工程應(yīng)用，題目有主觀題和客觀題，主觀題中加入論述題，考查學(xué)生對水力學(xué)知識的應(yīng)用及工程問題的分析。

四、結(jié)束語

水力學(xué)是涉水專業(yè)的一門應(yīng)用性很強(qiáng)，涉及較廣的專業(yè)基礎(chǔ)課。本文針對水力學(xué)課程目前的教學(xué)現(xiàn)狀，總結(jié)出提升教學(xué)質(zhì)量的具體措施，打造以學(xué)生為主體、結(jié)果為導(dǎo)向的教學(xué)模式，對課程模塊重新打造，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，融入課程思政，加大過程性考核，符合一流本科課程建設(shè)的要求，為培養(yǎng)知識與實(shí)踐兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)復(fù)合型人才而奠定基礎(chǔ)。