環境科學專業水力學課程教學模式改革實踐

周勁風　胡嘉鏜

[摘 要]水力學是環境科學專業的基礎學科，考慮到環境科學的專業特點以及與學生后續課程的銜接，水力學教學內容應該在傳統水力學教學內容的基礎上有所改革；為了提高學生的學習興趣，增強學習效果，其教學模式也應與時俱進：包括利用網絡工具，設立微課堂，讓學生與教師有更多的互動機會；設立小組討論學習模式，增強學生在團隊協作中獲得專業知識的能力；引入國際優秀的模擬仿真軟件和教材，擴展學生的國際視野。

[關鍵詞]水力學；教學模式；環境科學

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）12-0023-04

水力學是環境科學專業的基礎課，因為涉及大量的計算和力學數學知識，學生普遍反映比較難學；又由于實習實驗課時安排得比較少，學生對一些內容也覺得抽象難以理解。已有不少教師進行了關于水力學教學改革模式的研究，如孫楠等[1]借助現有網絡平臺，以網絡教學交互視角為切入點建設高校水利專業基礎課水力學，基于學習主體、教學團隊、教學平臺、教學資源、教學政策五要素，剖析影響網絡課程教學效果的制約因素，構建全方位- 多層次網絡教學體系，探究立體化網絡教學模式。蘇偉等[2] 為了提高水力學課程的教學效果，探究新型教學模式在提高教學質量方面的作用，在本科生的水力學教學中實施了基于SPOC 的翻轉課堂教學模式。結果表明：新型教學模式使學生由被動學習變成主動學習，提高了學生的自學創新能力，同時也將教師由教授型向引導型轉變，提高了教師的課程設計和思辨能力。李金燕[3]認為，水力學是農業水利工程、土木工程、交通工程等專業的一門重要的專業基礎課程，有著承上啟下的作用，是學好后續專業課的必備課程基礎，在整個課程體系里占據著十分重要的地位。然而，目前從全國范圍來說，水力學課程面臨共同的問題——學時壓縮，這就對教師的教學方法與手段提出了更高的要求。教師在對課程定位以及課程內容在宏觀上有了明確的把握以后，要想在有限的學時內將課程重要的內容傳授給學生，就需要對自己的教學方法與思路做出改進。程浩亮等[4] 通過對水利類相關部門進行聯系考察，遵守理論與實踐相統一以及適度適量原則，建議對教學大綱內容進行一定的修改，并對教學內容進行適量選擇；在教學方法上，建議采用啟發式和講授式教學相結合、案例分析、多媒體動畫以及分組教學法。劉貞姬等[5]通過總結多年的教學經驗，認為在現代教育理念的大背景下，一定的知識儲備、一些專業技能是完善教師自身素質所必需的，在此基礎上實現優化多元教學模式，同時，避免按部就班、注重嘗試創新也應該得到教師的重視。

環境科學是一門研究人類社會發展活動與環境演化規律之間相互作用關系，尋求人類社會與環境協同演化、持續發展途徑與方法的科學。水是環境的一個重要的要素，水力學是研究水這種液體的宏觀機械運動規律及其在工程上的應用。考慮到環境科學的專業特點以及與學生后續課程的銜接，水力學教學內容應該在傳統水力學教學內容的基礎上有所改革。同時，為了提高學生的學習興趣，增強學習效果，其教學模式也應與時俱進，及時引進當代各種教學理念、方法和教學手段。

一、教學內容改革

水文學、水力學、環境水力學都是環境科學專業的基礎課，這三門課程雖然名稱上相似，但研究內容各有側重：水文學主要研究水文循環運動中，從降水到徑流入海的這一段過程，包括河川徑流的基本概念、地面徑流的運動規律，這是對水流現象的描述；水力學研究水的力學規律及其在工程上的應用；環境水力學則是研究污染物在水中的遷移擴散規律。開課的順序一般是水文學[→]水力學[→]環境水力學。隨著環境專業的教學改革，現在趨向于把前兩門課的內容進行壓縮，一些學院甚至取消了水文學或水力學的其中一門，這對于學生全面掌握水體的運動規律是不利的，對后續環境水力學的學習也會造成一定的影響。為了保證學生學習有關水要素知識的完整性和連貫性，結合環境科學的特點，參考國外相關課程設置情況，筆者建議授課內容可做如下調整：1.水靜力學；2.水動力學；3.有壓管流；4.明渠流；5.滲流；6.水循環；7.流域與徑流計算。前面四章是傳統水力學的內容，后面兩章是傳統水文學的內容。通過這樣安排教學內容，在相對有限的課時內，學生對水的運動現象，規律以及動力就有了全面的了解，可為后續相關課程的學習打下良好的基礎。各章的主要內容設置如下。

水靜力學包括靜力學基本方程、水頭與單位勢能的概念，平面與曲面壁上靜水總壓力的計算。水動力學包括恒定總流的連續性方程、能量方程和動量方程及實際工程應用，層流和紊流的主要特征及其判別、阻力系數的變化規律和水頭損失的計算方法。有壓管流包括恒定總流的基本方程在簡單管道及復雜管道水力計算中的應用。明渠流包括明渠均勻流的特性、水力計算的基本公式，明渠漸變流水面曲線的定性分析。滲流包括滲流的達西定律、恒定均勻滲流和非均勻漸變滲流。水循環包括水文循環現象及水平衡。流域與徑流計算包括流域產匯流計算及徑流頻率分析。

這樣的安排從微觀到宏觀，從局部到總體，從機理到現象，使學生既能了解水體的運動動力（規律），也能認識水體的各種運動型態和現象，這對于全面了解“水”這一環境要素無疑是有益的。

二、教學方法改革

（一）利用網絡工具，設立微課堂，讓學生和教師有更多互動的機會

微課堂是面對面教學的一個重要補充，同時也是提高教學效果的一個重要手段。微課堂以手機為載體，設置課前預習、課后答疑、作業展示、案例知識等環節，全過程配合課堂教學。課前預習是每次上課前教師提出預習作業，讓學生帶著問題去預習；課后答疑是隨機問答，學生在學習過程中或是在做作業時碰到的疑問都可隨時發問；作業解答包括對優秀作業的展示，對一些難點的示范；案例主要是水力學知識在環境相關領域的一些應用介紹，比如一些大型的引水工程、水庫建設、河流流域知識介紹等。微課堂的建設和應用貫穿于整個教學中，師生雙方共同參與。

基于上述的思考，筆者借助微信平臺，申請微信公眾號“水力學微課”，采用固定菜單和實時動態推送結合的方式給學生提供學習信息。固定菜單設計三個主菜單，分別是課程思維導圖、課前預習與課后練習、作業精選。

思維導圖將每章的主要內容和公式以框架圖顯示，這有助于學生了解該章的主要脈絡，抓住學習重點，也便于課后的復習總結。

課前預習和課后練習將在每章上課前后分別推出，作為學生預習思考解決的問題和課上小組討論回答的問題，如圖1所示。作業精選選取學生作業中作答清晰完整的作為示范，這一方面有助于學生間的相互學習，對于一些理解稍微慢一點的學生也有借鑒和幫助作用；另一方面也作為可加分項，對學生正面激勵。

實時推送包括與課程相關的知識點，課前預習、課后練習以及與課程學習相關的一些社會新聞。如圖2所示。

圖1 課前預習與課后習題推送頁面

圖2 相關知識點推送頁面

這個公眾號設立后，學生會定期收到預習推送，相關知識推送，作業及解答推送，同時班級還設置了微信群，針對一些難點進行討論。這樣建立了一個快速反饋通道，學生有什么疑問都能得到有效的反饋，學習效果大大增強；有些學生雖然沒有參與討論，但從別人的討論中也獲得了很多信息。

（二）設立小組討論學習模式，增強學生在團隊協作中獲得專業知識的能力

小組教學已廣泛應用于世界各地各層次的教學中，其以對個人學習能力和團隊合作能力的提高而聞名遐邇。由于本課程公式理論講解比較多，課時相對緊張，教師長期采用集體課堂講授的方式，這導致出現一些兩極分化的現象。分組方式有隨機、指定、自愿三種方式，小組成績計入平時成績，小組得分環節包括課前預習的提問，指定章節的課堂展示，知識分享。小組學習貫穿整個學期教學中。

考慮到操作性以及穩定性，對不同的班級雖然采用了不同的分組模式，比如隨機分組、自愿組合，但小組成員一個學期內是固定的，這樣小組成員會有歸屬感和榮譽感。上課的時候小組成員須坐在一起，這樣便于交流和討論，布置一些展示作業的時候小組也是自行分工。經過幾個班級的實踐，筆者發現小組學習模式的確會激發學生的學習興趣，比起上課光聽教師講，小組討論學習方式會讓每個人的思維更加積極和活躍，因為討論的時候需要有輸出，比起光聽課被動的輸入而言，有輸出的學習效果肯定更好。

舉幾個小組討論的例子。在講解“紊流特征”這節課時，用普朗特動量傳遞理論解釋紊流附加切應力時，有一個小組討論題目：“附加切應力的方向為什么和粘滯切應力的方向一致？”這個問題綜合性很強，涉及液體的粘滯性、流速分布、時均流速、脈動流速、瞬時流速、動量定理等知識點，為了能夠在討論時表達出自己的觀點，每位學生一定要認真看教材，綜合分析，追究細節，不能似是而非，模棱兩可。在學習“水面線定性分析”時，對于12種水面線的分析，教材有講解，學生理解起來也不困難，但要學生自己畫出水面線或者判斷水面線走勢，學生就會不知所措，不會應用。這時，除了給學生講解一些實例外，還要給定特例讓他們小組討論，在討論過程中，他們對這個知識點水面線的判讀會掌握得更牢固，理解得更深刻，遇到實際問題就有思路，能順利解決。

在小組學習過程中，很多學生都非常認真地對待每一個討論的問題，精心準備自己的每一次發言，同時也在其他同學的發言中學習和思考，這樣的學習方式很有效率。

（三）引入國際優秀的模擬仿真軟件和教材，擴展學生的國際視野

由于課時緊、內容多，這門課的實習時間較少。可以引入一些成熟的水流模擬仿真軟件彌補這方面的不足，比如丹麥的MIKE系列軟件可以模擬自然降雨-徑流-產流的整個過程，也可以模擬閘孔出流、堰流以及人工河渠水流運動，滑鐵盧大學的MODFLOW軟件可以模擬地下滲流的運動。這些仿真軟件可以使得學生對水流現象的起因和規律了解更加深入，學習效果倍增，同時也能激發他們的求知欲。同時，還可篩選國際優秀原版英文教材，選取一些基本理論章節實施雙語教學，這樣可拓展學生國際視野，提高學生的國際專業交流能力。

比如MIKE 系列模型既可以模擬降雨徑流過程，如圖3所示，也可以模擬顯示一維、二維、三維水流動畫。環境科學水力學課程內容僅限于總流的運動規律研究（一維情形穩定狀態），這其實是水流運動形式的簡化，引入MIKE 系列模擬仿真軟件可以展示水流的真實存在狀態，讓學生了解水流運動的復雜性以及簡化的條件，引發他們的好奇心，為學生進一步的學習打下良好的基礎。

圖3 MIKE 模型模擬的水循環過程示意圖

英文教材篩選出John E.Gribbin編著的INTRODUCTION TO Hydraulics and Hydrology fundamental hydrodynamics部分章節[6]，以第4章為例，對比分析與中文教材相關章節的內容差異。這章的標題是基礎水動力學，介紹水流的類型，包括層流和紊流，穩定流和非穩定流，均勻流和非均勻流；水頭的概念；質量守恒和能量守恒方程；水頭損失，測壓管坡度；沿程水頭損失計算方法；流速流量的測定設備等。在中文教材里，這些知識分布在很多章節，每個點的介紹都很詳細，公式的推導、原理的介紹，概念的解析都很徹底。相比而言，這本外文教材簡明扼要，以解決問題為導向，綜合性很強。通過對比學習，學生可以了解不同風格的教材特點，體會不同的教學思路。

三、結論與展望

1.環境科學專業水力學課程內容設置應綜合考慮專業需求和知識的系統性，在課時有限和課程壓縮合并的壓力下，可以將水力學和水文學部分內容整合，讓學生能系統掌握水的運動規律，為后續課程打好基礎。

2.教學方法應充分利用現代教學理念、方法和工具，加強教師與學生的互動，增強教學中的及時反饋，通過啟發式教學和小組討論方式，提高學生的積極性與參與度，以達到更好的學習效果。

3.應引入專業水流模擬軟件及國際教材，拓寬學生的學習視野，挖掘他們的好奇心，以提升專業素質。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 孫楠，徐麗君，王子龍，等.基于網絡教學的“水力學”教學模式研究[J].河北農業大學學報（ 農林教育版），2016（5）：54-57.

[2] 蘇偉，張西平，胡寶月，等.基于SPOC 的“水力學”翻轉課堂教學模式探究[J].河北農業大學學報（ 農林教育版），2017（2）：50-54.

[3] 李金燕.水力學課程教學模式的探索與改進[J].中國教育技術裝備，2016（2）：77-79.

[4] 程浩亮，張慶文.基于多元化教學模式的水力學教學改革探究[J].科技創新導報，2015（20）：114-115.

[5] 劉貞姬，劉煥芳，宗全利，等.“水力學”課程多元教學模式的應用研究[J].新課程研究，2016（2）：15-17.

[6] John E.Gribbin.Introduction to Hydraulics and Hydrology with Applications for Stormwater Management Fourth Edition [M].Delhi：Cengage Learning India Private Limited，2014.

[責任編輯：陳 明]