少學(xué)時(shí)水力學(xué)教學(xué)改革和達(dá)成度分析

何子干，趙志軍，肖 婧，胡世平

(長(zhǎng)沙學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410022)

水力學(xué)為應(yīng)用型本科高校土木工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)限修課.通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解水力學(xué)在我國(guó)的發(fā)展進(jìn)程，掌握水力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)運(yùn)用，為畢業(yè)設(shè)計(jì)和今后從事地質(zhì)勘測(cè)、工程設(shè)計(jì)、施工等工作打下基礎(chǔ).

水力學(xué)主要研究液體宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其在工程中應(yīng)用，液體以水體為主要研究對(duì)象.可分為三大部分：水靜力學(xué)，水動(dòng)力學(xué)，工程中的水力計(jì)算.通常將水靜力學(xué)，水動(dòng)力學(xué)劃分在水力學(xué)基本原理(理論)部分，將工程中的水力計(jì)算劃分在工程水力學(xué)范疇內(nèi).

1 水力學(xué)課程教學(xué)改革的背景

《水力學(xué)》[1]課程由兩大部分組成，即水力學(xué)基本原理和工程水力學(xué).土木類(lèi)學(xué)生通過(guò)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)，不僅要掌握水力學(xué)的基本理論，更重要的是掌握水力學(xué)的相關(guān)應(yīng)用.在許多高等院校的少學(xué)時(shí)水力學(xué)教學(xué)大綱中，水力學(xué)一般安排45-50個(gè)學(xué)時(shí)[2,3]，而我院水力學(xué)總學(xué)時(shí)數(shù)減少至32(理論課時(shí)24，實(shí)驗(yàn)課時(shí)8)學(xué)時(shí)，但是教學(xué)內(nèi)容基本不變，這給授課教師和學(xué)生都帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，教師和學(xué)生都在趕進(jìn)度.而且，教學(xué)內(nèi)容不能與時(shí)俱進(jìn)，即隨著學(xué)科的發(fā)展及時(shí)更新.又由于該課程與水利專(zhuān)業(yè)聯(lián)系密切，不少土木類(lèi)學(xué)生概念理解困難，加之本課程公式繁多，理論推導(dǎo)較復(fù)雜，課程內(nèi)容與課時(shí)比較大，導(dǎo)致一些學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)缺乏信心和目的性，方向不明則得過(guò)且過(guò)，使整個(gè)年級(jí)水力學(xué)課程的學(xué)習(xí)成績(jī)離散度較大.針對(duì)課時(shí)少，內(nèi)容多，公式繁，概念雜的特點(diǎn)，筆者對(duì)近幾年《水力學(xué)》課程的教學(xué)改革進(jìn)行了一些探索和歸納，并結(jié)合正在進(jìn)行的專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，對(duì)本課程的2017版教學(xué)大綱要求的達(dá)成度進(jìn)行了分析.

2 水力學(xué)課程教學(xué)改革的內(nèi)容與方法

2.1 教學(xué)改革的內(nèi)容

《水力學(xué)》是力學(xué)的一個(gè)分支，是我院學(xué)生的必修課.課程概括為兩部分內(nèi)容：水力學(xué)基本原理和工程水力學(xué)兩部分.前者講述水力學(xué)基本原理和概念，是本門(mén)課程的基礎(chǔ)，學(xué)生必須堅(jiān)實(shí)掌握這部分內(nèi)容.為此，筆者在水力學(xué)教材的選擇上，仍然堅(jiān)持選擇了傳統(tǒng)的最新優(yōu)質(zhì)教材(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室編.水力學(xué).北京：高等教育出版社，2016.4(第五版))，安排理論授課約18-20學(xué)時(shí).后者就是水力學(xué)基本原理在工程中的應(yīng)用，由于總課時(shí)的限制，僅能安排4-6個(gè)學(xué)時(shí)講授有壓管流和明渠恒定流動(dòng)，因此，不能面面俱到，須重點(diǎn)突破.如圖1所示問(wèn)題：

已知舊鋼管總長(zhǎng)L=L1+L2+L3=100m，鋼管直徑d=800m，糙率n=0.01，各局部水頭損失系數(shù)分別為：ζ進(jìn)口=0.5，ζ轉(zhuǎn)彎=0.3， ζ出口=1.0，求管中流量Q.

圖1 工程水力學(xué)問(wèn)題

就是水力學(xué)基本原理在工程中的典型應(yīng)用，涉及了本教材前四章大部分內(nèi)容和公式.先將糙率代入曼寧公式求出謝才系數(shù)，再用謝才公式求出沿程水頭損失系數(shù)，接著用能量方程解出此管道系統(tǒng)的流量系數(shù)(涉及到沿程水頭損失和局部水頭損失)，最后，質(zhì)量守恒得到流量.講透此問(wèn)題，水力學(xué)在工程中的應(yīng)用之門(mén)隨之打開(kāi)，起到了事半功倍的效果.

筆者認(rèn)為：掌握了堅(jiān)實(shí)牢固的水力學(xué)基本原理和概念，工程水力學(xué)的學(xué)習(xí)和工作中的應(yīng)用及自學(xué)沒(méi)有理論上的障礙.例如，有壓管道系統(tǒng)流動(dòng)，明渠流動(dòng)，堰流及閘孔出流，水流銜接和消能等都是工程水力學(xué)問(wèn)題，看似復(fù)雜且流動(dòng)形態(tài)各異，但萬(wàn)變不離其宗，這些流動(dòng)都受到水力學(xué)基本原理(方程)的控制，只要清楚了其流動(dòng)特點(diǎn)(邊界條件)，逐個(gè)應(yīng)用基本原理即可.

2.2 教學(xué)改革的探討

2.2.1 以應(yīng)用能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式

圖2 等壓面問(wèn)題

2.2.2 教學(xué)方法多樣化

傳統(tǒng)的板書(shū)既費(fèi)時(shí)間，圖像效果又差，水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程也無(wú)法逼真表現(xiàn)，如，流線展示、層流和紊流的轉(zhuǎn)換和顯示，壓力體圖示等.而這正是多媒體大顯身手的機(jī)會(huì)[1，4，5]，它可以充分演示水流動(dòng)態(tài)過(guò)程，如采用動(dòng)畫(huà)和視頻錄像的方式演示管道和明渠流動(dòng)、原型觀測(cè)和模型試驗(yàn)的錄像演示挑流消能、堰流及孔口出流，以及相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果的計(jì)算機(jī)圖示等，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)相關(guān)原理的理解，擴(kuò)大了知識(shí)面.但是，多媒體也存在停留時(shí)間短、跳躍性強(qiáng)等不足.在公式推導(dǎo)時(shí)不能依靠多媒體，教師要嚴(yán)格逐步利用黑板板書(shū)推導(dǎo)，以期加深學(xué)生的印象.有條件和學(xué)時(shí)允許時(shí)，進(jìn)行原型觀測(cè)和模型實(shí)驗(yàn)也大有益處，如在本校教學(xué)中安排了以下五個(gè)實(shí)驗(yàn)：1靜水壓強(qiáng)測(cè)試；2動(dòng)量方程驗(yàn)證；3流線演示和虹吸管演示；4沿程阻力系數(shù)測(cè)定；5滲流實(shí)驗(yàn).增加了感性認(rèn)識(shí)，理論與實(shí)際得到了良性的融合，也強(qiáng)化了學(xué)生的動(dòng)手能力.

3 專(zhuān)業(yè)認(rèn)證中的達(dá)成度分析

2018年11月長(zhǎng)沙學(xué)院土木工程專(zhuān)業(yè)首次申請(qǐng)專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，其理念是：以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向的教學(xué)、教育、培養(yǎng)過(guò)程和結(jié)果得到跟蹤、評(píng)價(jià)與改進(jìn).

2011-2015級(jí)五屆學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)土木學(xué)院采用的2013教學(xué)大綱培養(yǎng)方案沒(méi)有安排水力學(xué)限修課(2011-2014級(jí))，或未安排實(shí)驗(yàn)課時(shí)(2015級(jí))，故表一僅給出了近三屆學(xué)生(采用2017教學(xué)大綱培養(yǎng)方案)的總成績(jī)(含60%書(shū)面考查成績(jī)、20%實(shí)驗(yàn)成績(jī)和20%平時(shí)成績(jī))分布，可見(jiàn)平均成績(jī)逐年明顯得到提高，學(xué)習(xí)成績(jī)達(dá)到了持續(xù)改進(jìn)的效果.

圖3近三屆學(xué)生總成績(jī)分布圖

3.1 評(píng)價(jià)對(duì)象

土木工程專(zhuān)業(yè)2016級(jí)路橋2班、2016級(jí)建筑2班、2017級(jí)土木4班和2017級(jí)土木6班的所有學(xué)生.

3.2 課程所支撐的指標(biāo)體系

本課程支撐土木工程專(zhuān)業(yè)要求中2個(gè)指標(biāo)點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列：

3.3 評(píng)價(jià)依據(jù)的合理性

本課程包括理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分.教學(xué)環(huán)節(jié)占總分的比例：

平時(shí)成績(jī)占20%(含作業(yè)、課堂表現(xiàn)和考勤)；實(shí)驗(yàn)成績(jī)占20%；期末考查成績(jī)占60%.

實(shí)驗(yàn)成績(jī)由教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示和實(shí)驗(yàn)操作等綜合評(píng)定，具備開(kāi)展水力學(xué)實(shí)驗(yàn)、測(cè)量和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得正確結(jié)果的能力，以達(dá)到畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)4.1的要求.若實(shí)驗(yàn)成績(jī)不及格，則總成績(jī)不及格.

期末考查采用筆試(開(kāi)卷，只可以看教材或參考書(shū))形式，題型包括填空、選擇、簡(jiǎn)答(判斷)、論述和計(jì)算等.考核內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)綜合運(yùn)用基本概念、基本原理和計(jì)算方法進(jìn)行水靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)中的壓強(qiáng)、流速、水頭損失和受力等的計(jì)算，從而具備水力學(xué)工程問(wèn)題設(shè)計(jì)、校核計(jì)算的能力，考核成績(jī)支撐畢業(yè)指標(biāo)點(diǎn)2.1.如果學(xué)生的期末考查成績(jī)未達(dá)到50分，則平時(shí)各項(xiàng)考核成績(jī)不計(jì)入總評(píng)成績(jī).

表1 本課程支撐土木工程專(zhuān)業(yè)要求的2個(gè)指標(biāo)點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)

3.4 課程評(píng)價(jià)和達(dá)成度分析

課程評(píng)價(jià)和達(dá)成度分析情況列于表2和表3.

通過(guò)對(duì)表2的近三年本門(mén)課程指標(biāo)體系達(dá)成度分析，可以看出學(xué)生對(duì)基本概念和基本性質(zhì)的試題完成情況較好，但在靈活運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題方面有所欠缺.表四則表明這三屆學(xué)生評(píng)價(jià)值呈逐年上升的趨勢(shì)，但由于學(xué)生屆數(shù)較少，肯定的結(jié)論要在后續(xù)教學(xué)中得以驗(yàn)證.在今后的教學(xué)中，在講透原理的基礎(chǔ)上，要緊密結(jié)合實(shí)際工程，靈活運(yùn)用基本概念和基本原理分析和解決問(wèn)題，幫助學(xué)生提高綜合運(yùn)用水力學(xué)知識(shí)的能力.此外，要及時(shí)做好作業(yè)、課堂提問(wèn)等記錄，以便了解學(xué)生對(duì)有關(guān)內(nèi)容的掌握程度，對(duì)作業(yè)中錯(cuò)誤較為集中的內(nèi)容進(jìn)行集中糾正，以引起這些學(xué)生的重視，提高教學(xué)效果.

表2 2016-2018學(xué)年《水力學(xué)》課程指標(biāo)體系達(dá)成度計(jì)算

表3 課程達(dá)成度評(píng)價(jià)結(jié)果表—水力學(xué)

4 結(jié)論

以應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)為導(dǎo)向的土木類(lèi)專(zhuān)業(yè)《水力學(xué)》課程教學(xué)改革，在學(xué)時(shí)總量安排(24+8)較少的情況下，要完成以前約45學(xué)時(shí)的內(nèi)容教學(xué)，難度非常大，必須有所為有所不為.我們的做法是：安排較多學(xué)時(shí)用于講透水力學(xué)基本原理和基本理論，同時(shí)安排足夠的作業(yè)，使學(xué)生掌握較堅(jiān)實(shí)的水力學(xué)理論，為工程水力學(xué)的學(xué)習(xí)和工作中的應(yīng)用及自學(xué)解決理論障礙.通過(guò)不斷加強(qiáng)《水力學(xué)》課程教學(xué)改革，熟練應(yīng)用靈活多樣的教學(xué)方法，科學(xué)組織教學(xué)內(nèi)容，提高其應(yīng)用能力，評(píng)價(jià)依據(jù)合理，最終得到了教學(xué)成績(jī)持續(xù)改進(jìn)，課程達(dá)成度結(jié)果持續(xù)提高的效果.