面向工程應用能力培養的“河流動力學”課程教學改革思考

荊海曉 王雯 王義民 左娟莉

[摘 要] 為了提高河流動力學課程的教學效果，適應我國西北地區水利工程建設、河流生態保護等對人才工程應用能力的需求，結合河流動力學課程特點及課程教學的經驗，對該課程現狀及教學過程中存在的主要問題進行了分析，從課程內容優化、教學方法、課程考核等方面提出將培養學生工程應用能力貫穿于課堂教學的思考，為高校水利工程雙一流建設提供支撐，也為相關課程的教學改革提供參考借鑒。

[關鍵詞] 河流動力學;工程應用能力;課程改革

[基金項目] 2017年度陜西省教育廳“水利水電學院創新創業教育建設的探索與實踐”;陜西省高等教育教學改革研究重點項目（17bz022） （王義民，王雯）;2016年度西安理工大學教學研究項目“‘河流動力學課程教學方法改革與創新研究”（xqj1624）（荊海曉）;2017年度西安理工大學教學研究項目“基于啟發式教學法的學生創新能力培養”（xqj1709）（王雯）

[作者簡介] 荊海曉（1986—），男，山西運城人，博士，西安理工大學水利水電工程學院講師，主要從事水力學及河流動力學研究;王雯（1986—），男，陜西寶雞人，博士，西安理工大學水利水電工程學院副教授，主要從事水力學及河流動力學研究;王義民（1972—），男，山西新絳人，博士，西安理工大學水利水電工程學院副院長，教授，博士研究生導師，主要從事水文水資源研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）29-0161-03 ? ?[收稿日期] 2019-09-24

“河流動力學”是水利類專業的一門重要專業課，其目的是讓學生掌握河流水流泥沙基本特性、水流中泥沙運動的基本規律及其計算方法，在此基礎上，進一步了解河床演變的基本原理、不同河型的演變規律及應用[1]。本課程內容主要分為泥沙運動規律和河道演變原理及應用兩部分，具有較強的理論性和經驗性，同時又有明顯的學科交叉特點。涉及水力學、水文學等學科的原理和方法，經驗、半經驗公式較多，學科相對不成熟。該課程知識在河道治理、水資源開發利用、河流水環境保護治理、灌溉排水工程、引水工程、水庫建設及水力發電等工程問題中均有所涉及，應用范圍非常廣[2，3]。

西安理工大學水利水電學院長期堅持立足西北、面向全國開展水利水電教學研究。其中，水文與水資源工程專業和水利水電工程專業是我校的特色本科專業，兩個專業都開設“河流動力學”課程，以適應水資源開發、河流水環境保護、水庫建設及水力發電等方向對人才的需求。特別是對于西北黃土地區，河流泥沙問題更為突出和關鍵，是相關水利工程建設必須要考慮的問題之一。但由于課程特點及多因素的影響，該課程目前仍以理論講解為主，缺乏與實際工程問題的有效結合，目前的教學方式還遠遠不能滿足對學生工程實際應用能力的培養和提升，也無法滿足工程單位對人才解決工程問題能力的需求。因此，如何考慮工程需求，合理安排教學內容，采用適當的教學方法，提高學生的工程應用能力是這門課程教學改革的重要目標，也是一項長期而艱巨的任務。

一、“河流動力學”課程現狀

（一）課程基本情況

西安理工大學水利水電學院水文與水資源工程、水利水電工程兩個專業開設“河流動力學”課程，其中水文水資源專業2個班，水利水電工程專業4個班，課時為32學時（包括6學時實驗課）。課程教材選用《河流動力學》第二版（邵學軍、王興奎，清華大學出版社出版，2013）。此外，《河流泥沙動力學》（張瑞瑾，中國水利水電出版社，2014）、《河流動力學專論》（徐國賓，中國水利水電出版社，2013）等作為教學參考書。教學內容方面主要包括：河流泥沙的來源、泥沙顆粒的基本特性、床面形態與水流阻力、泥沙起動、推移質和懸移質運動、水流挾沙力、河道演變基本原理、沖積河流的河型。實驗教學內容包括：彎道環流實驗、泥沙起動流速實驗、沙波運動實驗、懸移質含沙量垂線分布實驗4個。教學方法主要為課堂講授和實驗。考核方式為期末考試成績（占比70%）、實驗成績（占比10%）和平時作業（占比20%）。

（二）課程的特點

“河流動力學”課程主要包括泥沙運動基本規律和河道演變原理及規律兩部分。其中泥沙運動規律部分主要從力學、統計學角度來分析泥沙的起動、運動和分布規律。而河道演變基本原理及規律部分主要通過觀測、經驗等建立河道演變的基本規律。該課程的主要特點為：（1）新概念多、學科交叉多。河流是水流、泥沙與河床三者在自然及人類活動影響下相互作用的產物[4]。河道水流、泥沙運動及河道演變是一個非常復雜的物理過程，對其進行認識和研究往往涉及到地質地貌學、環境科學、地理信息系統等方面的交叉。在研究過程中，涉及大量新概念，如泥沙沉速、床面形態、水流挾沙力、河相關系等。（2）理論不完善、經驗性強。河流水流、泥沙運動及河道演變涉及湍流、兩相流問題，目前理論上研究仍不完善，理論結果無法直接應用，需要結合實驗或經驗，大量的經驗公式出現在各個章節。而對于河道演變規律部分，教材內容仍為對河流河型的判斷及影響因素的分析，包含許多假說，無完善的理論。（3）工程應用性強、應用范圍廣。“河流動力學”課程教學內容涉及的工程應用范圍廣泛，如河道治理、水庫泥沙淤積、灌區渠道淤積等。針對不同工程問題的時間、空間尺度不同，所采取的研究思路和方法也有所不同。

（三）課程教學存在問題

1.課程數學推導、經驗公式多，學生感到枯燥難懂，學習積極性不高

河流動力學中研究問題的方法主要為力學和統計學的方法，這對學生的數學和物理水平要求較高，有大量的理論和經驗公式推導涉及高等數學、概率論、水力學、理論力學等相關的知識，理論性、邏輯性強，要求學生對物理問題、力學模型和數學推導都有較好掌握。這使得有部分同學在學習過程中望而卻步，沒信心、沒興趣。數學、力學基礎薄弱的學生容易產生強烈的抵觸甚至厭學情緒，從而影響課程的課堂講授效果。還有部分同學糾結于個別公式的推導和理解，對課程的知識體系和整體研究思路不清，進而對課程失去學習興趣[5]。

2.課程學時少，理論教學與實際工程聯系不夠。我校兩個專業“河流動力學”的課程學時均為32學時，其中還包括6個學時的實驗課程。由于課時有限，在課堂教學中為了完成教學內容，無法結合實際工程問題進行擴展，只能針對課堂內容，簡單介紹應用背景，在課后作業中布置一些有工程應用的題目或讓學生課后查閱相關資料。但教材上的題目都是將工程問題進行了一定簡化或理想化的，前后知識連貫性差，無法達到對學生分析解決實際問題能力的培養。

3.實驗教學中缺乏設計性實驗。實驗教學是本課程培養學生創新能力和工程實踐能力的重要環節，通過實驗教學與操作，能夠幫助學生更好地理解理論知識與培養實踐動手能力。但目前“河流動力學”的實驗課時少，實驗均為驗證性實驗，缺乏設計性實驗，且實驗教學要求較低。每堂實驗課中老師會將實驗原理、操作步驟、測量參數、分析方法、注意事項等進行示范講解，學生只需將示范過程重復一遍，完成實驗報告即可。這種方式導致學生對實驗課的興趣不濃，僅僅對所做實驗有所了解，無法達到提高學生創新能力、激發學生創新思維的目的。

4.課堂教學方式單一，教學效果差。良好的課堂教學效果是保證課程教學質量的關鍵，目前本課程的課堂教學大多仍以教師講為主的方式。這種方式常導致學生被動學習，學習效果較差。特別對于“河流動力學”課程，經驗半經驗公式較多、概念多、各種理論或方法多，枯燥無味，學生如果只是在課堂上被動地接受這些知識，很難完全理解和掌握。而且部分學生完全依賴課堂學習，其他時間投入到課程學習中的時間很少。由于信息技術的發展，近些年出現了多種不同的教學方式，如慕課、雨課堂、云課堂等[6]，也有許多不同的教學方式，如翻轉課堂等。因此，如何結合目前學生的情況，合理地選用多種教學方式結合，調動學生的學習積極性，進而保證課堂教學效果，是課程改革要考慮的重要問題之一。

二、課程教學改革思路

在課堂教學學時較少的情況下，教師要最大限度地優化課程內容，注重講授過程中工程應用背景的介紹、解決問題思路和方法的完整性，調動學生學習的主觀能動性，有效地利用課余時間，促進學生創造性思維能力、綜合解決實際問題能力的提升。作者結合課程的特點及教學實踐經驗，提出以下幾點改革思路。

（一）樹立工程應用的理念、將工程背景滲透到習題中

在“河流動力學”的課堂教學過程中，始終樹立工程應用的理念，從課程開始就引導學生了解該課程在水利工程中的地位。從不同專業的工程問題中提取與課程相關的工程問題，針對解決工程問題所涉及的知識點進行講解，并精心選擇工程案例，讓學生在工程實例分析與討論中能進一步加深對理論知識的理解，將抽象難懂的概念、模型與直觀形象的工程聯系起來，從而提高學生的學習興趣、積極性，以及解決工程實際問題的能力。

在課后習題和思考題方面，大部分教材及參考書中均針對章節知識點設計的題目，對相關的工程背景進行簡化處理，學生在做題過程中只需按照例題解題過程去計算，學生掌握知識點很容易，但卻無法真正與解決實際工程問題聯系起來。因此，需要教師結合工程問題設計綜合性的課后習題，通過這些題目可以將不同章節的內容或知識點聯系起來，解決工程問題，提高學生解決工程實際問題的能力。

（二）優化課程教學內容、注重研究思路和研究方法

針對“河流動力學”學時少的問題，首先可以結合不同專業的教學要求，對教學內容進行重點取舍，在保證知識體系完整性的前提下，將和專業關系緊密度不高的內容進行簡化。由于“河流動力學”理論不成熟、經驗性較強的特點，在內容講解上，注重解決問題的思想和思路，將煩瑣的推導過程或細節留給學生課后掌握，培養學生認識工程問題，解決工程問題的能力。如泥沙沉速部分的講解，可按照以下思路進行：第一，從工程問題出發提出為什么要研究泥沙沉速（研究的意義是什么）;第二，天然河道泥沙顆粒大小、密度、形狀等各不相同，如何研究（簡化為單顆粒圓球）;第三，單顆粒圓球的沉速公式推導（沉速公式的形式）;第四，如何考慮泥沙顆粒大小、形狀、顆粒群體相互作用等對沉速的影響（沉速公式系數的實驗修正）;第五，不同泥沙沉速公式的介紹和應用。通過這一部分內容的講解，學生對研究泥沙沉速問題的思路有了清晰的認識，而不是僅僅學會了使用泥沙沉速公式，培養了學生解決河流動力學相關問題的能力。

（三）改革課程考核方式、注重過程考核和綜合應用能力

目前的課程考核方式仍是以期末考試成績為主，導致學生不注重學習過程，通過考前突擊復習以取得高分。此外，由于考試題目類似，部分學生只需對歷年考題進行練習就可以取得高分。因此，應注重教學過程中的質量控制和考核，適當加大平時成績所占比重。平時成績主要包括課后習題、工程案例分析、到課率和課堂提問等形式。期末考試試題選擇時，適當增加工程案例分析、知識綜合運用等題目的占比，加重主觀題的分量，減少客觀題的比重。培養學生注重知識的積累和靈活運用，提升學生的實際工程應用能力。

此外，可通過現代化的教學手段，如多媒體、資源共享課、慕課、虛擬仿真、虛擬現實技術等，將工程案例添加到課堂教學中，增強學生對相關工程問題的了解，強化學生對知識的運用能力，讓學生在探索與實踐中掌握課程的知識。

三、結語

“河流動力學”是水利工程相關專業的一門重要的專業課，該課程對解決水利工程中的泥沙問題、河道演變問題等提供了研究思路和解決方法，具有重要的工程應用價值。本文從課程的現狀出發，提出課程教學過程中存在的相關問題，從培養學生工程應用能力方面考慮，提出在課程教學內容、教學方法、考核方式等方面的改革思考和建議，為培養具有工程應用能力和實踐創新能力的工程人才提供保障，為我校水利工程雙一流建設提供支撐。本文研究也可為相關專業課程改革提供參考借鑒。

參考文獻

[1]邵學軍，王興奎.河流動力學概論（第二版）[M].北京：清華大學出版社，2013.

[2]徐國賓.河流動力學專論[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[3]張瑞瑾.河流泥沙動力學（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[4]張俊宏，陳璐.提高河流動力學教學效果的有利措施研究[J].教育教學論壇，2016（19）：181-182.

[5]代俊峰，方榮杰，郭純青，等.河流動力學教學內容優化與教學方法改革研究[J].教學園地，2011（36）：41-43.

[6]倪云林.TQC理論在河流與海岸動力學課堂教學改革中的應用[J].教育管理，2018（15）：139-140.