大型水工模型在本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用

姚 燁，陳廣思，練繼建，馬 斌

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072）

0 引言

水工模型試驗是水利行業(yè)中極其重要且普遍應(yīng)用的研究方法。我國現(xiàn)行規(guī)范指出：對于重要的水利工程，必須經(jīng)過水工模型試驗的驗證方可開工建設(shè)，以確保工程安全［1-2］。因此，大型水工模型試驗（一般認為幾何比尺在1∶100以上，模型直觀尺寸較大、基礎(chǔ)固定不可移動）在實驗室中較為常見，但多應(yīng)用于研究生階段的科研工作，以往少見應(yīng)用于本科教學(xué)的先例。其主要原因在于大型水工模型針對的研究問題一般較為復(fù)雜，不能和任何一門理論課程完全呼應(yīng)，且以往本科生的實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)較為基礎(chǔ)，不能滿足大型水工模型試驗的技能要求。然而，隨著我國水利工程建設(shè)水平不斷上升為世界領(lǐng)跑水準(zhǔn)，新時代的水利行業(yè)呼喚的是全方位發(fā)展的創(chuàng)新型人才［3］；因此本科人才培養(yǎng)目標(biāo)和要求也在不斷提升，教學(xué)思路和方法也應(yīng)與時俱進、打破傳統(tǒng)，讓學(xué)生全面學(xué)習(xí)和了解行業(yè)最前沿的科學(xué)問題和最先進的技術(shù)手段［4-6］。而針對水利專業(yè)的實驗教學(xué)，盡管部分教育學(xué)者提出綜合型與創(chuàng)新型實驗教學(xué)改革的思路［7-8］，或嘗試將科研模型應(yīng)用于本科教學(xué)［9-12］，但到目前為止本科實驗教學(xué)并沒有迎來本質(zhì)上的變革，各大水利實驗室中常見的大型水工模型仍然與本科教學(xué)脫節(jié)，造成了隱形優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的浪費。

面對新時代和新工科的發(fā)展要求，我校堅持“育人為本、質(zhì)量第一”的教育教學(xué)理念，致力于培養(yǎng)具有家國情懷、全球視野、創(chuàng)新精神和實踐能力的卓越人才［13］。而創(chuàng)新教育的真正目標(biāo)就是在實踐的基礎(chǔ)上，提出新思想、新理論，設(shè)計新實驗，探索新觀點，并最終形成新理論、獲得新技術(shù)［14］。因此，水利水電工程專業(yè)于2016年啟動了實驗教學(xué)改革，以水工建筑物實驗教學(xué)課程為例，首次嘗試將大型水工模型試驗應(yīng)用到本科實驗教學(xué)中，目前已成功應(yīng)用3年，取得了十分良好的教學(xué)效果。

1 水工建筑物實驗課程培養(yǎng)目標(biāo)分析

1.1 水利水電工程本科培養(yǎng)目標(biāo)

水利水電工程專業(yè)本科培養(yǎng)目標(biāo)為：培養(yǎng)適應(yīng)國家社會經(jīng)濟發(fā)展需要，德智體美全面發(fā)展，掌握水利工程學(xué)科的基本理論、基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能，具有良好社會責(zé)任感和職業(yè)道德，以及具有家國情懷、全球視野、創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才。畢業(yè)生在水利水電工程及相關(guān)領(lǐng)域具有就業(yè)競爭力，或有能力進入研究生階段學(xué)習(xí)。畢業(yè)后能在水利、能源、建筑等行業(yè)從事規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工、科研與管理等方面的工作。

1.2 水工建筑物課程培養(yǎng)目標(biāo)

水工建筑物作為水利水電工程專業(yè)的主干專業(yè)課，課程培養(yǎng)目標(biāo)要求學(xué)生能夠?qū)λ麡屑~中典型建筑物的工作原理及工作條件有較深入的理解；能夠從安全、經(jīng)濟、實用及方便施工的原則出發(fā)，基本掌握水利樞紐工程布置、水工建筑物型式選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、水力計算及穩(wěn)定性校核等；并能考慮到建筑物在社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等方面影響；能夠掌握和了解水工建筑物安全監(jiān)測原理與方法等。

1.3 水工建筑物實驗課程教學(xué)目標(biāo)及分析

實驗課程教學(xué)的目標(biāo)是指導(dǎo)學(xué)生掌握水工模型實驗的基本方法和測試手段，深化理論知識，增強感性認識，綜合培養(yǎng)學(xué)生動手能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。水工建筑物是一門理論與實踐緊密結(jié)合的課程，涉及的基礎(chǔ)知識多且繁雜，綜合性極強。研究對象是重力壩、拱壩、土石壩、水閘、岸邊溢洪道、水工隧洞、渠系等一系列特殊的大型建筑物，這些對象體型較大、設(shè)計復(fù)雜，平時生活不常見。想要在課堂上僅通過書本讓學(xué)生掌握全部知識，是極為困難的。實踐表明，在理論課學(xué)習(xí)期間，適時配合必要的現(xiàn)場觀摩和實驗手段能夠起到事半功倍的效果。而如何通過有限的實驗學(xué)時達到最好的學(xué)習(xí)效果，一直是教師們思考、追求和實踐的目標(biāo)。

2 水工建筑物實驗課程舊體系及存在問題

2.1 舊體系的水工建筑物實驗課程設(shè)置

以往舊體系的實驗課程主要針對泄流建筑物開展小比尺模型觀測，實驗?zāi)Ｐ蜑橛袡C玻璃水槽內(nèi)的溢流壩，幾何比尺為1∶200，壩面采用曲線型實用堰，模型長30.8 cm，寬40 cm，高25.2 cm（見圖1）。具體實驗任務(wù)為：①觀察挑流消能的水力現(xiàn)象，測量水舌挑射距離，測量沖刷坑的深度；②觀察底流消能的水力現(xiàn)象，測量水躍的特征值，并計算水躍的消能率。

圖1 原水工建筑物實驗課程1∶200模型

2.2 存在問題

舊體系實驗課程存在問題及分析如下：

（1）模型展示內(nèi)容偏少。模型僅向?qū)W生展示了簡單溢流堰挑流和底流兩種消能方式，應(yīng)用超過20年，設(shè)計陳舊，缺乏特色；學(xué)生在一年級的認識實習(xí)以及二、三年級的多門課程中已對上述水工建筑物有了比較多的認識和理解；而學(xué)生真正需要了解的，關(guān)于我國高壩大庫建設(shè)中應(yīng)用的新型水工結(jié)構(gòu)在實驗中并沒有體現(xiàn)。

（2）實驗測量內(nèi)容單一。測量內(nèi)容主要集中在水位、流速、流量和壩面時均壓強這些傳統(tǒng)指標(biāo)上，測量內(nèi)容偏少，相關(guān)指標(biāo)測量在水力學(xué)實驗課程中也有設(shè)置，有一定的重復(fù)性，測試內(nèi)容安排欠妥。

（3）測量手段落后。測量手段主要是水位測針、旋槳流速儀、測壓管等傳統(tǒng)設(shè)備，當(dāng)前水工監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的先進設(shè)備儀器，均沒有納入實驗中，測試手段較為落后。

（4）知識拓展無模型依托。實驗課堂安排局限于以上水工模型，授課教師在做課外知識拓展的時候，沒有可依托的展示模型，因此也無法有更高階的延伸。

3 水工建筑物實驗課程改革新體系及效果評價

3.1 新體系水工建筑物實驗課程設(shè)置

（1）實驗?zāi)Ｐ徒榻B。新體系的水工建筑物主要應(yīng)用烏東德大型水工模型（見圖2）開展觀測實驗。烏東德模型幾何比尺為1∶100，模擬范圍包含拱壩壩身、水墊塘、二道壩和地基；擋水建筑物為雙曲拱壩，模型壩高2.7 m；地基范圍為壩肩左右90 cm，壩踵向上游110 cm，壩趾向下游350 cm，地基深度190 cm；壩身布置5個表孔、6個中孔；模型從壩肩兩側(cè)邊界向壩身方向削角25°，呈倒梯形；壩下游為護坡不護底的天然水墊塘，距離壩趾350 cm處設(shè)置有二道壩；為保證模型的水力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)動力學(xué)相似，采用加重橡膠模型材料來模擬原型材料。實驗時，分別針對壩身泄流表孔單獨泄流、中孔單獨泄流、表中孔聯(lián)合泄流3種工況開展觀測。

圖2 烏東德大型水工模型全景

（2）核心實驗內(nèi)容。主要包括：①流態(tài)觀察及描述。分別對3種泄流工況下水舌在空中的空間位置及狀態(tài)進行描述，并觀察描述水墊塘內(nèi)水面波動及水流旋滾狀態(tài)。測量并畫出3種工況下的水舌落點。②水位、流量測量。測量水庫上下游水位，利用下游薄壁堰流測量水庫泄流流量。③時均壓強測量。用測壓管測量大壩下游水墊塘不同位置（距離大壩不同距離、不同高程）的時均壓強值。④脈動壓強測量。測量水墊塘邊坡上某點的脈動壓強，數(shù)據(jù)分析計算均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度系數(shù)和峰度系數(shù)，并畫出時程曲線。⑤壩頂振動加速度測量。利用壓電式加速度傳感器（磁吸座式）和高性能動靜態(tài)應(yīng)變儀，測試拱壩頂部在常規(guī)泄流和人為制造振動條件下的振動加速度數(shù)據(jù)并加以處理分析。

（3）擴展實驗內(nèi)容。可擴展的教學(xué)內(nèi)容包括：①我國水利水電工程建設(shè)現(xiàn)狀和國際地位；②我國高水頭、大流量、窄河谷建設(shè)環(huán)境下的水利水電工程建設(shè)技術(shù)難點和解決措施；③水利水電工程建設(shè)流程和建設(shè)運行管理過程中的典型問題，以最新調(diào)研和最前沿科學(xué)問題為導(dǎo)向，例如黃河上游水電站事故閘門難以啟閉問題，向家壩泄洪引起下游水富縣城振動的問題等；④大型水工模型試驗開展的必要性和基本流程；⑤水工模型試驗的難點和注意事項，重點介紹：（a）解釋模型試驗相似比尺的重要性和當(dāng)前研究進展，以及加重橡膠等實驗材料在結(jié)構(gòu)相似方面發(fā)揮的重要作用；（b）介紹以往解決上述泄洪引起場地振動學(xué)科等問題時常用的巧妙實驗辦法；⑥依托實驗室中在研項目的其他大型水工模型，結(jié)合理論課內(nèi)容，拓展講述多種水工建筑物的構(gòu)成、特點和工作原理，例如結(jié)合黃河古賢大型水利樞紐模型講述排沙底孔的設(shè)計和作用，結(jié)合大石峽排沙洞講述有壓隧洞和無壓渠道的典型結(jié)構(gòu)形式和水力銜接等；⑦融合水利水電工程在國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮的重要作用，黨和國家對水利發(fā)展的重視程度，以及當(dāng)前水利行業(yè)“補短板、強監(jiān)管”背景下的發(fā)展趨勢；講述重大水利工程建設(shè)管理中發(fā)生的趣事，和本校校友從業(yè)過程中攻堅克難的故事等。

3.2 水工建筑物實驗課程改革效果評估

改革后的水工建筑物實驗課實現(xiàn)了以下幾點課堂效果：①大型水工模型泄洪有較強的視覺沖擊效果，學(xué)生在實驗室第一次見識到真正的大型模型試驗，往往感到震撼而印象深刻，極大地加深了感性認識，也增強了行業(yè)榮耀感和專業(yè)喜愛度；②學(xué)生能夠完整地了解到模型試驗的全部組成部分和基本流程，同時應(yīng)用傳統(tǒng)水力學(xué)測量手段和先進的測試儀器完成了動手測試環(huán)節(jié)，從基本設(shè)計能力，到實驗操作能力，再到數(shù)據(jù)處理和解決分析問題的能力等，都有較好的提升；③學(xué)生通過大型水工模型更加直觀全面地認識水利工程的設(shè)計、施工過程，以及建設(shè)管理過程中的常見問題和處置方式，通過典型事例了解當(dāng)今行業(yè)前沿科學(xué)問題和關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)；④有模型依托的知識擴展更直觀形象、支撐力度更強，能夠激發(fā)學(xué)生更高的學(xué)習(xí)興趣和激情，學(xué)生往往在實驗過程中能提出更多更深的專業(yè)問題，也讓授課教師有更多的機會融入思政教育內(nèi)容，有助于學(xué)生家國情懷的培養(yǎng)。

實驗課程改革3年多來，教學(xué)效果提升十分顯著，課程受到廣大學(xué)生一致好評和喜愛，常常有學(xué)生主動申請留堂繼續(xù)實驗或向老師提問，甚至跟其他班級同學(xué)重復(fù)上課，課堂照片也常常出現(xiàn)在同學(xué)們微信朋友圈中。為了進一步提升實驗課程教學(xué)質(zhì)量，更廣泛深入地了解學(xué)生對實驗課程的需求，面向往屆畢業(yè)生和在讀水利工程本科生做了一次關(guān)于實驗課程需求和課程改革效果的問卷調(diào)查，問卷共發(fā)出289份，全部認同實驗課程改革效果，95%認為改革效果顯著。而在進一步調(diào)查影響實驗課程的重要因素［15］時，得到如下排序：教學(xué)內(nèi)容安排、實驗?zāi)Ｐ瓦x擇、教師教學(xué)水平、動手環(huán)節(jié)設(shè)置、實驗儀器設(shè)備先進性、實驗室環(huán)境以及輔助教學(xué)設(shè)備（見圖3）。其中，教學(xué)內(nèi)容安排和實驗?zāi)Ｐ瓦x擇幾乎并列排在第一位，說明學(xué)生對于實驗課程本身的理解和認知是建立在實驗?zāi)Ｐ秃徒虒W(xué)內(nèi)容安排上；因此，未來面向?qū)嶒炚n程全面改革，以上結(jié)果將作為重要依據(jù)，指導(dǎo)學(xué)科在重要方面加大投入，獲得事半功倍的教學(xué)效果。

圖3 實驗課程重要影響因素評價

4 結(jié)語

大型水工模型在水工建筑物實驗課程中的應(yīng)用，是一個良好的開端和啟示。實驗室中每年依托橫縱向課題建造的大型水工試驗?zāi)Ｐ蛿?shù)量較多、形式豐富。水利工程實驗室中納子峽泄洪霧化水工模型、南水北調(diào)工程京石段渠道模型、黃河古賢水利樞紐溢洪道模型、大石峽排沙洞模型、錦屏泄洪洞模型等，可以在水力學(xué)、工程制圖、工程測量、水電站（含水力機械）、水利施工技術(shù)與管理等專業(yè)課程中，找到相應(yīng)的理論課程部分，無論是發(fā)揮重要的實驗教學(xué)作用，或者輔助理論課程的學(xué)習(xí)和理解，這些大型模型都是非常珍貴的本科教學(xué)資源。面向水利工程專業(yè)的本科教學(xué)，應(yīng)當(dāng)多挖掘、多投入、緊跟新時代水利發(fā)展新步伐，將實驗室中的科研資源和科研思路更多地共享于本科教學(xué)，培養(yǎng)出更具時代特色、更適應(yīng)新時代水利行業(yè)發(fā)展的卓越人才。

具有強烈的愛國情懷，是對我國科技人員第一位的要求。科學(xué)沒有國界，科學(xué)家有祖國。廣大科技人員要牢固樹立創(chuàng)新科技、服務(wù)國家、造福人民的思想，把科技成果應(yīng)用在實現(xiàn)國家現(xiàn)代化的偉大事業(yè)中，把人生理想融入為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢的奮斗中。

——2013年7月17日，習(xí)近平在中國科學(xué)院考察時講話