基于結果導向的水力學教學改革探索

王煒，魏清順，段喜明

（山西農業大學城鄉建設學院，山西晉中 030801）

為了切實提高高等教育的教學質量，教育部狠抓新時代全國高等學校本科教育，要求課程建設以質量為導向，從而構建更高水平的人才培養體系[1]。水力學作為一門涉水專業的專業基礎課，其在教學中占據著重要的地位，課程既可以單獨解決工程中的水力學問題，還能構建專業邏輯思維，為后續專業課程進行鋪墊。課程內容在水利工程、土木工程、橋梁工程、港口工程、機械工程等專業都有應用，具有較強的綜合性和實踐性。各高校教師都在不斷摸索水力學課程的教學設計、實驗改革、思政元素的融入等內容[2-6]，從而更能激發學生的學習熱情，培養學生解決實際問題的能力，獲得更好的教學效果，讓學生學習有興趣、學習有用處。

一、水力學課程現狀及存在的問題

（一）課程內容多，學習難度大

山西農業大學農業水利工程專業的“水力學”主要講授以水為代表的液體運動的一般規律，包括相關基本概念、基本公式和基本理論。課程共64學時，其中56學時的理論教學包括水靜力學、水動力學及工程應用三個部分，具體包括水靜力學基礎、液體流動基本定理（三大方程）、液流形態和水頭損失（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基本原理等12章內容，教學內容多、課時緊張。課程中有許多與高等數學中微積分，大學物理、理論力學中相關的動量、動能、力有關的概念及公式，公式多且抽象，存在公式引出新公式、并有大量的經驗公式、圖表，枯燥難懂，學生學習難度大[7]。如何幫助學生梳理課程內容，準確運用所學知識解決工程實際問題，成為水力學教與學的重點目標。

（二）教學方法簡單，教學資源匱乏，與工程案例結合少

水在日常生活中、河流管道中經常見到，學生對于水并不陌生，然而對于水流流動的機理以及工程中水流問題如何解決，學生并不清楚。水力學開在農業水利工程專業的大二上學期，屬于專業基礎課，在上課之前對于農業水利工程的基礎知識涉獵較少，缺少一定的工程認知。在傳統的教學中，教師是課堂的主體，課程教學以教師講授為主，主導著教學的進度與節奏，學生被動地參與，不能充分調動學生學習的積極性，不利于激發學生的學習熱情，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，對于專業知識如消能、水面線繪制有一定的介紹，但這些水力學中的知識點都是融為一體，與工程實際結合較弱。教師很認真地備課、充滿激情地講課，學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，缺乏感性認識。在后續專業課中進行建筑物如溢洪道的設計及遇消能問題時，學生難以運用所學知識，也反映出水力學課程教學中的短板。

對于工程設計中的計算，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，學生大多數也不愿意嘗試，這為學生在學習、工作中碰到類似的問題難以解決埋下隱患。教學中對于當前設計院、研究所等單位多采用的軟件、程序介紹不足，非常不利于學生解決工程實際問題。另外，教材中提供的經驗公式都較為經典，有的工程具有典型的地域性，對于有地域性特點的工程還需要結合地方標準進行設計，需要參考地方標準。

（三）實驗內容單一，缺乏創新

水力學課程包含8學時實驗，由必做與選做組成，必做實驗有水靜力學實驗、雷諾實驗，選做實驗有能量方程實驗、動量方程實驗、沿程阻力實驗、局部阻力實驗，這些實驗均為驗證性實驗，學生在實驗過程中，只需根據實驗步驟，記錄所得的實驗數據與現象即可完成驗證性實驗。這種學習方式抑制了學生學習的積極性與主動性，使得學生本該在激發學習興趣的實驗課中失去了探索的熱情，實驗教學質量和效果難以保證。

（四）課程思政機械，元素較少

課程思政是一種教學理念，也是一種思維方式。教師在教學過程中有意識、有目的、有效果地穿插思政教育，在專業課中充分發揮德育功能，提煉專業課程中的思維價值與文化元素。在本課程的教學過程中，思政點較為單一、固定，存在機械性思政、膚淺性思政，并且對于國家政策、行業標準等方面的引申較少，對充分挖掘思政元素的工作還需進一步推進。

（五）考核形式單一

目前水力學課程采取平時+實驗+期末成績三部分組成，占比分別為10%、30%、60%，平時成績占比較小，且主要由課后作業、課堂提問構成，并不能引起學生對課堂表現的重視。期末考試占據了大量的比例，且是閉卷考試，學生往往會考前突擊，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地反映學生的水平，對于實際的工程問題也不一定能夠順利解決。

二、水力學教學改革的策略

（一）打造以學生為中心，以成果為導向的教學模式

水力學為農業水利工程的專業基礎課，主要培養學生解決專業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，消能及相似試驗的設計問題。改進為以結果為導向的教學方式[8]，梳理農業水利工程專業后續專業課，如“水工建筑物”“灌溉排水工程學”“工程水文學”等課程對“水力學”知識點的需求，通過走訪、調查、咨詢設計院、工程局等用人單位后，總結出學生在工作中所需的水力學知識點，制定水力學課程的培養目標，根據畢業要求將教學任務分解，對教學內容及學時進行分配，確定教學內容與教學目標的對應關系，最終要求學生熟練應用知識，使學生真正掌握水力學在工程中的應用，將枯燥的經驗公式、各式各樣的圖表與工程實際結合，綜合運用課程知識來解決復雜的工程問題，形成水力學的教學特色。

（二）重新劃分教學板塊，化零為整

夯實專業基礎，加強教學的板塊化，將水力學課本中零碎的知識點對標工程認證的培養目標，使課程具有高階性。教學內容按照培養目標，化零為整，教師將教材中的12章內容劃為基礎知識和工程應用。授課分為線上導學，課中重點講授知識（案例講解為主、輔助以討論式、探究式教學），課后進行習題練習鞏固。授課順序為由靜到動，由基礎知識到工程應用。基礎知識為水靜力學基本方程式、水流運動的基本原理即水力學三大方程式，工程應用為：

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為傾斜受壓面，將曲面受壓面向圓管等形似的受壓面進行計算訓練。同時，教師讓學生翻閱文獻、查找資料，收集國內外典型的平面、曲面受壓面，讓學生觀察周圍類似的受壓面進行規律總結。

2.管道水流常見于村鎮供水管道、農田灌溉管道、水工建筑物有壓管道中，對于農業灌溉工程及水利工程均有重要應用。有壓管道水流根據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，長管主要用在村鎮供水、城市室外給水等。因為本專業主要應用短管進行灌溉管道的布置、堤壩泄水管的設計、水泵、虹吸管的設計，所以短管的教學案例較為豐富，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。長管在農業水利工程中用得較少，學生利用線上資源進行自學。通過工程案例，學生可以自己動手查表、找適用的經驗公式，對于一些系數的選取有深刻的認識，為后續專業課程的課程設計奠定基礎。

3.明渠水流在自然界和實際水利工程中極為常見，應用極廣。灌區渠道、渡槽的設計、河道治理，甚至是大型水利工程中的導流明渠都應用的是該部分的知識。課堂教學以灌區的矩形、梯形渡槽槽身的尺寸設計為案例，進行明渠均勻流的教學；以重力壩的溢洪道設計為案例，進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，便于學生能迅速得到設計方案。

4.滲流范圍廣、危害大，導致滲流在水利工程中的關注度極高，一旦發生滲水問題，不論是土石壩還是混凝土壩，都將影響工程效益，甚至會危害工程安全，而在農業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、溢出點兩者是通過兩段法聯立方程組求解的，方程需要進行試算求解，且浸潤線、流網的繪制介紹的都是手繪法，這對于實際問題的求解是不方便的。設計院對于滲流是用軟件進行計算，如Autobank或者理正軟件，授課中對土石壩用計算軟件進行滲流計算，讓學生熟悉工程中對于滲流的計算流程。

5.相似原理，對于模型實驗及大型水利工程尤為重要。教師在利用文字資料、視頻資料，展示一些工程設計及施工中，利用相似原理進行模型試驗來測試參數的過程，鼓勵學生進行水工建筑物部件的模型設計，讓學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系。

（三）實驗改革

水力學實驗是課程教學必不可少的一部分。通過實驗鍛煉，學生既可以更深入地理解理論部分的知識，又可以培養學生動手能力、團隊協作能力、課本知識與實驗結合的能力。在實驗課程，要充分發揮學生的主觀能動性，激發學生的創新思維。

1.轉變師生對于實驗教學的認識，加入探索性、創新性實驗，鼓勵學生改進實驗室的儀器，或者自主設計、自由探索。如動量方程中動量的測量，局部水頭損失實驗中設計不同的管道轉彎情況，來驗證不同情況下的局部水頭損失系數與公式法的區別。以賽促學，舉辦實驗創新大賽，鼓勵學生組隊參加，并對作品進行點評，且作品成績計入平時成績中，組織學生參加更高級別的創新大賽。

2.充實水力學實驗內容。部分實驗采用實驗教學CAI系統[9]，用虛擬仿真來完成沒有條件的實驗，同時設置不同難度思考題，引發學生對實驗結果的思考。

（四）思政融入與提升

課程思政就是將課程所蘊含的思政元素自然地融入課程教學的各個環節中，重點關注學生的人格塑造，實現知識教育與思想教育的有機統一[10]。現在學生的學習媒介、學習平臺眾多，發動師生共同思政，可以激發學生對水力學課程進行深入思考，從而便于教師捕捉到學生感興趣的點，可以豐富思政素材庫。思政元素將從以下幾個方面進行挖掘：

1.堅定“四個自信”，弘揚大國工匠精神。我國的水力學發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、唯一保存且持續運行的無壩引水工程，京杭大運河解決了南北運輸問題，到現在三峽工程的修建、金沙江上梯級電站的開發、南水北調、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造的，是我們祖國、我們黨集中力量辦大事的體現，增強學生的民族自豪感與自信心，使學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，古人在詩詞中精準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！休將白發唱黃雞”。陸游的“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”等，引發學生對于人生、學業的思考。近年來江蘇省力學學會主辦的詩畫流體力學創作大賽，旨在鼓勵學生分享詩詞書畫之樂趣，我校連續兩年組織學生積極參加，并取得優異的成績。通過這些水利工程及古代文學，堅定學生的“四個自信”，弘揚大國工匠精神。

2.樹立科學思維，培養科學家精神。在水力學中，引入了連續介質模型、理想流體模型、不可壓縮模型，這些模型為后續計算、求解過程都提供了理論依據。多種相似準則的提出，更是具體問題具體分析的生動體現。課程中包含了大量的科學家，如歐拉、尼古拉茲、謝才等，這些科學家數年如一日地研究問題的精神，追求真理、為科學奉獻的科學家精神值得我們學習。

3.堅定學習信念，培養社會責任感。教師將水力學中不易理解、難以掌握的知識點，通過視頻、計算軟件模擬等辦法，讓學生深刻理解那些深奧的概念，如流線、流網、流速場等的概念；通過介紹工程中常用的布置管線、設計渠道、水利工程設計、施工的思路與辦法，激發學生的專業熱情，養成關注行業發展、關心科研動態的職業習慣。介紹橋墩沖刷破壞、煤礦透水事故、塔科馬大橋垮塌、三峽船閘等實例，增強學生的工程倫理意識和社會責任感。

（五）教學方式改革及課程評價

為了充分調動學生學習的積極性，構建“前中后授課模式”課程，充分利用線上教學資源及一些教學軟件[11]，如超星學習通平臺、雨課堂等，課前布置學習任務，課中以多種方式講解內容，課后進行知識點練習，實現線上線下協同教學，將緊缺的課時用在解決水力學重點、難點的教學中。課前布置一些學生可以理解、容易掌握的預習作業，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？流態判別為何采用無量綱參數，而不采用臨界流速？教師讓學生帶著問題、有針對性地開展課前預習，根據教學環節將學生分成小組，進行資料收集。教師要求每個學生上課之前準備一個小問題，在課堂最后五分鐘隨機發問，答出來的給提問和被提問的同學課堂表現加5分，答不上來的給提問同學加5分，調動學生學習的積極性，增加學習的趣味性。課堂中，教師用多種教學方式如啟發式、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，讓學生收集南水北調工程資料，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合布置等等問題，對課程進行展開，引導學生思考、理解。

課程評價反映了課程的教學情況。教師要加大過程性考核占比，將以往的平時成績由10%調整到30%、實驗占30%，期末閉卷考試占40%。平時成績包括預習筆記、課堂討論、小組作業、作品展示、課堂測試、課后作業、讀書報告等，對于同一類水力學知識點的應用，教師利用工程實例進行總結考核，目的是動態掌握學生對該部分知識的掌握情況，分析匯總學生成績，進行師生互評。教師對需要改進的教學方法進行改進，實驗成績包括實驗過程的表現，數據處理、結論分析等。在期末考試中，教師主要考察水力學基本原理及工程應用，題目有主觀題和客觀題，主觀題中加入論述題，考查學生對水力學知識的應用及工程問題的分析。

四、結束語

水力學是涉水專業的一門應用性很強，涉及較廣的專業基礎課。本文針對水力學課程目前的教學現狀，總結出提升教學質量的具體措施，打造以學生為主體、結果為導向的教學模式，對課程模塊重新打造，豐富實驗內容，融入課程思政，加大過程性考核，符合一流本科課程建設的要求，為培養知識與實踐兼備的高素質復合型人才而奠定基礎。