給排水科學與工程專業“水力學”課程體系改革探究

楊皓涵，朱永恒，叢海兵

（揚州大學環境科學與工程學院 江蘇 揚州 225127）

水資源是基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源，是聯系人類社會與自然環境的重要介質。面對全球淡水資源短缺、水污染加劇和水環境逐年惡化的嚴峻局面，水資源保護與利用已成為政府和民眾關注的焦點。給排水科學與工程專業以水的社會循環為研究對象，研究內容涉及城市水資源、城市市政水工程、建筑水工程、工業水工程等多個領域，與社會、經濟、管理的結合日益緊密，發展前景廣闊[1]。“水力學”作為研究水運動規律及其應用的學科，是給排水科學與工程專業的核心基礎課程，內容涉及水靜力學和水動力學基本理論知識，探討管流、明渠流、堰流、孔口流以及滲流的運動規律，是后續眾多專業課程（如“泵與泵站”“給水排水管網”“建筑給水排水”“水資源利用與保護”等）的先修課程。作為一門應用性極強的課程，水力學旨在培養學生分析和解決給排水工程中水力學問題的能力和技能，為學生學習后續專業課程，分析與解決給排水工程領域的復雜工程問題打下堅實基礎。

給水排水科學與工程專業“水力學”課程目標是通過本課程的學習，使學生掌握以水為代表的水在靜止或運動過程中的基本概念、基本理論、基本計算方法和一般規律，培養學生分析水的采集和輸送工程中所面臨的各種靜止或運動情況，從力學角度分析水的運動學、動力學等性能，為后續解決給排水工程領域復雜工程問題打好基礎。然而，作為給排水科學與工程專業的核心基礎課程，學生很難在傳統的教學過程中完全掌握各環節的技能并達到課程目標。因此，結合課程設置情況及存在的問題，本文以培養學生工程應用和創新能力為導向，結合學校實際情況從教學內容、教學方式、實驗課程及課程考核等方面進行探索和改革，以提高課程的教學效果和學生的專業素質，為使學生能盡快將水力學理論知識應用于工程實際和開展創新研究打好基礎。

1 水力學課程教學現狀及存在的問題

1.1 課程內容相對滯后

給排水科學與工程專業培養方案中，“水力學”課程理論學時一般以講授法和案例教學法為主要授課形式，使學生掌握水運動過程中的主要規律。然而，目前水力學課程教學中往往忽視實際案例教學，理論性過強，基礎知識教學與工程應用尚未達到理想的融合狀態，不利于學生對后續專業知識的理解。另外，目前課程教學忽略了學生對前沿科學研究的了解，缺少對學生“發現問題，解決問題”初步科研能力與科研思維的培養，這對于畢業生的繼續升學深造和創新思維的培養也是不利的。

1.2 教學方式單一

目前水力學課程為56 學時，每次課兩學時90 分鐘，涵蓋內容多，以講授法為主，前半部分以理論學習為主，涉及大量公式推導，重點、難點較多。在有限的課時內，學生在單一的講授形式下很難長時間專注于課堂內容，對于重要理論的公式推導可能花費大半節課的時間，而且在缺乏具體應用和實操的情況下，學生對于理論知識的掌握并不理想。同時，水力學后續涉及大量的工程應用案例，相較于課堂上教師的講解，豐富的互聯網資源更形象生動并且節省了大量的時間。另外，作為一門眾多重點院校的考研科目，水力學題目的訓練必不可少，如何兼顧課堂理論教學和各類題目的講解對授課教師也存在一定的挑戰。因此，有必要結合豐富的互聯網資源，利用課前和課后時間，減輕教師課堂教學的壓力。

1.3 實驗教學創新性不足

實驗教學是驗證基礎理論，檢驗課堂教學效果的直接證明，也是學生全程參與度最高的實踐環節。不同于一般的物理化學實驗，水力學實驗需要相對獨立的實驗儀器，“先教學示范、后學生模擬”是水力學實驗的通用流程。教師首先花費半個小時講解實驗原理、操作步驟、注意事項等，需要學生在剩余較短的時間內完成主體實驗，無法充分發揮學生的動手實踐能力。同時，實驗室信息化管理水平相對落后，實驗室教學資源無法大范圍共享，虛擬實驗教學還沒有實現網絡化。另外，實驗課程的內容相對固定化，往往學生重復歷年的實驗內容，缺少自主創新能力的訓練。

1.4 考核方式缺少中間環節

課程考試是檢查教學效果、保證教學質量的有效手段之一，也是提高學生課上課下學習積極性的重要方式。目前水力學課程主要采取“平時作業成績+期末考試”的考核方式，考查學生對教學內容的掌握情況。然而，面對日益多元化的培養模型，以分數為主決定課程成績的機制對于學生綜合能力和教學質量的考核尚不全面。平時課堂提問、小組任務完成情況、微課任務情況、實驗操作、實驗報告等，都是考查學生知識掌握能力和創新能力的重要依據。因此，有必要在現有考核模式的基礎上，加強和細化平時成績的比重和內容。

2 “水力學”課程教學改革內容

2.1 優化教學內容

水力學主體內容主要包括靜力學、運動學和動力學理論部分，前后章節由簡到繁，邏輯性較強，如果開始時對知識點掌握不夠扎實，后續章節的教學效果可能更不理想。首先，要求教師對課程知識體系、前沿動態有較為深入的把握和理解，主體課程開講前幫學生厘清課程脈絡、重點與難點，從靜力學、運動學和動力學三大理論模塊，逐層介紹各章節主要內容，增強學生對課程內容內在關聯性以及整體邏輯性的認識。其次，緊跟理論知識講解和公式推導，豐富實際案例，在講授理論知識的同時，與后續專業課程的工程實例結合，化繁為簡，加深學生對知識點的理解與記憶。例如，水頭損失講解過程中，首先介紹沿程/局部損失的區別與聯系，授課教師以排水過程中污水提升管道設計為例，分析沿程水頭損失的計算過程，總結管道設計過程中的基本原則。最后，教師引入最新的水力學理論和研究方法，加深學生對知識點的理解，培養學生“發現問題，解決問題”的科研思維[2]。例如，教師在講解層流和湍流的定義以及雷諾數判別時，可介紹最新深度學習方法，研究固定雷諾數下水的轉速和方向，以及邊界層和尾跡控制方法。

2.2 豐富教學方式

一是構建微課，將課程重點、難點設計成5―10 分鐘的短視頻，學生通過課前預習和課后復習可在較短時間里了解本節課的課程內容，在正式課堂上加深理解[3]。例如，在介紹水力學三大核心方程（連續性方程、能量方程、動量方程）時，教師課前分享三大方程推導過程的微課，學生在初步掌握推導過程后，減少了對課上煩瑣推導過程的理解難度，提升了學生對難點學習的自信心。二是探索互動式教學模式，采用“課外調研+課堂匯報”方式，加強課上互動，鍛煉學生綜合能力。例如，在講解水的分類時，教師在課前以小組形式布置文獻調研，介紹不同類型水的特點并加以應用，課堂上學生以PPT匯報小組成果，鍛煉學生的團隊合作能力和問題分析能力。三是引入翻轉課堂啟發式教學法，設置問題情境，充分調動學生參與的積極性和主動性，啟發學生獨立思考和邏輯思維能力，引導學生獨立解決問題的能力。例如，在講解水靜壓強特性時，介紹知識點后，通過翻轉課堂提問，相對壓強、絕對壓強、真空壓強，布置選擇題和判斷題，加強學生理解三者的聯系和區別。

2.3 改革實驗課程

根據教學培養方案中各課程的銜接關系及實驗項目的關聯，統籌優化實驗結構。一是理論知識學習和實驗課程統一，提高實驗課程效率。實驗課程雖獨立設置，但要建立理論課教師與實驗課教師長效對接溝通機制，理論知識學習過程中教師已對實驗原理和整體流程進行了詳細講解，如畢托管測速、文丘里管測速、恒定總流伯努利方程綜合實驗等，大大減少了實驗過程中前期準備的時間，給學生提供更多時間發揮動手能力。二是建立虛擬仿真實驗、視頻素材庫、仿真軟件等，學生線上進行實驗操作，測量記錄實驗數據，完成實驗預習報告，如孔口管嘴實驗、伯努利方程實驗、畢托管測速等，形成“線上+線下”同步教學模型，加強實驗室信息化建設，提升實驗室信息化水平。三是增設自主創新實驗，學生根據水力學教材中的理論知識選定實驗內容，利用課上或課后時間完成實驗，提交最終實驗報告。在進行必選實驗的同時，增設二至三個創新實驗，如不同類型薄壁堰流量測定、污水管道流量和充滿度的關系、虹吸管模型設計等，通過創新實驗教學對學生進行科研實操訓練，培養學生的專業實踐能力與自主創新精神[4]。

2.4 完善考核機制

綜合前期對教學內容、教學方式、實驗課程等方面的改革，教師提出采用“全方位多層次”的考核辦法，全面考查學生對水力學教學內容的掌握情況[5]。除了原有的平時作業，還增加了平時成績補充課程提問、小組任務完成情況、微課任務情況、實驗操作、實驗報告等，加大對教學過程的考查比重，將“水力學”的課程考核貫穿于整個教學環節，提高學生對水力學知識的掌握程度以及應用知識進行實際工程設計的實踐能力。一方面考查學生對知識的掌握情況，另外及時了解學生對知識的理解和掌握程度，最后根據學生作業書寫的認真度、思維的靈活性、解答的正確性，給出作業考核成績（表1）。

表1 水力學課程考核方式

3 結論

作為給排水專業本科生入學后接觸的第一門專業基礎課，水力學的教學質量直接影響了學生對后續專業知識的理解程度。如何在傳統教學的基礎上，不斷豐富和提升課程質量，提高學生的工程應用能力和科研創新能力是一項重要的課題。教學內容上將理論知識與工程應用結合，引入最新的流體力學研究成果達到教學內容的提升，同時將傳統講授法與新形勢下互聯網教學法并軌，充分利用課前、課上與課后時間設計教學內容，充分利用實驗教學鍛煉學生的自主創新能力，最后將上述互動教學融入平時成績，與結課考試結合共同評價學生的知識掌握程度，實現給排水科學與工程專業培養復合型人才的育人目標。