王 燕，鄭 健，韓 偉

（蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050）

土木工程專業(yè)《水力學》課程特點與教學探索*

王 燕，鄭 健，韓 偉

（蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050）

水力學是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程具有理論性強、公式繁多、內(nèi)容枯燥、學生難于掌握等特點，本研究結(jié)合多年教學經(jīng)驗，提出從教學方法、教學手段、教學內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)等多方面入手，注重所講內(nèi)容的物理本質(zhì)，采用板書與多媒體相結(jié)合的教學手段，加強實踐環(huán)節(jié)，將生活常識融入水力學理論教學，全面提高學生的學習興趣，從而提高教學效果。

土木工程；水力學；教學方法；實踐探索

隨著經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，社會對人才結(jié)構(gòu)的需求重心下移，除了需要大量的研發(fā)型科技精英人才外，更急需大批能促進科技成果轉(zhuǎn)化、帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專門應(yīng)用型人才［1］。土木工程專業(yè)是理工科院校的傳統(tǒng)核心專業(yè)，也是培養(yǎng)一切與水、土、文化相關(guān)的“復(fù)合型”工程技術(shù)人才的主要專業(yè)，主要目標是培養(yǎng)適應(yīng)工程建設(shè)需要的，有扎實基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識的，有較強實踐能力的，能夠從事設(shè)計、研究、施工、教育、管理、投資、開發(fā)等工作的高級專門人才。因此，土木工程專業(yè)在全國基礎(chǔ)建設(shè)與相關(guān)領(lǐng)域管理人才的培養(yǎng)中起著非常重要作用。

水力學是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課中起著承前啟后的橋梁作用，具有很強的理論性和實踐性。水力學在土木工程專業(yè)學科建設(shè)中的課程定位與在水利工程專業(yè)不同，所占的比重與學時都遠低于水利工程專業(yè)，導(dǎo)致學生對該課程重視程度不夠，常處于應(yīng)付作業(yè)、惰于思考的被動學習狀態(tài)。面對日新月異的社會基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀和激烈的就業(yè)前景，如何把學生培養(yǎng)成適應(yīng)社會發(fā)展需要、具有扎實理論基礎(chǔ)、知識面廣、動手能力強的復(fù)合型人才，這是當前高教改革的中心任務(wù)［2］。如何通過教學環(huán)節(jié)的探索與改革，優(yōu)化教學過程，使理論性強、公式繁多復(fù)雜、內(nèi)容枯燥難于掌握的水力學課程教學變得生動、易于理解掌握，全面培養(yǎng)學生的興趣，變被動學習為主動學習，成為教學實踐中探索的主要問題［3，4］。

1 土木工程專業(yè)水力學課程特點

水力學是流體力學的一個分支，它是以水為研究對象，研究其宏觀機械運動規(guī)律及工程應(yīng)用的學科，課程以高等數(shù)學、理論力學、大學物理等課程學習為基礎(chǔ)，理論性強，涉及范圍廣，實踐性和應(yīng)用性也很強。從最早的大禹治水，到阿基米德《論浮體》著作的發(fā)表，再到將水引導(dǎo)用于灌溉、交通運輸、發(fā)電等，人類就一直在探索著水的靜止與運動規(guī)律，在不斷探索與生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了大量定律及規(guī)律，為利用水資源及消除水患提供了理論基礎(chǔ)及應(yīng)用方法。土木工程專業(yè)與水利工程專業(yè)不同，未來的就業(yè)環(huán)境和所從事的工作也有所差別，因此，水力學課程教學內(nèi)容與水利工程專業(yè)在基礎(chǔ)概念、理論與分析方法上相同，但由于就業(yè)方向的不同，實際教育教學側(cè)重點與教學的方式方法當有所不同。水力學課程以培養(yǎng)適應(yīng)社會就業(yè)為導(dǎo)向，教學改革要做到正確處理理論與實踐、知識與能力的關(guān)系，突出理論應(yīng)用能力、綜合思維能力和實踐反思提升能力的培養(yǎng)［5］。要使教師便于施教、學生易于掌握，總結(jié)其一些特點，找到突破口，有的放矢，是十分必要的。根據(jù)多年教學經(jīng)驗，筆者以為水力學在土木工程專業(yè)本科、專科生的學習中，具有以下特點：

1.1 獨特性強

水力學雖然是聯(lián)系“水”與“力學”的紐帶，但相對于其他力學課程來說，水具有流動性，這是固體力學所沒有的，同時由于水的粘滯性和靜止時無法承受剪切應(yīng)力的特性，使其具有與其他力學完全不同的思維方法，與之相對應(yīng)的當是不同的教學方式。而水力學課程中主要內(nèi)容是水的宏觀機械運動規(guī)律和工程應(yīng)用，從這個方面來講，水力學課程內(nèi)容涉及范圍較廣，需要的知識更多，具有更大的獨立性?？梢孕蜗蟮卣f，水力學是一門“水物理學”［6］。

1.2 理論性、邏輯性強

水力學課程的基本概念、基本公式、經(jīng)驗公式、半經(jīng)驗公式比較多，與理論力學、材料力學等力學課程類似，在講課的過程中，需要有大量的理論公式及推導(dǎo)，理論性、邏輯性強，學生在學習過程中需要緊跟教材內(nèi)容及教師的講解思路，循序漸進，才能系統(tǒng)、連貫地掌握整個課程知識體系。對于這一點，我們老師應(yīng)該更注重教學方法，不讓這個似乎“完美”的推導(dǎo)過程變成“微積分的應(yīng)用題”，而是對公式所揭示的“物理本質(zhì)”有清楚的描述，使學生更容易理解。

1.3 實踐應(yīng)用性強

水力學是人類認識水的運動規(guī)律并把它應(yīng)用到工程實踐的一門學科，具有較強的工程應(yīng)用性，因此，在教學過程中，需理論與實踐并重［7］。人類歷史發(fā)展過程中的治理洪水、防洪興利、水磨、水車、水力發(fā)電以及各類水工建筑物和防滲加固處理等，都是水的工程應(yīng)用，可以說水力學是在人們生產(chǎn)生活的探索總結(jié)出來的，它是一門專業(yè)理論性和實踐性都較強的基礎(chǔ)課。因此，在進行水力學課程理論教學的同時，必須加強水力學課程的實踐教學環(huán)節(jié)，將各類水流運動的基本規(guī)律和實際工程及相關(guān)學科有機聯(lián)系起來，真正做到將所學知識準確地運用到實際生活生產(chǎn)實踐中去，這對鞏固課堂教學知識，培養(yǎng)學生的動手能力及加深理論知識的理解應(yīng)用起到至關(guān)重要的作用。

1.4 專業(yè)針對性強

土木工程專業(yè)的專業(yè)課程主要包括土力學、建筑材料、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、房屋結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、道路勘測、施工技術(shù)與管理等課程，從中可以看出后期專業(yè)課與水利工程專業(yè)有很大的差別，因此，對水力學課程的教學內(nèi)容也必須根據(jù)其專業(yè)特性進行相應(yīng)傾斜，從而與專業(yè)課程有更好的銜接，也使學生能夠?qū)W以致用，在道路、橋梁、邊坡襯砌、防滲加固及地基處理等工程實踐中有更好的應(yīng)用［8，9］。

2 水力學教學中的實踐探索

針對上述土木工程專業(yè)水力學課程的特點，筆者依據(jù)長期教學過程中存在的問題，結(jié)合專業(yè)背景，對當前土木工程專業(yè)水力學的教學內(nèi)容與方法進行了大量有益的探索和改革。我們的總體目標是培養(yǎng)具有扎實的理論基礎(chǔ)，又具有實踐動手能力的，能夠獨立思考積極主動解決問題的專門技術(shù)人才。就如何做好水力學課程的教學工作，提出幾點看法。

2.1 立足知識背景，探求內(nèi)容“物理本質(zhì)”

水力學中涉及大量的公式推導(dǎo)，一般教師在講課過程中習慣于將水力學理論知識按照其推導(dǎo)過程進行設(shè)計，在課堂講授時則一步一步詳細介紹其推導(dǎo)過程，其目的是讓學生清楚知道該理論的來源和數(shù)學依據(jù)，整個形式似乎是“完美”的。但是，這樣的教學過程容易讓學生感覺水力學課程是“微積分的應(yīng)用題”，不利于水力學課程“物理本質(zhì)”的理解［3］。當然，水力學課程是以高等數(shù)學、理論力學為基礎(chǔ)的，與其聯(lián)系密切，很多理論知識是利用數(shù)學知識推理而來，但是為了讓學生在學習過程中，不僅僅停留在“數(shù)學層面”上，而是能夠更高效地理解水力學課程的“物理本質(zhì)”，需要老師在教學過程中幫助學生實現(xiàn)從讀懂數(shù)學到理解流動過程物理本質(zhì)這一轉(zhuǎn)變。例如，在講解歐拉法中液體質(zhì)點通過任意空間坐標時的加流速時，可以從物理本質(zhì)上說明加速度計算公式中各項的產(chǎn)生是由于空間位置發(fā)生了變化還是時間先后不同而產(chǎn)生了速度變化；同樣的，在講伯努利方程時，也可將方程中各項的物理本質(zhì)進行講解，使學生對課程內(nèi)容的理解不是停留在死記硬背或數(shù)學層面上，而是更深層次的物理本質(zhì)乃至生活本質(zhì)。通過長期教學的培養(yǎng)，使課堂講授對公式本質(zhì)的了解由教學手段最終發(fā)展為心靈的自然轉(zhuǎn)化，使學生透過公式能夠看見所反映問題的本身物理意義，以及在工程中的應(yīng)用價值，從而達到由理論到實踐的教學效果。

2.2 聯(lián)系生活實際，深入理解概念原理

水力學凝結(jié)了人類歷史發(fā)展過程中對水的認識與探索，其很多內(nèi)容原理都可以在生活中找到相應(yīng)的工程實例，在課堂中引入生活實例，可以使學生能夠更生動、清晰、深入的理解課程所學概念原理。例如，在講表面張力時，可以引入“露珠為什么是圓形的？”、“水在土壤中為什么只停留在作物耕作層，而沒有隨重力作用下滲？”等，啟發(fā)學生思考問題的能力，引發(fā)學生的學習興趣。在講解伯努利方程時，可以提問“人往高處走，水往低處流”這樣論據(jù)是否正確、“水是由流速高的地方流向流速低的地方嗎？”等問題，引導(dǎo)學生理解公式本質(zhì)，加深理解，深化印象；在綜合考慮負壓及能量平衡和轉(zhuǎn)化原理時，還可以引入“列車車軌處的卷吸力”、“鼓風機的原理”等，以使學生深入理解位能、動能及壓能的相互轉(zhuǎn)化原理；在講平面所受靜水總壓力的計算時，可以舉例底面積相等，高度相等的不同形狀容器中，哪個容器充滿水時底面所受的壓力大等；在講解虹吸原理時，可以引入生活中魚缸的抽水換水原理，增加課堂的趣味性。

2.3 精選教學內(nèi)容，靈活教學手段

隨著教學體制的改革，學分制的實行，理論課時縮短，土木工程專業(yè)的水力學課程學時也在縮短之列，因此，對課程教學內(nèi)容應(yīng)結(jié)合專業(yè)方向和知識結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以便在有限的課時內(nèi)高質(zhì)量的完成課程教學任務(wù)。

消枝強干，突出重點。在課程教學過程中，結(jié)合土木工程專業(yè)的實際情況，并加強課程的工程性，簡化了一些偏于深奧的機理的講述內(nèi)容，例如浮體、紊流運動等理論，保證了“液體靜力學”、“三大方程”等水力學最基本的內(nèi)容有足夠的講授課時；同時，對水動力學的三大方程直接從物理學的基本定理和定律入手推導(dǎo)：從質(zhì)量守恒原理推導(dǎo)連續(xù)性方程；從動能定理推導(dǎo)能量方程；從動量定律推導(dǎo)動量方程。實踐證明，這種模式既節(jié)省課時，又符合當前教學改革的目標，教學效果良好。對專業(yè)基礎(chǔ)內(nèi)容，進行了內(nèi)容整合與簡化，如將液體出流與管道流動進行了整合、將流動的一些基本概念進行了整合，使重點能夠更加突出，將明渠均勻流、給水管網(wǎng)等只采用多媒體課件進行簡單介紹。

與時俱進，刪舊增新。采取“刪、減、并、增”的思路，對于一些與土木工程相關(guān)性不大的課程內(nèi)容予以刪除，例如液體的相對平衡、紊流運動機理、最佳水力斷面等內(nèi)容進行了簡化，只采用多媒體的形式給以直觀展示；對于水力學的基本理論和優(yōu)秀課程內(nèi)容進行整合吸收；對于水力學與流體力學的最新研究成果，引入課堂內(nèi)容的教學中，例如連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的使用條件、邊界層理論以及湍流的數(shù)值計算、點源的擴散等新的課程內(nèi)容引入課堂，通過制作視頻文件，可以觀察局部能量損失原理，從而擴大學生的知識面，增加學生對課程的學習、探究興趣，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力。

2.4 傳統(tǒng)教學為主，多媒體教學為輔

水力學課程中，基本公式和經(jīng)驗公式較多，在教學過程中，應(yīng)該根據(jù)所講授的內(nèi)容的重要性及邏輯性，選擇采用板書推導(dǎo)或多媒體講解，把多媒體教學與傳統(tǒng)板書教學有機結(jié)合，而不是把沒有感情的大屏幕變?yōu)榻虒W主角。對課程中一些公式的推導(dǎo)，需要嚴密的邏輯性，則須采用板書推導(dǎo)，以使學生能跟上上課節(jié)奏，理解教師思路，對所學知識能更深入的把握。筆者在教學實踐中，通常采用板書推導(dǎo)，完成以后，再用多媒體課件整理一次思路，這樣使學生能夠再次加深理解，讓部分掉隊的同學也能夠了解所學知識，實踐證明起到了良好的教學效果。而一些抽象概念學生難以理解時，多媒體則可以化抽象為直觀，幫助學生理解、消化，例如，在雷諾實驗時講到流速較小時為層流，而流速大時各層流會形成渦體，流動中產(chǎn)生渦流。而這個由層流到穩(wěn)流的演化過程可采用多媒體演示，化靜態(tài)授課為動態(tài)教學，不僅讓學生映像深刻，還激發(fā)了學生學習興趣，起到畫龍點睛的作用［7］。在講局部水頭損失時，可以將流動顯示實驗中的視頻插入多媒體播放，使學生了解不同形狀的邊界引起的渦及能量損失?！笆挂恍╇y以用單一語言、文字、圖像來講解的概念能夠被清晰、透徹地理解”［8］。使學生能夠較好利用直觀的背景材料掌握理論知識，達到多重教學手段完美結(jié)合，提高教學質(zhì)量的目的。

2.5 加強實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生動手能力

實驗教學是水力學課程學習中的重要環(huán)節(jié)，通過實驗，學生可以對水的流動現(xiàn)象有直觀認識，加深對課堂所學理論知識的理解，培養(yǎng)學生的動手能力、獨立工作能力、分析和解決問題的能力。但是目前許多開設(shè)的實驗，實驗開始之前由老師負責把儀器設(shè)備安裝、調(diào)試完好，學生的實踐僅僅是依老師命令打開閥門、記錄數(shù)據(jù)，很少有學生思考實驗中用到的各種儀器、設(shè)備的作用，是否有更好的實驗設(shè)計方法［10］。針對這種情況及大學生普遍動手能力差的現(xiàn)狀，我們對實驗環(huán)節(jié)也進行了改革，特別要求學生實驗前先預(yù)習、實驗過程中每個學生對每個實驗都要親手操作、實驗結(jié)束后及時完成實驗報告，發(fā)現(xiàn)問題進行進一步講解。如果有實驗結(jié)果不符合規(guī)律時，要求重新做實驗。并且開設(shè)了流體相關(guān)的實驗創(chuàng)新課程，支持學生進行創(chuàng)新性研究，部分學生在試驗中還能夠提出新的實驗設(shè)計方案，有助于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實驗教學彌補了理論教學的不足，對學生深入理解相關(guān)理論和動手能力的培養(yǎng)起到了關(guān)鍵作用。

水力學是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，本文根據(jù)土木工程專業(yè)水力學課程所具有的特點及在教學過程中存在的課程理論性強、公式繁多、內(nèi)容枯燥、學生難于掌握等問題，結(jié)合多年教學經(jīng)驗，提出從教學方法、教學手段、教學內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)等多方面入手，注重所講內(nèi)容的物理本質(zhì)，采用板書與多媒體相結(jié)合的教學手段，加強實踐環(huán)節(jié)，將生活常識融入水力學理論教學，在教學內(nèi)容及教學方法上進行有益的實踐與探索，全面提高學生的學習興趣，從而提高教學效果。

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G718.5

蘭州理工大學教學研究項目（JY2013027）。