环境科学专业水力学课程教学模式改革实践

周劲风　胡嘉镗

[摘 要]水力学是环境科学专业的基础学科，考虑到环境科学的专业特点以及与学生后续课程的衔接，水力学教学内容应该在传统水力学教学内容的基础上有所改革；为了提高学生的学习兴趣，增强学习效果，其教学模式也应与时俱进：包括利用网络工具，设立微课堂，让学生与教师有更多的互动机会；设立小组讨论学习模式，增强学生在团队协作中获得专业知识的能力；引入国际优秀的模拟仿真软件和教材，扩展学生的国际视野。

[关键词]水力学；教学模式；环境科学

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）12-0023-04

水力学是环境科学专业的基础课，因为涉及大量的计算和力学数学知识，学生普遍反映比较难学；又由于实习实验课时安排得比较少，学生对一些内容也觉得抽象难以理解。已有不少教师进行了关于水力学教学改革模式的研究，如孙楠等[1]借助现有网络平台，以网络教学交互视角为切入点建设高校水利专业基础课水力学，基于学习主体、教学团队、教学平台、教学资源、教学政策五要素，剖析影响网络课程教学效果的制约因素，构建全方位- 多层次网络教学体系，探究立体化网络教学模式。苏伟等[2] 为了提高水力学课程的教学效果，探究新型教学模式在提高教学质量方面的作用，在本科生的水力学教学中实施了基于SPOC 的翻转课堂教学模式。结果表明：新型教学模式使学生由被动学习变成主动学习，提高了学生的自学创新能力，同时也将教师由教授型向引导型转变，提高了教师的课程设计和思辨能力。李金燕[3]认为，水力学是农业水利工程、土木工程、交通工程等专业的一门重要的专业基础课程，有着承上启下的作用，是学好后续专业课的必备课程基础，在整个课程体系里占据着十分重要的地位。然而，目前从全国范围来说，水力学课程面临共同的问题——学时压缩，这就对教师的教学方法与手段提出了更高的要求。教师在对课程定位以及课程内容在宏观上有了明确的把握以后，要想在有限的学时内将课程重要的内容传授给学生，就需要对自己的教学方法与思路做出改进。程浩亮等[4] 通过对水利类相关部门进行联系考察，遵守理论与实践相统一以及适度适量原则，建议对教学大纲内容进行一定的修改，并对教学内容进行适量选择；在教学方法上，建议采用启发式和讲授式教学相结合、案例分析、多媒体动画以及分组教学法。刘贞姬等[5]通过总结多年的教学经验，认为在现代教育理念的大背景下，一定的知识储备、一些专业技能是完善教师自身素质所必需的，在此基础上实现优化多元教学模式，同时，避免按部就班、注重尝试创新也应该得到教师的重视。

环境科学是一门研究人类社会发展活动与环境演化规律之间相互作用关系，寻求人类社会与环境协同演化、持续发展途径与方法的科学。水是环境的一个重要的要素，水力学是研究水这种液体的宏观机械运动规律及其在工程上的应用。考虑到环境科学的专业特点以及与学生后续课程的衔接，水力学教学内容应该在传统水力学教学内容的基础上有所改革。同时，为了提高学生的学习兴趣，增强学习效果，其教学模式也应与时俱进，及时引进当代各种教学理念、方法和教学手段。

一、教学内容改革

水文学、水力学、环境水力学都是环境科学专业的基础课，这三门课程虽然名称上相似，但研究内容各有侧重：水文学主要研究水文循环运动中，从降水到径流入海的这一段过程，包括河川径流的基本概念、地面径流的运动规律，这是对水流现象的描述；水力学研究水的力学规律及其在工程上的应用；环境水力学则是研究污染物在水中的迁移扩散规律。开课的顺序一般是水文学[→]水力学[→]环境水力学。随着环境专业的教学改革，现在趋向于把前两门课的内容进行压缩，一些学院甚至取消了水文学或水力学的其中一门，这对于学生全面掌握水體的运动规律是不利的，对后续环境水力学的学习也会造成一定的影响。为了保证学生学习有关水要素知识的完整性和连贯性，结合环境科学的特点，参考国外相关课程设置情况，笔者建议授课内容可做如下调整：1.水静力学；2.水动力学；3.有压管流；4.明渠流；5.渗流；6.水循环；7.流域与径流计算。前面四章是传统水力学的内容，后面两章是传统水文学的内容。通过这样安排教学内容，在相对有限的课时内，学生对水的运动现象，规律以及动力就有了全面的了解，可为后续相关课程的学习打下良好的基础。各章的主要内容设置如下。

水静力学包括静力学基本方程、水头与单位势能的概念，平面与曲面壁上静水总压力的计算。水动力学包括恒定总流的连续性方程、能量方程和动量方程及实际工程应用，层流和紊流的主要特征及其判别、阻力系数的变化规律和水头损失的计算方法。有压管流包括恒定总流的基本方程在简单管道及复杂管道水力计算中的应用。明渠流包括明渠均匀流的特性、水力计算的基本公式，明渠渐变流水面曲线的定性分析。渗流包括渗流的达西定律、恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流。水循环包括水文循环现象及水平衡。流域与径流计算包括流域产汇流计算及径流频率分析。

这样的安排从微观到宏观，从局部到总体，从机理到现象，使学生既能了解水体的运动动力（规律），也能认识水体的各种运动型态和现象，这对于全面了解“水”这一环境要素无疑是有益的。

二、教学方法改革

（一）利用网络工具，设立微课堂，让学生和教师有更多互动的机会

微课堂是面对面教学的一个重要补充，同时也是提高教学效果的一个重要手段。微课堂以手机为载体，设置课前预习、课后答疑、作业展示、案例知识等环节，全过程配合课堂教学。课前预习是每次上课前教师提出预习作业，让学生带着问题去预习；课后答疑是随机问答，学生在学习过程中或是在做作业时碰到的疑问都可随时发问；作业解答包括对优秀作业的展示，对一些难点的示范；案例主要是水力学知识在环境相关领域的一些应用介绍，比如一些大型的引水工程、水库建设、河流流域知识介绍等。微课堂的建设和应用贯穿于整个教学中，师生双方共同参与。

基于上述的思考，笔者借助微信平台，申请微信公众号“水力学微课”，采用固定菜单和实时动态推送结合的方式给学生提供学习信息。固定菜单设计三个主菜单，分别是课程思维导图、课前预习与课后练习、作业精选。

思维导图将每章的主要内容和公式以框架图显示，这有助于学生了解该章的主要脉络，抓住学习重点，也便于课后的复习总结。

课前预习和课后练习将在每章上课前后分别推出，作为学生预习思考解决的问题和课上小组讨论回答的问题，如图1所示。作业精选选取学生作业中作答清晰完整的作为示范，这一方面有助于学生间的相互学习，对于一些理解稍微慢一点的学生也有借鉴和帮助作用；另一方面也作为可加分项，对学生正面激励。

实时推送包括与课程相关的知识点，课前预习、课后练习以及与课程学习相关的一些社会新闻。如图2所示。

图1 课前预习与课后习题推送页面

图2 相关知识点推送页面

这个公众号设立后，学生会定期收到预习推送，相关知识推送，作业及解答推送，同时班级还设置了微信群，针对一些难点进行讨论。这样建立了一个快速反馈通道，学生有什么疑问都能得到有效的反馈，学习效果大大增强；有些学生虽然没有参与讨论，但从别人的讨论中也获得了很多信息。

（二）设立小组讨论学习模式，增强学生在团队协作中获得专业知识的能力

小组教学已广泛应用于世界各地各层次的教学中，其以对个人学习能力和团队合作能力的提高而闻名遐迩。由于本课程公式理论讲解比较多，课时相对紧张，教师长期采用集体课堂讲授的方式，这导致出现一些两极分化的现象。分组方式有随机、指定、自愿三种方式，小组成绩计入平时成绩，小组得分环节包括课前预习的提问，指定章节的课堂展示，知识分享。小组学习贯穿整个学期教学中。

考虑到操作性以及稳定性，对不同的班级虽然采用了不同的分组模式，比如随机分组、自愿组合，但小组成员一个学期内是固定的，这样小组成员会有归属感和荣誉感。上课的时候小组成员须坐在一起，这样便于交流和讨论，布置一些展示作业的时候小组也是自行分工。经过几个班级的实践，笔者发现小组学习模式的确会激发学生的学习兴趣，比起上课光听教师讲，小组讨论学习方式会让每个人的思维更加积极和活跃，因为讨论的时候需要有输出，比起光听课被动的输入而言，有输出的学习效果肯定更好。

举几个小组讨论的例子。在讲解“紊流特征”这节课时，用普朗特动量传递理论解释紊流附加切应力时，有一个小组讨论题目：“附加切应力的方向为什么和粘滞切应力的方向一致？”这个问题综合性很强，涉及液体的粘滞性、流速分布、时均流速、脉动流速、瞬时流速、动量定理等知识点，为了能够在讨论时表达出自己的观点，每位学生一定要认真看教材，综合分析，追究细节，不能似是而非，模棱两可。在学习“水面线定性分析”时，对于12种水面线的分析，教材有讲解，学生理解起来也不困难，但要学生自己画出水面线或者判断水面线走势，学生就会不知所措，不会应用。这时，除了给学生讲解一些实例外，还要给定特例让他们小组讨论，在讨论过程中，他们对这个知识点水面线的判读会掌握得更牢固，理解得更深刻，遇到实际问题就有思路，能顺利解决。

在小组学习过程中，很多学生都非常认真地对待每一个讨论的问题，精心准备自己的每一次發言，同时也在其他同学的发言中学习和思考，这样的学习方式很有效率。

（三）引入国际优秀的模拟仿真软件和教材，扩展学生的国际视野

由于课时紧、内容多，这门课的实习时间较少。可以引入一些成熟的水流模拟仿真软件弥补这方面的不足，比如丹麦的MIKE系列软件可以模拟自然降雨-径流-产流的整个过程，也可以模拟闸孔出流、堰流以及人工河渠水流运动，滑铁卢大学的MODFLOW软件可以模拟地下渗流的运动。这些仿真软件可以使得学生对水流现象的起因和规律了解更加深入，学习效果倍增，同时也能激发他们的求知欲。同时，还可筛选国际优秀原版英文教材，选取一些基本理论章节实施双语教学，这样可拓展学生国际视野，提高学生的国际专业交流能力。

比如MIKE 系列模型既可以模拟降雨径流过程，如图3所示，也可以模拟显示一维、二维、三维水流动画。环境科学水力学课程内容仅限于总流的运动规律研究（一维情形稳定状态），这其实是水流运动形式的简化，引入MIKE 系列模拟仿真软件可以展示水流的真实存在状态，让学生了解水流运动的复杂性以及简化的条件，引发他们的好奇心，为学生进一步的学习打下良好的基础。

图3 MIKE 模型模拟的水循环过程示意图

英文教材筛选出John E.Gribbin编著的INTRODUCTION TO Hydraulics and Hydrology fundamental hydrodynamics部分章节[6]，以第4章为例，对比分析与中文教材相关章节的内容差异。这章的标题是基础水动力学，介绍水流的类型，包括层流和紊流，稳定流和非稳定流，均匀流和非均匀流；水头的概念；质量守恒和能量守恒方程；水头损失，测压管坡度；沿程水头损失计算方法；流速流量的测定设备等。在中文教材里，这些知识分布在很多章节，每个点的介绍都很详细，公式的推导、原理的介绍，概念的解析都很彻底。相比而言，这本外文教材简明扼要，以解决问题为导向，综合性很强。通过对比学习，学生可以了解不同风格的教材特点，体会不同的教学思路。

三、结论与展望

1.环境科学专业水力学课程内容设置应综合考虑专业需求和知识的系统性，在课时有限和课程压缩合并的压力下，可以将水力学和水文学部分内容整合，让学生能系统掌握水的运动规律，为后续课程打好基础。

2.教学方法应充分利用现代教学理念、方法和工具，加强教师与学生的互动，增强教学中的及时反馈，通过启发式教学和小组讨论方式，提高学生的积极性与参与度，以达到更好的学习效果。

3.应引入专业水流模拟软件及国际教材，拓宽学生的学习视野，挖掘他们的好奇心，以提升专业素质。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 孙楠，徐丽君，王子龙，等.基于网络教学的“水力学”教学模式研究[J].河北农业大学学报（ 农林教育版），2016（5）：54-57.

[2] 苏伟，张西平，胡宝月，等.基于SPOC 的“水力学”翻转课堂教学模式探究[J].河北农业大学学报（ 农林教育版），2017（2）：50-54.

[3] 李金燕.水力学课程教学模式的探索与改进[J].中国教育技术装备，2016（2）：77-79.

[4] 程浩亮，张庆文.基于多元化教学模式的水力学教学改革探究[J].科技创新导报，2015（20）：114-115.

[5] 刘贞姬，刘焕芳，宗全利，等.“水力学”课程多元教学模式的应用研究[J].新课程研究，2016（2）：15-17.

[6] John E.Gribbin.Introduction to Hydraulics and Hydrology with Applications for Stormwater Management Fourth Edition [M].Delhi：Cengage Learning India Private Limited，2014.

[责任编辑：陈 明]