水工建筑物教学方法探讨<br/>——以河西学院农业水利工程专业为例

水工建筑物教学方法探讨
——以河西学院农业水利工程专业为例

2018-12-26尚国秀滕美玲

数码设计 2018年2期

尚国秀，滕美玲

（1.河西学院土木工程学院河西走廊水资源保护利用研究所，甘肃张掖，734000；2.黑龙江水利水电学校，黑龙江大庆，163000）

引言

《水工建筑物》课程是农业水利工程专业理论与实践紧密结合的专业主干课程之一，通过对本门课程的学习，使学生认识和掌握水利工程枢纽中各种建筑物的工作原理、结构组成、工程特点、设计计算方法及运行维护等，对学生今后从事水利类相关的勘测、规划设计、施工、运行管理等工作打下良好的基础。

《水工建筑物》在综合运用水力学、土力学、钢筋混凝土结构、工程水文学、结构力学、弹性力学及有限元理论等基本知识的基础上，需结合在生产实践中总结的经验教训。对学生学习本门课程提出了较高要求，学生普遍反映学习难度较大。只有全面掌握基础知识和建筑物设计理论方法，才能较高质量地完成水工建筑物课程设计，同时为毕业设计奠定基础。另一方面，为保证教学质量，要求教师对基础理论知识有较全面的掌握，同时具备较为丰富的工程实践经验，注重专业积累、拓宽知识面和视野、关注前沿的水利科学研究及技术问题。

水利工程具有规模大、地形地质条件复杂、一次性投资大、建设周期长等特点，而水工建筑物所处地理位置特殊、种类繁多、结构组成及运行条件复杂，加之新材料、新技术、新理论、新工艺等在工程实践中的不断推广和应用，使得现行的教学方法、理论及实践教学环节设置不能满足工程实践对教学的需要。本文就本课程的教学现状、教学内容及方法，做简单探讨。

1 本课程教学现状

河西学院土木工程学院农业水利工程专业开设自2013年9月，水工建筑物课程的讲授历时较短，主要由青年教师担任授课任务，工程实践经验相对缺乏，课程建设还处在初步发展阶段，在教学过程中存在以下几个方面的问题。

1.1 教学内容、课时、教材选择问题

水工建筑物教学内容涵盖面广，除常规的重力坝、拱坝、土石坝、水闸、溢洪道、水工隧洞、渠系建筑物外，新坝型、新材料、新工艺、新技术等不断出现，本课程总学时为68学时，教师无法在有限的时间将水工建筑物主要内容全面、完整地讲授给学生。与其它基础课程结合紧密，相关公式不做推倒，注重应用。由于部分学生前期学习基础没有打好，出现脱节现象。整体造成课程内容与学时之间的矛盾。

在教材选择方面，我院农业水利工程专业选择河海大学沈长松教授主编的《水工建筑物》（第二版），该教材为“十二五”普通高等教育本科国家规划教材及全国水利行业“十三五”规划教材。本教材内容全面、丰富，有一定深度及难度。不同水利类专业、不同层次院校的《水工建筑物》教材应具有一定针对性和侧重点，体现共同性及差异性。不能让教师在教学过程中根据个人意愿选择性教学，不能既注重广度又注重深度，针对我校农业水利工程专业学生可适当降低理论分析难度，注重整体概念的认识和主要理论设计方法学习。

1.2 课程体系缺乏系统优化

水工建筑物是一门综合性专业课程，涉及面非常广，基本涵盖了学生之前所学的所有基础类课程。本课程的学习和应用不像基础课程只需将已知条件带入相应公式分析计算即可得出结果，大部分学生不清楚应该从哪里着手，更没有较为全面的设计思路。如果把基础课程比喻成做一道提供主材的菜，那么专业课程就是要做一餐桌的盛宴，要求自主性和综合应用性更强。

更重要的是，基础课程与专业课内容缺乏对接，课程与课程之间内容存在重复或脱节现象，基础课程的学习未强调与专业课程之间的联系，教学内容缺乏整体和系统优化，使学生在基础课程的学习过程中只注重知识本身而不清楚这些知识点在专业中如何应用。例如，土石坝的变形分析、边坡稳定计算可放在土力学课程中讲解，又如孔口尺寸的计算、消能设计和渗流计算可放在水力学中讲解。

大坝应力分析、水闸结构计算中的结构简化可在材料力学和结构力学中适当扩充以为专业课的学习做好准备。而相关课程教师应加强沟通交流，加强基础课程与专业课程间的衔接和联动。

2 合理安排教学内容，注重学生分析、解决问题的能力

2.1 把握课程规律，合理安排教学内容

本课程包括许多建筑物，涉及的基本概念、基本理论、基本方法较多，而且各种建筑物的构造和组成各不相同。表面上它们之间似乎是相互独立的，但透过现象看本质，发现它们在内容上有一定的规律。可从以下几方面来分析。一是综合布置。任何建筑物都要布置在其特有的地形地质条件之上。布置的总体原则基本上是一致的。二是荷载及组合，水工建筑物的作用是控制和利用水流，各种水工建筑物所承受的荷载具有统一性和差异性，但荷载组合的方法和计算原则是相同的。三是结构计算，结构计算的目的是对建筑物进行应力分析，校核建筑物强度是否满足要求，一般采用材料力学强度理论公式进行校核。四是稳定计算，一般采用理论力学中的静力平衡法，即抗滑力大于等于滑动力，并考虑不同因素选取合适的抗滑稳定安全系数。五是水力计算，水力计算的目的是要确定孔口尺寸和消能工设计，主要方法是水力学法；六是型式与构造，每个建筑物都有适合其自身的工作条件和构造要求，且构造措施和原则亦是相同的，例如水工建筑物的水下部位结构措施，主要是防渗和排水，即上堵下排[1]。

根据水利学科的发展，结合专业的教学大纲和人才培养目标，就学时少的问题，应对专业课程的教学内容做适当调整、删减和补充。例如，重力坝是典型的水工建筑物，学生可通过对重力坝的学习，掌握一般水工建筑物规划、设计的理论和方法。荷载及组合、稳定计算在重力坝章节中做重点讲解，其它建筑物可做借鉴。再如，水工建筑物地基处理，岩基的处理以重力坝为代表，软土地基的处理以水闸为代表。就各类水工建筑物的概述，可增加我国乃至世界最前沿的，最具代表性的建筑物，使学生在了解专业动向的同时增强专业自信。

2.2 围绕课程教学，培养学生分析问题、解决问题的能力

授人以鱼，不如授人以渔。《水工建筑物》课程教学的关键，是教会学生在掌握基本理论、基本方法的前提下，利用所学的理论知识分析和解决工程实践中的问题。例如，在学习一类水工建筑物时，首先从它的功用、工作原理、基本类型入手，针对该建筑物的特点和工作运行中可能出现的问题，采取相应的处理措施。不同建筑物之间应注意横向对比，例如重力坝、土石坝与拱坝的差异。

再如，水工建筑物的结构计算，多是在一定的假定前提下，对其进行结构简化，从而利用已学的力学知识进行应力分析计算。结构计算的关键是抓住三个要点，一是计算其作用荷载及荷载的组合，二是在一定的假定前提下进行结构简化，并作出结构计算简图，三是根据建筑物的工作条件和结构型式选择恰当的计算方法。这样学生在做课程设计时，有一个整体的思路，能够克服对结构计算的畏惧心理，专心研究设计本身，根据已知条件查找资料，寻求解决问题的方法，不至于眉毛胡子一把抓。

2.3 加入工程现场理论教学环节

理论教学环节中，可适当加入工程现场教学环节，根据实际情况，到学校周边的工程规模适宜、布置结构型式典型的水工建筑物现场结构理论知识讲解，使学生对建筑物组成、细部构造、结构型式等有更为直观的认识。当然本环节要使课程进度、课程计划和课程内容而定。因客观因素限制而不能现场学习的情况，可利用结构模型作为辅助教学[2]。

3 注重培养学生综合能力

3.1 结合生产实习，强化课程设计

河西学院土木工程学院一直注重校企合作，在学校政策的大力支持下，努力与张掖市内及周边多家设计、施工企业建立长期的合作关系，为学生的实习提供支持和帮助。其中最典型的是大三学生为期一个月的生产实习。实习过程中，学生就实习单位相关已完成的或未完成的简单的问题，做相应的计算和分析。例如某水工建筑物的水力计算、结构计算等。可适当将生产实习与学生课程和毕业设计相结合，延长设计周期，减轻学生学习压力，专心做设计。同时增强生产实习的目标性和实用性，课程指导教师把控学生的设计思路、设计方法和具体步骤，实习单位可帮助把关，就设计的全面性、完整性提供相应的指导。学生在专业、规范的设计训练后，对水工建筑物的设计有全面的掌握，加强学生分析解决问题能力、计算能力、绘图识图能力、表达能力的培养，为今后从事水利类工程生产设计及施工相关工作奠定良好基础。

3.2 提高综合运用软件的能力

水工建筑物设计内容广、计算量大，很多工程问题依靠手工计算量大或无法解决，如渠道的水面线计算、拱坝的应力计算、土石坝的渗流分析等，在教学过程中，教师可通过有限元软件建立结构仿真模型，直观展示变化过程及分析过程。学生也可查找相关资料，通过VB等软件自行编辑小型程序，解决简单的水工建筑物计算问题。还可通过CAD等软件建立水利模型，增化对水工建筑物整体结构的掌握。