水力学“课程思政”本科教学设计初探

[摘 要] 党的十九大明确指出中国特色社会主义进入了新时代和相应的社会主要矛盾;高等教育也应该随着社会主要矛盾的转化适应新时代的要求;教育部本科教育工作会议把立德树人作为学校工作的首要任务，高等院校要以本为本;水力学课程是水利、土木、环境和交通等专业本科教学重要的专业基础课;根据课程及学生特点，在课程教学中结合历史人物、典型工程以及对基本理论和计算方法的哲学思考，可使学生在接受专业知识的同时思想道德素质得到全面的提高。

[关键词] 高等教育;水力学;“课程思政”;教学设计

[中图分类号] G641  [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2019） 03-0099-03

党的十九大明确指出中国特色社会主义已经进入了新时代，社会主要矛盾也已发生了转化。高等教育在国民教育中具有重要的地位。为适应新时代的要求，高等教育必须明确目标和责任。2018年8月教育部召开的新时代全国高等学校本科教育工作会议提出，立德树人的成效是检验学校一切工作的根本标准。要求坚持以本为本，推进四个回归。指出2018年高校师生思想政治状况滚动调查结果显示，对大学生思想言行和成长影响最大的第一因素是专业课教师。要求高校要明确所有课程的育人要素和责任，推动每一位专业课老师指定开展“课程思政”教学设计，做到课程门门有思政，教师人人讲育人。水力学（亦适用于工程流体力学，下同）作为水利、土木、环境和交通等本科专业的一门重要的技术基础课，加强“课程思政”教学设计，在人才培养中起到和其专业地位同等重要的作用。

一 新时代中国特色社会主义时期的高等教育

党的十九大报告指出，中国特色社会主义进入新时代，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。建设教育强国是中华民族伟大复兴的基础工程，必须把教育事业放在优先位置，深化教育改革，加快教育现代化，办好人民满意的教育。要全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，发展素质教育，推进教育公平，培养德智体美全面发展的社会主义建设者和接班人。

2018年8月教育部召开的新时代全国高等学校本科教育工作会议提出，高教大计，本科为本;本科不牢，地动山摇。强调要把握好坚持以本为本和推进四个回归。回归大学的本质职能，把“培养人”作为根本任务。回归常识，就是学生要刻苦读书学习。回归本分，就是教师要潜心教书育人。回归初心，就是高等学校要倾心培养建设者和接班人。回归梦想，就是高等教育要倾力实现教育报国、教育强国梦。

相应于进入新时代我国社会主要矛盾的转化，高等教育本科教学的各个环节也应该与之相适应。这一代本科生自幼接受了充分的基础教育，目前自媒体蓬勃发展且社会物质条件充裕，这就决定了他们自主意識强、思维活跃的特点。世界观、人生观和价值观也已基本形成。满足培养目标要求，这应该是一贯的，重要的是过程的审视和改变。既往像管理中小学生的模式可能已经不适用了，甚至有可能造成逆反心理，也不排除会有典型负面突发事件的出现。教学过程中以人为本，将立德树人、教书育人贯穿于培养的各个环节，融入于每门课程当中，是新时代的要求，也是历史发展的必然。

二 水力学教学在高等学校本科教学中的地位和特点

水力学是诸多领域本科专业培养计划中重要的专业（技术）基础课。前修课程是数学、普通物理、理论力学、材料力学等，后续课程是相关领域的专业课，起着承上启下的重要作用。水力学课程既古老又现代。因为实际应用的需要，很久以前水力学理论就开始萌芽，日后逐渐完善并走向成熟。随着时代发展的需要，现代又派生出环境水力学、生态水力学等分支，显现出旺盛的生命力。

水力学的前修课程理论性强、逻辑推理严谨，许多学生经过系统学习已经形成了思维定式。科学的发展源动力来自社会实际需要。水流运动是复杂的，当理论研究成果不能满足实际需要时，只能提出来一些假说，然后通过实验或直接在实践中去完善，直至最终正确的确立。阐明这一点，学生在学习中就能够事半功倍，平静心境，以至于顺理成章地接受，使思维方式开阔灵活多样化，提高解决问题的能力。这其中涉及除理论方面有突出贡献的科学家之外，还有一些实验科学家以及著名的工程师，还有一些经过历史长期检验的典型工程。这些和水力学的发展相依相伴，密不可分，融入本科课程教学中，便于学生系统接受水力学知识，同时也是思想道德素质教育的有力抓手。

三 水力学“课程思政”本科教学设计

在水力学的教学设计中，可结合历史人物、典型工程以及对基本理论和计算方法的哲学思考，以使学生在接受专业知识的同时全面提高思想道德素质。

（一）结合历史人物讲授典型知识点

经典力学的创始人牛顿给出了液体流动时粘滞力所遵循的规律。帕斯卡发现了静止液体内部压强的传递规律。阿基米德给出了浸没于液体中的物体所受浮力的计算方法。拉格朗日提出了研究流体运动的一种方法。另一种更常用的研究流体运动方法的提出者是欧拉，他也导出了理想液体的平衡微分方程式。伯努利导出了流体运动过程中各种机械能之间的转化和机械能损失之间关系的方程式。纳维和斯托克斯导出了粘性液体运动所遵循的基本微分方程式。雷诺通过实验发现了流体运动的两种形态，并给出了湍流流动平均意义上的运动微分方程式。布拉休斯提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。尼古拉兹公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果，并据此给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。科勒布茹克提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算公式。普朗特建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。卡门提出了分析带旋涡尾流及其所产生阻力的理论。周培源在湍流封闭模式研究方面做出了历史性的贡献。谢才总结出了明渠均匀流公式。托里拆利论证了孔口出流的基本规律。弗劳德给出了明渠重力流的相似准则数。这些科学家在不同时期用他们的辛勤工作，极大地推动了水力学学科的发展甚至是实现了突破。我们应该铭记他们，要有对他们及其所创造科学成果的敬畏感，这才是正确的科学态度，继而才会在自己的科学实践中将这种精神发扬光大。

更值得指出的是，欧拉人生中经历了双目失明等接连不断的沉重打击，其许多重要成果都是靠坚强的意志和毅力取得的。这种崇尚科学、追求真理、为科学和真理倾其一生的大无畏精神值得每一位科学工作者仰慕和学习。

流体运动基本方程纳维—斯托克斯方程的导出也不是一帆风顺的，经过了纳维（1822年）、柯西（1823年）、泊松（1829年）、圣维南（1837年）和斯托克斯（1845年）五次建立、修正和完善，历时二十五年才得到现在的最终形式。科学的进步都不是一帆风顺的，任何重大成果的取得都不可能一蹴而就，中途不可避免地会走弯路甚至遭遇挫折。面对这些我们不要气馁甚至丧失信心，要耐得住性子，脚踏实地一步一个脚印地向前进。

我国著名科学家周培源先生，早期就在水力学相关领域取得了杰出的成就，成果享誉海内外。之后数十年间，毅然决然摒弃国外的优厚待遇献身国内，积极投入到国家急需的相关领域社会主义建设中。科学无国界，但是科学家是有国界的。只有具有强烈的爱国主义精神，科学家才能全心全意地服务于祖国，最终实现民族的伟大复兴。

（二）结合典型工程讲授若干知识点

都江堰位于成都平原西部的岷江上，始建于秦昭王末年（约公元前256～前251），是蜀郡太守李冰父子在前人鳖灵开凿的基础上组织修建的大型水利工程，由分水鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口等部分组成，两千多年来一直发挥着防洪灌溉的作用，至今灌区已达30余县市、面积近千万亩。郑国渠属于最早在关中建设的大型水利工程，位于今陕西省泾阳县西北25公里的泾河北岸。它西引泾水东注洛水，长达300余里。在战国末年由秦国穿凿。公元前246年（秦王政元年）由韩国水工郑国主持兴建，约十年后完工。灵渠位于广西壮族自治区兴安县境内，于公元前214年凿成通航。灵渠流向由东向西，将兴安县东面的海洋河（湘江源头，流向由南向北）和兴安县西面的大溶江（漓江源头，流向由北向南）相连，是世界上最古老的运河之一。

南水北调工程主要解决我国北方地区，尤其是黄淮海流域的水资源短缺问题。东、中线一期工程干线总长为2899公里，已经完工并向北方地区调水。三峡工程是当今世界上最大的水利枢纽工程。它的防洪效益、装机容量、建筑规模、施工难度、施工期流量、泄洪能力、船闸级数及总水头、升船机的规模和难度、移民规模等许多指标都突破了世界水利工程的纪录。

都江堰、郑国渠和灵渠这三项水利工程，都是中国古代劳动人民勤劳、勇敢、智慧的结晶。在明渠流动及堰流流动规律方面都有了很深很成熟的认识。特别是都江堰工程的整体布局和运用，充分利用了弯道水流及泥沙输运的机理，使非汛期灌溉和汛期排洪的效果达到了极高的科学水平，堪称典范。南水北调和三峡水利枢纽（可分别与明渠非恒定流和消能措施内容结合）等当代宏大水利工程，也都取得了举世瞩目的成就。综合起来，这些工程都可以让我们有充分的文化自信，同时也坚定了实现民族伟大复兴的目标。

（三）对基本理论和计算方法进行哲学思考的典型知识点

在讲授液体的主要物理性质时，提出了理想液体与粘性液体的概念。分析实际液体运动，机械能损失的计算从理论上还无法完全解决。通常先忽略液体的粘滞性，亦即忽略水头损失，把液体作为理想液体来分析，得出相应描述各运动要素的方程式。当然，粘性液体流动时水头损失往往是不可忽略的。对粘性液体进行水力计算时，通过实验室实验或原型观测对基于理想液体分析得出的结果进行修正。该解决问题的思路可以给予我们一个启发——对于暂时无法完全解决的问题，可以把问题先“搁置”起来，然后再通过修正来达到预期的目标。

分析粘性流体运动，边界层理论对于流动阻力和水头损失研究有着重要影响。对于非流线型物体，特别是存在钝体的壁面，漩涡的分离是普遍存在的。但分离后的涡旋摇摆是必然的。特别是物体绕流之后涡旋的摇摆性更为明显，已有许多文献表明这种现象存在各种形状和各种宏观尺度的绕流情形。且在一定条件下，涡旋的摇摆还会有显著的规律，亦即众所周知的卡门涡街现象。由此可见，广义上来讲，宏观水流运动都是由不同特征尺度涡旋构成的复杂组合体。在水流运动中，应该是确定性和随机性并存;恒定流中存在着局部非恒定流，即具有相对性。由此可见，无论分析什么自然现象，都要有辩证思维，不要绝对化，要能够在变化中看到其普遍的性质，又能够在静止中洞悉其局部变化的规律。

进行管网水力计算时，环状管网计算常见的方法有哈迪克劳斯法和有限元法，都有其对应的整套理论、方法、方程和计算过程，对学生来说接受起来有一定的难度。在讲解过程中，强调抓住两个基本点，则瞬间变得思路清晰，易于掌握。一是每个节点都要遵循的连续性方程，另一个是构成每个环的各个管路水头损失的代数和都应该为零。无论做任何事情，事情如何复杂，只要透过现象抓住事物所遵循的本质规律，问题也就可以迎刃而解。

对于梯形渠道正常水深、底宽和临界水深以及泄水建筑物下游收缩断面水深的计算，由于其所遵循方程均是高阶非线性的，通常要运用迭代法求解。迭代法有一些鲜明的特点。要使迭代收敛，必须首先要导出满足收敛条件的迭代公式。迭代计算时，通常迭代初值的选取对最终迭代结果没有影响。也就是迭代过程具有容错性。根據迭代过程的实际情况还可以对迭代过程进行修正，比如采用欠松弛迭代或超松弛迭代等。这就预示着无论做什么事情，首先要选定一条正确的方式，在此基础上就要抓紧时机毫不犹豫地推动事情的进展，并在进展过程中善于总结，对路线不断修正，以期更快捷、更有效地达到正确目标。

明渠非恒定流流动遵循圣维南方程，水力要素不仅随时间变化还随位置变化。如果不厘清其层次关系，则会相互交错使问题陷入复杂化的泥潭。推导连续性微分方程时，对由于流量沿程变化而引起控制体内质量变化的分析，可忽略水力要素随时间的变化，均用初始时刻的值进行计算;对控制体内液体体积随时间变化而引起质量变化的分析，可忽略由于断面位置不同而引起水力要素的变化，均以上游断面水力要素来进行计算。推导运动微分方程时，把水位分割成渠底高程和水深两部分，仅考虑渠底高程变化时计算重力的作用，仅考虑水深变化时计算压力的作用。依此思路导出圣维南方程组的过程简洁明了，和经典形式完全一致。学生易于接受，也提高了讲授效率。这表明对于复杂问题的解决，要善于分清层次，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾。

非恒定流遵循的由连续性方程和运动方程构成的偏微分方程组，对于实际工程问题往往比较复杂，无法得到解析解，而常用数值计算的方法进行分析。数值计算得到的是一种近似解，在求解过程中应注意到解的精度。常用且有效的为特征线法。因为一维非恒定流所遵循的微分方程组属于双曲型方程，有两条特征线。依此可将偏微分方程组化为沿着两条特征线分别成立的特征方程，而特征方程为常微分方程，继而进行了简化。在此基础上的数值计算，特性得以最大限度地保留，相对于其他数值计算方法理应具有更高的精度。这要求我们处理问题要尽可能地抓住事物发展的本质特征。

纳维-斯托克斯方程（简称N-S方程）是深入全面分析复杂水流运动的基石。然而它在极其简单边界和初始条件下才有解析解。绝大多数情况下只能进行数值计算。为了探讨数值格式的可行性，一维对流方程是最基本的模式方程，依此讨论对流项离散格式的正确性。理论分析及计算实际均表明，当对流项采用具有二阶精度的中心差商，格式是不稳定的;而采用具有一阶精度的向前差商或向后差商，格式是有条件稳定的。在实际计算中，采用迎风格式，其所反映的现象与物理实质相符，计算稳定。这使我们得到启示，无论处理任何事情都要严格按照事物发展的客观规律办事;在解决问题过程中，个人要服从整体，没有整体利益就不可能使个体受益，不顾整体利益的个人利己主义也不可能达到自己的目的。必须弘扬团队精神和集体主义精神，才能共同发展共同进步。

结合水力学课程教学专业内容，通过历史人物、典型工程以及基本理论和方法的哲学思考，培养学生正确的世界观、人生观和价值观，崇高的理想和爱国主义精神，可以使学生的思想道德素养在掌握专业知识的同时得到全面的提高。

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[5]李占松，师冰雪. 研究生素质教育与“计算水力学”课程教学[J].高教学刊，2017（2） .

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（责任编辑：王义祥）