大型水工模型在本科实验教学中的应用

姚 烨，陈广思，练继建，马 斌

（天津大学建筑工程学院，天津 300072）

0 引言

水工模型试验是水利行业中极其重要且普遍应用的研究方法。我国现行规范指出：对于重要的水利工程，必须经过水工模型试验的验证方可开工建设，以确保工程安全［1-2］。因此，大型水工模型试验（一般认为几何比尺在1∶100以上，模型直观尺寸较大、基础固定不可移动）在实验室中较为常见，但多应用于研究生阶段的科研工作，以往少见应用于本科教学的先例。其主要原因在于大型水工模型针对的研究问题一般较为复杂，不能和任何一门理论课程完全呼应，且以往本科生的实验能力培养较为基础，不能满足大型水工模型试验的技能要求。然而，随着我国水利工程建设水平不断上升为世界领跑水准，新时代的水利行业呼唤的是全方位发展的创新型人才［3］；因此本科人才培养目标和要求也在不断提升，教学思路和方法也应与时俱进、打破传统，让学生全面学习和了解行业最前沿的科学问题和最先进的技术手段［4-6］。而针对水利专业的实验教学，尽管部分教育学者提出综合型与创新型实验教学改革的思路［7-8］，或尝试将科研模型应用于本科教学［9-12］，但到目前为止本科实验教学并没有迎来本质上的变革，各大水利实验室中常见的大型水工模型仍然与本科教学脱节，造成了隐形优质教学资源的浪费。

面对新时代和新工科的发展要求，我校坚持“育人为本、质量第一”的教育教学理念，致力于培养具有家国情怀、全球视野、创新精神和实践能力的卓越人才［13］。而创新教育的真正目标就是在实践的基础上，提出新思想、新理论，设计新实验，探索新观点，并最终形成新理论、获得新技术［14］。因此，水利水电工程专业于2016年启动了实验教学改革，以水工建筑物实验教学课程为例，首次尝试将大型水工模型试验应用到本科实验教学中，目前已成功应用3年，取得了十分良好的教学效果。

1 水工建筑物实验课程培养目标分析

1.1 水利水电工程本科培养目标

水利水电工程专业本科培养目标为：培养适应国家社会经济发展需要，德智体美全面发展，掌握水利工程学科的基本理论、基础知识和专业技能，具有良好社会责任感和职业道德，以及具有家国情怀、全球视野、创新精神和实践能力的高级专门人才。毕业生在水利水电工程及相关领域具有就业竞争力，或有能力进入研究生阶段学习。毕业后能在水利、能源、建筑等行业从事规划、勘察、设计、施工、科研与管理等方面的工作。

1.2 水工建筑物课程培养目标

水工建筑物作为水利水电工程专业的主干专业课，课程培养目标要求学生能够对水利枢纽中典型建筑物的工作原理及工作条件有较深入的理解；能够从安全、经济、实用及方便施工的原则出发，基本掌握水利枢纽工程布置、水工建筑物型式选择、结构设计、水力计算及稳定性校核等；并能考虑到建筑物在社会、健康、安全、法律、文化以及环境等方面影响；能够掌握和了解水工建筑物安全监测原理与方法等。

1.3 水工建筑物实验课程教学目标及分析

实验课程教学的目标是指导学生掌握水工模型实验的基本方法和测试手段，深化理论知识，增强感性认识，综合培养学生动手能力、设计能力和创新能力。水工建筑物是一门理论与实践紧密结合的课程，涉及的基础知识多且繁杂，综合性极强。研究对象是重力坝、拱坝、土石坝、水闸、岸边溢洪道、水工隧洞、渠系等一系列特殊的大型建筑物，这些对象体型较大、设计复杂，平时生活不常见。想要在课堂上仅通过书本让学生掌握全部知识，是极为困难的。实践表明，在理论课学习期间，适时配合必要的现场观摩和实验手段能够起到事半功倍的效果。而如何通过有限的实验学时达到最好的学习效果，一直是教师们思考、追求和实践的目标。

2 水工建筑物实验课程旧体系及存在问题

2.1 旧体系的水工建筑物实验课程设置

以往旧体系的实验课程主要针对泄流建筑物开展小比尺模型观测，实验模型为有机玻璃水槽内的溢流坝，几何比尺为1∶200，坝面采用曲线型实用堰，模型长30.8 cm，宽40 cm，高25.2 cm（见图1）。具体实验任务为：①观察挑流消能的水力现象，测量水舌挑射距离，测量冲刷坑的深度；②观察底流消能的水力现象，测量水跃的特征值，并计算水跃的消能率。

图1 原水工建筑物实验课程1∶200模型

2.2 存在问题

旧体系实验课程存在问题及分析如下：

（1）模型展示内容偏少。模型仅向学生展示了简单溢流堰挑流和底流两种消能方式，应用超过20年，设计陈旧，缺乏特色；学生在一年级的认识实习以及二、三年级的多门课程中已对上述水工建筑物有了比较多的认识和理解；而学生真正需要了解的，关于我国高坝大库建设中应用的新型水工结构在实验中并没有体现。

（2）实验测量内容单一。测量内容主要集中在水位、流速、流量和坝面时均压强这些传统指标上，测量内容偏少，相关指标测量在水力学实验课程中也有设置，有一定的重复性，测试内容安排欠妥。

（3）测量手段落后。测量手段主要是水位测针、旋桨流速仪、测压管等传统设备，当前水工监测领域应用的先进设备仪器，均没有纳入实验中，测试手段较为落后。

（4）知识拓展无模型依托。实验课堂安排局限于以上水工模型，授课教师在做课外知识拓展的时候，没有可依托的展示模型，因此也无法有更高阶的延伸。

3 水工建筑物实验课程改革新体系及效果评价

3.1 新体系水工建筑物实验课程设置

（1）实验模型介绍。新体系的水工建筑物主要应用乌东德大型水工模型（见图2）开展观测实验。乌东德模型几何比尺为1∶100，模拟范围包含拱坝坝身、水垫塘、二道坝和地基；挡水建筑物为双曲拱坝，模型坝高2.7 m；地基范围为坝肩左右90 cm，坝踵向上游110 cm，坝趾向下游350 cm，地基深度190 cm；坝身布置5个表孔、6个中孔；模型从坝肩两侧边界向坝身方向削角25°，呈倒梯形；坝下游为护坡不护底的天然水垫塘，距离坝趾350 cm处设置有二道坝；为保证模型的水力学条件和结构动力学相似，采用加重橡胶模型材料来模拟原型材料。实验时，分别针对坝身泄流表孔单独泄流、中孔单独泄流、表中孔联合泄流3种工况开展观测。

图2 乌东德大型水工模型全景

（2）核心实验内容。主要包括：①流态观察及描述。分别对3种泄流工况下水舌在空中的空间位置及状态进行描述，并观察描述水垫塘内水面波动及水流旋滚状态。测量并画出3种工况下的水舌落点。②水位、流量测量。测量水库上下游水位，利用下游薄壁堰流测量水库泄流流量。③时均压强测量。用测压管测量大坝下游水垫塘不同位置（距离大坝不同距离、不同高程）的时均压强值。④脉动压强测量。测量水垫塘边坡上某点的脉动压强，数据分析计算均值、标准差、偏度系数和峰度系数，并画出时程曲线。⑤坝顶振动加速度测量。利用压电式加速度传感器（磁吸座式）和高性能动静态应变仪，测试拱坝顶部在常规泄流和人为制造振动条件下的振动加速度数据并加以处理分析。

（3）扩展实验内容。可扩展的教学内容包括：①我国水利水电工程建设现状和国际地位；②我国高水头、大流量、窄河谷建设环境下的水利水电工程建设技术难点和解决措施；③水利水电工程建设流程和建设运行管理过程中的典型问题，以最新调研和最前沿科学问题为导向，例如黄河上游水电站事故闸门难以启闭问题，向家坝泄洪引起下游水富县城振动的问题等；④大型水工模型试验开展的必要性和基本流程；⑤水工模型试验的难点和注意事项，重点介绍：（a）解释模型试验相似比尺的重要性和当前研究进展，以及加重橡胶等实验材料在结构相似方面发挥的重要作用；（b）介绍以往解决上述泄洪引起场地振动学科等问题时常用的巧妙实验办法；⑥依托实验室中在研项目的其他大型水工模型，结合理论课内容，拓展讲述多种水工建筑物的构成、特点和工作原理，例如结合黄河古贤大型水利枢纽模型讲述排沙底孔的设计和作用，结合大石峡排沙洞讲述有压隧洞和无压渠道的典型结构形式和水力衔接等；⑦融合水利水电工程在国民经济发展中发挥的重要作用，党和国家对水利发展的重视程度，以及当前水利行业“补短板、强监管”背景下的发展趋势；讲述重大水利工程建设管理中发生的趣事，和本校校友从业过程中攻坚克难的故事等。

3.2 水工建筑物实验课程改革效果评估

改革后的水工建筑物实验课实现了以下几点课堂效果：①大型水工模型泄洪有较强的视觉冲击效果，学生在实验室第一次见识到真正的大型模型试验，往往感到震撼而印象深刻，极大地加深了感性认识，也增强了行业荣耀感和专业喜爱度；②学生能够完整地了解到模型试验的全部组成部分和基本流程，同时应用传统水力学测量手段和先进的测试仪器完成了动手测试环节，从基本设计能力，到实验操作能力，再到数据处理和解决分析问题的能力等，都有较好的提升；③学生通过大型水工模型更加直观全面地认识水利工程的设计、施工过程，以及建设管理过程中的常见问题和处置方式，通过典型事例了解当今行业前沿科学问题和关键科学技术；④有模型依托的知识扩展更直观形象、支撑力度更强，能够激发学生更高的学习兴趣和激情，学生往往在实验过程中能提出更多更深的专业问题，也让授课教师有更多的机会融入思政教育内容，有助于学生家国情怀的培养。

实验课程改革3年多来，教学效果提升十分显著，课程受到广大学生一致好评和喜爱，常常有学生主动申请留堂继续实验或向老师提问，甚至跟其他班级同学重复上课，课堂照片也常常出现在同学们微信朋友圈中。为了进一步提升实验课程教学质量，更广泛深入地了解学生对实验课程的需求，面向往届毕业生和在读水利工程本科生做了一次关于实验课程需求和课程改革效果的问卷调查，问卷共发出289份，全部认同实验课程改革效果，95%认为改革效果显著。而在进一步调查影响实验课程的重要因素［15］时，得到如下排序：教学内容安排、实验模型选择、教师教学水平、动手环节设置、实验仪器设备先进性、实验室环境以及辅助教学设备（见图3）。其中，教学内容安排和实验模型选择几乎并列排在第一位，说明学生对于实验课程本身的理解和认知是建立在实验模型和教学内容安排上；因此，未来面向实验课程全面改革，以上结果将作为重要依据，指导学科在重要方面加大投入，获得事半功倍的教学效果。

图3 实验课程重要影响因素评价

4 结语

大型水工模型在水工建筑物实验课程中的应用，是一个良好的开端和启示。实验室中每年依托横纵向课题建造的大型水工试验模型数量较多、形式丰富。水利工程实验室中纳子峡泄洪雾化水工模型、南水北调工程京石段渠道模型、黄河古贤水利枢纽溢洪道模型、大石峡排沙洞模型、锦屏泄洪洞模型等，可以在水力学、工程制图、工程测量、水电站（含水力机械）、水利施工技术与管理等专业课程中，找到相应的理论课程部分，无论是发挥重要的实验教学作用，或者辅助理论课程的学习和理解，这些大型模型都是非常珍贵的本科教学资源。面向水利工程专业的本科教学，应当多挖掘、多投入、紧跟新时代水利发展新步伐，将实验室中的科研资源和科研思路更多地共享于本科教学，培养出更具时代特色、更适应新时代水利行业发展的卓越人才。

具有强烈的爱国情怀，是对我国科技人员第一位的要求。科学没有国界，科学家有祖国。广大科技人员要牢固树立创新科技、服务国家、造福人民的思想，把科技成果应用在实现国家现代化的伟大事业中，把人生理想融入为实现中华民族伟大复兴的中国梦的奋斗中。

——2013年7月17日，习近平在中国科学院考察时讲话