基于结果导向的水力学教学改革探索

王炜，魏清顺，段喜明

（山西农业大学城乡建设学院，山西晋中 030801）

为了切实提高高等教育的教学质量，教育部狠抓新时代全国高等学校本科教育，要求课程建设以质量为导向，从而构建更高水平的人才培养体系[1]。水力学作为一门涉水专业的专业基础课，其在教学中占据着重要的地位，课程既可以单独解决工程中的水力学问题，还能构建专业逻辑思维，为后续专业课程进行铺垫。课程内容在水利工程、土木工程、桥梁工程、港口工程、机械工程等专业都有应用，具有较强的综合性和实践性。各高校教师都在不断摸索水力学课程的教学设计、实验改革、思政元素的融入等内容[2-6]，从而更能激发学生的学习热情，培养学生解决实际问题的能力，获得更好的教学效果，让学生学习有兴趣、学习有用处。

一、水力学课程现状及存在的问题

（一）课程内容多，学习难度大

山西农业大学农业水利工程专业的“水力学”主要讲授以水为代表的液体运动的一般规律，包括相关基本概念、基本公式和基本理论。课程共64学时，其中56学时的理论教学包括水静力学、水动力学及工程应用三个部分，具体包括水静力学基础、液体流动基本定理（三大方程）、液流形态和水头损失（局部水头损失和沿程水头损失）、管道水流、明渠水流、堰流及孔口出流、泄水建筑物下游消能、渗流及水力模型试验基本原理等12章内容，教学内容多、课时紧张。课程中有许多与高等数学中微积分，大学物理、理论力学中相关的动量、动能、力有关的概念及公式，公式多且抽象，存在公式引出新公式、并有大量的经验公式、图表，枯燥难懂，学生学习难度大[7]。如何帮助学生梳理课程内容，准确运用所学知识解决工程实际问题，成为水力学教与学的重点目标。

（二）教学方法简单，教学资源匮乏，与工程案例结合少

水在日常生活中、河流管道中经常见到，学生对于水并不陌生，然而对于水流流动的机理以及工程中水流问题如何解决，学生并不清楚。水力学开在农业水利工程专业的大二上学期，属于专业基础课，在上课之前对于农业水利工程的基础知识涉猎较少，缺少一定的工程认知。在传统的教学中，教师是课堂的主体，课程教学以教师讲授为主，主导着教学的进度与节奏，学生被动地参与，不能充分调动学生学习的积极性，不利于激发学生的学习热情，且理论知识的讲授多以PPT讲解为主，虽然在讲授中穿插了大量的动画、视频，对于专业知识如消能、水面线绘制有一定的介绍，但这些水力学中的知识点都是融为一体，与工程实际结合较弱。教师很认真地备课、充满激情地讲课，学生由于各种因素的限制，还是无法理解水工建筑物中水流的情况，缺乏感性认识。在后续专业课中进行建筑物如溢洪道的设计及遇消能问题时，学生难以运用所学知识，也反映出水力学课程教学中的短板。

对于工程设计中的计算，多以教材中介绍的试算法、公式法为主，计算量大且不易求解，学生大多数也不愿意尝试，这为学生在学习、工作中碰到类似的问题难以解决埋下隐患。教学中对于当前设计院、研究所等单位多采用的软件、程序介绍不足，非常不利于学生解决工程实际问题。另外，教材中提供的经验公式都较为经典，有的工程具有典型的地域性，对于有地域性特点的工程还需要结合地方标准进行设计，需要参考地方标准。

（三）实验内容单一，缺乏创新

水力学课程包含8学时实验，由必做与选做组成，必做实验有水静力学实验、雷诺实验，选做实验有能量方程实验、动量方程实验、沿程阻力实验、局部阻力实验，这些实验均为验证性实验，学生在实验过程中，只需根据实验步骤，记录所得的实验数据与现象即可完成验证性实验。这种学习方式抑制了学生学习的积极性与主动性，使得学生本该在激发学习兴趣的实验课中失去了探索的热情，实验教学质量和效果难以保证。

（四）课程思政机械，元素较少

课程思政是一种教学理念，也是一种思维方式。教师在教学过程中有意识、有目的、有效果地穿插思政教育，在专业课中充分发挥德育功能，提炼专业课程中的思维价值与文化元素。在本课程的教学过程中，思政点较为单一、固定，存在机械性思政、肤浅性思政，并且对于国家政策、行业标准等方面的引申较少，对充分挖掘思政元素的工作还需进一步推进。

（五）考核形式单一

目前水力学课程采取平时+实验+期末成绩三部分组成，占比分别为10%、30%、60%，平时成绩占比较小，且主要由课后作业、课堂提问构成，并不能引起学生对课堂表现的重视。期末考试占据了大量的比例，且是闭卷考试，学生往往会考前突击，死记硬背，以便能获得较好的考试成绩，但这样的成绩并不能真实地反映学生的水平，对于实际的工程问题也不一定能够顺利解决。

二、水力学教学改革的策略

（一）打造以学生为中心，以成果为导向的教学模式

水力学为农业水利工程的专业基础课，主要培养学生解决专业中常见工程问题的能力，如确定液体作用力，管道、渠道过流能力，消能及相似试验的设计问题。改进为以结果为导向的教学方式[8]，梳理农业水利工程专业后续专业课，如“水工建筑物”“灌溉排水工程学”“工程水文学”等课程对“水力学”知识点的需求，通过走访、调查、咨询设计院、工程局等用人单位后，总结出学生在工作中所需的水力学知识点，制定水力学课程的培养目标，根据毕业要求将教学任务分解，对教学内容及学时进行分配，确定教学内容与教学目标的对应关系，最终要求学生熟练应用知识，使学生真正掌握水力学在工程中的应用，将枯燥的经验公式、各式各样的图表与工程实际结合，综合运用课程知识来解决复杂的工程问题，形成水力学的教学特色。

（二）重新划分教学板块，化零为整

夯实专业基础，加强教学的板块化，将水力学课本中零碎的知识点对标工程认证的培养目标，使课程具有高阶性。教学内容按照培养目标，化零为整，教师将教材中的12章内容划为基础知识和工程应用。授课分为线上导学，课中重点讲授知识（案例讲解为主、辅助以讨论式、探究式教学），课后进行习题练习巩固。授课顺序为由静到动，由基础知识到工程应用。基础知识为水静力学基本方程式、水流运动的基本原理即水力学三大方程式，工程应用为：

1.建筑物受压面静水压力计算。建筑物壁面分为平面和曲面两大类，平面受压面以三峡大坝坝体及闸门受静水压力的计算为例，曲面受压面以具有水平母线的二项曲面——某水电站泄洪中孔弧形闸门的受力计算为例，分别介绍平面静水压力与曲面静水压力的计算过程，将受压平面由垂直变为倾斜受压面，将曲面受压面向圆管等形似的受压面进行计算训练。同时，教师让学生翻阅文献、查找资料，收集国内外典型的平面、曲面受压面，让学生观察周围类似的受压面进行规律总结。

2.管道水流常见于村镇供水管道、农田灌溉管道、水工建筑物有压管道中，对于农业灌溉工程及水利工程均有重要应用。有压管道水流根据计算中局部水头损失、流速水头计算与否分为短管和长管。短管主要用在堤坝中的泄洪管与放水管、水泵的吸水管和压水管、虹吸管、路基涵管等，长管主要用在村镇供水、城市室外给水等。因为本专业主要应用短管进行灌溉管道的布置、堤坝泄水管的设计、水泵、虹吸管的设计，所以短管的教学案例较为丰富，首先介绍压力钢管的总水头线、测压管水头线的绘制，再以虹吸管的布置、水泵的布置为例讲解短管的水力计算。长管在农业水利工程中用得较少，学生利用线上资源进行自学。通过工程案例，学生可以自己动手查表、找适用的经验公式，对于一些系数的选取有深刻的认识，为后续专业课程的课程设计奠定基础。

3.明渠水流在自然界和实际水利工程中极为常见，应用极广。灌区渠道、渡槽的设计、河道治理，甚至是大型水利工程中的导流明渠都应用的是该部分的知识。课堂教学以灌区的矩形、梯形渡槽槽身的尺寸设计为案例，进行明渠均匀流的教学；以重力坝的溢洪道设计为案例，进行明渠非均匀流水面线计算、消能等问题的讲解，引入成熟的计算表格，便于学生能迅速得到设计方案。

4.渗流范围广、危害大，导致渗流在水利工程中的关注度极高，一旦发生渗水问题，不论是土石坝还是混凝土坝，都将影响工程效益，甚至会危害工程安全，而在农业灌溉中又希望水流能尽快、尽广地渗入到土壤中。教材中渗透量、溢出点两者是通过两段法联立方程组求解的，方程需要进行试算求解，且浸润线、流网的绘制介绍的都是手绘法，这对于实际问题的求解是不方便的。设计院对于渗流是用软件进行计算，如Autobank或者理正软件，授课中对土石坝用计算软件进行渗流计算，让学生熟悉工程中对于渗流的计算流程。

5.相似原理，对于模型实验及大型水利工程尤为重要。教师在利用文字资料、视频资料，展示一些工程设计及施工中，利用相似原理进行模型试验来测试参数的过程，鼓励学生进行水工建筑物部件的模型设计，让学生介绍原型与模型的长度比尺、流速比尺及力的比尺，既锻炼了动手能力，又深入地理解比尺的概念与模型原型的关系。

（三）实验改革

水力学实验是课程教学必不可少的一部分。通过实验锻炼，学生既可以更深入地理解理论部分的知识，又可以培养学生动手能力、团队协作能力、课本知识与实验结合的能力。在实验课程，要充分发挥学生的主观能动性，激发学生的创新思维。

1.转变师生对于实验教学的认识，加入探索性、创新性实验，鼓励学生改进实验室的仪器，或者自主设计、自由探索。如动量方程中动量的测量，局部水头损失实验中设计不同的管道转弯情况，来验证不同情况下的局部水头损失系数与公式法的区别。以赛促学，举办实验创新大赛，鼓励学生组队参加，并对作品进行点评，且作品成绩计入平时成绩中，组织学生参加更高级别的创新大赛。

2.充实水力学实验内容。部分实验采用实验教学CAI系统[9]，用虚拟仿真来完成没有条件的实验，同时设置不同难度思考题，引发学生对实验结果的思考。

（四）思政融入与提升

课程思政就是将课程所蕴含的思政元素自然地融入课程教学的各个环节中，重点关注学生的人格塑造，实现知识教育与思想教育的有机统一[10]。现在学生的学习媒介、学习平台众多，发动师生共同思政，可以激发学生对水力学课程进行深入思考，从而便于教师捕捉到学生感兴趣的点，可以丰富思政素材库。思政元素将从以下几个方面进行挖掘：

1.坚定“四个自信”，弘扬大国工匠精神。我国的水力学发展史可以追溯到大禹治水时期，李冰父子修建都江堰水利工程是全世界迄今为止年代最长、唯一保存且持续运行的无坝引水工程，京杭大运河解决了南北运输问题，到现在三峡工程的修建、金沙江上梯级电站的开发、南水北调、港珠澳大桥等工程，这些成果都是前辈和水利工程师克服重重困难创造的，是我们祖国、我们党集中力量办大事的体现，增强学生的民族自豪感与自信心，使学生相信中国力量是无穷的。我们祖先不仅留下了宝贵的水利工程，还留下了丰富的文化遗产，古人在诗词中精准地描述了水流的特性，如：“抽刀断水水更流”，更多的诗句是古人对于人生观的描写，如苏轼的“谁道人生再无少？门前流水尚能西！休将白发唱黄鸡”。陆游的“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”等，引发学生对于人生、学业的思考。近年来江苏省力学学会主办的诗画流体力学创作大赛，旨在鼓励学生分享诗词书画之乐趣，我校连续两年组织学生积极参加，并取得优异的成绩。通过这些水利工程及古代文学，坚定学生的“四个自信”，弘扬大国工匠精神。

2.树立科学思维，培养科学家精神。在水力学中，引入了连续介质模型、理想流体模型、不可压缩模型，这些模型为后续计算、求解过程都提供了理论依据。多种相似准则的提出，更是具体问题具体分析的生动体现。课程中包含了大量的科学家，如欧拉、尼古拉兹、谢才等，这些科学家数年如一日地研究问题的精神，追求真理、为科学奉献的科学家精神值得我们学习。

3.坚定学习信念，培养社会责任感。教师将水力学中不易理解、难以掌握的知识点，通过视频、计算软件模拟等办法，让学生深刻理解那些深奥的概念，如流线、流网、流速场等的概念；通过介绍工程中常用的布置管线、设计渠道、水利工程设计、施工的思路与办法，激发学生的专业热情，养成关注行业发展、关心科研动态的职业习惯。介绍桥墩冲刷破坏、煤矿透水事故、塔科马大桥垮塌、三峡船闸等实例，增强学生的工程伦理意识和社会责任感。

（五）教学方式改革及课程评价

为了充分调动学生学习的积极性，构建“前中后授课模式”课程，充分利用线上教学资源及一些教学软件[11]，如超星学习通平台、雨课堂等，课前布置学习任务，课中以多种方式讲解内容，课后进行知识点练习，实现线上线下协同教学，将紧缺的课时用在解决水力学重点、难点的教学中。课前布置一些学生可以理解、容易掌握的预习作业，如避免文丘里流量计喉管处形成真空的措施有哪些？总水头线和测压管水头线的趋势有何不同？流态判别为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？教师让学生带着问题、有针对性地开展课前预习，根据教学环节将学生分成小组，进行资料收集。教师要求每个学生上课之前准备一个小问题，在课堂最后五分钟随机发问，答出来的给提问和被提问的同学课堂表现加5分，答不上来的给提问同学加5分，调动学生学习的积极性，增加学习的趣味性。课堂中，教师用多种教学方式如启发式、探讨式、案例式等方式。例如，教师在讲解完有压管流和明渠水流之后，让学生收集南水北调工程资料，课堂上分组讨论东线与中线分别遇到的困难，工程师是如何解决的，中线为什么是渠道和管道结合布置等等问题，对课程进行展开，引导学生思考、理解。

课程评价反映了课程的教学情况。教师要加大过程性考核占比，将以往的平时成绩由10%调整到30%、实验占30%，期末闭卷考试占40%。平时成绩包括预习笔记、课堂讨论、小组作业、作品展示、课堂测试、课后作业、读书报告等，对于同一类水力学知识点的应用，教师利用工程实例进行总结考核，目的是动态掌握学生对该部分知识的掌握情况，分析汇总学生成绩，进行师生互评。教师对需要改进的教学方法进行改进，实验成绩包括实验过程的表现，数据处理、结论分析等。在期末考试中，教师主要考察水力学基本原理及工程应用，题目有主观题和客观题，主观题中加入论述题，考查学生对水力学知识的应用及工程问题的分析。

四、结束语

水力学是涉水专业的一门应用性很强，涉及较广的专业基础课。本文针对水力学课程目前的教学现状，总结出提升教学质量的具体措施，打造以学生为主体、结果为导向的教学模式，对课程模块重新打造，丰富实验内容，融入课程思政，加大过程性考核，符合一流本科课程建设的要求，为培养知识与实践兼备的高素质复合型人才而奠定基础。