工程實例教學法在水力學課程教學中的應用與實踐

張西平，吳金華，梁素韜，石志建，馮利軍，張志宇

（1.河北農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，河北 保定 071001;2.河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河北保定 071001）

水力學是水利水電工程、農(nóng)業(yè)水利工程等專業(yè)重要的技術基礎課。課程理論性強，實踐性強，運用性強［1-3］。在授課之前學生無專業(yè)背景，缺乏對水利工程的感性認識，且專業(yè)認識實習一般安排在水力學課程之后，所以當教師在課堂上講到閘、泵、堰等水力計算知識點時，學生甚至不知道這些水工建筑物的名稱及功能，往往因缺乏對工程的感性認識而顯得茫然。很大程度上學生仍以“閉門學習”為主，只能機械地接受，很難體會到所學理論在解決實際問題中的重要性，故而缺乏學習的積極性和主動性。

近20多年來，案例式教學法在我國高校被廣泛應用，對我國高校教育思想和教學方法的全面改革有著重要啟示和推動作用［4-7］，但在多數(shù)課程教學中所使用的“案例”并非工程實例，而是假想或人為設計的，對學生而言，這樣的“案例”和教材后面的習題大同小異，難以激起他們學習的興趣。筆者針對水力學課程的教學現(xiàn)狀和學生專業(yè)背景的缺乏，結合“河北農(nóng)業(yè)大學第八批教學研究課題（重點資助）”的完成過程，提出將工程實例引入水力學課程教學中，激發(fā)學生學習的積極性和主動性，以期提高學生的工程素質(zhì)和實踐能力。

一、工程實例的來源

實例教學法首創(chuàng)于哈佛大學，最早被運用于19世紀后半葉的法律教學中。以后，逐漸被運用于醫(yī)學、管理學、教育學等［8］。工程實例教學法是將工程實例應用于教學，通過教師講授與演示相結合，激發(fā)學生的學習興趣、改善學生的學習效果、提高學生解決實際問題能力的新型教學方法。水力學課程作為一門典型的抽象型課程之一，在其課堂授課中有必要引入工程實例教學法。

（一）通過實習過程搜集工程實例

作為農(nóng)業(yè)水利工程和水利水電工程的專業(yè)課教師，每年需要帶領本專業(yè)的學生參加專業(yè)認識實習和生產(chǎn)實習，在此過程中能夠充分了解學生對基本理論、基本知識、基本方法的掌握程度以及學生將理論知識與實際工程聯(lián)系起來的實踐能力。多年實習過程中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學生既不能很好地將所學的理論知識與實際工程緊密聯(lián)系起來，也不懂得主動用所學知識去解決工程實際問題，存在嚴重的理論與實踐相脫節(jié)的現(xiàn)象?；谏鲜霈F(xiàn)象，在帶領學生實習的過程中可收集大量與水力學知識相關的工程實例圖片資料、視頻資料和設計資料，且有針對性地把這些工程實例引入到水力學教學的對應環(huán)節(jié)和知識點中，以期獲得良好的教學效果。

（二）通過與往屆畢業(yè)學生的溝通搜集工程實例

在課題的開展過程中，通過對筆者從教多年來所教過的畢業(yè)生發(fā)問卷、打電話、發(fā)郵件等方式進行調(diào)研。調(diào)研內(nèi)容主要包括如下5個方面:第一，調(diào)查了解水力學課程教學內(nèi)容設置的合理性;第二，水力學課程教學方法的有效性;第三，搜集與水力學課程相關的設計、施工、管理等實例;第四，授課內(nèi)容對從事不同性質(zhì)工作的畢業(yè)生知識需求的可取之處及不足之處;第五，企事業(yè)單位對對口專業(yè)人才的水力學知識及解決實際問題的能力需求程度等。學生搜集自己所從事工作中與水力學知識相關的工程資料，教師再進行提煉、加工和整理，按水力學教學章節(jié)編排成教學工程實例資料。

（三）通過科研工作過程積累工程實例

在科研工作的過程中，有針對性地搜集與水力學課程相關的圖片、視頻及數(shù)據(jù)資料，經(jīng)過加工處理后應用于水力學課程的教學過程中。

對授課的學生而言，通過如上途徑所獲得的工程實例資料是“看得見、摸得著、信得過”的“真實”工程，因為學生能夠從以上途徑搜集的工程實例中看到自己的身影，看到學長的身影，看到老師的身影，看到自己未來的身影。毫無疑問，這樣的工程實例也必將能夠最大限度地吸引學生的興趣。

二、典型實例分析

水力學課堂授課中完全用概念、公式或文字來表達水力學中涉及的一些復雜水流現(xiàn)象和規(guī)律時，效果往往并不理想，如果輔以圖片、動畫或視頻等工程實例，將會使學生對這些水流現(xiàn)象和規(guī)律有了更加直觀的認識。然而工程實例的真實性顯得尤為重要，工程現(xiàn)場或科研實踐活動中的實際問題讓學生有身臨其境的感覺，更能激發(fā)學生的學習興趣和求知欲望?；诖?，對所搜集的工程實例按照知識點、講授方法、大綱要求等不同分為以下幾種主要類型。

（一）圖片視頻類實例

水力學課程被學生評價為“難學課程”的主要原因之一，是其研究對象是比較抽象的以水為代表的液體。每個人日常生活中都離不開水，對水并不陌生，但水既沒有固定的形狀又具有流動性。因此，水力學課程中將水作為研究對象，決定了該課程中基本理論的抽象性與復雜性，這也正是水力學課程讓學生難以理解、感到疑惑的原因所在。水力學課程中對很多復雜的水流現(xiàn)象進行描述和定義時往往很簡單，學生雖容易準確地記住，然而當他們面對大自然及各種工程中實際的水流現(xiàn)象時，并不能依據(jù)定義對其進行準確的判斷和描述。有研究表明，人們通過語言形式從聽覺獲取的知識能記憶15%，通過視覺獲取的知識則能記憶25%，將兩者結合起來，記憶的知識則可高達65%［9］。若在對復雜水流現(xiàn)象進行描述和定義時，配合演示圖片和視頻資料，學生們往往如同親臨其境，豁然開朗，真正透徹、清晰、牢固地理解和記住各種復雜的水流現(xiàn)象。

通過放映自己在科研過程中拍攝的灌區(qū)渠道中水流現(xiàn)象的視頻和圖片資料來配合講解“急流”、“緩流”和“臨界流”等知識點，能提高學生的學習興趣，促進課堂上老師與學生的互動及課間師生的交流。曾經(jīng)有學生說自己家就在圖片中放映的科研項目區(qū)附近，他對視頻和圖片中的渠道非常熟悉，但在看到了授課視頻的那一刻，他才真正將這些定義和自己經(jīng)常見到的水流現(xiàn)象聯(lián)系了起來，理解了本次講授的課程內(nèi)容和知識點，激動的心情溢于言表，并主動提出愿意跟隨老師參加一些相關的科研工作。

水力學中可引入此類實例的知識點包括:液體的表面張力、液體的粘滯性，層流、紊流，急流、緩流、臨界流，水躍、水跌，各種消能方式等。

（二）操作應用類實例

水力學教材中關于薄壁堰流水力計算的章節(jié)中描述到:“由于薄壁堰流具有穩(wěn)定的水頭—流量關系，因此常被作為水力模型實驗和野外測量中的一種有效易行的量水設備”［10］。如果教師在講授時也像教材中一樣僅僅對其描述，學生往往由于缺乏對堰的感性認識而不能完全理解，更不知如何利用薄壁堰去野外測量流量。結合科研課題帶領學生利用旋漿流速儀和薄壁堰進行了大田灌水試驗渠道流量的測量，并在測量操作的過程中特意拍攝了多組照片和視頻。在講授水力學該知識點時，通過多媒體播放了該組照片和視頻。照片從不同角度展示了薄壁堰的外形和構造，又通過視頻演示了利用薄壁堰測流量的完整過程。課堂上，學生都看得非常認真，尤其當學生看到視頻里面的操作者就是本班同學時更是顯得興奮和激動，觀看得就更加仔細和認真了。通過觀看照片和視頻，學生至少了解了如何利用薄壁堰去測量流量。接著學生一定想弄明白薄壁堰測流量的原理，教師便可自然地將學生引入到本節(jié)的教學中來。

水力學中可引入此類實例的知識點包括:文丘里流量計的原理和應用、薄壁堰的測流原理和應用、畢托管測流速的原理及應用等。

（三）設計計算類實例

水力學課程理論性強，計算方法和公式多，各知識點的掌握需要課后通過完成一定的練習來實現(xiàn)。不同版本的水力學教材中都配有大量的例題和習題，然而這些例題和習題與工程實際聯(lián)系并不緊密，有的甚至是斷章取義，學生往往認識不到作業(yè)題與實際工程之間的本質(zhì)聯(lián)系，因此對課后的作業(yè)題興趣不大。比如教材中關于渠道設計的習題為:某黏土基礎上的灌溉渠道，斷面為梯形，邊坡系數(shù)m=1.5，粗糙系數(shù)n=0.025，底寬b=5m，當設計流量Q=8m3/s，底坡i=0.000 3時，試確定渠堤高。由于受到版面的限制，學生專業(yè)背景的缺乏等原因，此類習題在各種版本的水力學教材中出現(xiàn)的形式基本相同，所不同的可能僅是數(shù)值上的變化。多數(shù)學生不知道也不去思考題中的參數(shù)如何給定，在完成作業(yè)時也只是參照例題的格式“照葫蘆畫瓢”而已，完全不可能將它和實際工程聯(lián)系起來。

與教材中例題不同，在對渠道設計知識點講解時所引用的例子是源于就職在某設計院的往屆畢業(yè)生所參與設計的工程實例。講解之前首先告知學生實例的來源及相關工程概況，使學生不對實例的真?zhèn)萎a(chǎn)生懷疑，然后結合工程概況、設計要求及設計者的設計思路引導學生去主動思考，確定相關參數(shù)，一步步完成設計，最終完成對所學知識點的理解和掌握。

水力學中可引入此類實例的知識點包括所有設計和計算的內(nèi)容。

在把上述各類工程實例引入課程之前，均明確告訴學生所選實例的來源。通過溝通，學生反映練習這些來自于學長、老師、同學等實際的工程實例方面的例題，感覺自己不是在做練習題，而是在做實際工程，解決實際問題，莫名的產(chǎn)生一種責任感和壓力感，并能夠始終保持著一種新鮮感和一種探索知識的強烈愿望。通過實例的引入和講解也使學生有機會了解不同性質(zhì)的工作單位所從事的工作內(nèi)容，不同工作內(nèi)容對專業(yè)知識的需求程度，使學生較早地對自己未來工作去向有所了解和規(guī)劃，從被動學習向主動學習轉化。

三、結語

將工程實例教學法引入水力學教學中，旨在將“學”與“用”有機地結合，能夠引起學生對基礎理論知識的重視，讓學生對知識的應用有切實的體會，能夠充分感受到所學知識在解決實際問題中的重要性。工程實例教學法不僅激發(fā)學生對水力學課程及自身專業(yè)的興趣，而且激發(fā)學生學習的積極性和主動性，使學生通過解決實際問題獲得強烈的成就感，提高學生的整體思維能力和動手創(chuàng)新能力。

通過工程實例的講授，達到使抽象水流現(xiàn)象直觀化、復雜原理簡單化、繁瑣公式具體化的授課效果，使學生能夠主動地了解用人單位，了解自己的專業(yè)，了解自己的課程，培養(yǎng)對自己所學專業(yè)的興趣，愿意主動了解和探索專業(yè)領域;同時，又能提高學生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力，加速學生由學習型人才向初步具有工程師素質(zhì)的應用型人才轉變。

通過工程實例的搜集過程，不僅有利于教師把理論與生產(chǎn)實際緊密結合，及時了解學科前沿，了解行業(yè)新動態(tài)，了解用人單位對畢業(yè)生專業(yè)知識需求的程度和深度，以便及時調(diào)整、完善、豐富教學內(nèi)容，提高教師的專業(yè)素質(zhì);又能夠順應社會和行業(yè)的需求，最終培養(yǎng)出適應我國新世紀水利工程建設需要的具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)復合型人才。

［1］孟憲萌.關于“水力學”課程的教學體會及教改方案的探討［J］.中國地質(zhì)教育，2011（4）:93-95.

［2］王勝群.高職院校水力學教學改革思路探索［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，11（16）:208-209.

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［5］左建勇.面向工程的實訓教學模式與案例分析［J］.實驗室研究與探索，2011，30（7）:157-161.

［6］嚴躍成，申繼紅.力學課程案例教學方法探討［J］.高等建筑教育，2011，20（5）:140-143.

［7］廖孟柯，張曉芳.工科課程案例教學模式探索與實踐［J］.黑龍江教育，2011（5）:79-80.

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［9］高海靜，趙革委，蔡蘇亞.視頻案例教學在高職工科課程中的應用探新［J］.信息技術，2012（8）:225.

［10］呂宏興，裴國霞，楊玲霞.水力學［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2002.

（編輯:劉偉霄）