基于地域特色的“大土木”水力學(xué)課程建設(shè)與教學(xué)實踐*

鄭健　　王燕　　錢晨　　馬高生（蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

基于地域特色的“大土木”水力學(xué)課程建設(shè)與教學(xué)實踐*

鄭健王燕錢晨馬高生
（蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

西北黃土高原地區(qū)“大土木”水力學(xué)課程教學(xué)需結(jié)合工程背景與專業(yè)特色，目前的課程理論與教學(xué)實踐中存在諸多問題，須從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法、教學(xué)考核等方面結(jié)合教學(xué)實際進行改革與創(chuàng)新，以適應(yīng)新形勢下人才培養(yǎng)的需求。

地域特色；大土木；水力學(xué)；課程建設(shè)；教學(xué)實踐

一、背景

土木工程專業(yè)是理工科院校的核心專業(yè)，也是培養(yǎng)一切與水、土、文化相關(guān)的“復(fù)合型”工程技術(shù)人才的搖籃，在全國基礎(chǔ)建設(shè)與管理人才培養(yǎng)中起著重要作用。根據(jù)教育部專業(yè)調(diào)整，土木工程專業(yè)涵蓋了礦井建設(shè)、建筑工程、城鎮(zhèn)建設(shè)（部分）、土木工程、交通土建工程、工業(yè)設(shè)備安裝工程、飯店工程、涉外建筑工程等八個專業(yè)，使該專業(yè)具有多學(xué)科、寬口徑、綜合性強和人文素質(zhì)要求高的特點［1］。我校處于黃土高原地區(qū)，土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)中突出地域特色，以解決西北地區(qū)地域性土木工程問題為己任，構(gòu)筑了土木工程結(jié)構(gòu)抗震與減震控制、黃土與濕陷性黃土工程和地質(zhì)災(zāi)害治理、大跨度空間結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)健康診斷及檢測加固等特色學(xué)科研究方向?！八W(xué)”是以水為研究對象，研究其宏觀機械運動規(guī)律及工程應(yīng)用的一門學(xué)科，廣泛應(yīng)用于水利工程、土木工程、地質(zhì)工程、環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)［2］，具有較強的理論性與工程應(yīng)用性。作為土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，水力學(xué)是將數(shù)理等基本理論課程與專業(yè)課程銜接的橋梁，承擔著“承前啟后”的重要作用。如何在專業(yè)改革與社會發(fā)展中適應(yīng)變化，結(jié)合專業(yè)特色，優(yōu)化課程內(nèi)容與教學(xué)方法，以適應(yīng)新形勢下“大土木”課程體系建設(shè)與專業(yè)培養(yǎng)的需求，是水力學(xué)課程教學(xué)實踐改革的重要任務(wù)。

二、現(xiàn)狀分析

（一）“大土木”對水力學(xué)的需求與挑戰(zhàn)

土木工程專業(yè)涉及面廣，地上房屋建筑、地下建筑、橋梁和道路設(shè)計與建造均在其專業(yè)范圍之內(nèi)，其目標是培養(yǎng)適應(yīng)工程建設(shè)需要的，有扎實基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識的，有較強實踐技能的，能夠從事設(shè)計、研究、施工、教育、管理、投資、開發(fā)等工作的高級專門人才。它的主干課程包括材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水力學(xué)、土力學(xué)、建筑材料、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、房屋結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、道路勘測、施工技術(shù)與管理等，從中可以看出水力學(xué)是土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)不可或缺的。

人類生存和生活都離不開水，“大土木”與水存在著千絲萬縷的聯(lián)系。隨著科學(xué)的發(fā)展，防洪、河道治理、灌溉、交通運輸、水力發(fā)電等都離不開水力學(xué)的專門知識和對水流運動規(guī)律的深入認識；同時，地鐵、跨海大橋、高層建筑等工程建設(shè)也需要人們對水的滲流理論有深刻理解和掌握。而在西北濕陷性黃土地區(qū)，高層房屋及地鐵工程的修建更需要人們把握水的滲流機理和特性，這對水力學(xué)的課程教學(xué)和研究提出了新的挑戰(zhàn)，也促進水力學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

“大土木”的轉(zhuǎn)變對水力學(xué)課程的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在：（1）隨著學(xué)校招生規(guī)模的不斷擴大，上課人數(shù)急劇增加，由以前的小班授課改為多個自然班合并的大班授課，人數(shù)通常在150人左右，由于光線等方面原因，以前“黑板+粉筆”的授課方式已不適應(yīng)目前的上課需求，影響教學(xué)效果；（2）由于水力學(xué)課程開設(shè)在第四學(xué)期，而“大土木”前提下學(xué)生后續(xù)專業(yè)方向不同，各專業(yè)課程不同，使水力學(xué)與專業(yè)課的過渡復(fù)雜。水力學(xué)課程是前期數(shù)理基礎(chǔ)課與后期專業(yè)課的紐帶，使學(xué)生對水的力學(xué)特性及工程應(yīng)用有初步認識，但“大土木”的跨度大、涵蓋面廣、學(xué)科方向多，導(dǎo)致水力學(xué)與后續(xù)專業(yè)課程的銜接必須淡化專業(yè)針對性、提高綜合性；（3）水力學(xué)與高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等聯(lián)系緊密，而學(xué)生前期的學(xué)習基礎(chǔ)層次不齊，如何將水力學(xué)中基本理論的復(fù)雜推導(dǎo)由求解“微積分應(yīng)用題”轉(zhuǎn)化對“物理本質(zhì)”的簡單描述，使不同層次的學(xué)生都能理解，提高學(xué)習興趣和積極性；（4）目前“大土木”形式下人才本科培養(yǎng)目標是滿足社會需求的應(yīng)用型土木工程人才，這決定了授課內(nèi)容的工程性，教學(xué)過程中要結(jié)合各專業(yè)特色，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、解決實際工程問題的意識和能力。

*基金項目：蘭州理工大學(xué)教學(xué)研究項目（編號：JY2013027）

作者簡介：鄭健（1981，06-），男，甘肅會寧人，博士，副教授，主要從事水力學(xué)及水利水電工程專業(yè)的教學(xué)與研究。

（二）目前教學(xué)中的不足與問題

如何在“大土木”下提高土木工程專業(yè)《水力學(xué)》課程的教學(xué)效果，使各方向?qū)W生均具有良好的知識結(jié)構(gòu)和專業(yè)素質(zhì)，便于后期學(xué)習和工作，是筆者一直在思考的問題。通過多年的教學(xué)實踐和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前教學(xué)中普遍存在的一些問題：（1）學(xué)生對課程的重要性認識不足。由于“大土木”下，許多學(xué)生更重視混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、房屋建筑等專業(yè)課，認為以后從事的工作只限于“土”與“木”，而與“水”不相干，對水力學(xué)這門課程不重視，投入精力較少；（2）教學(xué)大綱存在偏差。目前教學(xué)大綱中多注重理論知識的講解，輕視學(xué)生實踐技能與動手能力的培養(yǎng)，致使學(xué)生認識不到水力學(xué)課程的工程應(yīng)用性，認為與自身專業(yè)關(guān)系不大，造成理論知識與實際脫離；（3）課時量短，教學(xué)內(nèi)容深入不夠。土木工程專業(yè)的水力學(xué)課程僅為32學(xué)時，該課時量只能對水力學(xué)的三大基本方程和管道、渠道流動的水力計算進行講解，雖然對水的流動特性和力學(xué)規(guī)律有一定認識，但缺乏水在各類后續(xù)專業(yè)涉及到的實際工程實例應(yīng)用的講解，這在土木工程領(lǐng)域是一塊較為重要的內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生無法深入理解課程內(nèi)容；（4）缺乏實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。由于教學(xué)資源與條件的限制，目前許多院校土木工程專業(yè)的水力學(xué)課程都沒有相匹配的實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生對初次接觸的流體力學(xué)知識很難消化，例如漸變流過流斷面的測壓管水頭齊平、各種流動損失的產(chǎn)生、雷諾實驗現(xiàn)象等；（5）與固體力學(xué)課程區(qū)別較大。水力學(xué)是流體力學(xué)的分支，與固體力學(xué)最大的特點是考慮液體的粘性，其運動的最小單元是液體質(zhì)點，常采用歐拉法進行研究，而不像固體力學(xué)采用質(zhì)點系法，學(xué)生由于長期接觸固體力學(xué)，很難將思維轉(zhuǎn)變到水力學(xué)的研究上；（6）教學(xué)手段單一。大班授課的教學(xué)模式，對力學(xué)類課程應(yīng)用傳統(tǒng)的“黑板+粉筆”教學(xué)手段提出了挑戰(zhàn)，只采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，存在后排、側(cè)面學(xué)生看不清楚的問題，而采用多媒體輔助教學(xué)，需要學(xué)生高度集中，跟上老師的節(jié)奏，如何更好的結(jié)合這兩者，避免班級中學(xué)生成績兩級分化嚴重的現(xiàn)象，也是值得探索的問題。

三、課程建設(shè)與教學(xué)實踐

（一）優(yōu)化課程內(nèi)容

隨著學(xué)科和社會需求的發(fā)展，“大土木”形式下的水力學(xué)課程不應(yīng)該一成不變，應(yīng)結(jié)合專業(yè)方向和教改實踐，對課程知識結(jié)構(gòu)和教學(xué)內(nèi)容進行更新和優(yōu)化，以便有限的課時內(nèi)高質(zhì)量的完成課程教學(xué)任務(wù)，提高教學(xué)效果。

消枝強干，突出重點。在課程教學(xué)過程中，結(jié)合土木工程專業(yè)的實際情況，加強課程的工程性，簡化了一些偏于深奧的機理內(nèi)容，例如浮體、紊流運動等理論，保證“液體靜力學(xué)”、“三大方程”等重要知識的內(nèi)容有足夠的講授課時，同時對長管、短管水力計算的基本類型和工程應(yīng)用等用實例進行講解，吸引學(xué)生興趣，加深學(xué)生理解；對專業(yè)基礎(chǔ)內(nèi)容，進行了內(nèi)容整合與簡化，如將液體出流與管道流動進行了整合、將流動基本概念進行整合，使重點能夠更加突出，將明渠流、給水管網(wǎng)等只作一般介紹。

刪舊增新，與時俱進。采取“刪、減、并、增”的思路，對一些落后的課程內(nèi)容予以刪除，例如在講滲流理論時只講達西定律等；對水力學(xué)的基本理論和優(yōu)秀課程內(nèi)容進行整合吸收；對水力學(xué)與流體力學(xué)的最新研究成果，引入課堂教學(xué)中，例如邊界層理論以及湍流的數(shù)值計算、點源的擴散等內(nèi)容引入課堂，擴大學(xué)生知識面，同時增加學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力。

精心準備，完善內(nèi)容。水力學(xué)屬于工程性較強的課程，為了能讓學(xué)生更好地理解水的流動特性，并對三大方程及水流損失有更深刻的理解，我們修訂了教學(xué)大綱，增加了教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，開設(shè)了流體靜壓強、文丘里管、動量方程、雷諾實驗、流動演示等實驗，加強學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，提高實踐動手能力；同時，在教學(xué)過程中，將課程內(nèi)容結(jié)合工程項目進行講授，加強學(xué)生對課本知識的深入領(lǐng)會，最大限度的完善教學(xué)內(nèi)容。

（二）改革教學(xué)手段

理論與實踐并重。水力學(xué)是力學(xué)特性與工程應(yīng)用性都較強的學(xué)科，在教學(xué)過程中，需對理論與實踐并重，改革教學(xué)手段。傳統(tǒng)教學(xué)中，主要是老師滿堂灌，輕視對學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)，在以后的教學(xué)過程中，需要對理論講授、分組討論、實例引導(dǎo)等綜合起來，構(gòu)筑多樣靈活的教學(xué)方法，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。同時注重學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，把“工程搬進課堂”，在教學(xué)過程中插入工程實際，培養(yǎng)學(xué)生工程意識和對所學(xué)知識的消化吸收。帶領(lǐng)學(xué)生體會《淺談都江堰工程中流體力學(xué)原理的運用》［3］中所涉及的流體靜力學(xué)與動力學(xué)原理，通過了解《蘭州地區(qū)大厚度自重濕陷性黃土場地浸水試驗綜合觀測研究》［4］與《蘭州新區(qū)濕陷性黃土地基處理》［5］等內(nèi)容使學(xué)生了解水的滲流特性及工程常見問題的處理方法，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

板書與多媒體互補。在教學(xué)過程中，采用板書與現(xiàn)代多媒體技術(shù)相結(jié)合的方式，理論推導(dǎo)、教學(xué)互動等方面可采用傳統(tǒng)的板書方式，以清晰學(xué)生思路并加深學(xué)習印象；而在復(fù)雜圖形演示和一些工程實例等方面可采用多媒體的圖像、視頻、動畫等手段，以直觀生動的現(xiàn)場形象演示，易于學(xué)生認識和接受。同時，對一些了解性的課程內(nèi)容，也可采用多媒體講解，以加快課程進度，余留更多的課時于較難理解的復(fù)雜理論和實踐互動環(huán)節(jié)。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活選用，揚長避短，優(yōu)勢互補，使基本原理理論、實例講解內(nèi)容得以有機組合與巧妙編排，重點突出，使學(xué)生的易于吸收和掌握。

微課程與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法相結(jié)合。通過微課程視頻將重點知識提供給學(xué)生，使學(xué)生自己去學(xué)習和探索，并設(shè)計“為什么？”，“怎么用？”等問題，從而改變傳統(tǒng)教育中“以教為主”，而以學(xué)生為中心，開發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。而翻轉(zhuǎn)課堂，通過課前的微課程視頻，學(xué)生自學(xué)，在課堂中通過與教師的討論和交流來完成知識的吸收和升華，成為“以學(xué)為主”的創(chuàng)新教學(xué)方式［6］。本學(xué)期針對短管水力計算，采用了該教學(xué)模式，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對新的教學(xué)方法特別好奇，也踴躍探討問題，起到了較好的教學(xué)效果，但教學(xué)時間控制還需要進一步把握。

（三）提高學(xué)生興趣

興趣是最好的老師。由于學(xué)生剛開始接觸具體工程實際問題，加之基礎(chǔ)理論薄弱，創(chuàng)新思維不夠，普遍反映“水力學(xué)”難學(xué)，導(dǎo)致學(xué)習積極性不高。針對該問題，筆者結(jié)合在該門課程教學(xué)中的切身體會，認為培養(yǎng)學(xué)生興趣是促進該課程高效講授的關(guān)鍵。緒論對激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣上非常重要，在“大土木”下，緒論中要針對不同專業(yè)，采用視頻影像等手段，展示工程應(yīng)用實例，引起學(xué)生重視。例如對土木工程的學(xué)生，可以講為什么進行邊坡襯砌和設(shè)計排水孔，對道路與橋梁方向的學(xué)生可以講黃土地區(qū)路段的施工、路基排水和防滲處理等。同時，可以播放都江堰、三峽大壩等著名工程的設(shè)計原理，或者臺風下波濤洶涌的海浪資料來使學(xué)生生動、形象的認識水的各種物理性質(zhì)。在講授每一章開始的時候，清晰闡述該部分內(nèi)容的學(xué)習目的，讓學(xué)生有的放矢，在章節(jié)結(jié)束時加上內(nèi)容討論，加強教學(xué)互動，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習的積極性。

（四）改進考核方法

考核是衡量教學(xué)效果的主要手段。傳統(tǒng)的閉卷考核方式已不適應(yīng)素質(zhì)教育下水力學(xué)課程的考核。通過改革，實行了多途徑、多方面的綜合考核，加大了對學(xué)生主觀思考與實踐動手能力的考核。在考試內(nèi)容上，減少主觀題，加大客觀題的比重；在考試方法上，由原來的閉卷考試，實行了開卷的考試，允許學(xué)生帶課本，主要考察學(xué)生應(yīng)用知識的能力，避免學(xué)生死記硬背公式；在層次上，有20%的考核題目加大了難度和靈活性；在考試范圍上，加上了實踐考核。這樣極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性，對促進課程教學(xué)及提高學(xué)生的綜合素質(zhì)有明顯效果。

四、結(jié)束語

“水力學(xué)”課程是“大土木”專業(yè)的主干課程，屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，承擔著“承前啟后”的重任，其教學(xué)有內(nèi)在規(guī)律。通過上述改革與實踐，基于地域特色，針對課程教學(xué)的特點與重點，在教學(xué)安排上做到以基本理論為主線，強調(diào)工程應(yīng)用的專業(yè)針對性和實踐環(huán)節(jié)的主觀能動性。在教學(xué)方法上，突出啟發(fā)式研究性教學(xué)，做到講清整體輪廓、闡明主要概念、指引學(xué)生自導(dǎo)公式、培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決實際問題的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，為社會輸出更多更好的專門人才。

［1］崔武文，韓紅霞，王喜燕.案例教學(xué)在土木工程專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.教育探索，2007，5：51-52.

［2］吳持恭.水力學(xué)（第四版）［M］.高等教育出版社，2008，1.

［3］劉玉泉，朱克勤.淺談都江堰工程中流體力學(xué)原理的運用［J］.力學(xué)與實踐，2008，30（4）：102-103.

［4］姚志華，黃雪峰，陳正漢，等.蘭州地區(qū)大厚度自重濕陷性黃土場地浸水試驗綜合觀測研究［J］.巖土工程學(xué)報，2012（1）：65-74.

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［6］張武威，曾天山，黃宇星.微課程與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的教學(xué)方法創(chuàng)新應(yīng)用［J］.課程教材教法，2014，34（7）：10-17.

Teaching content and method of hydraulics curriculum for great civil engineering specialty in western China should combine the engineering background and specialty characteristics，especially in loess plateau areas. There are many problems existed in present course theory and teaching process，and reforms and innovations must be conducted to adapt to the requirement of talent cultivation under new situations.The changes in curriculum instruction should pay more attention to teaching content，teaching means，teaching methods and teaching examination.

regional characteristics；great civil engineering；hydraulics；curriculum construction；teaching practice

2096-000X（2016）16-0080-03

G642

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