提升給排水科學(xué)與工程專業(yè)水力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的探索

朱國成++王闖++任伯幟

摘要：水力學(xué)是土建、水利類學(xué)科專業(yè)必修課程，也是本科教育階段給排水科學(xué)與工程的核心專業(yè)基礎(chǔ)課。課程的教學(xué)效果對本科生后期學(xué)習(xí)涉及水力學(xué)相關(guān)知識的專業(yè)課程至關(guān)重要。文章針對提升給排水科學(xué)與工程專業(yè)水力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行探索性研究。研究認(rèn)為采用多元教學(xué)模式，例如自主互動(dòng)、“粉筆+黑板”板書教學(xué)與視頻動(dòng)畫等多媒體相結(jié)合的形式，是一種理想的教學(xué)模式，其將啟發(fā)式和講授式教學(xué)相融合，努力提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，積極引導(dǎo)本科生自主創(chuàng)新。這種教學(xué)模式可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，促使教學(xué)質(zhì)量得到提升，最終取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：給排水科學(xué)與工程；水力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)效果

中圖分類號：TV13；G6423文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：10052909（2016）03009904一、水力學(xué)課程特點(diǎn)

水力學(xué)主要研究液體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程實(shí)際中的運(yùn)用。水力學(xué)課程為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程，如水泵與水泵站、給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)、建筑給水排水工程、給水水質(zhì)工程學(xué)、排水水質(zhì)工程學(xué)的深入學(xué)習(xí)打下牢靠基礎(chǔ)。因此，學(xué)好水力學(xué)課程尤為重要。

水力學(xué)是一門理論性質(zhì)較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，如何讓學(xué)生對單調(diào)枯燥、抽象繁雜的教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生濃厚興趣并加以充分吸收，如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的熱情和積極性，如何更進(jìn)一步提升水力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，是一直以來高校水力學(xué)教學(xué)研究的重點(diǎn)，也是土建學(xué)科教師共同面臨的教研問題。

（一） 培養(yǎng)目標(biāo)定位

通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要了解和掌握水力學(xué)的基本原理與實(shí)際運(yùn)用，最終形成扎實(shí)的理論知識和應(yīng)用能力。結(jié)合工程實(shí)際問題簡化分析水力學(xué)問題，并具備常規(guī)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，主要包括水靜力學(xué)分析計(jì)算與水動(dòng)力學(xué)三大典型方程的靈活運(yùn)用、水流形態(tài)的判斷及其沿程和局部水體損失的確定計(jì)算，注重學(xué)生面對實(shí)際水力問題的分析計(jì)算能力和基本實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力培養(yǎng)，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。

（二） 理論教學(xué)部分

水力學(xué)的理論教學(xué)用時(shí)占到本課程總學(xué)時(shí)的70%，主要是傳統(tǒng)“粉筆+黑板”板書教學(xué)和多媒體講解及展示教學(xué)相結(jié)合，并輔以一定的討論和檢測習(xí)題來鞏固完善水力學(xué)教學(xué)。剛開始，必須掌握靜水壓強(qiáng)、靜水總壓力計(jì)算分析和水動(dòng)力學(xué)三大基本方程，只有精通水靜力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)的基本知識，才能在后續(xù)水頭損失、有壓管道、明渠恒定流、堰流、滲流等內(nèi)容學(xué)習(xí)過程中游刃有余，水到渠成地完全掌握各種典型實(shí)際水力分析工程運(yùn)用。水力學(xué)教學(xué)本身抽象性和理論性很強(qiáng)，有較多的計(jì)算方程及其附屬的方程運(yùn)用條件，再加之實(shí)際環(huán)境類型的差異及水質(zhì)條件參數(shù)的變化，使水力學(xué)講解授課和學(xué)習(xí)掌握存在相當(dāng)難度，對工程力學(xué)、大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)微積分等基礎(chǔ)知識儲(chǔ)備有一定要求，這就需要學(xué)生在平時(shí)掌握過程中清楚各個(gè)方程的詳細(xì)推導(dǎo)過程，包括等式方程的等效替換、適度變形和方程使用前提及在該條件下的參數(shù)確定，遇到與之對應(yīng)的具體水力學(xué)問題，可以按照等式方程形成原理，寫出適合實(shí)際問題的水力學(xué)方程。

此外，水力學(xué)教學(xué)課時(shí)相對緊張，在理論教學(xué)部分要針對給排水科學(xué)與工程培養(yǎng)計(jì)劃量體裁衣，有別于土木工程、水利水電工程等專業(yè)的水力學(xué)教學(xué)，重點(diǎn)突出水動(dòng)力學(xué)中的“水頭損失”、“有壓管道”和“明渠”相關(guān)分析計(jì)算，讓學(xué)生掌握與管道、明渠相關(guān)的水頭損失及水流形態(tài)判斷確定及分析計(jì)算，而堰流部分多是水利水電工程為主要教學(xué)內(nèi)容，滲流多是巖土工程巖土水力學(xué)的主要研究內(nèi)容或是地質(zhì)工程、地下水科學(xué)等專業(yè)的教學(xué)重點(diǎn)。鑒于此，課堂授課的例題講解，要多以市政管道、室內(nèi)管道、水泵站、大壩修筑、自來水廠、污水處理廠等為主，讓學(xué)生更關(guān)注本專業(yè)領(lǐng)域所涵蓋內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合實(shí)際問題的分析能力。

（三） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是水力學(xué)授課的重要環(huán)節(jié)。水力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)用時(shí)占到本課程總學(xué)時(shí)的30%，主要在實(shí)驗(yàn)室通過水力模型模擬實(shí)際工程中的現(xiàn)象，基于化學(xué)試劑在水中呈現(xiàn)的不同顏色，來清晰地觀察不同外部因素驅(qū)動(dòng)下的水流形態(tài)及所形成的水力現(xiàn)象，對課堂理論教學(xué)起到補(bǔ)充作用。學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和觀察實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合課堂理論知識，使整個(gè)水力學(xué)的學(xué)習(xí)變得輕松。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能讓學(xué)生動(dòng)手參與并思考問題，積極性顯著提高。

值得重視的是，指導(dǎo)教師的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)選擇和教學(xué)安排對水力學(xué)教學(xué)效果影響較大。水力學(xué)實(shí)驗(yàn)的典型性是實(shí)驗(yàn)選擇的一個(gè)重要方面，而水力學(xué)實(shí)驗(yàn)的全面性更值得思考，要選擇能反映多個(gè)水力學(xué)知識點(diǎn)的綜合性實(shí)驗(yàn)，特別重視涉及核心知識點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)。例如，雷諾實(shí)驗(yàn)中層流和紊流形態(tài)的觀察區(qū)分，阻力實(shí)驗(yàn)中水損的形成，及阻力存在下對水流形態(tài)的作用影響。教學(xué)中可以讓學(xué)生觀察具體的實(shí)驗(yàn)裝置和器具，回憶并講解理論知識，查漏補(bǔ)缺、強(qiáng)化理解，也可以讓學(xué)生結(jié)合生活實(shí)際工程中的水力現(xiàn)象，來分析其涉及的水力學(xué)知識，如泵站水泵的吸水管路、壓水管路設(shè)置安裝、室內(nèi)用水器具的管道銜接及其水力成因，將抽象空洞的理論知識與生活生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，讓學(xué)生意識到水力學(xué)知識對社會(huì)發(fā)展的巨大貢獻(xiàn)。

二、提升教學(xué)質(zhì)量探索

（一） 強(qiáng)化基礎(chǔ)課程教學(xué)

學(xué)好水力學(xué)需要掌握好工程力學(xué)、大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)知識，否則在水力學(xué)學(xué)習(xí)過程中容易發(fā)生概念模糊，公式記憶不清晰等現(xiàn)象。例如，研究液體黏滯性、牛頓內(nèi)摩擦定律、真空度等知識會(huì)涉及大學(xué)物理的相關(guān)知識，講解靜水壓力、液體平衡微分方程、靜水總壓力的分析計(jì)算會(huì)涉及高等數(shù)學(xué)中的微積分原理，水靜力學(xué)中具體水工構(gòu)筑物受力分析會(huì)涉及工程力學(xué)的力學(xué)分析內(nèi)容。如果高等數(shù)學(xué)、工程力學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)知識掌握不到位，在分析具體水力問題時(shí)就會(huì)力不從心，感覺找出解題思路卻難以繼續(xù)計(jì)算下去而不了了之，更多的時(shí)候甚至?xí)φ麄€(gè)題目無從下手，這樣發(fā)展下去會(huì)極大地消弱思考熱情，教學(xué)成果大打折扣。因此，授課教師在課堂應(yīng)根據(jù)學(xué)生的知識接受情況，決定是否需要溫習(xí)回顧以前的基礎(chǔ)課程內(nèi)容。在合理控制教學(xué)進(jìn)度的同時(shí)，讓學(xué)生理解知識點(diǎn)。

（二） 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

興趣是最好的老師。在學(xué)生剛剛接觸水力學(xué)課程的時(shí)候，就要突出水力學(xué)課程在整個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的核心地位，要讓學(xué)生明白學(xué)好水力學(xué)的重要性和必要性。事實(shí)表明：（1）水力學(xué)是后續(xù)專業(yè)課的重要基礎(chǔ)，不學(xué)好水力學(xué)，后續(xù)的相關(guān)專業(yè)課（給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)、水質(zhì)工程學(xué)等）和課程設(shè)計(jì)（水泵站設(shè)計(jì)、自來水廠和污水處理廠設(shè)計(jì)等），甚至包括畢業(yè)設(shè)計(jì)都很難順利通過，即使在后續(xù)學(xué)習(xí)過程中，通過一定途徑彌補(bǔ)以前水力學(xué)的弱勢，也會(huì)消耗大量的寶貴時(shí)間，因此，在初期學(xué)習(xí)過程中，掌握好水力學(xué)知識顯得尤為重要。（2）相當(dāng)數(shù)量的高校在本專業(yè)研究生初試時(shí)就考查水力學(xué)，基于考取研究生的高難度要求，如果想在本專業(yè)繼續(xù)深造學(xué)習(xí)，就應(yīng)該不遺余力地學(xué)好水力學(xué)。（3）畢業(yè)后如果直接參加工作，施工單位、設(shè)計(jì)單位、自來水廠、污水處理廠等都不可避免涉及水力學(xué)知識。換言之，只要從事“水”相關(guān)的工作，水力學(xué)內(nèi)容就必不可少。另外，水力學(xué)教學(xué)中知識本身的豐富性及其與工程實(shí)踐的聯(lián)系性將促使初學(xué)者高度關(guān)注，極大地增加了初學(xué)者的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)并不斷培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣對水力學(xué)講授至關(guān)重要。

（三） 創(chuàng)新課堂教學(xué)方法

水力學(xué)課程理論性較強(qiáng)，概念理解困難，公式計(jì)算較為復(fù)雜，單一選擇“粉筆+黑板”傳統(tǒng)教學(xué)模式勢必會(huì)降低教學(xué)效率，教學(xué)內(nèi)容易受限制。與此同時(shí)，僅僅采用傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)，學(xué)生可能跟不上教學(xué)進(jìn)度，課堂學(xué)習(xí)難度加大。板書教學(xué)與多媒體教學(xué)結(jié)合，教學(xué)效果顯著[1-2]。在公式推導(dǎo)與理論分析方面，板書教學(xué)具有無可替代的教學(xué)優(yōu)勢，其講解速度較慢，推導(dǎo)過程清晰，使學(xué)生緊跟教師思路而不落后，較為容易掌握。在水力學(xué)作用效果及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述方面，多媒體教學(xué)更加直觀、深刻、形象，使學(xué)生迅速洞察其中奧秘，明白變化流程，加深對知識的理解。課堂上例題分析與小組討論結(jié)合有助于進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量，例題與習(xí)題講解是強(qiáng)化理論知識掌握的重要方法，小組討論便于發(fā)現(xiàn)知識體系中的新問題并進(jìn)行探討歸納。如在水靜力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)知識掌握中，可讓學(xué)生總結(jié)比較“靜”與“動(dòng)”分析中的異同點(diǎn)，鞏固基本理論。

創(chuàng)新教學(xué)模式助力教學(xué)效果提升。有學(xué)者提出“三合一”分層教學(xué)模式[3]。第一，結(jié)合具體工程實(shí)踐實(shí)例、生產(chǎn)實(shí)際講授知識點(diǎn)，將課堂抽象的水力學(xué)理論分析結(jié)合具體工程實(shí)踐，如水體動(dòng)靜結(jié)合的水力作用下大壩的建設(shè)施工。第二，自主學(xué)習(xí)課堂教學(xué)模式下的水力學(xué)教學(xué)探討，教師定期設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生自主探討完成，并及時(shí)對疑難問題答疑和詳細(xì)講解，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識。第三，構(gòu)建師生互動(dòng)的啟發(fā)式課堂教學(xué)，教師提出問題，或是給出部分引導(dǎo)條件，激發(fā)學(xué)生自主探索思考。

利用多媒體平臺(tái)優(yōu)化教學(xué)方法，通過動(dòng)畫視頻展示讓復(fù)雜的問題通俗易懂，尤其是在講解復(fù)雜水力學(xué)現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)成因和靜力分析、“動(dòng)”與“靜”耦合體系在復(fù)雜水力條件下的形成過程及水力分析時(shí)，通過多媒體演示，使學(xué)生豁然開朗。此外，針對個(gè)別基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，可結(jié)合學(xué)生個(gè)體實(shí)際制定有效的學(xué)習(xí)計(jì)劃，幫助學(xué)生鞏固掌握水力學(xué)知識。

當(dāng)前混合學(xué)習(xí)和移動(dòng)學(xué)習(xí)日益快速發(fā)展， “微課”教學(xué)模式已成為當(dāng)前我國教育信息化資源建設(shè)的重點(diǎn)和研究熱點(diǎn)[4]，涵蓋了從中學(xué)到大學(xué)的整個(gè)教育歷程[5]。“微課”的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：教學(xué)時(shí)間較短，教學(xué)內(nèi)容較少，資源容量較小，資源組成/結(jié)構(gòu)/構(gòu)成情景化，主題突出等[6-9]。“微課”不同于一般單純知識性的傳統(tǒng)視頻演示，而是模擬一對一的教學(xué)情景，針對一個(gè)很小的知識點(diǎn)，進(jìn)行講解。講解具有“啟惑”作用，既注重教師的教，更注重學(xué)生學(xué)習(xí)，區(qū)別于一對多課堂教學(xué)?！拔⒄n”教學(xué)模式可幫助教師拓寬教學(xué)技能，深化教學(xué)實(shí)踐[10]?！拔⒄n”是一種很好的輔助教學(xué)模式，對教學(xué)重點(diǎn)或難點(diǎn)，可采用錄制“微課”的模式進(jìn)行講解?！拔⒄n”應(yīng)用于給排水專業(yè)水力學(xué)課程是一種新的教學(xué)模式。

（四） 提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

為促使學(xué)生更好理解理論知識，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要。盡管學(xué)生在課堂上已經(jīng)掌握了水力學(xué)理論知識，但是在學(xué)習(xí)初期學(xué)生可能產(chǎn)生許多疑慮，即并不確定這些理論知識是怎樣運(yùn)用于實(shí)際生活生產(chǎn)，甚至?xí)岩蛇@樣復(fù)雜的理論知識在實(shí)際情況下是否有效。水力學(xué)實(shí)驗(yàn)正是將理論與實(shí)踐工程結(jié)合的實(shí)驗(yàn)探索，而實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)整和不確定性正是實(shí)際水力現(xiàn)象的可能變化途徑。直觀的動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生很快明白實(shí)驗(yàn)方法步驟及其與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識分析，實(shí)驗(yàn)所引發(fā)的新問題必然引起學(xué)生的積極思考，以期運(yùn)用所掌握的相關(guān)理論知識解決實(shí)際水力學(xué)問題，動(dòng)手實(shí)踐可顯著提升學(xué)生自主思考的能力。

不同于一般的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不同的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)需要相對獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)儀器?！跋冉處熓痉?、后學(xué)生模擬”是水力學(xué)實(shí)驗(yàn)的通用流程。一般情況下，在進(jìn)入水力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心后，教師先講授實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)核心理論、實(shí)驗(yàn)流程，緊接著教師會(huì)示范模擬并講解，其次是學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)并觀察記錄，而后是教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)并解析實(shí)驗(yàn)中的問題，最后歸納總結(jié)、整理儀器、離開實(shí)驗(yàn)中心。實(shí)際教學(xué)中，可分小組實(shí)驗(yàn)，但各組進(jìn)行的試驗(yàn)一般相同，而實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果差異較大，甚至部分小組實(shí)驗(yàn)難以完成，針對這些差異的講解也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，會(huì)讓學(xué)生直觀地認(rèn)識到外部因素對實(shí)驗(yàn)的偶然性影響和理論知識對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的必然性作用。實(shí)驗(yàn)完成后，教師要督促學(xué)生及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告書并批閱反饋，不僅讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)報(bào)告所涵蓋內(nèi)容，而且培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的能力。

（五） 引導(dǎo)大學(xué)生自主創(chuàng)新

隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，知識創(chuàng)新已成為各行各業(yè)不斷發(fā)展的動(dòng)力。當(dāng)前大學(xué)生的能力評估已經(jīng)不單純依賴于考試成績，大學(xué)生知識創(chuàng)新活動(dòng)是另外一種展示大學(xué)生風(fēng)貌和知識水平的方法[11]，也能一定程度反映高校的人才培養(yǎng)質(zhì)量。在水力學(xué)的教學(xué)過程中，激發(fā)學(xué)生以水力學(xué)知識進(jìn)行自主創(chuàng)新是課堂教育與實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的升華。因此，應(yīng)當(dāng)積極引導(dǎo)學(xué)生參與各項(xiàng)競賽活動(dòng)或一些社會(huì)團(tuán)體舉辦的具有開發(fā)大學(xué)生自主創(chuàng)新能力性質(zhì)的活動(dòng)，如“全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯”“中國給水排水杯”“力諾瑞特杯”“大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競賽”等。大學(xué)生參與這些競賽將有助于提高大學(xué)生專業(yè)知識水平、動(dòng)手能力、自信心與自主創(chuàng)新能力。大學(xué)生自主創(chuàng)新的方法不局限于各種競賽，由于各方面條件限制，大學(xué)生也可以通過撰寫論文、申請發(fā)明專利或?qū)嵱眯滦蛯＠刃问襟w現(xiàn)自身的自主創(chuàng)新能力。當(dāng)前，大學(xué)生在自主創(chuàng)新過程中可能遇到諸多問題，例如，普遍缺少科學(xué)精神，教育體制存在缺陷，創(chuàng)新平臺(tái)有待搭建，缺少自主創(chuàng)新能力等級評價(jià)體系等[12]。因此，在創(chuàng)新的過程中，學(xué)校和教師需要加強(qiáng)科學(xué)精神的宣傳工作，積極為學(xué)生搭建各項(xiàng)創(chuàng)新平臺(tái)，不斷提高學(xué)生自主創(chuàng)新能力。應(yīng)以學(xué)生為主，教師為輔，積極開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，只有這樣，學(xué)生的自主創(chuàng)新能力才能提高。

三、結(jié)語

水力學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)性基礎(chǔ)課，對本科生后期學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識影響很大。在傳統(tǒng)的教學(xué)基礎(chǔ)之上，在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與提高學(xué)生專業(yè)知識水平是一項(xiàng)重要課題。充分利用當(dāng)前信息化技術(shù)優(yōu)勢，采用多元教學(xué)模式，如自主互動(dòng)、“粉筆+黑板”教學(xué)方式、視頻動(dòng)畫等多媒體，甚至新型的“微課”教學(xué)模式。教學(xué)規(guī)律與專業(yè)化人才培養(yǎng)需求相結(jié)合，傳統(tǒng)教法與新形勢下現(xiàn)代教法并軌，將學(xué)生能力素質(zhì)培養(yǎng)放在首位，有針對性地設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，積極推動(dòng)和引導(dǎo)學(xué)生參與社會(huì)實(shí)踐，提升學(xué)生自主創(chuàng)新能力和專業(yè)知識水平。

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Abstract： Hydraulic is a compulsory course for civil engineering， also the core professional basic course during undergraduate education for water supply and drainage science and engineering. The teaching effect of this course is very important to the later study of the students on the professional courses that are involved in hydraulic knowledge. This article was focused on the exploration of improving the teaching quality of hydraulics course for water supply and drainage science and engineering. It was suggested that using multiple teaching mode， such as the combination of selfinteraction， “chalk + blackboard blackboard” and video animation multimedia， is a kind of ideal teaching mode， which combines the heuristic and the teaching way. Second， improving the students ability of practice， and actively guiding the students to attend the independent innovation activities were proposed. This kind of teaching mode can fully motivate the enthusiasm of the students learning the hydraulics， while promoting the teaching quality， and ultimately achieve a better teaching effect.

Keywords： water supply and drainage science and engineering； hydraulics； experimental teaching； teaching effect

（編輯周沫）