水力學(xué)課程教學(xué)關(guān)鍵環(huán)節(jié)思考與探索

李娟

摘 要 在高度總結(jié)水力學(xué)課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對教學(xué)過程中存在的問題，對水力學(xué)教學(xué)方法和教學(xué)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行思考與探索，增強(qiáng)教學(xué)與學(xué)習(xí)效果，為課程教學(xué)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 水力學(xué)；實(shí)驗(yàn)；多媒體

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）20-0103-03

Thought and Exploration of Key Links in Hydraulics Course Teaching//LI Juan

Abstract Based on the characteristics summary of the hydraulics course and problems in the teaching process， the teaching methods and key links were thought and explored deeply， which can enhance the teaching effect and provide some lessons to others.

Key words hydrologie； experiment； multimedia

1 前言

水力學(xué)課程是土木、水利類專業(yè)的一門必修課程，涉及水靜力學(xué)、液體運(yùn)動(dòng)的流束及流場理論、管道流動(dòng)及明渠流動(dòng)中水流運(yùn)動(dòng)時(shí)能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)換、堰流及閘孔出流的水力計(jì)算、地下滲流的水力計(jì)算、建筑物的水流銜接與消能等多項(xiàng)重要內(nèi)容，是本科教學(xué)環(huán)節(jié)中要求較高、難度較大的一門課程[1-2]。本文在深入了解學(xué)生知識(shí)體系、高度總結(jié)課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對水力學(xué)課程的教學(xué)方法及關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行思考與探索，以期增強(qiáng)教學(xué)效果，從而促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)知識(shí)的掌握理解和實(shí)際應(yīng)用。

2 水力學(xué)課程特點(diǎn)

課程基礎(chǔ)覆蓋面廣 水力學(xué)課程是一門對基礎(chǔ)課程要求較高的課程，在課程學(xué)習(xí)過程中，要求學(xué)生掌握大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等課程中的重要內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上探尋液體平衡及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的規(guī)律及應(yīng)用。

基本概念多、理論性強(qiáng) 水力學(xué)課程涉及多項(xiàng)概念，對應(yīng)的判別標(biāo)準(zhǔn)不同且容易混淆[3]。例如：流線定性反映液流的流速方向及大小，跡線反映液體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡；依據(jù)運(yùn)動(dòng)要素是否隨時(shí)間變化判別恒定流與非恒定流，依據(jù)流線是否為平行直線判別均勻流與非均勻流；水流的形態(tài)分為層流及湍流，而水流的流態(tài)則分為緩流、急流與臨界

流；依據(jù)堰坎厚度與堰上水頭關(guān)系，堰流分為薄壁堰流、實(shí)用堰流與寬頂堰流，不同堰流具有不同的特點(diǎn)及計(jì)算方法等。

水力學(xué)課程理論性較強(qiáng)。自水靜力學(xué)至水動(dòng)力學(xué)，涉及巴斯加壓強(qiáng)傳遞規(guī)律，連續(xù)性方程、能量方程及動(dòng)量方程等三大方程，歐拉平衡微分方程式、納維—斯托克斯方程、達(dá)西公式等。每個(gè)公式均有復(fù)雜的推導(dǎo)過程和不同的應(yīng)用條件，且往往是多個(gè)公式聯(lián)合運(yùn)用才能解決某個(gè)具體問題，因此需要學(xué)生對所有理論熟練掌握并靈活加以運(yùn)用。

與專業(yè)課程聯(lián)系緊密 水力學(xué)課程是水利類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課[4]，是多門專業(yè)課程的基礎(chǔ)，其內(nèi)容與灌溉與排水工程學(xué)、水泵及水泵站、水工建筑物、土力學(xué)、工程地質(zhì)、水利工程施工、水工鋼結(jié)構(gòu)等課程有機(jī)結(jié)合，互相聯(lián)系。

專業(yè)針對性強(qiáng) 水力學(xué)課程教材分為上下兩冊。依據(jù)本科生相關(guān)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃，上冊內(nèi)容多為水靜力學(xué)、液體運(yùn)動(dòng)的流束理論、液流形態(tài)及水頭損失、有壓管道的恒定流、明渠恒定均勻流與非均勻流，面向土木工程、交通工程、工程管理、水利工程等專業(yè)學(xué)生開設(shè)，要求掌握水靜力學(xué)基本規(guī)律、液體運(yùn)動(dòng)的三大方程、管道及渠道的簡單水力計(jì)算；下冊內(nèi)容多為水躍、堰流及閘孔出流、有壓管道非恒定流、水工建筑物下游的水流銜接與消能、液體運(yùn)動(dòng)的流場理論、滲流等，面向水利水電工程及農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)。相比上冊而言，下冊的理論性、實(shí)用性要求均有所提高。

3 教學(xué)過程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)

課程內(nèi)容多為基于水靜力學(xué)基本理論和三大方程的實(shí)際應(yīng)用問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對于基本理論和三大方程的推導(dǎo)掌握較為輕松和熟練，但在實(shí)際應(yīng)用過程中缺乏靈活性，存在以下主要問題。

三大方程的應(yīng)用 連續(xù)性方程式考察斷面平均流速與斷面面積關(guān)系，理解和應(yīng)用較為簡單；能量方程及動(dòng)量方程的求解應(yīng)注意方程的應(yīng)用條件和建立求解過程。三大方程是基于恒定總流推導(dǎo)出來的質(zhì)量、能量與動(dòng)量轉(zhuǎn)換關(guān)系，并且涉及利用斷面平均流速取代實(shí)際流速分布產(chǎn)生的誤差，因此，建立方程時(shí)一定要選擇恒定總流均勻流過水?dāng)嗝?；在求解?shí)際問題時(shí)，注意能量方程變化量為上游斷面能量與下游斷面單位重量液體的能量差。為了準(zhǔn)確應(yīng)用能量方程，應(yīng)首先選擇正確合適的水平基準(zhǔn)面，對于明渠流動(dòng)應(yīng)選擇自由水面為計(jì)算帶標(biāo)點(diǎn)，對于管道流動(dòng)應(yīng)選擇管道軸線為計(jì)算代表點(diǎn)；動(dòng)量方程中的動(dòng)量變化量為輸出動(dòng)量與輸入動(dòng)量之差，同時(shí)應(yīng)選擇準(zhǔn)確的控制體進(jìn)行受力分析。受力分析時(shí)針對表面力（壓力和摩擦力）和質(zhì)量力（重力和慣性力）分別進(jìn)行分析，建立的方程不易出錯(cuò)。

圖形的繪制與輔助計(jì)算 課程中部分計(jì)算內(nèi)容可利用圖形進(jìn)行輔助計(jì)算，如靜水壓強(qiáng)分布圖、壓力體圖、能量方程的圖示（總水頭線及測壓管水頭線）、明渠恒定非均勻漸變流的水面曲線、棱柱體地下河槽恒定簡便滲流的浸潤曲線等。

靜水壓強(qiáng)分布圖和壓力體圖是計(jì)算靜水總壓力的重要輔助圖形，在教學(xué)過程中應(yīng)加入非常規(guī)圖形的講解與應(yīng)用，促進(jìn)圖形理論的理解和繪制的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行壓力體圖繪制時(shí)，可加入中學(xué)物理中的阿基米德浮力定律，加深對壓力體的掌握與應(yīng)用。能量方程的圖示包括總水頭線及測壓管水頭線。總水頭線一定是沿程下降且下降值為水頭損失，總水頭線與測壓管水頭線之間的鉛垂差值表示單位重量液體的流速水頭，對于管道入口、出口斷面應(yīng)分析不同行近流速、不同壓強(qiáng)等情況下的實(shí)際表示。對于明渠恒定非均勻漸變流的水面曲線繪制，要分析并總結(jié)不同底坡、不同區(qū)域水面曲線的基本規(guī)律，并針對不同的渠道形式進(jìn)行水面曲線的銜接分析，還可結(jié)合動(dòng)畫展現(xiàn)不同尾水深度對于水面曲線形式的影響。對于棱柱體地下河槽恒定簡便滲流的浸潤曲線的教學(xué)，可聯(lián)系明渠水面曲線的繪制，分析滲流浸潤曲線同明渠水面曲線的異同點(diǎn)，促進(jìn)理解掌握。endprint

工程實(shí)際問題的應(yīng)用 理論學(xué)習(xí)的目的是解決工程中的實(shí)際問題。水躍、堰流、閘孔出流、泄水建筑物的水流銜接消能等問題，均為基本理論方程和工程的實(shí)際應(yīng)用。此部分內(nèi)容中應(yīng)適當(dāng)加入工程實(shí)例，并通過適當(dāng)?shù)恼n程設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)生對零星知識(shí)的系統(tǒng)整理和應(yīng)用。

4 教學(xué)方法與關(guān)鍵環(huán)節(jié)的探索

依據(jù)課程特點(diǎn)，在傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學(xué)方法結(jié)合的水力學(xué)課程教學(xué)過程中，總結(jié)以下幾個(gè)可以增強(qiáng)教學(xué)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

增強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，豐富課堂內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣 由于工科課程內(nèi)容枯燥、學(xué)習(xí)難度大，學(xué)生畏難情緒明顯[1]。而興趣是學(xué)習(xí)最好的老師，因此，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性十分必要?，F(xiàn)代多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)方式的結(jié)合，突破了“教師主導(dǎo)講授”的傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式，教學(xué)方式和內(nèi)容可豐富并多元化，可在課堂內(nèi)容基礎(chǔ)上，加入課程相關(guān)、引發(fā)學(xué)生關(guān)注的圖片、動(dòng)畫、視頻等內(nèi)容，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

比如：在講到真空問題時(shí)，以生活中真空包裝的食物為例，講解部分真空和絕對真空之間的區(qū)別與聯(lián)系；講到水靜力學(xué)中的浮體與潛體的平衡時(shí)，加入東方之星客輪翻沉事件，讓學(xué)生分析潛體浮心與重心的關(guān)系，并自行分析浮體的平衡穩(wěn)定性，使其理論聯(lián)系實(shí)際；講到堰流與閘孔出流時(shí)，加入都江堰相關(guān)的圖文介紹，使其在享受水利文化的同時(shí)，了解堰流相關(guān)知識(shí)；在講到滲流管涌和流土變形破壞時(shí)，引用“千里之堤毀于蟻穴”的典故，結(jié)合壩體滲透變形破壞導(dǎo)致潰壩的實(shí)例，使得學(xué)生明白滲流破壞的嚴(yán)重性。

與此同時(shí)，可通過微信、QQ等學(xué)生較為喜歡的形式與學(xué)生建立和諧的師生關(guān)系，進(jìn)一步進(jìn)行互動(dòng)溝通，及時(shí)了解學(xué)生群體的需求、思想與困難，并反饋至教學(xué)活動(dòng)，從而增強(qiáng)教學(xué)效果。

整體認(rèn)識(shí)，系統(tǒng)考慮，分塊解疑并前后聯(lián)系 在課程開課之初，先給學(xué)生介紹課程的相關(guān)內(nèi)容及要求，使其形成對課程的總體認(rèn)識(shí)和基本框架；在每一章開始之初，介紹本章各節(jié)內(nèi)容的前后聯(lián)系與呼應(yīng)，使其了解本章內(nèi)容的主線及所要解決的問題；針對每個(gè)章節(jié)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)及難點(diǎn)，將其分解后與學(xué)生已有知識(shí)結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，逐步推導(dǎo)分析并形成相關(guān)結(jié)論。

另外，選用合適的教材并靈活加以運(yùn)用。一般教材中前面內(nèi)容多為后面學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)，但任何課程的內(nèi)容均是前后聯(lián)系的，不應(yīng)完全局限于教材章節(jié)的編排，而是將相關(guān)知識(shí)系統(tǒng)化后輻射講解。比如：講到第二章“能量方程中利用斷面平均流速取代實(shí)際的流速分布”后，應(yīng)采用動(dòng)能修正系數(shù)進(jìn)行誤差的修正，可提前介入第三章“層流及湍流”概念，告訴學(xué)生除滲流中有部分層流外，工程中的管道流動(dòng)、明渠流動(dòng)水流均為流速分布較為均勻的湍流，動(dòng)能修正系數(shù)可按1進(jìn)行處理，使其將能量方程與實(shí)際工程相聯(lián)系；講到液體運(yùn)動(dòng)的加速度時(shí)，在講解時(shí)變加速度的基礎(chǔ)上，可提前介紹水力學(xué)下冊流場理論中的位變加速度概念，使得學(xué)生有對比性的認(rèn)知；講到水躍部分時(shí)，提前介紹水躍的不同銜接形式，為第九章“泄水建筑物消能”內(nèi)容的掌握打好基礎(chǔ)。

加強(qiáng)課程間的聯(lián)系，并注重理論聯(lián)系實(shí)際 本科教育是專業(yè)教育，很多學(xué)生學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常疑惑：學(xué)習(xí)這門課程的目的是什么？學(xué)了這門課程后如何應(yīng)用？因此，課程間的聯(lián)系和課程體系的形成極為重要。在課程學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)幫助學(xué)生形成課程知識(shí)體系，并使學(xué)生建立課程與工程實(shí)踐之間的聯(lián)系，從而將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐。

水力學(xué)課程是水利類專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容涉及多門課程。例如：平面與曲面受到的靜水總壓力的計(jì)算，是水工鋼結(jié)構(gòu)中閘門設(shè)計(jì)計(jì)算的重要基礎(chǔ)；有壓管道中的水泵揚(yáng)程、流量、管路系統(tǒng)的水力計(jì)算等，是水泵與水泵站課程的重要內(nèi)容，涉及工程中水泵選型安裝等問題；管路系統(tǒng)中水頭損失的計(jì)算問題，是灌溉排水工程學(xué)中管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容；泄水建筑物水流銜接消能問題，是水工建筑物設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)知識(shí)；在實(shí)用堰勢能與動(dòng)能轉(zhuǎn)化過程中，加入當(dāng)?shù)啬硺蛩贿^高、建設(shè)溢流坎降低水位的實(shí)例，并演示對比建設(shè)前后水流形態(tài)圖片，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加生動(dòng)。

組織課堂討論與典型習(xí)題研討并重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié) 根據(jù)本科生培養(yǎng)目標(biāo)和計(jì)劃，學(xué)生課程門類較多，每門課程的學(xué)時(shí)較為有限，教師可預(yù)先選擇考查知識(shí)點(diǎn)較為全面的典型性思考題及習(xí)題，組織學(xué)生進(jìn)行課堂討論，從而快速高效地了解學(xué)生對于相關(guān)知識(shí)的掌握情況，并針對性地調(diào)整教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)，取得事半功倍的效果。

另外，一般水力學(xué)上冊課程在第四學(xué)期開設(shè)，水力學(xué)下冊課程在第五學(xué)期開設(shè)，是專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的銜接與過渡階段，學(xué)生尚未參加工程實(shí)習(xí)與實(shí)踐，對于課程的理解還停留在表面認(rèn)識(shí)上。此時(shí)應(yīng)重視課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，通過學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，使其理論知識(shí)得以演示和驗(yàn)證，從而加深學(xué)生對課程知識(shí)的理解與運(yùn)用。

除此之外，教學(xué)內(nèi)容中可加入行業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和最新發(fā)展等，拓寬學(xué)生知識(shí)面，培養(yǎng)出更為優(yōu)秀的專業(yè)人才。

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