水力學“課程思政”本科教學設計初探*

李占松（鄭州大學水利與環(huán)境學院）

黨的十九大明確指出中國特色社會主義已經(jīng)進入了新時代，社會主要矛盾也已發(fā)生了轉(zhuǎn)化。高等教育在國民教育中具有重要的地位。為適應新時代的要求，高等教育必須明確目標和責任。2018年8月教育部召開的新時代全國高等學校本科教育工作會議提出，立德樹人的成效是檢驗學校一切工作的根本標準。要求堅持以本為本，推進四個回歸。指出2018年高校師生思想政治狀況滾動調(diào)查結(jié)果顯示，對大學生思想言行和成長影響最大的第一因素是專業(yè)課教師。要求高校要明確所有課程的育人要素和責任，推動每一位專業(yè)課老師指定開展“課程思政”教學設計，做到課程門門有思政，教師人人講育人。水力學（亦適用于工程流體力學，下同）作為水利、土木、環(huán)境和交通等本科專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎課，加強“課程思政”教學設計，在人才培養(yǎng)中起到和其專業(yè)地位同等重要的作用。

一 新時代中國特色社會主義時期的高等教育

黨的十九大報告指出，中國特色社會主義進入新時代，我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。建設教育強國是中華民族偉大復興的基礎工程，必須把教育事業(yè)放在優(yōu)先位置，深化教育改革，加快教育現(xiàn)代化，辦好人民滿意的教育。要全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務，發(fā)展素質(zhì)教育，推進教育公平，培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人。

2018年8月教育部召開的新時代全國高等學校本科教育工作會議提出，高教大計，本科為本；本科不牢，地動山搖。強調(diào)要把握好堅持以本為本和推進四個回歸?；貧w大學的本質(zhì)職能，把“培養(yǎng)人”作為根本任務?；貧w常識，就是學生要刻苦讀書學習?；貧w本分，就是教師要潛心教書育人?；貧w初心，就是高等學校要傾心培養(yǎng)建設者和接班人?；貧w夢想，就是高等教育要傾力實現(xiàn)教育報國、教育強國夢。

相應于進入新時代我國社會主要矛盾的轉(zhuǎn)化，高等教育本科教學的各個環(huán)節(jié)也應該與之相適應。這一代本科生自幼接受了充分的基礎教育，目前自媒體蓬勃發(fā)展且社會物質(zhì)條件充裕，這就決定了他們自主意識強、思維活躍的特點。世界觀、人生觀和價值觀也已基本形成。滿足培養(yǎng)目標要求，這應該是一貫的，重要的是過程的審視和改變。既往像管理中小學生的模式可能已經(jīng)不適用了，甚至有可能造成逆反心理，也不排除會有典型負面突發(fā)事件的出現(xiàn)。教學過程中以人為本，將立德樹人、教書育人貫穿于培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)，融入于每門課程當中，是新時代的要求，也是歷史發(fā)展的必然。

二 水力學教學在高等學校本科教學中的地位和特點

水力學是諸多領域本科專業(yè)培養(yǎng)計劃中重要的專業(yè)（技術(shù)）基礎課。前修課程是數(shù)學、普通物理、理論力學、材料力學等，后續(xù)課程是相關(guān)領域的專業(yè)課，起著承上啟下的重要作用。水力學課程既古老又現(xiàn)代。因為實際應用的需要，很久以前水力學理論就開始萌芽，日后逐漸完善并走向成熟。隨著時代發(fā)展的需要，現(xiàn)代又派生出環(huán)境水力學、生態(tài)水力學等分支，顯現(xiàn)出旺盛的生命力。

水力學的前修課程理論性強、邏輯推理嚴謹，許多學生經(jīng)過系統(tǒng)學習已經(jīng)形成了思維定式?？茖W的發(fā)展源動力來自社會實際需要。水流運動是復雜的，當理論研究成果不能滿足實際需要時，只能提出來一些假說，然后通過實驗或直接在實踐中去完善，直至最終正確的確立。闡明這一點，學生在學習中就能夠事半功倍，平靜心境，以至于順理成章地接受，使思維方式開闊靈活多樣化，提高解決問題的能力。這其中涉及除理論方面有突出貢獻的科學家之外，還有一些實驗科學家以及著名的工程師，還有一些經(jīng)過歷史長期檢驗的典型工程。這些和水力學的發(fā)展相依相伴，密不可分，融入本科課程教學中，便于學生系統(tǒng)接受水力學知識，同時也是思想道德素質(zhì)教育的有力抓手。

三 水力學“課程思政”本科教學設計

在水力學的教學設計中，可結(jié)合歷史人物、典型工程以及對基本理論和計算方法的哲學思考，以使學生在接受專業(yè)知識的同時全面提高思想道德素質(zhì)。

（一）結(jié)合歷史人物講授典型知識點

經(jīng)典力學的創(chuàng)始人牛頓給出了液體流動時粘滯力所遵循的規(guī)律。帕斯卡發(fā)現(xiàn)了靜止液體內(nèi)部壓強的傳遞規(guī)律。阿基米德給出了浸沒于液體中的物體所受浮力的計算方法。拉格朗日提出了研究流體運動的一種方法。另一種更常用的研究流體運動方法的提出者是歐拉，他也導出了理想液體的平衡微分方程式。伯努利導出了流體運動過程中各種機械能之間的轉(zhuǎn)化和機械能損失之間關(guān)系的方程式。納維和斯托克斯導出了粘性液體運動所遵循的基本微分方程式。雷諾通過實驗發(fā)現(xiàn)了流體運動的兩種形態(tài)，并給出了湍流流動平均意義上的運動微分方程式。布拉休斯提出了計算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。尼古拉茲公布了他對砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實測結(jié)果，并據(jù)此給紊流光滑管和紊流粗糙管的理論公式選定了應有的系數(shù)?？评詹既憧颂岢隽税盐闪鞴饣軈^(qū)和紊流粗糙管區(qū)聯(lián)系在一起的過渡區(qū)阻力系數(shù)計算公式。普朗特建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制?？ㄩT提出了分析帶旋渦尾流及其所產(chǎn)生阻力的理論。周培源在湍流封閉模式研究方面做出了歷史性的貢獻。謝才總結(jié)出了明渠均勻流公式。托里拆利論證了孔口出流的基本規(guī)律。弗勞德給出了明渠重力流的相似準則數(shù)。這些科學家在不同時期用他們的辛勤工作，極大地推動了水力學學科的發(fā)展甚至是實現(xiàn)了突破。我們應該銘記他們，要有對他們及其所創(chuàng)造科學成果的敬畏感，這才是正確的科學態(tài)度，繼而才會在自己的科學實踐中將這種精神發(fā)揚光大。

更值得指出的是，歐拉人生中經(jīng)歷了雙目失明等接連不斷的沉重打擊，其許多重要成果都是靠堅強的意志和毅力取得的。這種崇尚科學、追求真理、為科學和真理傾其一生的大無畏精神值得每一位科學工作者仰慕和學習。

流體運動基本方程納維—斯托克斯方程的導出也不是一帆風順的，經(jīng)過了納維（1822年）、柯西（1823年）、泊松（1829年）、圣維南（1837年）和斯托克斯（1845年）五次建立、修正和完善，歷時二十五年才得到現(xiàn)在的最終形式。科學的進步都不是一帆風順的，任何重大成果的取得都不可能一蹴而就，中途不可避免地會走彎路甚至遭遇挫折。面對這些我們不要氣餒甚至喪失信心，要耐得住性子，腳踏實地一步一個腳印地向前進。

我國著名科學家周培源先生，早期就在水力學相關(guān)領域取得了杰出的成就，成果享譽海內(nèi)外。之后數(shù)十年間，毅然決然摒棄國外的優(yōu)厚待遇獻身國內(nèi)，積極投入到國家急需的相關(guān)領域社會主義建設中?？茖W無國界，但是科學家是有國界的。只有具有強烈的愛國主義精神，科學家才能全心全意地服務于祖國，最終實現(xiàn)民族的偉大復興。

（二）結(jié)合典型工程講授若干知識點

都江堰位于成都平原西部的岷江上，始建于秦昭王末年（約公元前256～前251），是蜀郡太守李冰父子在前人鱉靈開鑿的基礎上組織修建的大型水利工程，由分水魚嘴、飛沙堰、寶瓶口等部分組成，兩千多年來一直發(fā)揮著防洪灌溉的作用，至今灌區(qū)已達30余縣市、面積近千萬畝。鄭國渠屬于最早在關(guān)中建設的大型水利工程，位于今陜西省涇陽縣西北25公里的涇河北岸。它西引涇水東注洛水，長達300余里。在戰(zhàn)國末年由秦國穿鑿。公元前246年（秦王政元年）由韓國水工鄭國主持興建，約十年后完工。靈渠位于廣西壯族自治區(qū)興安縣境內(nèi)，于公元前214年鑿成通航。靈渠流向由東向西，將興安縣東面的海洋河（湘江源頭，流向由南向北）和興安縣西面的大溶江（漓江源頭，流向由北向南）相連，是世界上最古老的運河之一。

南水北調(diào)工程主要解決我國北方地區(qū)，尤其是黃淮海流域的水資源短缺問題。東、中線一期工程干線總長為2899公里，已經(jīng)完工并向北方地區(qū)調(diào)水。三峽工程是當今世界上最大的水利樞紐工程。它的防洪效益、裝機容量、建筑規(guī)模、施工難度、施工期流量、泄洪能力、船閘級數(shù)及總水頭、升船機的規(guī)模和難度、移民規(guī)模等許多指標都突破了世界水利工程的紀錄。

都江堰、鄭國渠和靈渠這三項水利工程，都是中國古代勞動人民勤勞、勇敢、智慧的結(jié)晶。在明渠流動及堰流流動規(guī)律方面都有了很深很成熟的認識。特別是都江堰工程的整體布局和運用，充分利用了彎道水流及泥沙輸運的機理，使非汛期灌溉和汛期排洪的效果達到了極高的科學水平，堪稱典范。南水北調(diào)和三峽水利樞紐（可分別與明渠非恒定流和消能措施內(nèi)容結(jié)合）等當代宏大水利工程，也都取得了舉世矚目的成就。綜合起來，這些工程都可以讓我們有充分的文化自信，同時也堅定了實現(xiàn)民族偉大復興的目標。

（三）對基本理論和計算方法進行哲學思考的典型知識點

在講授液體的主要物理性質(zhì)時，提出了理想液體與粘性液體的概念。分析實際液體運動，機械能損失的計算從理論上還無法完全解決。通常先忽略液體的粘滯性，亦即忽略水頭損失，把液體作為理想液體來分析，得出相應描述各運動要素的方程式。當然，粘性液體流動時水頭損失往往是不可忽略的。對粘性液體進行水力計算時，通過實驗室實驗或原型觀測對基于理想液體分析得出的結(jié)果進行修正。該解決問題的思路可以給予我們一個啟發(fā)——對于暫時無法完全解決的問題，可以把問題先“擱置”起來，然后再通過修正來達到預期的目標。

分析粘性流體運動，邊界層理論對于流動阻力和水頭損失研究有著重要影響。對于非流線型物體，特別是存在鈍體的壁面，漩渦的分離是普遍存在的。但分離后的渦旋搖擺是必然的。特別是物體繞流之后渦旋的搖擺性更為明顯，已有許多文獻表明這種現(xiàn)象存在各種形狀和各種宏觀尺度的繞流情形。且在一定條件下，渦旋的搖擺還會有顯著的規(guī)律，亦即眾所周知的卡門渦街現(xiàn)象。由此可見，廣義上來講，宏觀水流運動都是由不同特征尺度渦旋構(gòu)成的復雜組合體。在水流運動中，應該是確定性和隨機性并存；恒定流中存在著局部非恒定流，即具有相對性。由此可見，無論分析什么自然現(xiàn)象，都要有辯證思維，不要絕對化，要能夠在變化中看到其普遍的性質(zhì)，又能夠在靜止中洞悉其局部變化的規(guī)律。

進行管網(wǎng)水力計算時，環(huán)狀管網(wǎng)計算常見的方法有哈迪克勞斯法和有限元法，都有其對應的整套理論、方法、方程和計算過程，對學生來說接受起來有一定的難度。在講解過程中，強調(diào)抓住兩個基本點，則瞬間變得思路清晰，易于掌握。一是每個節(jié)點都要遵循的連續(xù)性方程，另一個是構(gòu)成每個環(huán)的各個管路水頭損失的代數(shù)和都應該為零。無論做任何事情，事情如何復雜，只要透過現(xiàn)象抓住事物所遵循的本質(zhì)規(guī)律，問題也就可以迎刃而解。

對于梯形渠道正常水深、底寬和臨界水深以及泄水建筑物下游收縮斷面水深的計算，由于其所遵循方程均是高階非線性的，通常要運用迭代法求解。迭代法有一些鮮明的特點。要使迭代收斂，必須首先要導出滿足收斂條件的迭代公式。迭代計算時，通常迭代初值的選取對最終迭代結(jié)果沒有影響。也就是迭代過程具有容錯性。根據(jù)迭代過程的實際情況還可以對迭代過程進行修正，比如采用欠松弛迭代或超松弛迭代等。這就預示著無論做什么事情，首先要選定一條正確的方式，在此基礎上就要抓緊時機毫不猶豫地推動事情的進展，并在進展過程中善于總結(jié)，對路線不斷修正，以期更快捷、更有效地達到正確目標。

明渠非恒定流流動遵循圣維南方程，水力要素不僅隨時間變化還隨位置變化。如果不厘清其層次關(guān)系，則會相互交錯使問題陷入復雜化的泥潭。推導連續(xù)性微分方程時，對由于流量沿程變化而引起控制體內(nèi)質(zhì)量變化的分析，可忽略水力要素隨時間的變化，均用初始時刻的值進行計算；對控制體內(nèi)液體體積隨時間變化而引起質(zhì)量變化的分析，可忽略由于斷面位置不同而引起水力要素的變化，均以上游斷面水力要素來進行計算。推導運動微分方程時，把水位分割成渠底高程和水深兩部分，僅考慮渠底高程變化時計算重力的作用，僅考慮水深變化時計算壓力的作用。依此思路導出圣維南方程組的過程簡潔明了，和經(jīng)典形式完全一致。學生易于接受，也提高了講授效率。這表明對于復雜問題的解決，要善于分清層次，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾。

非恒定流遵循的由連續(xù)性方程和運動方程構(gòu)成的偏微分方程組，對于實際工程問題往往比較復雜，無法得到解析解，而常用數(shù)值計算的方法進行分析。數(shù)值計算得到的是一種近似解，在求解過程中應注意到解的精度。常用且有效的為特征線法。因為一維非恒定流所遵循的微分方程組屬于雙曲型方程，有兩條特征線。依此可將偏微分方程組化為沿著兩條特征線分別成立的特征方程，而特征方程為常微分方程，繼而進行了簡化。在此基礎上的數(shù)值計算，特性得以最大限度地保留，相對于其他數(shù)值計算方法理應具有更高的精度。這要求我們處理問題要盡可能地抓住事物發(fā)展的本質(zhì)特征。

納維-斯托克斯方程（簡稱N-S方程）是深入全面分析復雜水流運動的基石。然而它在極其簡單邊界和初始條件下才有解析解。絕大多數(shù)情況下只能進行數(shù)值計算。為了探討數(shù)值格式的可行性，一維對流方程是最基本的模式方程，依此討論對流項離散格式的正確性。理論分析及計算實際均表明，當對流項采用具有二階精度的中心差商，格式是不穩(wěn)定的；而采用具有一階精度的向前差商或向后差商，格式是有條件穩(wěn)定的。在實際計算中，采用迎風格式，其所反映的現(xiàn)象與物理實質(zhì)相符，計算穩(wěn)定。這使我們得到啟示，無論處理任何事情都要嚴格按照事物發(fā)展的客觀規(guī)律辦事；在解決問題過程中，個人要服從整體，沒有整體利益就不可能使個體受益，不顧整體利益的個人利己主義也不可能達到自己的目的。必須弘揚團隊精神和集體主義精神，才能共同發(fā)展共同進步。

結(jié)合水力學課程教學專業(yè)內(nèi)容，通過歷史人物、典型工程以及基本理論和方法的哲學思考，培養(yǎng)學生正確的世界觀、人生觀和價值觀，崇高的理想和愛國主義精神，可以使學生的思想道德素養(yǎng)在掌握專業(yè)知識的同時得到全面的提高。