“水力學(xué)”課程工程化教學(xué)方法研究
——基于虛擬仿真方式

楊 蘭，戚曉明，潘爭(zhēng)偉，武心嘉，汪艷芳

（蚌埠學(xué)院 機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠233030）

“水力學(xué)”是水利水電工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是本專業(yè)研究生入學(xué)考試的主要專業(yè)科目之一，對(duì)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)具有承上啟下的作用［1］。水力學(xué)基本理論在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的很多部門(mén)應(yīng)用廣泛，如水利水電工程、石油化工、建筑、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域往往都會(huì)有和液體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決都要具備水力學(xué)的理論知識(shí)［2］。實(shí)際上，與流體、氣體流動(dòng)相關(guān)的專業(yè)都是以水力學(xué)為理論基礎(chǔ)。該課程的學(xué)習(xí)為學(xué)生以后從事水力發(fā)電、給水排水、道路橋涵、農(nóng)田排灌、防洪除澇、河道整治及港口工程等方面的工程研究打下基礎(chǔ)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，蓬勃發(fā)展的經(jīng)濟(jì)建設(shè)提出了越來(lái)越復(fù)雜的水力學(xué)問(wèn)題，如高濃度泥沙河流的治理、高水頭水力發(fā)電的開(kāi)發(fā)、輸油干管的敷設(shè)、采油平臺(tái)的建造、河流湖泊海港污染的防治等?！八W(xué)”課程隨水力學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展而不斷更新，涉及的知識(shí)多、范圍廣，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)用性。課程的學(xué)習(xí)，不僅要求學(xué)生掌握水力學(xué)相關(guān)的基本理論和應(yīng)用技能，更重要的是培養(yǎng)他們的獨(dú)立思考問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

一、工程理念引領(lǐng)

隨著新工業(yè)革命的快速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出新的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、國(guó)家重大戰(zhàn)略的實(shí)施、舊產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展等方面都迫切要求新工科的大力建設(shè)。目前，我國(guó)正在實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列重大戰(zhàn)略，因此迫切需要培養(yǎng)新興工程科技人才，以推動(dòng)科技、教育、生產(chǎn)制造等方面的發(fā)展［3］。新興工程科技人才的培養(yǎng)需要大力提升學(xué)生在工程實(shí)踐應(yīng)用方面的創(chuàng)新能力，這就要在制定高校的專業(yè)培養(yǎng)方案時(shí)以創(chuàng)新型工程教育思想、工程化的理念為指導(dǎo)，滲透到教師的備課、上課和課后輔導(dǎo)中去［4］，將工程化的思想貫穿到每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)中，促使其參加具體的工程實(shí)踐活動(dòng)。

二、課程教學(xué)的現(xiàn)狀

蚌埠學(xué)院水利水工程專業(yè)采用四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室編寫(xiě)的第五版《水力學(xué)（上）》，共72學(xué)時(shí)，其中60學(xué)時(shí)的理論教學(xué)，12學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教材包含了水靜力學(xué)、液體運(yùn)動(dòng)的流束理論、流動(dòng)阻力及水頭損失、有壓管道流動(dòng)、明渠流動(dòng)、堰流及閘孔出流、水利銜接與消能、滲流等11章的內(nèi)容，教學(xué)體系完整?！八W(xué)”學(xué)習(xí)過(guò)程中，理論公式較多，且推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜［5］，涉及到高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)中的一些計(jì)算和理論原理，將理論應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)又引出大量的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，學(xué)生在學(xué)習(xí)應(yīng)用過(guò)程中感到迷茫。水力學(xué)研究以水為代表的液體和不可壓縮的氣體，由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，由作用力到能量，使水力學(xué)具有與其他力學(xué)不同的特殊性，課程的這些特點(diǎn)決定了教與學(xué)具有較大的難度。

在傳統(tǒng)的課程教學(xué)中，關(guān)于水力學(xué)在實(shí)際工程中的應(yīng)用一般以單純的理論講解為主，過(guò)程抽象、乏味，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高［6］。理論課程采用多媒體PPT授課，外加部分動(dòng)畫(huà)演示，增加學(xué)生對(duì)一些水流特征的理解，但是講授仍偏于理論，與工程實(shí)踐脫離，教學(xué)效果不理想。按教學(xué)大綱要求，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是對(duì)基本的6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的形式進(jìn)行，缺乏創(chuàng)新，不利于學(xué)生對(duì)基本理論的掌握和應(yīng)用。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定，實(shí)驗(yàn)室又不能完全開(kāi)放，學(xué)生除簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，很難有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)踐。學(xué)生的實(shí)踐能力提高有限，主觀能動(dòng)性、創(chuàng)造性沒(méi)有得到很好的發(fā)揮，不足以滿足“工程化”教學(xué)的要求。

在綜合研究背景和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，將軟件仿真技術(shù)引入水力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)“項(xiàng)目式、工程化”的教學(xué)方法與課程教學(xué)結(jié)合在一起，構(gòu)建基于“仿真任務(wù)→掌握理論背景→理論教學(xué)→仿真驗(yàn)證及優(yōu)化→知識(shí)拓展”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。充分發(fā)揮現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，更新教學(xué)內(nèi)容，多樣化教學(xué)手段，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，以期為人才培養(yǎng)模式的深層次探索提供一定的研究基礎(chǔ)。

三、基于虛擬仿真的工程化教學(xué)改革

在”水力學(xué)”教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件三維仿真和“工程化”思想從根本上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

（一）基于仿真軟件可視化技術(shù)的課程教學(xué)模式

”水力學(xué)“教材中，許多基本概念如流場(chǎng)、流線等常采用一定的數(shù)學(xué)公式或抽象語(yǔ)言來(lái)描述，這對(duì)學(xué)生理解一些流動(dòng)問(wèn)題是非常抽象的。同時(shí)，水力學(xué)教學(xué)借助多媒體課件，以理論教學(xué)為主，課堂枯燥［7］。基于仿真軟件的可視化技術(shù)，在教學(xué)過(guò)程中邊講邊演示，讓學(xué)生能充分理解各種流動(dòng)現(xiàn)象。教學(xué)過(guò)程可引入仿真實(shí)例，將原來(lái)抽象的流場(chǎng)用形象的云圖、矢量圖和等值面等直觀地顯示出來(lái)，甚至可以將流動(dòng)過(guò)程通過(guò)視頻動(dòng)態(tài)演示出來(lái)。例如講解圓柱繞流這一經(jīng)典水力學(xué)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)Fluent軟件，動(dòng)態(tài)的演示不同雷諾數(shù)時(shí)圓柱周?chē)牧鲃?dòng)情況，Re=200時(shí)某一時(shí)刻圓柱繞流局部流場(chǎng)壓力等值線分布和渦量分布分別如圖1、圖2所示，幫助學(xué)生理解理論知識(shí)的同時(shí)加深學(xué)生的記憶，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

圖1 圓柱繞流壓力等值線分布

圖2 圓柱繞流渦量分布

（二）基于軟件仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

“水力學(xué)”課程中有較多的概念，理論知識(shí)比較抽象，一些流動(dòng)形式和流態(tài)特征單純靠語(yǔ)言描述不夠清楚，而采用實(shí)驗(yàn)的方式將抽象理論概念和復(fù)雜流動(dòng)演示出來(lái)，可以讓學(xué)生更加深刻的理解。水力學(xué)核心實(shí)驗(yàn)包括靜水壓強(qiáng)、雷諾實(shí)驗(yàn)、能量方程、局部水頭損失、沿程水頭損失、孔口管嘴出流、流譜流線、水擊等，均為演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。學(xué)校配套有專門(mén)的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦潭?，在演示性?shí)驗(yàn)中，學(xué)生聽(tīng)教師講解為主，觀察其中的現(xiàn)象；驗(yàn)證性試驗(yàn)是在課堂理論教學(xué)中已經(jīng)得到相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果或規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的一些想法無(wú)從驗(yàn)證，缺乏創(chuàng)新。

除了對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行仿真教學(xué)外，利用Gam-bit、Fluent、Flow-3d、tecplot等軟件對(duì)經(jīng)典的流體力學(xué)問(wèn)題、教學(xué)重難點(diǎn)內(nèi)容完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)任務(wù)與工程實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣點(diǎn)選擇喜歡的題目，要求學(xué)生通過(guò)對(duì)相關(guān)理論背景、理論知識(shí)學(xué)習(xí)后建模，并對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，形成基于“仿真任務(wù)→掌握理論背景→理論教學(xué)→仿真驗(yàn)證及優(yōu)化→知識(shí)拓展”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)。

表1 仿真性項(xiàng)目

（三）基于軟件仿真的“項(xiàng)目式、工程化”教學(xué)模式

“水力學(xué)”課程主要研究以水為代表的液體的平衡規(guī)律和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并將基本規(guī)律應(yīng)用于實(shí)際工程中，研究對(duì)象具有復(fù)雜性。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)之前掌握的專業(yè)知識(shí)較少，工程認(rèn)知缺乏，只是聽(tīng)得多、見(jiàn)得少。解決常見(jiàn)的水利工程實(shí)際問(wèn)題都具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。學(xué)生在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，甚至不知道相應(yīng)水工建筑物的名稱和用途，如渡槽、虹吸管等各種明渠輸水管道的水力計(jì)算問(wèn)題，大壩等擋水建筑物、導(dǎo)流洞、溢流壩等泄水建筑物的設(shè)計(jì)和計(jì)算［8］。大部分學(xué)生以機(jī)械學(xué)習(xí)為主，體會(huì)不到所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)是用在哪些實(shí)際工程問(wèn)題中。長(zhǎng)期以往，學(xué)生會(huì)因?yàn)槿狈こ陶J(rèn)識(shí)而對(duì)學(xué)習(xí)感到迷茫，學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性會(huì)有所降低。因此，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該注意培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，將理論知識(shí)和工程實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和解決問(wèn)題的能力。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)技能型人才的要求越來(lái)越高，且需求量也增大。為了使學(xué)生在畢業(yè)之后更快的適應(yīng)專業(yè)工作，在課程教學(xué)過(guò)程中，可以結(jié)合水力學(xué)在各個(gè)部門(mén)領(lǐng)域如水利水電工程、建筑工程、交通運(yùn)輸、石油化工等的工程應(yīng)用實(shí)例加以介紹和分析，使學(xué)生對(duì)水力學(xué)理論有更直觀的認(rèn)識(shí)。“項(xiàng)目式、工程化”教學(xué)模式就是將與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)，可直接用于教學(xué)的科研項(xiàng)目、工程案例納入教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過(guò)教師的引導(dǎo)、講解，學(xué)生自行查閱資料、討論、CFD軟件仿真、分析結(jié)果解決問(wèn)題，在此過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提升科研技能和科研素養(yǎng)。一般情況下，專業(yè)教師均有各自的水利工程項(xiàng)目，很多是可以作為教學(xué)案例的，從中選擇合適教學(xué)的項(xiàng)目、片段供學(xué)生課后去模擬實(shí)踐。工程案例可以是從網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計(jì)院或水利事業(yè)單位收集的實(shí)際工程設(shè)計(jì)報(bào)告、水力計(jì)算書(shū)等供學(xué)生計(jì)算實(shí)踐。學(xué)生在課外自主學(xué)習(xí)，通過(guò)自己發(fā)掘問(wèn)題、解決問(wèn)題，提高學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，找到其中的樂(lè)趣，培養(yǎng)出更高水平的實(shí)用性人才［9］。將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程中，對(duì)理論知識(shí)獲取新的認(rèn)知和體會(huì)，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生的自信心。

（四）基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的全方位課程評(píng)價(jià)體系

通過(guò)考評(píng)可以有效檢驗(yàn)教師的教學(xué)方法和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。蚌埠學(xué)院現(xiàn)行的課程考評(píng)制度是以學(xué)期期末考試成績(jī)?yōu)橹鳎ㄕ伎偝煽?jī)的70%），平時(shí)成績(jī)包括考勤、作業(yè)、課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)等占總成績(jī)的30%。這種情況使部分平時(shí)出勤較低或上課表現(xiàn)不佳的同學(xué)，只在期末考試前突擊復(fù)習(xí)，憑著卷面分?jǐn)?shù)而減小和平時(shí)表現(xiàn)積極同學(xué)的差距，這對(duì)平時(shí)表現(xiàn)較好的學(xué)生的積極性會(huì)有一定的影響。

為了更加客觀、真實(shí)的體現(xiàn)考評(píng)結(jié)果，課程評(píng)價(jià)應(yīng)該是針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的全過(guò)程，包括學(xué)習(xí)前的預(yù)習(xí)、基礎(chǔ)知識(shí)的了解情況，學(xué)習(xí)過(guò)程中的具體表現(xiàn)和學(xué)習(xí)后在知識(shí)、能力、態(tài)度方面的改變［10］。“學(xué)習(xí)通”是基于移動(dòng)教學(xué)理念的移動(dòng)終端 （智能手機(jī)）結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，為實(shí)施互動(dòng)式課堂教學(xué)等新興教學(xué)理念和教學(xué)形式而開(kāi)發(fā)的移動(dòng)應(yīng)用。通過(guò)“學(xué)習(xí)通”網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，課前教師在電腦或手機(jī)上通過(guò)學(xué)習(xí)通APP創(chuàng)建課程和班級(jí)，上傳相關(guān)資料，發(fā)布預(yù)習(xí)要求，查看學(xué)生完成、訪問(wèn)情況；課堂中，通過(guò)手機(jī)學(xué)習(xí)APP發(fā)布簽到、選人、搶答、投票等活動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性；章節(jié)學(xué)習(xí)結(jié)束之后發(fā)布作業(yè)、章節(jié)測(cè)試、討論等活動(dòng)，考察學(xué)生的綜合成績(jī)。同時(shí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)成績(jī)應(yīng)該有一定的重視，提高所占比重。采用線上考核與線下考核相結(jié)合的方式，使教學(xué)行為更加完整，更有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，更加注重學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

四、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)蚌埠學(xué)院“工程化、應(yīng)用型”的辦學(xué)定位，結(jié)合“水力學(xué)”課程的具體特點(diǎn)對(duì)課程的教學(xué)方法進(jìn)行研究，提出了以“項(xiàng)目式、工程化”教學(xué)理念為指導(dǎo)，基于虛擬仿真的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。將流體力學(xué)軟件仿真可視化技術(shù)引入課堂的理論教學(xué)，將具體的工程案例融入教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建基于“仿真任務(wù)→掌握理論背景→理論教學(xué)→仿真驗(yàn)證及優(yōu)化→知識(shí)拓展”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并結(jié)合“學(xué)習(xí)通”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建全方位課程評(píng)價(jià)體系。實(shí)踐表明，這種教學(xué)模式從根本上激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，對(duì)學(xué)生的工程素質(zhì)、實(shí)踐能力有了很大的提升。