新工科背景下水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

張艷 白相東 關(guān)成堯 宋洋 孔慧敏

摘要：本文在新工科背景下，結(jié)合本校辦學(xué)定位和地學(xué)專業(yè)特色，經(jīng)過探索和研究，提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多極化體系。該體系分為四級(jí)，為基本理論驗(yàn)證性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，基本理論設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，工程型、研究型設(shè)計(jì)性綜合提高實(shí)驗(yàn)和開放創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。該體系層層遞進(jìn)，級(jí)級(jí)拔高，潛移默化中提高學(xué)生各項(xiàng)能力。本次改革為應(yīng)用型本科水力學(xué)類課程實(shí)驗(yàn)建設(shè)與改革提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)與示范。

關(guān)鍵詞：水力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；多極化；新工科

中圖分類號(hào)：P315.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）24-0269-03

近期，教育部啟動(dòng)了“新工科研究與實(shí)踐”項(xiàng)目，引起了工程教育界的廣泛關(guān)注。這是對(duì)傳統(tǒng)工程人才培養(yǎng)教育的一個(gè)挑戰(zhàn)，也是針對(duì)現(xiàn)今我國工科人才培養(yǎng)定位不清晰，工科教學(xué)理科化的改革?！靶鹿た啤敝攸c(diǎn)在于“新”，即新興、新型和新生，新學(xué)科的產(chǎn)生，傳統(tǒng)學(xué)科的轉(zhuǎn)型和學(xué)科交叉[1]。新工科要求培養(yǎng)出的人才要能適應(yīng)未來新興產(chǎn)業(yè)或行業(yè)發(fā)展，要有強(qiáng)的實(shí)踐力、創(chuàng)新力和競爭力，要具有學(xué)科交叉融合的特征，要能快速學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)并有解決問題的能力[2，3]。

水力學(xué)課程是工科類院校水利、土木、環(huán)境等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是研究水的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律（水靜力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)）及其在工程技術(shù)中的應(yīng)用[4，5]。課程理論最終是要為相應(yīng)的工程領(lǐng)域服務(wù)，所以該課程是一門以實(shí)用為目的的應(yīng)用型課程，應(yīng)以培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)的學(xué)生為目標(biāo)[6]。水力學(xué)實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)實(shí)踐能力培養(yǎng)的環(huán)節(jié)，是理論教學(xué)的補(bǔ)充，可鞏固課堂理論教學(xué)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)動(dòng)手操作能力，豐富實(shí)踐操作知識(shí)[7]。本文將在新工科背景下探討實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的必要性

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以“教”為主，如水力學(xué)基礎(chǔ)理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，教師講解，學(xué)生按照教師講解步驟操作驗(yàn)證理論，缺乏創(chuàng)新，很難激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新興趣，不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。另外，由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不夠完善、功能單一，水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也應(yīng)向多元化發(fā)展[8]。所以水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革首先應(yīng)該改變傳統(tǒng)的“以教為主”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，發(fā)展為“以實(shí)踐為主”、“啟發(fā)式教學(xué)”為主，由學(xué)生被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立分析、自我更新知識(shí)的能力，教會(huì)學(xué)生分析問題、解決問題的方法。這個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)該貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，著重訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析整理、得出結(jié)論及誤差分析的過程訓(xùn)練。鼓勵(lì)學(xué)生采集大量數(shù)據(jù)，啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用EXCEL、MATLAB、SPSS等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析、歸納擬合方程或制作圖表，然后在理論教學(xué)過程中對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論，培養(yǎng)學(xué)生選擇最優(yōu)方案的意識(shí)。這樣既驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又訓(xùn)練了學(xué)生分析、歸納、總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的目標(biāo)

針對(duì)新工科理論下的人才培養(yǎng)目標(biāo)要求：多學(xué)科交叉，適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，培養(yǎng)具備整合能力、全球視野、領(lǐng)導(dǎo)能力、實(shí)踐能力的復(fù)合型、綜合性人才。人才培養(yǎng)模式要求將通識(shí)教育與工程教育、實(shí)踐教育與理論教學(xué)，工程教育與行業(yè)企業(yè)相聯(lián)系[9]。

本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革目標(biāo)：改變學(xué)生被動(dòng)、惰性的學(xué)習(xí)習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和主動(dòng)思考，主動(dòng)查閱資料，能將多學(xué)科知識(shí)結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并從實(shí)驗(yàn)中舉一反三，得到更適用于實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)操作過程及結(jié)論的能力。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式的建立

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式需要建立一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培訓(xùn)體系。這個(gè)體系是要能夠服務(wù)于多目標(biāo)的。為了服務(wù)于多目標(biāo)，就需要根據(jù)目標(biāo)的不同而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的分級(jí)化。

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分級(jí)化。根據(jù)學(xué)生的個(gè)體差異和對(duì)學(xué)生培養(yǎng)層次的不同要求，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)實(shí)施“多級(jí)化”，設(shè)計(jì)級(jí)別為四級(jí)：

一級(jí)為基本理論驗(yàn)證性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過該類實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證課堂理論知識(shí)，讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，掌握溫度、壓力、流速、流量等基本物理量測量技術(shù)。該級(jí)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練目標(biāo)：掌握基本實(shí)驗(yàn)方法和技能。

二級(jí)為基本理論設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，該類實(shí)驗(yàn)以課內(nèi)基本理論為基礎(chǔ)，與教學(xué)實(shí)驗(yàn)不重復(fù)的前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。該級(jí)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練目標(biāo)：使學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性思維，具備自主探索精神，分析問題、解決問題的能力。

三級(jí)為工程型、研究型設(shè)計(jì)性綜合提高實(shí)驗(yàn)，該類實(shí)驗(yàn)是由具有應(yīng)用背景的工程性實(shí)驗(yàn)或結(jié)合教師科研項(xiàng)目為背景的理論性實(shí)驗(yàn)組成。該類實(shí)驗(yàn)更具綜合性，更突出實(shí)際問題中知識(shí)的多學(xué)科交叉性。該級(jí)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、創(chuàng)新、自學(xué)、動(dòng)手、綜合應(yīng)用能力。

四級(jí)為開放創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，該類實(shí)驗(yàn)針對(duì)課內(nèi)學(xué)時(shí)少，實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性差異大等特點(diǎn)建立。該級(jí)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練目標(biāo)：充分挖掘?qū)W生興趣點(diǎn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性，擴(kuò)充基礎(chǔ)理論知識(shí)和拔高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)踐。（1）基本理論驗(yàn)證性教學(xué)實(shí)驗(yàn)。本校水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室已有課內(nèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目8個(gè)，雷諾實(shí)驗(yàn)、沿程阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)、伯努利方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、局部水頭損失實(shí)驗(yàn)、恒動(dòng)總流動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)5個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，及流譜流線演示實(shí)驗(yàn)3個(gè)。通過課內(nèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水流運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，測定公式中的待定系數(shù)，學(xué)會(huì)使用水力學(xué)實(shí)驗(yàn)基本量測儀器，掌握基本操作技能，掌握分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理實(shí)驗(yàn)成果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過程。該類型實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行重心為教師，教師先講解實(shí)驗(yàn)原理、步驟、現(xiàn)象。學(xué)生再操作觀察，記錄數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，完成報(bào)告。（2）基本理論設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。該類實(shí)驗(yàn)仍屬課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，即應(yīng)用課內(nèi)理論知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，但執(zhí)行重點(diǎn)轉(zhuǎn)移為以學(xué)生為執(zhí)行主體，教師為輔助引導(dǎo)，即著重發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)造性，以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力和自主設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)。該類實(shí)驗(yàn)屬半設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，教師先根據(jù)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)條件創(chuàng)設(shè)小型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，一般一個(gè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)選擇，在給定的實(shí)驗(yàn)條件下，充分利用已有的實(shí)驗(yàn)器材組合實(shí)驗(yàn)裝置，甚至可以改裝已有實(shí)驗(yàn)裝置。學(xué)生用課內(nèi)時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中教師需全程輔導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生思路并及時(shí)更正學(xué)生在操作過程中出現(xiàn)的問題。本校開出的基本理論設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：①水靜力學(xué)基本方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；②毛細(xì)力影響因素實(shí)驗(yàn)；③恒定總流連續(xù)性方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；④孔口和管嘴出流流量比較實(shí)驗(yàn)；⑤管道自由出流和淹沒出流流量比較實(shí)驗(yàn)；⑥液體黏滯系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)；⑦彎管局部水頭損失的測量實(shí)驗(yàn)。開出項(xiàng)目都未做教學(xué)實(shí)驗(yàn)，完全由學(xué)生根據(jù)課內(nèi)理論知識(shí)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)要求3人一組，選定項(xiàng)目后自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，不可使用教學(xué)實(shí)驗(yàn)操作步驟。在教師確定其可行性后，學(xué)生可利用本校水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件自行安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但不可完全使用教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，記錄整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，匯報(bào)實(shí)驗(yàn)成果。小組成員在整個(gè)過程中，應(yīng)輪流參與，并做合理分工。如學(xué)生根據(jù)水靜力學(xué)基本原理Z+■=C，自行設(shè)計(jì)了：①測壓管、U型管、差壓計(jì)測量某點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)；②等壓面是水平面的條件；③觀察真空現(xiàn)象，計(jì)算真空值等內(nèi)容。設(shè)計(jì)多樣化，真正體現(xiàn)了學(xué)生思考及創(chuàng)新的想法、對(duì)知識(shí)靈活運(yùn)用和超強(qiáng)的動(dòng)手能力，所以應(yīng)該給學(xué)生更多的機(jī)會(huì)展示他們的能力、培養(yǎng)他們的能力。（3）工程型、研究型設(shè)計(jì)性綜合提高實(shí)驗(yàn)。在新工科背景下開設(shè)重應(yīng)用、重學(xué)科交叉、重能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)類型，是非常有必要的，也是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。該類實(shí)驗(yàn)重在將理論知識(shí)的延伸，與其他學(xué)科交叉，與工程實(shí)例結(jié)合，也要求教師要不斷擴(kuò)展知識(shí)面，提高自身教學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)，而不能只局限于課本知識(shí)或本專業(yè)知識(shí)。如，根據(jù)不同專業(yè)設(shè)置針對(duì)不同專業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以地下水科學(xué)與工程專業(yè)為例，以地下水在巖石空隙中的滲流特征為主。課程因?qū)W時(shí)少，不能詳細(xì)講解滲流章節(jié)，但可以在該類實(shí)驗(yàn)中設(shè)置滲流實(shí)驗(yàn)專題，如地下水一維、二維滲流過程中滲透系數(shù)如何求解，潛水含水層潛水面毛細(xì)上升高度影響因素等等。再如與地質(zhì)學(xué)專業(yè)中的沉積學(xué)學(xué)科交叉，地質(zhì)學(xué)專業(yè)不學(xué)水力學(xué)，但沉積學(xué)中河流沉積的動(dòng)力學(xué)作用是與水力學(xué)相關(guān)的，河流凹岸、凸岸的形成及形成速率，水平層理、交錯(cuò)層理等沉積層理形成的水動(dòng)力條件等，都可在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬。（4）開放創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。開放性實(shí)驗(yàn)完全以學(xué)生為主體，學(xué)生自行選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（不限類型），自行安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室全天向?qū)W生開放，教師只做項(xiàng)目可行性及最終結(jié)果的把關(guān)。開放實(shí)驗(yàn)可與課內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，也可與設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)結(jié)合，但需不同于課內(nèi)各類實(shí)驗(yàn)，有創(chuàng)新性，也可與課外科技活動(dòng)（科技競賽）、教師教科研項(xiàng)目相結(jié)合。以完全開放的方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。我校為鼓勵(lì)學(xué)生參加科研活動(dòng)，特設(shè)了“大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目”，并給予一定的資金資助，學(xué)生可自立課題申報(bào)，也可依托教師科研項(xiàng)目申報(bào)。

3.實(shí)驗(yàn)考核方法改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容課程化，即嚴(yán)格規(guī)范實(shí)驗(yàn)課程，完善實(shí)驗(yàn)考核制度。將實(shí)驗(yàn)課提到與理論課同等重要的地位。實(shí)驗(yàn)課設(shè)置考核機(jī)制，分為三類實(shí)驗(yàn)考核，基本理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)占40%，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)占40%，開放實(shí)驗(yàn)占20%?；纠碚擈?yàn)證實(shí)驗(yàn)考核包括實(shí)驗(yàn)過程表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，所占比例分別為60%和40%。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容分為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程綜合表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)匯報(bào)四個(gè)部分，所占比例分別為30%、30%、30%、10%，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求新穎，不依賴于課內(nèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作過程，不可互相抄襲。開放實(shí)驗(yàn)只考核實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4.教學(xué)效果。（1）效果評(píng)價(jià)。新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式應(yīng)用以來，取得了很好的效果?！岸嗉?jí)化”的實(shí)驗(yàn)體系，內(nèi)容從簡單到復(fù)雜，從單一到綜合，多次重復(fù)應(yīng)用課內(nèi)知識(shí)點(diǎn)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，逐級(jí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、建立實(shí)驗(yàn)思維和創(chuàng)新精神。實(shí)驗(yàn)體系的重建和考核制度實(shí)施以來，實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果確有改善，學(xué)生們對(duì)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)態(tài)度由被動(dòng)式接受轉(zhuǎn)變成了主動(dòng)式討論與探索，以前一些旁觀的學(xué)生、不愿動(dòng)手的學(xué)生也參與進(jìn)來，甚至有的學(xué)生主動(dòng)申請進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做一些自己感興趣的小實(shí)驗(yàn)。當(dāng)學(xué)生真正融入到實(shí)驗(yàn)中，體會(huì)到動(dòng)手操作的樂趣，體會(huì)到團(tuán)隊(duì)合作的樂趣，體會(huì)到還能與其他所學(xué)專業(yè)知識(shí)結(jié)合，認(rèn)清實(shí)驗(yàn)操作對(duì)理解理論知識(shí)的重要性時(shí)，也就從本質(zhì)上改變了對(duì)實(shí)驗(yàn)課的認(rèn)識(shí)。這是進(jìn)行改革最重要的目的。（2）經(jīng)驗(yàn)思考。該套“多極化”實(shí)驗(yàn)體系，從基本理論到實(shí)際工程應(yīng)用，從基礎(chǔ)操作到靈活應(yīng)用、舉一反三，整個(gè)過程層層遞進(jìn)，級(jí)級(jí)拔高，潛移默化中提高了學(xué)生的各項(xiàng)能力。但在實(shí)施過程中，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目內(nèi)容以及類別的甄選，實(shí)驗(yàn)過程的把控皆為難點(diǎn)。如本校為以地學(xué)為主的院校，在引導(dǎo)學(xué)生選擇綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)或開放實(shí)驗(yàn)題目時(shí)，會(huì)結(jié)合學(xué)生已學(xué)地學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以題目的選擇、過程的把控需要教師在多次實(shí)際操作中總結(jié)出適合學(xué)生、適合學(xué)校性質(zhì)、發(fā)展目標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)。

四、結(jié)語

經(jīng)過幾年的探索和研究發(fā)現(xiàn)，多極化層層遞進(jìn)的教學(xué)模式，能在潛移默化中提高學(xué)生的各項(xiàng)能力，降低學(xué)生對(duì)較難學(xué)科或不感興趣學(xué)科學(xué)習(xí)的抵觸心理。同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革也是緊緊圍繞著我校培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的辦學(xué)定位，結(jié)合了本專業(yè)課程需要和拓展了地學(xué)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，力爭帶動(dòng)水力學(xué)課程的教學(xué)改革，為專業(yè)課程奠定扎實(shí)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。

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