工科院校環(huán)境工程專業(yè)水力學課程教學改革與探索

羅明漢，許加星，徐文杰

(南京工程學院 環(huán)境工程學院，江蘇 南京)

一 引言

水力學是工科院校環(huán)境工程專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎課程，具有很強的理論性、抽象性和實踐性。所以、歷屆學生對于該門課程表示不易理解、難學，使得學生們對該課程的學習興趣不大、積極性不高。鑒于此，怎樣從課程本身的性質和特點著手，變抽象為簡單，提高學生學習的積極性和主動性，從根本上改變學生對這門課程的認識和理解，從而增強教學效果是每一位從事水力學教學工作的教師應深思的問題。

二 水力學課程的特點

水力學是力學的一個分支，其研究對象是以水為主的液體，學習內容主要包括液體的平衡規(guī)律和運動規(guī)律[1]。在南京工程學院環(huán)境工程學院，水力學通常開設于環(huán)境工程專業(yè)和水質科學與技術專業(yè)大學二年級階段。在教學過程中，大多數學生對水力學的評價是“難學”，之所以會有如此評價，主要是因為水力學具有以下特點。

（一） 理論性強

水力學的研究以水為代表，由靜態(tài)到動態(tài)，由作用力到能量，使水力學區(qū)別于其他力學內容的特殊性，決定了水力學課程的教授具有較大的難度[2]。學習該課程的過程中遇到較多的理論公式，都是在一定的前提條件下推導而得出的，且推導過程復雜，涉及到高等數學、大學物理和理論力學中的知識。將理論知識應用于實際工程時又引出了大量的經驗公式和常數，往往讓學生迷茫到不知所措。

（二） 實踐性強

水力學課程具有很強的實踐性，該課程中的諸多知識點都是從實際生活和生產、工程當中總結、抽象獲得的，而得到的諸多理論公式和經驗公式還能指導實際生產和生活、工程中的諸多問題[2]。另外，水力學課程作為一門專業(yè)技術基礎課程，在水污染控制工程、給水工程和管網設計等后續(xù)環(huán)境工程專業(yè)的專業(yè)課程中都有大量的應用。

（三） 抽象性強

抽象性強也是水力學課程中的一個典型特點，如果教師沒有找到合適的教學方法加以引導便會影響學生們的理解不夠清晰。該課程中涉及到的大部分生疏的名詞、概念等都在過去的課程或生活中聞所未聞的，比如對于使用數學知識描述液體的拉格朗日與歐拉的研究方法，以本科生所掌握的數學基礎來理解起來還是比較吃力的、還要結合抽象能力去理解。還有恒定流、均勻流和流線、跡線等方面的內容同樣要求很好地將抽象能力和數學基礎有效結合才能在一定程度上得到認識。

三 我校水力學課程的教學現狀及問題

目前我校仍使用傳統(tǒng)的教學方法對環(huán)境工程專業(yè)和水質科學與技術專業(yè)的學生教授水力學課程，因此存在如下的一些問題。

（一） 水力學課程的教學現狀

水力學是我校給大二(水質科學與技術系)學生第二學期和大三(環(huán)境工程系)第一學期開設的課程，從學科角度上看，水力學是環(huán)境工程專業(yè)的專業(yè)基礎課程，分別為2.0(水質科學與技術系)與3.0(環(huán)境工程系)學分，教學包含實驗過程，是一門集力學與數學理論應用于實際水利方面的應用性學科，也是后續(xù)大三下學期和大四上學期學習專業(yè)課程的基礎課程。

（二） 教學課時與授課內容匹配的問題

我院選用的水力學教材是由趙振興、何建京主編，清華大學出版社出版的《水力學》(第二版)，本教材大分13個章節(jié)，涵蓋了水靜力學和動水力學方面的理論知識和工程水力計算內容之外，還涉及到了地下水和簡單的數值模擬計算等部分內容。而一學期的課程教學總課時分別為32學時(水質科學與技術系)與48學時(環(huán)境工程系)，減去4學時實驗只剩下28個課時(水質科學與技術系)和44個課時(環(huán)境工程系)。這樣少的學時講授全書內容將是一個不小的挑戰(zhàn)，如何在小課時內集中講授大部分的內容成為了老師們艱巨的任務。

（三） 教學方法單一

水力學的教學也一貫秉承著“教師講，學生聽”的傳統(tǒng)式填鴨教學方法。水力學是集理論性和抽象性較強的一門課程，而課堂上教師仍然主導著大量的理論知識講解，臺下的學生們只能被動接受新知識，這樣單一的教學方法很容易讓學生們在短時間內感到疲乏與厭倦，氣氛也越來越沉重和枯燥乏味，更別說讓學生們參與到課堂中來，就連跟都跟不上，最后就只能“拖”著走了。盡管每一節(jié)課堂上都使用了多媒體手段，但是因為教師們過多地依賴，教學效果也不理想。

（四） 對實驗教學重視不夠

從水力學這門課程的性質上來講，該課程的實踐性及運用性較強，所以水力學教學中的實驗環(huán)節(jié)就顯得格外重要[3]。學生們可以通過實驗過程鞏固課堂上的理論內容提升動手能力和操作能力。然而，目前我院卻至今沒有設立水力學課程專用實驗室，還要借用能動學院的實驗室勉強完成雷諾及能量和動量方程有關的實驗，這些基本實驗就無法呈現給學生一個解決實際工程問題的案例。水力學知識是要應用于各種水利工程計算的，而不完善的實驗場地和設施卻減少了給學生提供感知認識的通道。

四 水力學課程教學改革的探索

筆者總結了教授水力學過程中積累的一些經驗及見解，對南京工程學院這種工科類高校環(huán)境工程專業(yè)的水力學課程，從教育、理論和實踐的三個大方向提出如下幾個對水力學教學改革的建議。

（一） 教書育人

教師是人類靈魂的工程師，是人類文明的傳承者，承載著傳播知識、傳播思想、塑造靈魂、塑造生命的時代重任。作為五千多年中華文明的未來傳承人，高校教師理應教會學生學習、傳承和保存優(yōu)秀中華傳統(tǒng)文化的特質，并通過學習現代科學技術和融合國內外先進文化體系創(chuàng)新并發(fā)展傳統(tǒng)文化[1]。在全國教育大會上，習近平總書記指出，培養(yǎng)什么人是教育的首要問題，我國的教育必須把培養(yǎng)社會主義建設者和接班人作為根本任務，也是教育現代化的方向和目標。而高等教育的一切活動都應該服務于教書育人[4]，即圍繞全面提高學生綜合素質的宗旨開展高等教育是素質教育的真正意義和基本價值取向。而立德樹人對于提高大學生的綜合素質、思想道德水平、健康人格和教育的可持續(xù)發(fā)展有著積極促進作用。2018年5月2日，習近平總書記在北京大學考察時的重要講話也明確提出要堅持把立德樹人作為根本任務，把立德樹人的成效作為檢驗學校一切工作的根本標準，高校教師教書育人的根本需要圍繞著立德樹人的方向展開。

（二） 課時及考核方式

目前我院開設的水力學課程課時分為32與48課時，選擇的教材是由13個章節(jié)組成的、由趙振興主編的水力學教材，課時較少，其中還要減掉實驗的4個課時，這樣一來學習理論知識的課時就只剩28和44個課時了，有必要加大課時至少達到56個課時才能將水力學教材里面大致的內容教授給學生們。

目前為止本課程的考核方式來看，考試成績占70%，實驗20%，平時成績10%(考勤5% + 作業(yè)5%)。傳統(tǒng)的考核方式大部分比重都在理論學習上，這樣學生們的關注點仍然在課堂的理論學習上，而且學習起來不僅乏味，學習效果不佳，成績自然不高?？梢詫嵺`、實習環(huán)節(jié)的比重加大，理論學習比重可適當減少至50%，這樣一來水力學課程中包含的內容不僅多種多樣，可以起到互補的效果，提高學生的學習興趣和積極性。

（三） 環(huán)境專業(yè)特色的教學內容

作為工科類高校環(huán)境工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程，水力學的基本理論部分可與其他工科專業(yè)相同、但其實際應用部分則應該充分結合本專業(yè)的特色、從教學內容、示例及習題等各個方面均應該有所側重。為了提高課堂理論教學的效果，教師在授課過程中應針對每一個知識點輔以對應的典型示例來鞏固學生對其知識點的學習程度，對每一章節(jié)結束后應配以相應的習題以使學生自我加深對課堂內容的學習效果。在結合工程類高校環(huán)境工程專業(yè)特色的前提下，教師在課后發(fā)布的習題內容可以在教科書后面的習題中挑選，也可以適當從其他教材或參考資料中選取能夠激發(fā)學生興趣與對課堂知識點起到補充說明的習題來加深學習內容。對于課堂上需要演示的示例內容還可以通過多媒體或數值模擬等各種手段輔助說明。

（四） 多樣化的教學方法

當前各大學最基本的教學方法當屬一直延續(xù)多年的傳統(tǒng)講授法為主，在課堂上這種單一方法會使學生感到厭倦及疲憊。而在科技發(fā)展迅猛的今天，涌現出了如多媒體、線上等多種多樣的教學手段及方法無疑最終只有一個目的，就是如何在最短時間、最有效教好學生。所以，在理論教學過程中，應采用多方位、多視角的多樣化教學方法。比如，課程中出現連續(xù)方程、能量方程和動量方程等的公式推導環(huán)節(jié)時可以選用板書的方式將方程一步步推導出來，可使學生們一步步跟著老師的節(jié)奏掌握其過程、鍛煉其思維及分析能力；對于某些如拉格朗日法、流線和跡線等較抽象的概念則適合使用多媒體手段為主進行相應的演示，使學生更快理解其含義。當然像今年這樣的特殊疫情期間也可以使用線上教學方法來完成學業(yè)。所以，教師可以在教學過程中根據實際教學內容“私人訂制”多種多樣的教學方法，這樣可以使每位同學更加期待下一節(jié)課程，從而提高學生學習積極性和課堂教學效率。

（五） 水力學實驗教學的重視

始于19世紀初德國教育界的實驗教學法是在一般自然科學和工程類學科教學中廣泛使用的教學方法[4]。通過實驗過程，尤其對于工科類高校的學生來說，不僅可以培養(yǎng)動手能力、觀察能力、實踐能力和創(chuàng)新能力、還有思維能力，最終還能鞏固所學理論知識。對于我校水力學課程中的實驗內容包含了典型的雷諾實驗、能量和動量方程三大理論驗證實驗，但是對于紊流粗糙度或明渠水流等方面的實驗在實際工程上才具有更加重要的實際意義。所以，為了進一步提高實驗教學效果、相關學院應制定更加符合工科類高校人才培養(yǎng)方案的實驗教學大綱，形成實驗方面教學體系，適當增加有效的實驗類型及教學課時，畢竟實驗教學內容的優(yōu)越性是顯而易見的。這樣，學生就可以通過實驗過程加深水力學理論課程中的相關基本概念和基本理論，熟悉水力學基本實驗儀器的使用方法、掌握基本實驗技能和科學實驗的基本方法，另一方面就可以起到加強學生理論聯(lián)系實際的能力和實踐創(chuàng)新能力[2]。

（六） 增加數值模擬環(huán)節(jié)

水力學是研究以水為代表的液體的宏觀運動規(guī)律及其在水利工程中應用的學科[5]，是環(huán)境類專業(yè)的專業(yè)基礎課。雖然水力學課程在專業(yè)人才培養(yǎng)方案中扮演著重要的角色，但是由于課程內容本身理論性太強并且距離生活經驗較遠，所以在學生們眼里水力學就是記公式且難學不易懂，導致學習興趣不高，主動性不強，沒有學習吸引力。這些問題可以通過水力學課程中加入數值模擬的環(huán)節(jié)來解決，目前施行這種模式的高校為數不多。數值模擬是建立在具有嚴密理論基礎的流體力學方程上，通過先進的數值解法和計算能力得到水力學中宏觀的物理參數并對經驗公式進行驗證，可以為機械記憶學習方式提供重要補充[6]。計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法可以有效實現流體力學的數值模擬過程，相繼也出現了許多商用的軟件，如，Flunet，Comsol Multiphysics等流體力學計算軟件。這些CFD的商用軟件應用范圍非常廣泛，模塊兒較多，而且非常容易學習，可使學生在一天之內學會其基本操作并建立簡單的仿真模型，尤其對于工科類高校學生來說是必不可少的輔助學習工具。

在水力學課程的教學中，可以在進入實驗環(huán)節(jié)之前，使學生們使用CFD軟件構建實驗儀器的幾何形狀，設置參數并建模，就可以提前做出有關實驗內容的一些流場數據和曲線并針對性地開展下一步的實驗再進行驗證及校準。通過使用CFD軟件的數值模擬過程，明顯可以提高學生做實驗的積極性，有助于加深對水力學理論知識的理解。學生課前利用CFD軟件模擬這些物理現象，可以把握和認識實驗課上整體的實驗，從而提高實驗環(huán)節(jié)的效率[6]。張宏偉[7]等通過水力學水頭損失控制方程離散化、給定初始條件、計算機求解該方程、最后對水頭損失實驗各個參數進行了數理分析，數據與實際實驗模型的數據吻合較好，為水力學實驗模式提供了另一種可能。

數值模擬過程有助于學生直觀理解水力學的研究內容，認識流體力學的應用方式。計算流體力學軟件的使用減少了求解復雜納維-斯托克斯方程的過程，只要掌握了軟件的使用方法，確立準確的幾何模型和模塊，就可以非常輕松處理水利工程中常見的水流問題，方便水利工程師及科研人員有效利用軟件應用于實踐中。

（七） 加入實習環(huán)節(jié)

我院環(huán)境工程專業(yè)的實習環(huán)節(jié)分為大二時期的認識實習和大四時期的實習，無論是大二或大四時期的實習往往都集中被分配到污水廠或供水廠，很少會派往有關水利工程或水工建筑物等方面的單位，這將不利于我院學生學習有關水利工程方面內容的拓展。就目前嚴峻的就業(yè)形勢前提下，學生們的學習主動性都傾向于畢業(yè)之后如何找到更加穩(wěn)定的工作或是繼續(xù)攻讀研究生，而忽略了實習環(huán)節(jié)能夠給本專業(yè)的理論知識帶來補充與說明的作用。所以有必要在水力學課程中加設相關水利工程類的實習或認識實習機會，將水力學課程內容與實際現場工程案例進行充分的結合，使學生站在工程的角度上進行理解，有利于理論聯(lián)系實際將抽象性、理論性和實踐性強的水力學課程消化得更加透徹。鑒于此，為了提高學生在現場實習過程中能將理論知識與實際工程聯(lián)系得更加緊密，使所學知識能夠解決實際工程問題，在實習初期可搜集一些與水力學知識相關的工程實例資料、圖片、視頻等，針對性地將這些資料應用到水力學課堂的教學環(huán)節(jié)，以期獲得更加良好的教學效果[8]。

五 結語

水力學是我院大二下學期和大三上學期開設的專業(yè)基礎課程，水力學實驗也是水力學課程教學中的重要組成部分，在教學中發(fā)揮著重要作用。學生們可以通過水力學實驗、數值模擬和實習環(huán)節(jié)提高動手能力、獨立思考能力和創(chuàng)新思維能力。隨著社會與科技的發(fā)展和教學改革的不斷進步，水力學課程也需要與時俱進，不斷進行改變，將學生培養(yǎng)擁有扎實理論基礎知識和實際操作與計算能力較強的工科院校創(chuàng)新型人才。