新工科背景下水力學課程賦能教學探討
——以蚌埠學院為例

楊 蘭，戚曉明，潘爭偉，張 慧，汪艷芳，姜 麗

(蚌埠學院土木與水利工程學院，安徽 蚌埠 233030)

0 引言

2017年，國家大力提倡并推動突出以“五新”，即新理念、新結構、新模式、新質量和新體系為特點的“新工科”教育教學改革，旨在全面落實立德樹人根本任務，以一流人才培養(yǎng)、一流本科教育和一流專業(yè)建設為目標[1-2]，培養(yǎng)新型工程科技人才以適應新時期發(fā)展的需求。在“復旦共識”[3]、“天大行動”[4]、“北京指南”[5]等會議的基礎上，提出了新工科建設指導意見，教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院聯(lián)合出臺了《關于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》(教高〔2018〕3 號)，進一步推動新工科建設，探索形成具有中國特色的工程教育體系，促進我國從工程教育大國走向工程教育強國。“賦能”是管理學領域中盛行的一種理論，課程賦能教學即在課程教學過程中，實施賦能教育機制建設的嘗試與實踐，讓學生能夠根據(jù)不斷變化的行業(yè)需求與職業(yè)要求，在課程學習的過程中積極主動地不斷賦予自己新的能力[6]。

黨的十九大報告將水利放在基礎設施建設的首位，可見國家和黨中央高度重視水利工作[7]。中國特色社會主義進入了新時代，水利事業(yè)發(fā)展也進入了新時代[8]，這對未來的水利人才提出了新要求，為實現(xiàn)這些新要求就要實施新時代水利創(chuàng)新人才培養(yǎng)。新工科的建設正是推進水利水電工程專業(yè)特色辦學、高水平辦學的契機。水力學是水利類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程，其基本理論在水利水電工程、工民建筑、石油化工、冶金、交通運輸?shù)阮I域應用廣泛，工程中和流體運動相關問題的解決大都需要具備水力學的理論知識。隨著社會經濟水平的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了更復雜的水力學問題，水力學課程內容要隨水力學技術的快速發(fā)展而不斷更新，涉及范圍廣，理論性和實踐性強。國內有很多高校的學者們圍繞水力學課程的教學方法進行了一些教學改革研究，金建華等[9]以水力學課程為例，在教學過程中深入挖掘水力學課程中蘊涵的思政元素，對課程思政教學進行了探索；王玉才[10]針對水力學課程傳統(tǒng)的教學模式，對講授法和討論法進行了討論分析，結合水力學課程的自身特點和在高等院校課程體系中的地位，提出了多元化的教學模式；楊揚等[11]圍繞土木工程專業(yè)水力學課程，制定改革實施計劃，采用學生授課、項目案例式教學、翻轉課堂、換班交流等教學方式方法開展教學方式方法改革與研究。已有的水力學課程教學改革研究對提高學生的學習積極主動性有一定的作用，水力學課程的學習，不僅要求學生掌握水力學相關的基本理論和應用技能，更重要的是培養(yǎng)他們獨立思考問題和解決實際工程問題的能力。新工科致力于培養(yǎng)適應新時代需要的高素質應用型人才，不僅要具備高等教育工程人才的基本素質，還要具備復合型、掌握新工具、主動學習、社會責任感強等新特征。在新工科背景下，水力學課程作為水利類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎課程之一，其教學改革應面向水利現(xiàn)代化，順應水利行業(yè)發(fā)展需求，還要結合本省、本區(qū)域和蚌埠學院的資源優(yōu)勢進行規(guī)劃并應有所側重。在綜合分析課程背景和現(xiàn)狀的基礎上，探討在新工科背景下，課程賦能教學方法的設計和建立，對激發(fā)學生學習的積極主動性，提升學生的工程實踐能力具有重要的現(xiàn)實意義。

1 水力學課程現(xiàn)狀及存在問題

1.1 課程綜合性強，學習難度大

蚌埠學院水利水電工程專業(yè)的水力學課程共計72學時，其中60學時的理論教學包括水靜力學、水動力學等10章內容。水力學研究液體處于平衡或相對平衡狀態(tài)時的規(guī)律及其應用，與高等數(shù)學微積分及理論力學聯(lián)系緊密，研究對象由靜態(tài)到動態(tài)，由受力到能量、動量，包含大量的新概念及理論公式，公式中又出現(xiàn)大量的經驗公式和經驗系數(shù)，內容較為抽象。因此，如何幫助學生在這些繁雜的知識中構建自己的知識體系，激發(fā)學習興趣，總結規(guī)律并用以指導工程實踐，給課程的教與學都帶來了較大的挑戰(zhàn)性。

1.2 教學方法單一，與工程實際相脫離

在以往的課程教學中，課程的理論知識一般采用多媒體PPT講解為主，在PPT制作時雖有部分動畫演示，能增加學生對一些水流特征的理解，但講授仍偏于理論，與工程實踐相脫離。蚌埠學院水利水電工程專業(yè)水力學課程開設在第4學期，學生在課程學習之前接觸到的專業(yè)知識較少，工程認知缺乏。在進行部分水工建筑物的水力設計計算時，甚至都不知其用途和名稱，更加難以體會如何利用所學理論知識解決實際工程問題，從而學習迷茫，積極主動性降低。

1.3 實驗項目固定，缺乏創(chuàng)新

課程包含12學時的實驗教學，實驗項目包括靜水壓強、畢托管流速系數(shù)測定、文丘里管流量系數(shù)測定、局部水頭損失系數(shù)測定、沿程水頭損失系數(shù)測定、孔口管嘴出流6個實驗項目，均為驗證性實驗。學校有課程配套的水力學實驗室，在實驗過程中，學生只需根據(jù)實驗步驟，對課堂中已經得到的規(guī)律或結果加以驗證即可。因此，學生的創(chuàng)造性和主觀能動均沒有得到較好的發(fā)揮，一些有意義的想法無從驗證，不足以滿足“新工科”實踐教學的要求。

1.4 課程思政元素欠缺

“課程思政”教學通過將思想政治和社會主義核心價值觀融于課程的全教學活動中，落實“立德樹人”的根本任務，增強課程的吸引力，提高教學質量。在本課程的教學過程中，注重講解專業(yè)知識，從國際、行業(yè)文化及歷史等方面對課程的多維演繹較少[12]，應付式、被動式地開展“課程思政”現(xiàn)象較為普遍，對充分發(fā)揮課程的思政價值有待進一步探索。

2 課程賦能教學改革

2.1 多元化教學方法，豐富教學手段

針對蚌埠學院水力學課程理論教學存在的問題，充分借鑒先進的教學理念，在教學中貫穿啟發(fā)式、任務驅動式、案例式等多種教學方法，采用線上線下相結合等教學手段，提高學生的學習積極性。例如在講解課程第8章水流銜接與消能部分的內容時，在課前學生可先通過MOOC視頻等初步認識常見的3種消能方式，了解為什么要在泄水建筑物下游進行消能，其消能機理是什么。要求學生自行查閱資料，對我國水利工程中分別采用底流消能、挑流消能和面流消能的工程進行了解，思考為什么選取此種消能方式，其優(yōu)缺點有哪些。在課堂上，老師強調概念及消能工設計中要注意的問題，根據(jù)學生的查閱結果，和學生共同總結不同消能方式的優(yōu)缺點，分別選取我國采用底流消能、挑流消能和面流消能，具有代表性的大型水利工程，如向家壩、新安江、富春江水利工程為例。針對工程所處的地形地質、水位、壩高等實際情況分析消能方式的選取，介紹消能工的規(guī)模，并展示工程圖片、圖紙，幫助學生在理解理論知識的同時加深學生的記憶。課后，可通過布置相關的設計性任務，學生自主完成某工程的消能工設計。對于這個任務，學生可參考已建工程，自行采用一種或者多種消能方式，在完成任務的過程中，培養(yǎng)學生獨立思考的能力，激發(fā)學習興趣。

2.2 調整實踐教學，優(yōu)化實驗教學

新工科以應對變化、塑造未來為建設理念，專業(yè)實踐不能只依靠理論教學。水力學實踐教學要努力克服長期以來固定的專業(yè)實踐教學模式，要主動面向行業(yè)、面向世界、面向未來，通過實踐“賦能”使學生成為未來應用型和技術技能型人才。

1)創(chuàng)建水力學實驗教學多媒體庫。

水力學課程中有很多比較抽象的概念，如水流的流態(tài)特征中急流、緩流、臨界流等，靠單純的理論講解，學生理解不夠清楚，如有相關的視頻演示，學生觀看視頻可加深對概念的理解。由于實驗設備有限，一些經典的水力學實驗如尼古拉茲實驗、達西實驗等不具備條件做，可以在網上下載相關的實驗錄像，課堂上理論講解之后播放錄像，使學生更好地理解。建成水力學實驗教學錄像庫，學生在任何時間、任何地點有需要都可以去查閱相關實驗錄像，為學生提供更好的學習條件。

2)結合仿真的綜合性水力學實驗。

現(xiàn)今，以計算機為工具的數(shù)值計算方法迅速發(fā)展，流體力學仿真軟件的使用越來越廣泛。很多仿真軟件模塊豐富，界面友好，學生容易上手。在水力學課程實驗教學中，針對課程知識點內容，結合流體力學仿真軟件，制定相關的仿真性實驗。例如在進行實際液體恒定總流能量方程推導時，用斷面平均流速代替實際流速，涉及到動能修正系數(shù)α的取值。教材中提到α的大小取決于過水斷面上流速分布情況，水流流速分布越均勻，α的值越接近于1，反之流速越不均勻，取值越大于1。這時，有學生就會思考α的取值有沒有可能小于1，什么情況下會小于1？由于實驗室缺乏實驗條件，也無從驗證其在何種情況下會出現(xiàn)小于1的情況。通過老師的講解，學生會有所了解，但還是不夠直觀。此時，采用計算流體力學軟件，對丁壩擾流流場或圓柱繞流流場等簡單情況進行數(shù)值模擬計算，可非常直觀地看到整個流場中流線、流速、壓強等的分布情況，如圖1所示為丁壩附近流線分布，圖2所示為流動方向的流速分布。據(jù)此，學生可進一步計算壩前水流流速均勻處、壩后漩渦斷面的α值，從而對理論知識加以驗證。

圖1 丁壩周圍流線分布

圖2 丁壩周圍流向速度分布

根據(jù)課程內容，制定相應的仿真性實驗任務，如不同邊界時局部水頭損失系數(shù)的測定實驗、動能修正系數(shù)與動量修正系數(shù)的驗證實驗、糙率對過流能力的影響、薄壁堰水流特征仿真研究等。學生在學習的過程中，對自己感興趣的某個知識點進行模擬計算及驗證，通過對結果的分析處理，進一步優(yōu)化模型，將計算結果與工程實際應用相結合，提高學生的工程實踐技能與科研素養(yǎng)。

3)增加工程實踐教學。

隨著經濟的不斷發(fā)展，對具有工程職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)造性思維和社會能力的人才需求越來越大，工程實踐教學對學生的專業(yè)技能提升及工程素養(yǎng)有重要的意義。蚌埠學院水利水電工程專業(yè)的水力學課程在理論教學和實驗教學之外，沒有安排單獨的實踐教學環(huán)節(jié)。任課教師盡可能多地從水利相關設計院、事業(yè)單位、網絡等渠道為學生收集典型的實際工程水力計算書、設計報告等，用于水力學的理論教學參考或供學生課后實踐。實踐環(huán)節(jié)和具體的工程項目案例緊密結合，在教師的引導下，學生通過自行思考、查閱資料、小組討論等方式解決實際工程問題，將理論知識融入工程實踐，增強學生的學習興趣和自信。

2.3 深入發(fā)掘課程思政元素，優(yōu)化課程內容

根據(jù)水利水電工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案和水力學課程教學大綱的要求，梳理本課程代表性知識點及其所蘊含的課程思政元素，按照深入淺出、循序漸進的方法[13]，整合形成融入課程思政的教學模塊及單元，具體思政教學內容舉例如表1所示。通過發(fā)掘課程內容中的思政元素，優(yōu)化課程內容，激發(fā)學生的學習動力。

表1 水力學課程思政融入點

2.4 鼓勵學生參加學科競賽、科研項目

學科競賽為學有余力的同學提供了很好的學習、交流平臺。鼓勵學生積極參加本專業(yè)相關競賽，如水科學數(shù)值模擬創(chuàng)新大賽、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創(chuàng)新大賽(水利類)、水利創(chuàng)新設計大賽等，通過學科競賽，培養(yǎng)學生的設計能力、動手實踐能力和團隊協(xié)作意識，提高學習興趣。

鼓勵學生積極申報大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，在專業(yè)教師的指導下完成課題的申報。在申報階段，學生自主選題，通過查閱相關資料及研究進展，確定研究思路及方案，撰寫項目申請書。在項目實施階段，學生團隊按照研究方案展開課題的研究，鼓勵學生積極參加學術交流，撰寫論文或者申請相關專利，完成項目結項要求及結項報告。同時，教師在自己的科研活動中邀請學生加入，綜合提高學生的科研技能和科研素養(yǎng)。

3 成效分析

以蚌埠學院2019級水利水電工程專業(yè)為例，在進行水力學課程教學過程中，采取各種“賦能”教學試運行，以檢驗教學效果。蚌埠學院2019級水利水電工程專業(yè)共計53名同學，2021年獲批立項大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目6項，近一半學生參與大創(chuàng)項目，參與率高，積極性強。班級有6位同學參與省級、校級自然科學課題，申請軟件著作權5項，獲得國家級、省級和校級學科競賽獎若干項。水力學課程期末考核優(yōu)秀率為13.21%，平均成績77.02分，與2018級相比，優(yōu)秀率提高11.41%，平均成績提高5.2分，成效顯著。結果表明，與傳統(tǒng)的教學模式相比，“賦能”教學從根本上激發(fā)了學生學習的積極性和主動性，學生實踐應用能力、參與項目的積極性和專業(yè)知識的應用能力均有進一步的提高。

4 結語

“十四五”時期是安徽省全面加快水利改革發(fā)展的重大戰(zhàn)略機遇期，引江濟淮工程等重大水利工程的建設、水旱災害風險、鄉(xiāng)村水利基礎建設、水資源保護水生態(tài)修復、河湖管理保護等重要而艱巨的任務需要大量的工程技術人才。結合蚌埠學院“地方性、應用型”的辦學定位和有效服務地方建設的需要，根據(jù)新工科建設發(fā)展方向，結合水力學課程的具體特點，實施賦能教育機制建設的嘗試與實踐，讓學生能夠根據(jù)不斷變化的行業(yè)需求與職業(yè)要求，在課程學習的過程中積極主動地不斷賦予自己新的能力，有效彌補傳統(tǒng)教學方法的不足，切實提高工程應用能力及科研素養(yǎng)。