立足于知識(shí)背景的水力學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐

祝鵬

摘 要 為了在課堂教學(xué)過程中幫助學(xué)生高效實(shí)現(xiàn)從讀懂?dāng)?shù)學(xué)到理解流動(dòng)過程物理本質(zhì)的轉(zhuǎn)變，本文開展了基于學(xué)生水力學(xué)知識(shí)背景的課堂教學(xué)實(shí)踐，并舉例對(duì)實(shí)踐過程進(jìn)行闡述，同時(shí)針對(duì)實(shí)踐效果和需注意的問題進(jìn)行了深入分析。

關(guān)鍵詞 知識(shí)背景 水力學(xué) 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.01.042

0 引言

作為流體力學(xué)的一部分，水力學(xué)主要以水為研究對(duì)象，分析其平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的具有較強(qiáng)理論性和實(shí)際工程意義的一門課程。在土木工程、市政工程、水利工程等專業(yè)中，水力學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程對(duì)其他專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)影響深遠(yuǎn)。

曾經(jīng)有一位電子工程師談到他在大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)課程時(shí)遇到一大堆數(shù)學(xué)公式，但只有在多年后的應(yīng)用中才真正懂得什么是數(shù)字信號(hào)，水力學(xué)課程的學(xué)習(xí)也有類似之處。①水力學(xué)教師一般習(xí)慣于將教案中水力學(xué)理論知識(shí)按照其推導(dǎo)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，在課堂講授時(shí)則一步一步詳細(xì)介紹其推導(dǎo)過程，其目的是讓學(xué)生清楚知道該理論的來源和數(shù)學(xué)依據(jù)，整個(gè)形式似乎是 “完美”的。但是，這樣的教學(xué)過程容易讓學(xué)生感覺水力學(xué)課程是“微積分的應(yīng)用題”，不利于水力學(xué)課程“物理本質(zhì)”的理解。

當(dāng)然，水力學(xué)課程和其他力學(xué)課程一樣，與高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)課程聯(lián)系密切，很多理論知識(shí)是利用數(shù)學(xué)知識(shí)推理而來，但是它又不同于數(shù)學(xué)，是一門具有實(shí)際物理意義的課程，這就是水力學(xué)和其它工程類專業(yè)基礎(chǔ)課程共同所具有的重要特點(diǎn)之一。為了讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的過程中能夠最高效地理解水力學(xué)課程的“物理本質(zhì)”，而不是僅僅停留在“數(shù)學(xué)層面”上，這就要求水力學(xué)教師在教學(xué)過程中幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從讀懂?dāng)?shù)學(xué)到理解流動(dòng)過程物理本質(zhì)這一轉(zhuǎn)變。筆者通過與學(xué)生的密切交流，在了解學(xué)生有關(guān)水力學(xué)知識(shí)背景的前提下開展了基于學(xué)生水力學(xué)知識(shí)背景的課堂教學(xué)實(shí)踐。通過在兩屆土木專業(yè)學(xué)生水力學(xué)課程上的課堂教學(xué)實(shí)踐，立足于水力學(xué)知識(shí)背景的教學(xué)方法在幫助學(xué)生課堂上加強(qiáng)對(duì)水力學(xué)物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)上取得了很好效果。下面就立足于水力學(xué)知識(shí)背景的教學(xué)方法舉兩個(gè)具體的例子進(jìn)行闡述。

1 立足于知識(shí)背景的教學(xué)實(shí)踐舉例

我們?cè)趯?duì)“重力作用下流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律”②一節(jié)進(jìn)行教案設(shè)計(jì)時(shí)，往往習(xí)慣開始于歐拉平衡微分方程的綜合式表達(dá)式 = （ + + ），隨后分析作用在流體上的質(zhì)量力只有重力情況下的單位質(zhì)量力，將各方向單位質(zhì)量力代入該式，經(jīng)過縝密的微積分推導(dǎo)得到重力作用下流體靜力學(xué)基本方程 + = 。這個(gè)過程理論性強(qiáng)而且流暢，是許多教師習(xí)慣的課堂講授過程。其實(shí)，對(duì)學(xué)生而言，在中學(xué)物理課中就已經(jīng)知道靜水的壓強(qiáng)表達(dá)式為 = 和 = + 。如果我們從學(xué)生已掌握的水力學(xué)知識(shí)背景出發(fā)，在教案設(shè)計(jì)中首先開始于 = 和 = + ，分析對(duì)比后得到重力作用下流體靜力學(xué)基本方程 + = ，如圖1所示。這樣的過程將更有利于學(xué)生對(duì) + = 背后所代表的物理意義的理解。同時(shí)，這也是一個(gè)由已知到未知的過程，符合學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)知規(guī)律。這一過程弱化了微積分推導(dǎo)過程，讓學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)不在推導(dǎo)過程，而是在對(duì)水力學(xué)概念及其物理意義的認(rèn)知上。顯然，立足于知識(shí)背景進(jìn)行水力學(xué)教案設(shè)計(jì)和課堂講授更有利于加強(qiáng)和加速學(xué)生對(duì)水力學(xué)知識(shí)物理本質(zhì)的理解。

水力學(xué)知識(shí)背景不僅僅局限于我們生活中的水力學(xué)常識(shí)，水力學(xué)課程前部分所學(xué)知識(shí)即為后部分知識(shí)學(xué)習(xí)過程中的知識(shí)背景。教學(xué)過程中充分利用已學(xué)的水力學(xué)知識(shí)，融會(huì)貫通，前后知識(shí)的比較和分析，可加深學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解，特別是對(duì)水力學(xué)問題物理本質(zhì)的理解。例如，我們?cè)趯?duì)“伯努利方程”一節(jié)進(jìn)行教案設(shè)計(jì)時(shí)，將其與前面靜力學(xué)知識(shí)建立類比關(guān)系進(jìn)行分析，如圖2所示。顯然，通過與靜力學(xué)知識(shí)物理意義的類比更加加深了學(xué)生對(duì)伯努利方程背后所代表的物理意義的理解。

將新學(xué)知識(shí)建立在已學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，新知識(shí)和已學(xué)知識(shí)進(jìn)行類比的教學(xué)設(shè)計(jì)，不僅幫助學(xué)生將整個(gè)水力學(xué)課程所需要掌握的知識(shí)內(nèi)容貫穿起來，形成一張相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)網(wǎng)，有利于了解各內(nèi)容內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系，而且通過這種類比更加有利于快速高效地掌握新知識(shí)背后所代表的物理本質(zhì)。

2 實(shí)踐效果與思考

多年來，許多教師開展了有關(guān)水力學(xué)課程教學(xué)的研究工作，通過一系列的教學(xué)方法和教學(xué)模式的改進(jìn)和創(chuàng)新，使得教學(xué)效果有了顯著的提高?；趯W(xué)生的水力學(xué)知識(shí)背景開展課程教學(xué)實(shí)踐，對(duì)課程內(nèi)容的講授靈活變通，一方面不僅有利于節(jié)約課堂教學(xué)時(shí)間，適應(yīng)高校教學(xué)體制變革和學(xué)分制深入開展過程中水力學(xué)課堂學(xué)時(shí)縮減的實(shí)情，同時(shí)也豐富了教學(xué)方式，對(duì)改變課堂沉悶狀態(tài)、調(diào)動(dòng)學(xué)生課堂積極思考有一定的促進(jìn)作用；另一方面也更加有利于幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從讀懂?dāng)?shù)學(xué)到理解流動(dòng)的物理本質(zhì)這一轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)水力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握及其物理意義的理解。

但是，在以水力學(xué)知識(shí)背景為出發(fā)點(diǎn)的教學(xué)過程中也需要注意一些問題。一方面，教師要在開課之前必須對(duì)學(xué)生所掌握的知識(shí)背景進(jìn)行深入細(xì)致的了解，只有了解了學(xué)生的知識(shí)背景程度才能設(shè)計(jì)好課程教案；另一方面，教師必須全面而準(zhǔn)確地把握水力學(xué)課堂內(nèi)容，吃透教材，將課程內(nèi)容巧妙地與學(xué)生的知識(shí)背景聯(lián)系起來。

基金項(xiàng)目：南昌大學(xué)教改基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：NCUJG LX-13-1-88）

注釋

① 張鳴遠(yuǎn).對(duì)工科流體力學(xué)教學(xué)改革的一些思考[C].力學(xué)課程報(bào)告論壇論文集.高等教育出版社，2009：251-254.

② 禹華謙.工程流體力學(xué)（水力學(xué)）[M].西南交通大學(xué)出版社，2013.