環(huán)境科學(xué)專業(yè)水力學(xué)課程教學(xué)模式改革實(shí)踐

周勁風(fēng)　胡嘉鏜

[摘 要]水力學(xué)是環(huán)境科學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科，考慮到環(huán)境科學(xué)的專業(yè)特點(diǎn)以及與學(xué)生后續(xù)課程的銜接，水力學(xué)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該在傳統(tǒng)水力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上有所改革；為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，其教學(xué)模式也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)：包括利用網(wǎng)絡(luò)工具，設(shè)立微課堂，讓學(xué)生與教師有更多的互動(dòng)機(jī)會(huì)；設(shè)立小組討論學(xué)習(xí)模式，增強(qiáng)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中獲得專業(yè)知識(shí)的能力；引入國際優(yōu)秀的模擬仿真軟件和教材，擴(kuò)展學(xué)生的國際視野。

[關(guān)鍵詞]水力學(xué)；教學(xué)模式；環(huán)境科學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）12-0023-04

水力學(xué)是環(huán)境科學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課，因?yàn)樯婕按罅康挠?jì)算和力學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)，學(xué)生普遍反映比較難學(xué)；又由于實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排得比較少，學(xué)生對(duì)一些內(nèi)容也覺得抽象難以理解。已有不少教師進(jìn)行了關(guān)于水力學(xué)教學(xué)改革模式的研究，如孫楠等[1]借助現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以網(wǎng)絡(luò)教學(xué)交互視角為切入點(diǎn)建設(shè)高校水利專業(yè)基礎(chǔ)課水力學(xué)，基于學(xué)習(xí)主體、教學(xué)團(tuán)隊(duì)、教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)資源、教學(xué)政策五要素，剖析影響網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)效果的制約因素，構(gòu)建全方位- 多層次網(wǎng)絡(luò)教學(xué)體系，探究立體化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式。蘇偉等[2] 為了提高水力學(xué)課程的教學(xué)效果，探究新型教學(xué)模式在提高教學(xué)質(zhì)量方面的作用，在本科生的水力學(xué)教學(xué)中實(shí)施了基于SPOC 的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。結(jié)果表明：新型教學(xué)模式使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變成主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的自學(xué)創(chuàng)新能力，同時(shí)也將教師由教授型向引導(dǎo)型轉(zhuǎn)變，提高了教師的課程設(shè)計(jì)和思辨能力。李金燕[3]認(rèn)為，水力學(xué)是農(nóng)業(yè)水利工程、土木工程、交通工程等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，有著承上啟下的作用，是學(xué)好后續(xù)專業(yè)課的必備課程基礎(chǔ)，在整個(gè)課程體系里占據(jù)著十分重要的地位。然而，目前從全國范圍來說，水力學(xué)課程面臨共同的問題——學(xué)時(shí)壓縮，這就對(duì)教師的教學(xué)方法與手段提出了更高的要求。教師在對(duì)課程定位以及課程內(nèi)容在宏觀上有了明確的把握以后，要想在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)將課程重要的內(nèi)容傳授給學(xué)生，就需要對(duì)自己的教學(xué)方法與思路做出改進(jìn)。程浩亮等[4] 通過對(duì)水利類相關(guān)部門進(jìn)行聯(lián)系考察，遵守理論與實(shí)踐相統(tǒng)一以及適度適量原則，建議對(duì)教學(xué)大綱內(nèi)容進(jìn)行一定的修改，并對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適量選擇；在教學(xué)方法上，建議采用啟發(fā)式和講授式教學(xué)相結(jié)合、案例分析、多媒體動(dòng)畫以及分組教學(xué)法。劉貞姬等[5]通過總結(jié)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在現(xiàn)代教育理念的大背景下，一定的知識(shí)儲(chǔ)備、一些專業(yè)技能是完善教師自身素質(zhì)所必需的，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化多元教學(xué)模式，同時(shí)，避免按部就班、注重嘗試創(chuàng)新也應(yīng)該得到教師的重視。

環(huán)境科學(xué)是一門研究人類社會(huì)發(fā)展活動(dòng)與環(huán)境演化規(guī)律之間相互作用關(guān)系，尋求人類社會(huì)與環(huán)境協(xié)同演化、持續(xù)發(fā)展途徑與方法的科學(xué)。水是環(huán)境的一個(gè)重要的要素，水力學(xué)是研究水這種液體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程上的應(yīng)用。考慮到環(huán)境科學(xué)的專業(yè)特點(diǎn)以及與學(xué)生后續(xù)課程的銜接，水力學(xué)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該在傳統(tǒng)水力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上有所改革。同時(shí)，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，其教學(xué)模式也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)引進(jìn)當(dāng)代各種教學(xué)理念、方法和教學(xué)手段。

一、教學(xué)內(nèi)容改革

水文學(xué)、水力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)都是環(huán)境科學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課，這三門課程雖然名稱上相似，但研究?jī)?nèi)容各有側(cè)重：水文學(xué)主要研究水文循環(huán)運(yùn)動(dòng)中，從降水到徑流入海的這一段過程，包括河川徑流的基本概念、地面徑流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這是對(duì)水流現(xiàn)象的描述；水力學(xué)研究水的力學(xué)規(guī)律及其在工程上的應(yīng)用；環(huán)境水力學(xué)則是研究污染物在水中的遷移擴(kuò)散規(guī)律。開課的順序一般是水文學(xué)[→]水力學(xué)[→]環(huán)境水力學(xué)。隨著環(huán)境專業(yè)的教學(xué)改革，現(xiàn)在趨向于把前兩門課的內(nèi)容進(jìn)行壓縮，一些學(xué)院甚至取消了水文學(xué)或水力學(xué)的其中一門，這對(duì)于學(xué)生全面掌握水體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是不利的，對(duì)后續(xù)環(huán)境水力學(xué)的學(xué)習(xí)也會(huì)造成一定的影響。為了保證學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)水要素知識(shí)的完整性和連貫性，結(jié)合環(huán)境科學(xué)的特點(diǎn)，參考國外相關(guān)課程設(shè)置情況，筆者建議授課內(nèi)容可做如下調(diào)整：1.水靜力學(xué)；2.水動(dòng)力學(xué)；3.有壓管流；4.明渠流；5.滲流；6.水循環(huán)；7.流域與徑流計(jì)算。前面四章是傳統(tǒng)水力學(xué)的內(nèi)容，后面兩章是傳統(tǒng)水文學(xué)的內(nèi)容。通過這樣安排教學(xué)內(nèi)容，在相對(duì)有限的課時(shí)內(nèi)，學(xué)生對(duì)水的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，規(guī)律以及動(dòng)力就有了全面的了解，可為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。各章的主要內(nèi)容設(shè)置如下。

水靜力學(xué)包括靜力學(xué)基本方程、水頭與單位勢(shì)能的概念，平面與曲面壁上靜水總壓力的計(jì)算。水動(dòng)力學(xué)包括恒定總流的連續(xù)性方程、能量方程和動(dòng)量方程及實(shí)際工程應(yīng)用，層流和紊流的主要特征及其判別、阻力系數(shù)的變化規(guī)律和水頭損失的計(jì)算方法。有壓管流包括恒定總流的基本方程在簡(jiǎn)單管道及復(fù)雜管道水力計(jì)算中的應(yīng)用。明渠流包括明渠均勻流的特性、水力計(jì)算的基本公式，明渠漸變流水面曲線的定性分析。滲流包括滲流的達(dá)西定律、恒定均勻滲流和非均勻漸變滲流。水循環(huán)包括水文循環(huán)現(xiàn)象及水平衡。流域與徑流計(jì)算包括流域產(chǎn)匯流計(jì)算及徑流頻率分析。

這樣的安排從微觀到宏觀，從局部到總體，從機(jī)理到現(xiàn)象，使學(xué)生既能了解水體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力（規(guī)律），也能認(rèn)識(shí)水體的各種運(yùn)動(dòng)型態(tài)和現(xiàn)象，這對(duì)于全面了解“水”這一環(huán)境要素?zé)o疑是有益的。

二、教學(xué)方法改革

（一）利用網(wǎng)絡(luò)工具，設(shè)立微課堂，讓學(xué)生和教師有更多互動(dòng)的機(jī)會(huì)

微課堂是面對(duì)面教學(xué)的一個(gè)重要補(bǔ)充，同時(shí)也是提高教學(xué)效果的一個(gè)重要手段。微課堂以手機(jī)為載體，設(shè)置課前預(yù)習(xí)、課后答疑、作業(yè)展示、案例知識(shí)等環(huán)節(jié)，全過程配合課堂教學(xué)。課前預(yù)習(xí)是每次上課前教師提出預(yù)習(xí)作業(yè)，讓學(xué)生帶著問題去預(yù)習(xí)；課后答疑是隨機(jī)問答，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中或是在做作業(yè)時(shí)碰到的疑問都可隨時(shí)發(fā)問；作業(yè)解答包括對(duì)優(yōu)秀作業(yè)的展示，對(duì)一些難點(diǎn)的示范；案例主要是水力學(xué)知識(shí)在環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的一些應(yīng)用介紹，比如一些大型的引水工程、水庫建設(shè)、河流流域知識(shí)介紹等。微課堂的建設(shè)和應(yīng)用貫穿于整個(gè)教學(xué)中，師生雙方共同參與。

基于上述的思考，筆者借助微信平臺(tái)，申請(qǐng)微信公眾號(hào)“水力學(xué)微課”，采用固定菜單和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)推送結(jié)合的方式給學(xué)生提供學(xué)習(xí)信息。固定菜單設(shè)計(jì)三個(gè)主菜單，分別是課程思維導(dǎo)圖、課前預(yù)習(xí)與課后練習(xí)、作業(yè)精選。

思維導(dǎo)圖將每章的主要內(nèi)容和公式以框架圖顯示，這有助于學(xué)生了解該章的主要脈絡(luò)，抓住學(xué)習(xí)重點(diǎn)，也便于課后的復(fù)習(xí)總結(jié)。

課前預(yù)習(xí)和課后練習(xí)將在每章上課前后分別推出，作為學(xué)生預(yù)習(xí)思考解決的問題和課上小組討論回答的問題，如圖1所示。作業(yè)精選選取學(xué)生作業(yè)中作答清晰完整的作為示范，這一方面有助于學(xué)生間的相互學(xué)習(xí)，對(duì)于一些理解稍微慢一點(diǎn)的學(xué)生也有借鑒和幫助作用；另一方面也作為可加分項(xiàng)，對(duì)學(xué)生正面激勵(lì)。

實(shí)時(shí)推送包括與課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，課前預(yù)習(xí)、課后練習(xí)以及與課程學(xué)習(xí)相關(guān)的一些社會(huì)新聞。如圖2所示。

圖1 課前預(yù)習(xí)與課后習(xí)題推送頁面

圖2 相關(guān)知識(shí)點(diǎn)推送頁面

這個(gè)公眾號(hào)設(shè)立后，學(xué)生會(huì)定期收到預(yù)習(xí)推送，相關(guān)知識(shí)推送，作業(yè)及解答推送，同時(shí)班級(jí)還設(shè)置了微信群，針對(duì)一些難點(diǎn)進(jìn)行討論。這樣建立了一個(gè)快速反饋通道，學(xué)生有什么疑問都能得到有效的反饋，學(xué)習(xí)效果大大增強(qiáng)；有些學(xué)生雖然沒有參與討論，但從別人的討論中也獲得了很多信息。

（二）設(shè)立小組討論學(xué)習(xí)模式，增強(qiáng)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中獲得專業(yè)知識(shí)的能力

小組教學(xué)已廣泛應(yīng)用于世界各地各層次的教學(xué)中，其以對(duì)個(gè)人學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力的提高而聞名遐邇。由于本課程公式理論講解比較多，課時(shí)相對(duì)緊張，教師長(zhǎng)期采用集體課堂講授的方式，這導(dǎo)致出現(xiàn)一些兩極分化的現(xiàn)象。分組方式有隨機(jī)、指定、自愿三種方式，小組成績(jī)計(jì)入平時(shí)成績(jī)，小組得分環(huán)節(jié)包括課前預(yù)習(xí)的提問，指定章節(jié)的課堂展示，知識(shí)分享。小組學(xué)習(xí)貫穿整個(gè)學(xué)期教學(xué)中。

考慮到操作性以及穩(wěn)定性，對(duì)不同的班級(jí)雖然采用了不同的分組模式，比如隨機(jī)分組、自愿組合，但小組成員一個(gè)學(xué)期內(nèi)是固定的，這樣小組成員會(huì)有歸屬感和榮譽(yù)感。上課的時(shí)候小組成員須坐在一起，這樣便于交流和討論，布置一些展示作業(yè)的時(shí)候小組也是自行分工。經(jīng)過幾個(gè)班級(jí)的實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)小組學(xué)習(xí)模式的確會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，比起上課光聽教師講，小組討論學(xué)習(xí)方式會(huì)讓每個(gè)人的思維更加積極和活躍，因?yàn)橛懻摰臅r(shí)候需要有輸出，比起光聽課被動(dòng)的輸入而言，有輸出的學(xué)習(xí)效果肯定更好。

舉幾個(gè)小組討論的例子。在講解“紊流特征”這節(jié)課時(shí)，用普朗特動(dòng)量傳遞理論解釋紊流附加切應(yīng)力時(shí)，有一個(gè)小組討論題目：“附加切應(yīng)力的方向?yàn)槭裁春驼硿袘?yīng)力的方向一致？”這個(gè)問題綜合性很強(qiáng)，涉及液體的粘滯性、流速分布、時(shí)均流速、脈動(dòng)流速、瞬時(shí)流速、動(dòng)量定理等知識(shí)點(diǎn)，為了能夠在討論時(shí)表達(dá)出自己的觀點(diǎn)，每位學(xué)生一定要認(rèn)真看教材，綜合分析，追究細(xì)節(jié)，不能似是而非，模棱兩可。在學(xué)習(xí)“水面線定性分析”時(shí)，對(duì)于12種水面線的分析，教材有講解，學(xué)生理解起來也不困難，但要學(xué)生自己畫出水面線或者判斷水面線走勢(shì)，學(xué)生就會(huì)不知所措，不會(huì)應(yīng)用。這時(shí)，除了給學(xué)生講解一些實(shí)例外，還要給定特例讓他們小組討論，在討論過程中，他們對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)水面線的判讀會(huì)掌握得更牢固，理解得更深刻，遇到實(shí)際問題就有思路，能順利解決。

在小組學(xué)習(xí)過程中，很多學(xué)生都非常認(rèn)真地對(duì)待每一個(gè)討論的問題，精心準(zhǔn)備自己的每一次發(fā)言，同時(shí)也在其他同學(xué)的發(fā)言中學(xué)習(xí)和思考，這樣的學(xué)習(xí)方式很有效率。

（三）引入國際優(yōu)秀的模擬仿真軟件和教材，擴(kuò)展學(xué)生的國際視野

由于課時(shí)緊、內(nèi)容多，這門課的實(shí)習(xí)時(shí)間較少?？梢砸胍恍┏墒斓乃髂M仿真軟件彌補(bǔ)這方面的不足，比如丹麥的MIKE系列軟件可以模擬自然降雨-徑流-產(chǎn)流的整個(gè)過程，也可以模擬閘孔出流、堰流以及人工河渠水流運(yùn)動(dòng)，滑鐵盧大學(xué)的MODFLOW軟件可以模擬地下滲流的運(yùn)動(dòng)。這些仿真軟件可以使得學(xué)生對(duì)水流現(xiàn)象的起因和規(guī)律了解更加深入，學(xué)習(xí)效果倍增，同時(shí)也能激發(fā)他們的求知欲。同時(shí)，還可篩選國際優(yōu)秀原版英文教材，選取一些基本理論章節(jié)實(shí)施雙語教學(xué)，這樣可拓展學(xué)生國際視野，提高學(xué)生的國際專業(yè)交流能力。

比如MIKE 系列模型既可以模擬降雨徑流過程，如圖3所示，也可以模擬顯示一維、二維、三維水流動(dòng)畫。環(huán)境科學(xué)水力學(xué)課程內(nèi)容僅限于總流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究（一維情形穩(wěn)定狀態(tài)），這其實(shí)是水流運(yùn)動(dòng)形式的簡(jiǎn)化，引入MIKE 系列模擬仿真軟件可以展示水流的真實(shí)存在狀態(tài)，讓學(xué)生了解水流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性以及簡(jiǎn)化的條件，引發(fā)他們的好奇心，為學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

圖3 MIKE 模型模擬的水循環(huán)過程示意圖

英文教材篩選出John E.Gribbin編著的INTRODUCTION TO Hydraulics and Hydrology fundamental hydrodynamics部分章節(jié)[6]，以第4章為例，對(duì)比分析與中文教材相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容差異。這章的標(biāo)題是基礎(chǔ)水動(dòng)力學(xué)，介紹水流的類型，包括層流和紊流，穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流，均勻流和非均勻流；水頭的概念；質(zhì)量守恒和能量守恒方程；水頭損失，測(cè)壓管坡度；沿程水頭損失計(jì)算方法；流速流量的測(cè)定設(shè)備等。在中文教材里，這些知識(shí)分布在很多章節(jié)，每個(gè)點(diǎn)的介紹都很詳細(xì)，公式的推導(dǎo)、原理的介紹，概念的解析都很徹底。相比而言，這本外文教材簡(jiǎn)明扼要，以解決問題為導(dǎo)向，綜合性很強(qiáng)。通過對(duì)比學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解不同風(fēng)格的教材特點(diǎn)，體會(huì)不同的教學(xué)思路。

三、結(jié)論與展望

1.環(huán)境科學(xué)專業(yè)水力學(xué)課程內(nèi)容設(shè)置應(yīng)綜合考慮專業(yè)需求和知識(shí)的系統(tǒng)性，在課時(shí)有限和課程壓縮合并的壓力下，可以將水力學(xué)和水文學(xué)部分內(nèi)容整合，讓學(xué)生能系統(tǒng)掌握水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為后續(xù)課程打好基礎(chǔ)。

2.教學(xué)方法應(yīng)充分利用現(xiàn)代教學(xué)理念、方法和工具，加強(qiáng)教師與學(xué)生的互動(dòng)，增強(qiáng)教學(xué)中的及時(shí)反饋，通過啟發(fā)式教學(xué)和小組討論方式，提高學(xué)生的積極性與參與度，以達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

3.應(yīng)引入專業(yè)水流模擬軟件及國際教材，拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，挖掘他們的好奇心，以提升專業(yè)素質(zhì)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 孫楠，徐麗君，王子龍，等.基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的“水力學(xué)”教學(xué)模式研究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（ 農(nóng)林教育版），2016（5）：54-57.

[2] 蘇偉，張西平，胡寶月，等.基于SPOC 的“水力學(xué)”翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式探究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（ 農(nóng)林教育版），2017（2）：50-54.

[3] 李金燕.水力學(xué)課程教學(xué)模式的探索與改進(jìn)[J].中國教育技術(shù)裝備，2016（2）：77-79.

[4] 程浩亮，張慶文.基于多元化教學(xué)模式的水力學(xué)教學(xué)改革探究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（20）：114-115.

[5] 劉貞姬，劉煥芳，宗全利，等.“水力學(xué)”課程多元教學(xué)模式的應(yīng)用研究[J].新課程研究，2016（2）：15-17.

[6] John E.Gribbin.Introduction to Hydraulics and Hydrology with Applications for Stormwater Management Fourth Edition [M].Delhi：Cengage Learning India Private Limited，2014.

[責(zé)任編輯：陳 明]