基于工程專業(yè)認(rèn)證的河流動力學(xué)實驗教學(xué)改革研究

李建林 王心義 王 燕 林 云 佘加平

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.河南理工大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，河南 焦作 454000）

近年來，我國實施了一系列的高校本科教育教學(xué)改革舉措，積極推進(jìn)我國工程教育專業(yè)認(rèn)證就是其中一個很重要的措施。通過工程教育專業(yè)認(rèn)證，可以提高本專業(yè)在國內(nèi)同行的競爭力，幫助高校專業(yè)點建立健全高效的教學(xué)管理體系，提高工程教育人才培養(yǎng)對產(chǎn)業(yè)的適應(yīng)性，促進(jìn)我國工程教育參與國際交流，實現(xiàn)國際間本科教育的學(xué)位互認(rèn)[1]。但是，目前絕大多數(shù)的高校本科工程專業(yè)還沒有通過工程教育專業(yè)認(rèn)證，其原因應(yīng)該有兩個：一是認(rèn)證需要時間；二是有些專業(yè)自身存在諸多問題，即使申報也未必能夠通過認(rèn)證。所以，從管理部門到一線教師都在探索本科工程專業(yè)的教學(xué)改革，以期能早日通過工程教育專業(yè)認(rèn)證。

實驗是本科教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)造能力的主要手段[2]。以河流動力學(xué)實驗教學(xué)為研究對象，探索工程教育專業(yè)認(rèn)證下的專業(yè)課程實驗教學(xué)的改革，為我國高校本科教學(xué)水平的提高提供借鑒。

1. 河流動力學(xué)課程及其實驗教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 河流動力學(xué)課程概述

河流動力學(xué)課程是水文與水利工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，主要包括河道水流、泥沙運動、河床演變規(guī)律與模擬等方面的內(nèi)容，具有很強的理論性和經(jīng)驗性，同時又有明顯的交叉學(xué)科特點。

目前，我國在本科階段開設(shè)河流動力學(xué)課程的高校有近40所。不同高校的辦學(xué)層次、辦學(xué)條件和學(xué)科發(fā)展理念差異很大，導(dǎo)致對該課程的定位各不相同（有些高校設(shè)置為必修課，有些高校為選修課），因此，授課學(xué)時（包括實驗學(xué)時）也存在較大差異。整體而言，總學(xué)時為32~48學(xué)時，實驗學(xué)時為4~10學(xué)時。實驗內(nèi)容主要包括:（1）泥沙粒徑分析實驗；（2）泥沙起動實驗；（3）沙波運動實驗；（4）懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布實驗。

1.2 實驗教學(xué)中存在的共性問題

不同高校在河流動力學(xué)課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)采取了形式多樣的改革，取得了良好的教學(xué)效果，但與工程教育認(rèn)證的基本理念“以學(xué)生為中心，產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”[3]對比，還存在一些共性的問題。

（1）以上實驗大都已經(jīng)設(shè)計好實驗步驟，學(xué)生只需按部就班就能得到實驗結(jié)果，這與“以學(xué)生為中心”的理念對比，實驗過程學(xué)生思索問題少，缺乏主動性。

（2）實驗完成后，學(xué)生的確能掌握相關(guān)知識點的內(nèi)容，但與“產(chǎn)出導(dǎo)向教育”的理念對比，該實驗對培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)生畢業(yè)要求的支撐點是什么，還不夠明確。

（3）實驗結(jié)束后，學(xué)生提交了實驗報告就算完成了教學(xué)任務(wù)。與“持續(xù)改進(jìn)”的理念對比，沒有建立“評價—反饋—改進(jìn)”的閉環(huán)，未形成持續(xù)改進(jìn)的機制。

（4）“河工模型”不僅是河流動力學(xué)的基本內(nèi)容之一，也是水工專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)后，最有可能面臨的實際工作之一。但受到教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件、實驗場地等因素的限制，絕大部分高校在本科階段沒有開設(shè)與河工模型相關(guān)的實驗。

2. 基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的實驗改革

基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的實驗教學(xué)改革，首先是教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變，其次才是培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、課程體系、教學(xué)方式等的改變。

2.1 教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變

（1）由“掌握知識”到“培養(yǎng)能力”的轉(zhuǎn)變。近年來，我國提出了“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)＋”“一帶一路”等一系列的國家戰(zhàn)略。要實現(xiàn)這些戰(zhàn)略，就不能僅滿足于學(xué)生掌握課本知識，而需要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。目前，這個轉(zhuǎn)變大家已基本達(dá)成共識。

（2）由“成績合格”到“專業(yè)成就”的轉(zhuǎn)變。工程教育專業(yè)認(rèn)證考核的重點之一是學(xué)生在畢業(yè)后5年左右能夠達(dá)到的職業(yè)和專業(yè)成就，如何在學(xué)校教學(xué)中體現(xiàn)。也就是說，學(xué)生在學(xué)校的考試成績優(yōu)秀，而畢業(yè)5年后未取得相關(guān)職業(yè)和專業(yè)的成就，這種教育依然是失敗的。所以，從管理者到教師應(yīng)該思考，每門課的知識點如何對學(xué)生畢業(yè)提供支撐，而不再以學(xué)生考試成績合格為教學(xué)目標(biāo)。

2.2 實驗?zāi)康?/h3>

結(jié)合國家戰(zhàn)略和工程教育專業(yè)認(rèn)證，將河流動力學(xué)本科實驗?zāi)康拇_定為：通過實驗，在掌握基本知識點的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，為以后解決具體工程問題奠定基礎(chǔ)。

2.3 實驗內(nèi)容的選擇

泥沙運動是河流動力學(xué)的核心內(nèi)容，所以，泥沙粒徑分析實驗、泥沙起動實驗、沙波運動實驗和懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布等基本實驗不可或缺。

在興建涉水建筑物時，對于可能發(fā)生的河床變形，必須做出定性和定量的預(yù)測[4]。定量估算河床變形的方法主要有兩種：數(shù)值模擬和河工模型實驗。由于動床河工模型實驗更加接近河床變形的真實情況，在現(xiàn)實工程中被更多的采用。但動床河工模型實驗占地面積大、費用高、針對性強，所以，不宜作為本科階段的教學(xué)實驗，這就導(dǎo)致了“學(xué)”與“用”的脫節(jié)。如何選擇實驗內(nèi)容，既增加學(xué)生對水工模型的理解，為畢業(yè)后解決實際問題打下基礎(chǔ)，又能不增加實驗難度和實驗成本，是河流動力學(xué)課程實驗教學(xué)改革的突破口。

模型沙的選配是動床模型實驗成敗的關(guān)鍵[3]，而且在模型率定過程中，泥沙的粒徑比尺和密度比尺不能更改。所以，確定模型沙的粒配曲線、模型沙的起動速度、推移質(zhì)輸沙率與沙波特征分析對于模型沙的選配具有重要意義。而這些內(nèi)容大部分可在現(xiàn)有實驗條件下完成，由此確定河工模型實驗內(nèi)容：模型沙粒徑分析、起動和沙波運動。

所以，選擇這幾個知識點與動床水工模型相結(jié)合，構(gòu)建兩個綜合實驗：⑴彎道兩岸泥沙與模型沙粒徑分析實驗；⑵泥沙與模型沙起動、沙波運動實驗。

實驗對應(yīng)的知識點：⑴通過彎道兩岸泥沙與模型沙粒徑分析實驗，確定河床泥沙及模型沙的干容重、d50、dpj等特征值；掌握粒配曲線繪制方法及曲線所反映的泥沙特征；判別彎道河床凹岸、凸岸泥沙特征值的差異，掌握河床演變分析方法和蜿蜒型河床演變特征；了解模型沙收集、制作方法，對比與河道泥沙特性的異同點；掌握河工模型垂向長度比尺、沉速比尺的確定方法。⑵通過泥沙與模型沙起動、沙波運動實驗，掌握判別泥沙起動的方法、了解沙波運動變化過程；對比模型沙與河道泥沙起動、沙波運動的異同點，掌握河工模型時間比尺、垂向長度比尺、流速比尺、糙率比尺的確定方法。

2.4 實驗準(zhǔn)備及注意事項

對照工程教育認(rèn)證的“以學(xué)生為中心”和“產(chǎn)出導(dǎo)向”兩大理念，在實驗的準(zhǔn)備階段要充分調(diào)動學(xué)生的積極性。

（1）在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，老師對實驗涉及到的知識點的講解適量增加案例分析和課程思政的內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；實驗前，老師列出相關(guān)文獻(xiàn)范圍，督促學(xué)生查閱，以明確實驗與畢業(yè)后職業(yè)工作的關(guān)系，提高學(xué)生的積極性和主動性；與學(xué)生一起討論，分析實驗過程應(yīng)該注意的環(huán)節(jié)。學(xué)生則需要通過老師的課堂講解和自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)，明確實驗的意義、期望達(dá)到的目標(biāo)和實驗步驟，制定詳細(xì)的取樣、實驗計劃。

（2）泥沙與模型沙的準(zhǔn)備。在保證安全的基礎(chǔ)上，由學(xué)生在課余時間自行完成河床泥沙與模型沙的準(zhǔn)備。

①河床泥沙的準(zhǔn)備?？稍趯W(xué)校附近的河灣斷面處采集，考慮到室內(nèi)實驗設(shè)備的限制，泥沙粒徑不宜太大（以推移質(zhì)為主）。采集過程將學(xué)生分成2組，各組分別在同一斷面的凹岸和凸岸采集。泥沙取樣后，在室內(nèi)進(jìn)行分組烘干備用。

②模型沙的準(zhǔn)備。通常采用輕質(zhì)沙作為模型沙，科研過程中采用粉煤灰的效果較好[4]?？膳c學(xué)校后勤處協(xié)調(diào)，采集學(xué)校鍋爐房的細(xì)煤灰備用。

（3）實驗設(shè)備

①粒徑分析實驗。由于一般實驗室標(biāo)準(zhǔn)篩最小孔徑為0.074 mm，所以，粒徑在0.074 mm以下的泥沙和模型沙須采用水析沉降法進(jìn)行。實驗設(shè)備除標(biāo)準(zhǔn)篩、電子天平外，還需準(zhǔn)備玻璃粒徑計分析管、分析杯、溫度計、干燥箱、秒表、橡皮塞等。

②泥沙與模型沙起動、沙波運動實驗。準(zhǔn)備水槽、穩(wěn)壓水箱、變頻離心泵、量水堰、進(jìn)水水閥、固定測針、活動測針桁及測針、尾門、平水柵等。

（4）實驗過程注意事項

①粒徑分析實驗。泥沙(模型沙)粒徑很小時，沉降速度緩慢、泥沙含量小。所以，觀測過程要有耐心，稱重過程要仔細(xì)核對。

②泥沙與模型沙起動、沙波運動實驗。對泥沙起動過程的弱動、中動、普動的含義通過實驗加深理解；上、下游閥應(yīng)分別有人控制并密切配合，閥門的開啟不能過快；隨著水流速度的增加，沙波形態(tài)會發(fā)生變化，要注意記錄相應(yīng)的時間、水位、流速，最好采用手機拍攝各狀態(tài)，以便對比。

（5）實驗結(jié)果分析及其拓展

在掌握基本知識點的基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生思考回答以下問題:①如果凹岸、凸岸泥沙特征存在差異，原因是什么？如果差異不明顯，問題在哪里？②將實測起動流速與張瑞謹(jǐn)、沙莫夫、崗卡洛夫等人的泥沙起動流速公式的計算結(jié)果進(jìn)行對比，分析出現(xiàn)差異的原因；差異過大，應(yīng)重新進(jìn)行實驗。③假定水平比尺和垂直比尺給定，依照動床模型設(shè)計步驟，能否確定其他相關(guān)比尺？

2.5 實驗后對老師和學(xué)生的要求

對照工程教育認(rèn)證的“持續(xù)改進(jìn)”的理念，在實驗結(jié)束后，老師應(yīng)該分兩個階段與學(xué)生進(jìn)行討論：一是實驗剛結(jié)束時，總結(jié)學(xué)生實驗過程的優(yōu)缺點；二是在實驗報告提交后，對報告中存在的問題進(jìn)行疏導(dǎo)與糾正，力爭做到教學(xué)效果的持續(xù)改進(jìn)。學(xué)生則在在回顧總結(jié)的基礎(chǔ)上，盡快完成實驗報告及老師提出的思考問題，遇到困難及時與老師進(jìn)行溝通解決。

2.6 考核方式

針對工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，重點考察學(xué)生能力的培養(yǎng)與提高，所以，在實驗成績的確定上，不僅要看實驗結(jié)果是否正確(實驗報告)，還要對學(xué)生實驗前期文獻(xiàn)閱讀、實驗準(zhǔn)備和實驗結(jié)束后對實驗的思考和拓展進(jìn)行考核(這兩部分也需要學(xué)生提交書面報告)?？己顺煽兊臉?gòu)成見表1。

表1 實驗成績構(gòu)成

3. 實驗的創(chuàng)新及實施成果

3.1 實驗的創(chuàng)新點

（1）實驗內(nèi)容的創(chuàng)新。將河流動力學(xué)重點內(nèi)容之一“河工模型”融入到實驗中來，與其他常規(guī)實驗組合形成了兩個多目標(biāo)的綜合實驗，加深了學(xué)生對河工模型和河床演變的理解。

（2）實驗過程的創(chuàng)新。讓學(xué)生自己動手準(zhǔn)備實驗用沙；查閱文獻(xiàn)、自己動腦確定實驗步驟，分析實驗結(jié)果。學(xué)生參與到實驗的全過程，加強了學(xué)生在畢業(yè)后處理實際工程問題的能力。

（3）考核方式的創(chuàng)新。通過提交報告的形式量化實驗前后學(xué)生對實驗的設(shè)計與思考，將實驗的全過程納入到考核體系，督促學(xué)生認(rèn)真對待實驗的每一個環(huán)節(jié)。這在潛移默化中，也培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。

3.2 實施成果

河南理工大學(xué)于1960年設(shè)立水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，2004年設(shè)立水文與水資源工程專業(yè)。雖然河南理工大學(xué)是一所以礦業(yè)、地質(zhì)為主要特色的省屬高校，但自水文與水資源工程專業(yè)設(shè)立以來，河流動力學(xué)課程一直設(shè)置為專業(yè)必修課。特別是2012年，水文及水資源工程專業(yè)成為校級重點學(xué)科后，水文系加強了與高水平大學(xué)水文專業(yè)的交流，加大了課程改革的探索，河流動力學(xué)課程的實驗也由原來的4學(xué)時增加到8學(xué)時，實驗內(nèi)容設(shè)置為以上兩個綜合實驗。

隨著實驗學(xué)時的增加和實驗內(nèi)容的改革，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情顯著提高，學(xué)習(xí)成績、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力都有了長足的進(jìn)步。

（1）學(xué)習(xí)成績顯著提高。與2013級、2014級相比，2015級、2016級學(xué)生河流動力學(xué)課程成績在70分以下的比例明顯減少，70—90分的比例顯著增加，成績整體提升，成績分布也更為合理（圖1）。

圖1 2016—2019學(xué)年河流動力學(xué)成績分布

（2）參與創(chuàng)新實踐的學(xué)生人數(shù)大幅增加，學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力有了顯著提升。

隨著學(xué)習(xí)成績的提高，學(xué)生參與創(chuàng)新實踐的積極性也顯著增加。近5年來，水文專業(yè)的學(xué)生踴躍申報全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃，目前已完成5項，部分成果在CSCD核心期刊發(fā)表[5]。

自2015年起，水文專業(yè)的同學(xué)積極報名參加全國大學(xué)生水利創(chuàng)新設(shè)計大賽。目前，已有8支隊伍40多名本科生參加比賽，獲得一等獎1項，二等獎3項，優(yōu)勝獎4項；1名同學(xué)獲2016年全國水利院校十佳未來水利之星提名獎；參加全國“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技作品競賽也取得較好的成績。

4. 結(jié)語

恰當(dāng)?shù)膶嶒灲虒W(xué)是提高學(xué)生創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜問題的高效快捷的途徑[2]。對照工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，結(jié)合各高校河流動力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，總結(jié)了河流動力學(xué)實驗環(huán)節(jié)存在的主要問題。從教學(xué)理念、實驗?zāi)康?、學(xué)時安排、實驗準(zhǔn)備、內(nèi)容選擇、實驗過程、考核方式等方面進(jìn)行有針對性的分析、論述，提出了河流動力學(xué)實驗設(shè)計改革方案。該方案選擇5個重要的知識點與動床水工模型相結(jié)合，構(gòu)建了兩個綜合實驗。實驗緊密結(jié)合教學(xué)重點內(nèi)容展開，以解決復(fù)雜問題能力的提高為核心，以畢業(yè)后取得的職業(yè)成就為目標(biāo)。期望本文能為相關(guān)高校本科教學(xué)改革和工程教育專業(yè)認(rèn)證提供有益的借鑒。