基于一流課程建設(shè)的水力學(xué)全時(shí)程教學(xué)探索

李 娟，馬 軼

（寧夏大學(xué) a.土木與水利工程學(xué)院；b.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心；c.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，寧夏 銀川 750021）

引言

2019年，教育部印發(fā)的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》中明確提出，課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。要求夯實(shí)基層教學(xué)組織，提高教師教學(xué)能力，完善以質(zhì)量為導(dǎo)向的課程建設(shè)激勵(lì)機(jī)制，形成多類型、多樣化的教學(xué)內(nèi)容與課程體系［1］，從而構(gòu)建更高水平的人才培養(yǎng)體系。

水力學(xué)是力學(xué)的分支，主要研究以水為代表的液體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程中的應(yīng)用［2］。“水力學(xué)”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是水利工程及其相關(guān)專業(yè)重要的核心課程；是銜接基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程間的重要橋梁，也是學(xué)習(xí)專業(yè)課程、解決工程中的水力學(xué)問題、構(gòu)建專業(yè)邏輯思維、從事科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。課程內(nèi)容在城市建設(shè)、環(huán)境保護(hù)、機(jī)械制造、水文預(yù)報(bào)、交通航運(yùn)甚至醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握水力學(xué)的基本概念、基本理論，構(gòu)建水力學(xué)知識(shí)體系，具備解決專業(yè)相關(guān)問題的分析、設(shè)計(jì)、建模能力，并能進(jìn)行相關(guān)研究［3］。在新時(shí)代、新形勢(shì)、新要求下，對(duì)“水力學(xué)”課程的教學(xué)方法、教學(xué)形式與課程考核進(jìn)行了總結(jié)，并不斷探索，以期激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果，為培養(yǎng)高質(zhì)量人才、實(shí)現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)打下基礎(chǔ)。

一、“水力學(xué)”課程的開設(shè)情況

“水力學(xué)”課程是面向水利水電工程、農(nóng)業(yè)水利工程、土木工程、交通工程、港口與航道工程、水文水資源工程、環(huán)境工程、給水排水工程等專業(yè)開設(shè)的本科生課程。目前高校中的“水力學(xué)”課程大多開設(shè)在二、三年級(jí)，根據(jù)專業(yè)需求設(shè)置“水力學(xué)1/2”“流體力學(xué)1/2”“水力學(xué)A”“基礎(chǔ)水力學(xué)”“專門水力學(xué)”等具體課程，在一個(gè)學(xué)期或兩個(gè)學(xué)期內(nèi)完成相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，在掌握基礎(chǔ)內(nèi)容、經(jīng)典理論的前提下，不同專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求、教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)略有不同。

二、“水力學(xué)”課程的教學(xué)特點(diǎn)及難點(diǎn)

高度凝練總結(jié)課程的教學(xué)特點(diǎn)，才能有的放矢地提出高效的教學(xué)思路與方法。依據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與工作總結(jié)，筆者認(rèn)為“水力學(xué)”課程主要有以下特點(diǎn)及難點(diǎn)。

（一）學(xué)習(xí)基礎(chǔ)要求高

“水力學(xué)”是一門對(duì)基礎(chǔ)課程要求較高的課程。學(xué)生只有較好地掌握難度相對(duì)較大的課程，比如“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”等課程的相關(guān)內(nèi)容后，才能更好地、更靈活地將其應(yīng)用到“水力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐中。

（二）教學(xué)時(shí)間有限，教學(xué)內(nèi)容多

結(jié)合學(xué)生多元化的培養(yǎng)要求及本科生培養(yǎng)方案，各學(xué)校設(shè)置的“水力學(xué)”課程的學(xué)時(shí)數(shù)均相對(duì)有限。相關(guān)高校“水力學(xué)”課程的學(xué)分、學(xué)時(shí)安排如下：“水力學(xué)”課程為4.5～5.5學(xué)分，72～88學(xué)時(shí)。在一學(xué)期或兩個(gè)學(xué)期的有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，需要完成緒論、水靜力學(xué)、液體運(yùn)動(dòng)的流束理論與流場(chǎng)理論、液流運(yùn)動(dòng)的型態(tài)及水頭損失、有壓管道的恒定流與非恒定流、明渠恒定均勻流與非均勻流、滲流、堰流及閘孔出流、水流的銜接與消能等內(nèi)容的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，且無單獨(dú)的課程設(shè)計(jì)安排與專門訓(xùn)練時(shí)間，因此對(duì)于教師和學(xué)生而言，均是“時(shí)間緊、任務(wù)重”的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)［4］。

（三）公式多、推導(dǎo)過程復(fù)雜且應(yīng)用難度較大

“水力學(xué)”課程中公式繁多、推導(dǎo)過程復(fù)雜且應(yīng)用難度較大［5］。如最基礎(chǔ)的連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程的推導(dǎo)過程，涉及物理學(xué)中的能量、動(dòng)量守恒定律，在推導(dǎo)微小流束理想液體的理論公式的基礎(chǔ)上，引入相應(yīng)的修正系數(shù)，才可得出實(shí)際液體總流尺度的“三大方程”，并且運(yùn)用方程解決問題時(shí)的應(yīng)用條件及注意事項(xiàng)較多；在進(jìn)行液流水頭損失計(jì)算時(shí)，既要考慮不同型態(tài)（層流/湍流不同區(qū)）下水頭損失計(jì)算公式的推導(dǎo)，又需熟知不同情況下經(jīng)驗(yàn)公式的使用條件；在液體運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)理論中，連續(xù)性方程、N-S方程的推導(dǎo)過程復(fù)雜且不易理解，邊界條件確定分析較難，應(yīng)用求解難度也較大，因此公式的學(xué)習(xí)運(yùn)用對(duì)學(xué)生在課下的自學(xué)與總結(jié)提出了較高的要求。

（四）圖形理解及分析要求高

“水力學(xué)”課程中的部分內(nèi)容需配合圖形進(jìn)行理解掌握才可加以使用，如靜水壓強(qiáng)分布圖、壓力體圖、能量方程中各項(xiàng)能量的圖示分析、恒定非均勻漸變流水面曲線繪制、斷面比能曲線、水躍函數(shù)曲線、地下河槽恒定非均勻漸變流浸潤線圖等，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，因此需聯(lián)系理論，分析實(shí)際工程，方能掌握。

（五）理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐的聯(lián)系相對(duì)薄弱

“水力學(xué)”課程內(nèi)容和工程實(shí)踐與應(yīng)用的聯(lián)系極為緊密。課程多開設(shè)在第二學(xué)年，學(xué)生尚未開展相關(guān)的工程實(shí)踐與認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，對(duì)實(shí)際生活中見到較少的堰、閘門、泄水建筑物等工程的概念及認(rèn)知較少，因此很難將課程內(nèi)容與實(shí)際工程聯(lián)系起來，學(xué)習(xí)與應(yīng)用有一定的難度。

三、基于一流本科課程建設(shè)的“水力學(xué)”課程全時(shí)程教學(xué)探索

在傳統(tǒng)教學(xué)任務(wù)及要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合一流課程“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性”的建設(shè)原則，對(duì)照“水力學(xué)”課程樹立工匠精神及工程師的社會(huì)責(zé)任感，掌握基本理論和運(yùn)用基本知識(shí)分析解決水力學(xué)問題，構(gòu)建工科邏輯思維并解決實(shí)際工程問題，培養(yǎng)兼具綜合分析與團(tuán)隊(duì)協(xié)作的創(chuàng)新思維能力的具體目標(biāo)，同時(shí)對(duì)“水力學(xué)”課程的全時(shí)程教學(xué)進(jìn)行探索。

（一）任課教師的提前介入及課程導(dǎo)入

依據(jù)目前的課程開設(shè)情況與教學(xué)模式，第一堂課基本是任課教師和學(xué)生的首次見面，也是課程教學(xué)活動(dòng)中的重要起點(diǎn)，直接關(guān)系師生關(guān)系的確立發(fā)展和課程教學(xué)效果的實(shí)施。為了增加師生間的了解和互信，教師可以通過本科生導(dǎo)師制、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、科學(xué)研究、卓越工程師等多種途徑進(jìn)行師生交流。教學(xué)活動(dòng)正式開展后，繼續(xù)加強(qiáng)師生交流，教師可以其道德情操、人格魅力及系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)獲得學(xué)生的尊重和認(rèn)可，學(xué)生“親其師”，進(jìn)而“信其道”，教學(xué)才可取得事半功倍的效果。

（二）教學(xué)內(nèi)容及形式的設(shè)計(jì)

1.教學(xué)內(nèi)容的針對(duì)性設(shè)計(jì)。根據(jù)專業(yè)的不同，“水力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容也有所不同。如土木工程、交通工程、工程管理等專業(yè)開設(shè)了“水力學(xué)1”（基礎(chǔ)水力學(xué)）課程，課程內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單；而水利水電工程、水文學(xué)及水資源、港口工程、給排水工程等專業(yè)除了開設(shè)“水力學(xué)1”課程外，還需開設(shè)“水力學(xué)2”（專門水力學(xué)）課程。因此，針對(duì)不同專業(yè)，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)應(yīng)有所側(cè)重，不能完全限于本專業(yè)的相關(guān)內(nèi)容，需根據(jù)課程內(nèi)容的新發(fā)展，對(duì)知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充與更新。

2.教學(xué)形式的創(chuàng)新與綜合。目前的水力學(xué)教學(xué)工作，多以“多媒體+傳統(tǒng)板書”的理論授課結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作的形式進(jìn)行。應(yīng)根據(jù)一流學(xué)科“多類型、多樣化的教學(xué)內(nèi)容與課程體系”目標(biāo)，創(chuàng)新多種教學(xué)方法及混合教學(xué)形式，可結(jié)合精品課程、在線課程、慕課、學(xué)習(xí)通、雨課堂、騰訊課堂、學(xué)習(xí)強(qiáng)國［6］等多種形式進(jìn)行線上線下融合教學(xué)，設(shè)置課堂簽到、問題搶答、彈幕回饋等環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)夯實(shí)基礎(chǔ)、線上教學(xué)提升學(xué)生能力與個(gè)性化培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。

（三）構(gòu)建興趣性活躍課堂，打破單純“教與學(xué)”的模式

開設(shè)“水力學(xué)”課程時(shí)，學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容、規(guī)律概念的認(rèn)知較少，同時(shí)，由于尚未開展教學(xué)實(shí)習(xí)，對(duì)工程認(rèn)知更是空白，因此如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性顯得尤為重要。學(xué)生的興趣是課堂氣氛與教學(xué)效果的興奮劑。充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性，能激發(fā)教師的講課熱情與激情，打破“教師講、學(xué)生聽”的被動(dòng)局面，實(shí)現(xiàn)課堂內(nèi)容入腦入心。因此，在適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容中有機(jī)融入興趣元素與工程實(shí)例極為重要。如講到曲面受壓的壓力體，可結(jié)合中學(xué)物理學(xué)過的阿基米德定律，使學(xué)生明白階段性學(xué)習(xí)間的聯(lián)系；講到堰流，可配合位于四川省被譽(yù)為“世界水利文化鼻祖”的都江堰的工程建設(shè)情況、運(yùn)行管理及文化旅游宣傳，引發(fā)學(xué)生對(duì)堰的濃厚興趣，提高課堂的關(guān)注度；在講到寬頂堰由于水頭損失及動(dòng)能增大產(chǎn)生位置勢(shì)能降低的現(xiàn)象時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)厍劳ㄟ^某交通橋上游設(shè)置的底坎以降低渠道水位的實(shí)例，對(duì)比渠道通水和未通水時(shí)期的底坎及水位降落情況，使學(xué)生更加形象深入地理解能量間的轉(zhuǎn)化；講到滲流，可列舉饅頭浸泡在牛奶中的實(shí)例，將枯燥不易理解的書本知識(shí)具象化、生活化，讓學(xué)生明白滲潤、滲透、滲漏的不同階段，并能直接建立關(guān)于浸潤線、浸潤面的相關(guān)概念。同時(shí)，結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容實(shí)時(shí)更新教學(xué)工程案例，加入我國三峽大壩、小浪底工程、南水北調(diào)等水利工程方面的重大突破與成就，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和專業(yè)使命感，實(shí)現(xiàn)課程思政的教學(xué)思路。

（四）探索性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是水力學(xué)教學(xué)中的重要組成部分，約占總學(xué)時(shí)的20%，是加深學(xué)生認(rèn)識(shí)現(xiàn)象、熟悉規(guī)律、理論聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力及獨(dú)立思考能力的重要環(huán)節(jié)。目前的實(shí)驗(yàn)形式多是對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組后，結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象演示及規(guī)律的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)成果多以包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式呈現(xiàn)，并進(jìn)行考核。

為了提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性、主動(dòng)性，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的，可在實(shí)驗(yàn)前期播放相關(guān)的實(shí)驗(yàn)視頻資料，將學(xué)生的思緒引入實(shí)驗(yàn)，讓其帶著問題進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)區(qū)域，針對(duì)學(xué)生的不同層次開設(shè)小型的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其思考、創(chuàng)新、動(dòng)手及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，并鼓勵(lì)其參加相關(guān)的創(chuàng)新競(jìng)賽。另外，實(shí)驗(yàn)完成后，在學(xué)生尚未離開實(shí)驗(yàn)室之前，應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)觀測(cè)處理、設(shè)備及相關(guān)規(guī)律、拓展內(nèi)容思考等內(nèi)容的口試與抽查等多樣化的考核與測(cè)試，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核機(jī)制，構(gòu)建由實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫（40%）、實(shí)驗(yàn)過程反思與答辯（40%）、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（20%）的實(shí)驗(yàn)成績(jī)體系，促使每一位學(xué)生都能認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)，并主動(dòng)思考、系統(tǒng)學(xué)習(xí)，這樣既能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的，又能鼓勵(lì)高層次學(xué)生展現(xiàn)創(chuàng)新能力，從而高質(zhì)量完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，真正實(shí)現(xiàn)“課程優(yōu)起來、教師強(qiáng)起來、學(xué)生忙起來、管理嚴(yán)起來、效果實(shí)起來”的一流課程建設(shè)目標(biāo)。

（五）多樣化、高階型的全時(shí)程考核評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

課程考核是階段性檢驗(yàn)教學(xué)效果、實(shí)施教學(xué)反思的重要途徑。目前的考核成績(jī)多由平時(shí)考核（考勤、作業(yè)）、實(shí)驗(yàn)考核及期末考試等形式構(gòu)成，但是由于教學(xué)時(shí)間有限，考核形式相對(duì)簡(jiǎn)單，因此其促進(jìn)教學(xué)、提升教學(xué)質(zhì)量的目的還需進(jìn)一步深化。為了豐富教學(xué)內(nèi)容及形式，實(shí)現(xiàn)“水力學(xué)”課程的專業(yè)核心教學(xué)目的，進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)更高層次的人才，實(shí)行多樣化、高階型的全時(shí)程考核評(píng)價(jià)體系尤為必要。

1.多樣化的考核形式。在常規(guī)考核的基礎(chǔ)上，結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置多樣化題庫，分章節(jié)、知識(shí)點(diǎn)、課程主線、課程應(yīng)用等模塊進(jìn)行線上線下的綜合考核，便于及時(shí)反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及存在的問題，并作為教學(xué)調(diào)整的重要依據(jù)。

2.基于高階要求的考核內(nèi)容。在掌握課程基礎(chǔ)內(nèi)容及應(yīng)用的同時(shí)，設(shè)置章節(jié)思維導(dǎo)圖、課程自我總結(jié)梳理、微型課程設(shè)計(jì)、課程前沿應(yīng)用、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等考核內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，實(shí)現(xiàn)自我挑戰(zhàn)，從而訓(xùn)練學(xué)生的高階學(xué)習(xí)能力，優(yōu)化學(xué)習(xí)梯隊(duì)。

結(jié)語

基于優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與課程體系、構(gòu)建高水平人才培養(yǎng)體系等一流課程的建設(shè)目標(biāo)，總結(jié)歸納了“水力學(xué)”課程教學(xué)的特點(diǎn)及困難，對(duì)教學(xué)過程中課程內(nèi)容的針對(duì)性設(shè)計(jì)、教學(xué)形式的創(chuàng)新，以及綜合、興趣性活躍課堂的構(gòu)建、探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程、多樣化及高階型的考核評(píng)價(jià)體系等內(nèi)容進(jìn)行了全時(shí)程教學(xué)探討，從而提升了教學(xué)質(zhì)量與效果，滿足了新時(shí)代、新形勢(shì)下的教學(xué)新要求，并為相關(guān)專業(yè)課程的建設(shè)提供了借鑒。