基于解決復(fù)雜工程問題的水力學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐

王繼保，崔玉潔，劉 偉

（三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

水利工程要求工程師必須掌握扎實(shí)的工程技術(shù)基礎(chǔ)理論和規(guī)范，必須能將知識應(yīng)用于實(shí)際，將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力和實(shí)際貢獻(xiàn)率。為使學(xué)生在畢業(yè)后3～5年內(nèi)成長為卓越工程師，那么在學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生時不僅要使其掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且要使具有較強(qiáng)的解決復(fù)雜工程問題的能力。2016年我國正式成為國際工程教育《華盛頓協(xié)議》的成員國，標(biāo)志著我國工程教育向標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化發(fā)展[1-3]。三峽大學(xué)水利水電專業(yè)、水文與水資源工程專業(yè)、農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)先后通過工程教育認(rèn)證，對培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力有十分明確的要求。

《水力學(xué)》是水利水電工程、水文水資源專業(yè)、農(nóng)業(yè)水利工程、港口航道與海岸工程等水利類工程專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。該課程緊密結(jié)合水利工程實(shí)際，課程理論性強(qiáng)，實(shí)踐性強(qiáng)、運(yùn)用性強(qiáng)。

《水力學(xué)》課程通常安排在大學(xué)二年級進(jìn)行學(xué)習(xí)，此時學(xué)生沒有專業(yè)背景，缺乏對水利工程的認(rèn)識，學(xué)生因缺乏對工程的感性認(rèn)識，當(dāng)講到閘、泵、堰等工程概念時顯得茫然。很大程度上學(xué)生只能機(jī)械地接受，很難體會到所學(xué)理論在解決實(shí)際問題中的重要性，故而在遇到實(shí)際工程水力學(xué)問題時而不能靈活運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行應(yīng)用。

筆者認(rèn)真研究了水力學(xué)課程在水利工程師培養(yǎng)中的地位與作用，分析該課程與后續(xù)課程的關(guān)系，針對水力學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀和學(xué)生專業(yè)背景的缺乏，對提高學(xué)生的解決復(fù)雜工程問題能力進(jìn)行了課程教學(xué)探索。

1 精選內(nèi)容、打好基礎(chǔ)

結(jié)合水利類專業(yè)突出了工程應(yīng)用性強(qiáng)的內(nèi)容，強(qiáng)化了課程基本概念的理解和基本原理的應(yīng)用，弱化了基本原理的數(shù)理論證過程，刪除了與專業(yè)關(guān)系不大的內(nèi)容。在注意后續(xù)專業(yè)課需求的同時，在水力學(xué)課程的講授過程中還注意了將內(nèi)容劃分為專業(yè)基礎(chǔ)性理論與應(yīng)用和學(xué)科體系性理論兩部分。專業(yè)基礎(chǔ)性理論與應(yīng)用包括水力學(xué)的基本概念、基本原理、基本方程的物理意義以及它們在工程實(shí)際中的應(yīng)用。這部分是水力學(xué)課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)容。對于工科各專業(yè)來講，水力學(xué)系列課程的基本理論部分是相同的，但對不同的專業(yè)，其應(yīng)用部分則從教學(xué)內(nèi)容、例題到思考題與習(xí)題等都力求結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)有所側(cè)重。學(xué)科體系性理論包括水力學(xué)基本原理和基本方程的建立或其邏輯推導(dǎo)過程。從培養(yǎng)應(yīng)用型人才的角度而言，這部分應(yīng)作為訓(xùn)練學(xué)生邏輯性思維的主要內(nèi)容。關(guān)于這部分內(nèi)容的教學(xué)，我們以教師提示性講解為主，其中部分內(nèi)容在教師的指導(dǎo)下，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)完成。在該課程體系框架的指導(dǎo)下教學(xué)，使內(nèi)容講授主次分明，學(xué)生能夠較好地把握學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，并能較好地與后續(xù)專業(yè)課程銜接。

2 用“工程中的水力學(xué)”充實(shí)教學(xué)過程

從水利工程角度來說，工程中存在大量的水力學(xué)問題，實(shí)際工程中所遇到的水力學(xué)問題，都遵循著水力學(xué)中的普遍原理和基本規(guī)律。在教學(xué)中，我們將工程中水力學(xué)現(xiàn)象和問題進(jìn)行剖析，使學(xué)生們學(xué)過的理論概念更加深化。

在學(xué)習(xí)之初，我們就讓學(xué)生思考，在水利工程中會遇到的水力學(xué)問題有哪些，并組織學(xué)生分組討論。問題一提出，課堂氣氛頓時活躍起來，大家積極去思索。教師從中總結(jié)及提示，要從工程應(yīng)用和實(shí)際需求中去考慮。最后，將學(xué)生們討論的結(jié)果匯總分類，得到工程中的基本水力學(xué)問題是泄水建筑物的過流能力問題、建筑物受水流作用力問題、水流流態(tài)問題、水流的能量消耗問題等。這樣就使學(xué)生對水力學(xué)基本作用和功能有了工程認(rèn)識。

在學(xué)習(xí)中，也將部分內(nèi)容和工程問題直接聯(lián)系起來。如在講解第四章有壓管的恒定流，教材中很多例題采用是一般管道的概念和應(yīng)用，但是我們發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生并不能將管道的概念和應(yīng)用轉(zhuǎn)移到類似問題的水利工程中隧洞中去，所以我們在講解這部分內(nèi)容時，就直接將書中的管道變成隧洞，直接講有壓隧洞中的恒定流，使學(xué)生直接接受隧洞這一工程概念和學(xué)習(xí)隧洞水力學(xué)問題。再比如將第七章水躍和水利工程消力池的設(shè)計(jì)聯(lián)系起來，將孔口出流和底孔泄流聯(lián)系起來等。

由于將“工程中的水力學(xué)”充實(shí)了教學(xué)，使學(xué)生們在遇到了工程水力學(xué)問題時不在束手無策。實(shí)際工程水力學(xué)問題是復(fù)雜的、困難的。但只要我們平常在教學(xué)過程中，適當(dāng)和工程問題結(jié)合起來，就不僅可激發(fā)學(xué)生們對課程學(xué)習(xí)興趣，而且會逐漸培養(yǎng)他們自己解決工程中復(fù)雜問題的信心，對活躍思維、提高想象力，都有著積極作用。

3 加強(qiáng)工程水力學(xué)工程問題的縱橫聯(lián)系

水力學(xué)教學(xué)內(nèi)容包括地面水和地下水，管道水流和明渠水流，恒定流和非恒定流等各種工程水力學(xué)問題，內(nèi)容十分廣泛，實(shí)際上其各水力學(xué)問題客觀上存在著緊密的聯(lián)系，揭示并深刻認(rèn)識這種必然的內(nèi)在聯(lián)系，對學(xué)生們學(xué)習(xí)水力學(xué)和理解好工程水力學(xué)問題有十分重要的幫助。

我們在教學(xué)過程中，為使學(xué)生對工程水力學(xué)問題認(rèn)識系統(tǒng)化，加深對各類水力學(xué)問題的知識，我們努力引導(dǎo)學(xué)生去尋找各種水流之間的共同規(guī)律區(qū)別所在。比如，非恒定流是一種比較復(fù)雜的，具有普遍意義的水流運(yùn)動，我們從基本定義、方程推導(dǎo)、理論概念以及力學(xué)本質(zhì)，處處與恒定流作為對比，從而使學(xué)生比較深刻地掌握非恒定流的基本規(guī)律。我們還啟發(fā)學(xué)生將明渠水流與無壓滲流進(jìn)行對比，兩者的基本方程推導(dǎo)、阻力規(guī)律、水面曲線特征等一一作為對照研究。又比如，“水壓力”在水力學(xué)中是一個具有廣泛意義的問題，我們在本課程教學(xué)的后期，讓學(xué)生對壩體靜水壓力、管道中的水壓力、水工建筑物基礎(chǔ)下的水壓力作綜合分析，找出它們的共性和特性。如我們以“過水能力的含義”為題，要求學(xué)生聯(lián)系過的實(shí)際工程中管流、明渠流及堰閘出流等，做一番分析討論。學(xué)通過自己歸納總結(jié)，發(fā)表必得，教師一起參加討論，從不同的側(cè)面去弄清“過水能力”的意義。

通過這樣的教學(xué)，一方面使教學(xué)過程闡述得既生動又深刻，另一方面也增加了對工程水力學(xué)問題的認(rèn)識，加深了對水力學(xué)知識的理解和應(yīng)用。

4 引入工程實(shí)例進(jìn)行綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)

對水利類專業(yè)學(xué)生來說中，水力學(xué)要求是能應(yīng)用水力學(xué)基本理論和方法去解決工程的各種復(fù)雜工程水力學(xué)問題。然而由于工程實(shí)際中千變?nèi)f化的邊界條件和水流條件，水力計(jì)算中包含了眾多的經(jīng)驗(yàn)公式和各種系數(shù)，頭緒紛雜，往往令初學(xué)者抓不到關(guān)鍵，因而常出現(xiàn)用錯公式，圖表，造成計(jì)算結(jié)果的錯誤。我們對這部分內(nèi)容的教學(xué)，采用用實(shí)際工程實(shí)例訓(xùn)練使學(xué)生掌握水力學(xué)在工程問題中應(yīng)用。

我們通過和學(xué)生談話，對已經(jīng)畢業(yè)的學(xué)生回訪，確定學(xué)生對工程水力學(xué)計(jì)算比較經(jīng)難點(diǎn)主要集中在發(fā)下幾方面。隧洞過流能力、明渠天然河道水面線計(jì)算、溢洪道水力學(xué)計(jì)算等水力學(xué)問題。我們在課程快要結(jié)束時，安排一次綜合練習(xí)，從實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，抽出與水力學(xué)直接相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算問題，包括隧洞水力學(xué)計(jì)算，渠道及閘室水力學(xué)計(jì)算，溢洪道及消能的水力計(jì)算等。讓學(xué)生在老師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成。完成之前，首先與學(xué)生講解實(shí)例的來源及相關(guān)工程概況，使學(xué)生認(rèn)識到自己確實(shí)是解決一個工程問題，然后在學(xué)生完成的過程中，結(jié)合工程實(shí)際、設(shè)計(jì)要點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生以工程師的思路主動思考，查找技術(shù)參數(shù)，確定相關(guān)參數(shù)，一步一步完成最終任務(wù)。最終達(dá)到練習(xí)的目的，使學(xué)生將“學(xué)”與“用”有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生對知識的應(yīng)用有切實(shí)的體會。

5 結(jié)語

在水利工程中水力學(xué)知識應(yīng)用廣泛，水利工程的勘測、設(shè)計(jì)、施工、管理各個環(huán)節(jié)均需要解決大量水力學(xué)問題。水力學(xué)課程一個很鮮明的特點(diǎn)就是工程應(yīng)用性。水力學(xué)課程教學(xué)不僅是要求學(xué)生掌握有關(guān)水流的相關(guān)知識和概念，更重要的是學(xué)會運(yùn)用這些知識解決復(fù)雜工程實(shí)際問題。因此，在教學(xué)過程中，只有將理論和工程實(shí)際緊密結(jié)合，將書本上的知識和實(shí)際問題相對應(yīng)，提高學(xué)生工程應(yīng)用能力，才能使學(xué)生深刻全面地理解水力學(xué)內(nèi)涵，更好掌握課程的基本理論，使他們分析解決復(fù)雜工程問題的能力得到很好的培養(yǎng)。