羅明漢，許加星，徐文杰

(南京工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京)

一 引言

水力學(xué)是工科院校環(huán)境工程專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有很強的理論性、抽象性和實踐性。所以、歷屆學(xué)生對于該門課程表示不易理解、難學(xué)，使得學(xué)生們對該課程的學(xué)習(xí)興趣不大、積極性不高。鑒于此，怎樣從課程本身的性質(zhì)和特點著手，變抽象為簡單，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，從根本上改變學(xué)生對這門課程的認(rèn)識和理解，從而增強教學(xué)效果是每一位從事水力學(xué)教學(xué)工作的教師應(yīng)深思的問題。

二 水力學(xué)課程的特點

水力學(xué)是力學(xué)的一個分支，其研究對象是以水為主的液體，學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括液體的平衡規(guī)律和運動規(guī)律[1]。在南京工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，水力學(xué)通常開設(shè)于環(huán)境工程專業(yè)和水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大學(xué)二年級階段。在教學(xué)過程中，大多數(shù)學(xué)生對水力學(xué)的評價是“難學(xué)”，之所以會有如此評價，主要是因為水力學(xué)具有以下特點。

（一） 理論性強

水力學(xué)的研究以水為代表，由靜態(tài)到動態(tài)，由作用力到能量，使水力學(xué)區(qū)別于其他力學(xué)內(nèi)容的特殊性，決定了水力學(xué)課程的教授具有較大的難度[2]。學(xué)習(xí)該課程的過程中遇到較多的理論公式，都是在一定的前提條件下推導(dǎo)而得出的，且推導(dǎo)過程復(fù)雜，涉及到高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理和理論力學(xué)中的知識。將理論知識應(yīng)用于實際工程時又引出了大量的經(jīng)驗公式和常數(shù)，往往讓學(xué)生迷茫到不知所措。

（二） 實踐性強

水力學(xué)課程具有很強的實踐性，該課程中的諸多知識點都是從實際生活和生產(chǎn)、工程當(dāng)中總結(jié)、抽象獲得的，而得到的諸多理論公式和經(jīng)驗公式還能指導(dǎo)實際生產(chǎn)和生活、工程中的諸多問題[2]。另外，水力學(xué)課程作為一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，在水污染控制工程、給水工程和管網(wǎng)設(shè)計等后續(xù)環(huán)境工程專業(yè)的專業(yè)課程中都有大量的應(yīng)用。

（三） 抽象性強

抽象性強也是水力學(xué)課程中的一個典型特點，如果教師沒有找到合適的教學(xué)方法加以引導(dǎo)便會影響學(xué)生們的理解不夠清晰。該課程中涉及到的大部分生疏的名詞、概念等都在過去的課程或生活中聞所未聞的，比如對于使用數(shù)學(xué)知識描述液體的拉格朗日與歐拉的研究方法，以本科生所掌握的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來理解起來還是比較吃力的、還要結(jié)合抽象能力去理解。還有恒定流、均勻流和流線、跡線等方面的內(nèi)容同樣要求很好地將抽象能力和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有效結(jié)合才能在一定程度上得到認(rèn)識。

三 我校水力學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀及問題

目前我校仍使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法對環(huán)境工程專業(yè)和水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生教授水力學(xué)課程，因此存在如下的一些問題。

（一） 水力學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

水力學(xué)是我校給大二(水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)系)學(xué)生第二學(xué)期和大三(環(huán)境工程系)第一學(xué)期開設(shè)的課程，從學(xué)科角度上看，水力學(xué)是環(huán)境工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，分別為2.0(水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)系)與3.0(環(huán)境工程系)學(xué)分，教學(xué)包含實驗過程，是一門集力學(xué)與數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于實際水利方面的應(yīng)用性學(xué)科，也是后續(xù)大三下學(xué)期和大四上學(xué)期學(xué)習(xí)專業(yè)課程的基礎(chǔ)課程。

（二） 教學(xué)課時與授課內(nèi)容匹配的問題

我院選用的水力學(xué)教材是由趙振興、何建京主編，清華大學(xué)出版社出版的《水力學(xué)》(第二版)，本教材大分13個章節(jié)，涵蓋了水靜力學(xué)和動水力學(xué)方面的理論知識和工程水力計算內(nèi)容之外，還涉及到了地下水和簡單的數(shù)值模擬計算等部分內(nèi)容。而一學(xué)期的課程教學(xué)總課時分別為32學(xué)時(水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)系)與48學(xué)時(環(huán)境工程系)，減去4學(xué)時實驗只剩下28個課時(水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)系)和44個課時(環(huán)境工程系)。這樣少的學(xué)時講授全書內(nèi)容將是一個不小的挑戰(zhàn)，如何在小課時內(nèi)集中講授大部分的內(nèi)容成為了老師們艱巨的任務(wù)。

（三） 教學(xué)方法單一

水力學(xué)的教學(xué)也一貫秉承著“教師講，學(xué)生聽”的傳統(tǒng)式填鴨教學(xué)方法。水力學(xué)是集理論性和抽象性較強的一門課程，而課堂上教師仍然主導(dǎo)著大量的理論知識講解，臺下的學(xué)生們只能被動接受新知識，這樣單一的教學(xué)方法很容易讓學(xué)生們在短時間內(nèi)感到疲乏與厭倦，氣氛也越來越沉重和枯燥乏味，更別說讓學(xué)生們參與到課堂中來，就連跟都跟不上，最后就只能“拖”著走了。盡管每一節(jié)課堂上都使用了多媒體手段，但是因為教師們過多地依賴，教學(xué)效果也不理想。

（四） 對實驗教學(xué)重視不夠

從水力學(xué)這門課程的性質(zhì)上來講，該課程的實踐性及運用性較強，所以水力學(xué)教學(xué)中的實驗環(huán)節(jié)就顯得格外重要[3]。學(xué)生們可以通過實驗過程鞏固課堂上的理論內(nèi)容提升動手能力和操作能力。然而，目前我院卻至今沒有設(shè)立水力學(xué)課程專用實驗室，還要借用能動學(xué)院的實驗室勉強完成雷諾及能量和動量方程有關(guān)的實驗，這些基本實驗就無法呈現(xiàn)給學(xué)生一個解決實際工程問題的案例。水力學(xué)知識是要應(yīng)用于各種水利工程計算的，而不完善的實驗場地和設(shè)施卻減少了給學(xué)生提供感知認(rèn)識的通道。

四 水力學(xué)課程教學(xué)改革的探索

筆者總結(jié)了教授水力學(xué)過程中積累的一些經(jīng)驗及見解，對南京工程學(xué)院這種工科類高校環(huán)境工程專業(yè)的水力學(xué)課程，從教育、理論和實踐的三個大方向提出如下幾個對水力學(xué)教學(xué)改革的建議。

（一） 教書育人

教師是人類靈魂的工程師，是人類文明的傳承者，承載著傳播知識、傳播思想、塑造靈魂、塑造生命的時代重任。作為五千多年中華文明的未來傳承人，高校教師理應(yīng)教會學(xué)生學(xué)習(xí)、傳承和保存優(yōu)秀中華傳統(tǒng)文化的特質(zhì)，并通過學(xué)習(xí)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和融合國內(nèi)外先進(jìn)文化體系創(chuàng)新并發(fā)展傳統(tǒng)文化[1]。在全國教育大會上，習(xí)近平總書記指出，培養(yǎng)什么人是教育的首要問題，我國的教育必須把培養(yǎng)社會主義建設(shè)者和接班人作為根本任務(wù)，也是教育現(xiàn)代化的方向和目標(biāo)。而高等教育的一切活動都應(yīng)該服務(wù)于教書育人[4]，即圍繞全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)的宗旨開展高等教育是素質(zhì)教育的真正意義和基本價值取向。而立德樹人對于提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)、思想道德水平、健康人格和教育的可持續(xù)發(fā)展有著積極促進(jìn)作用。2018年5月2日，習(xí)近平總書記在北京大學(xué)考察時的重要講話也明確提出要堅持把立德樹人作為根本任務(wù)，把立德樹人的成效作為檢驗學(xué)校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)，高校教師教書育人的根本需要圍繞著立德樹人的方向展開。

（二） 課時及考核方式

目前我院開設(shè)的水力學(xué)課程課時分為32與48課時，選擇的教材是由13個章節(jié)組成的、由趙振興主編的水力學(xué)教材，課時較少，其中還要減掉實驗的4個課時，這樣一來學(xué)習(xí)理論知識的課時就只剩28和44個課時了，有必要加大課時至少達(dá)到56個課時才能將水力學(xué)教材里面大致的內(nèi)容教授給學(xué)生們。

目前為止本課程的考核方式來看，考試成績占70%，實驗20%，平時成績10%(考勤5% + 作業(yè)5%)。傳統(tǒng)的考核方式大部分比重都在理論學(xué)習(xí)上，這樣學(xué)生們的關(guān)注點仍然在課堂的理論學(xué)習(xí)上，而且學(xué)習(xí)起來不僅乏味，學(xué)習(xí)效果不佳，成績自然不高?？梢詫嵺`、實習(xí)環(huán)節(jié)的比重加大，理論學(xué)習(xí)比重可適當(dāng)減少至50%，這樣一來水力學(xué)課程中包含的內(nèi)容不僅多種多樣，可以起到互補的效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

（三） 環(huán)境專業(yè)特色的教學(xué)內(nèi)容

作為工科類高校環(huán)境工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，水力學(xué)的基本理論部分可與其他工科專業(yè)相同、但其實際應(yīng)用部分則應(yīng)該充分結(jié)合本專業(yè)的特色、從教學(xué)內(nèi)容、示例及習(xí)題等各個方面均應(yīng)該有所側(cè)重。為了提高課堂理論教學(xué)的效果，教師在授課過程中應(yīng)針對每一個知識點輔以對應(yīng)的典型示例來鞏固學(xué)生對其知識點的學(xué)習(xí)程度，對每一章節(jié)結(jié)束后應(yīng)配以相應(yīng)的習(xí)題以使學(xué)生自我加深對課堂內(nèi)容的學(xué)習(xí)效果。在結(jié)合工程類高校環(huán)境工程專業(yè)特色的前提下，教師在課后發(fā)布的習(xí)題內(nèi)容可以在教科書后面的習(xí)題中挑選，也可以適當(dāng)從其他教材或參考資料中選取能夠激發(fā)學(xué)生興趣與對課堂知識點起到補充說明的習(xí)題來加深學(xué)習(xí)內(nèi)容。對于課堂上需要演示的示例內(nèi)容還可以通過多媒體或數(shù)值模擬等各種手段輔助說明。

（四） 多樣化的教學(xué)方法

當(dāng)前各大學(xué)最基本的教學(xué)方法當(dāng)屬一直延續(xù)多年的傳統(tǒng)講授法為主，在課堂上這種單一方法會使學(xué)生感到厭倦及疲憊。而在科技發(fā)展迅猛的今天，涌現(xiàn)出了如多媒體、線上等多種多樣的教學(xué)手段及方法無疑最終只有一個目的，就是如何在最短時間、最有效教好學(xué)生。所以，在理論教學(xué)過程中，應(yīng)采用多方位、多視角的多樣化教學(xué)方法。比如，課程中出現(xiàn)連續(xù)方程、能量方程和動量方程等的公式推導(dǎo)環(huán)節(jié)時可以選用板書的方式將方程一步步推導(dǎo)出來，可使學(xué)生們一步步跟著老師的節(jié)奏掌握其過程、鍛煉其思維及分析能力；對于某些如拉格朗日法、流線和跡線等較抽象的概念則適合使用多媒體手段為主進(jìn)行相應(yīng)的演示，使學(xué)生更快理解其含義。當(dāng)然像今年這樣的特殊疫情期間也可以使用線上教學(xué)方法來完成學(xué)業(yè)。所以，教師可以在教學(xué)過程中根據(jù)實際教學(xué)內(nèi)容“私人訂制”多種多樣的教學(xué)方法，這樣可以使每位同學(xué)更加期待下一節(jié)課程，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和課堂教學(xué)效率。

（五） 水力學(xué)實驗教學(xué)的重視

始于19世紀(jì)初德國教育界的實驗教學(xué)法是在一般自然科學(xué)和工程類學(xué)科教學(xué)中廣泛使用的教學(xué)方法[4]。通過實驗過程，尤其對于工科類高校的學(xué)生來說，不僅可以培養(yǎng)動手能力、觀察能力、實踐能力和創(chuàng)新能力、還有思維能力，最終還能鞏固所學(xué)理論知識。對于我校水力學(xué)課程中的實驗內(nèi)容包含了典型的雷諾實驗、能量和動量方程三大理論驗證實驗，但是對于紊流粗糙度或明渠水流等方面的實驗在實際工程上才具有更加重要的實際意義。所以，為了進(jìn)一步提高實驗教學(xué)效果、相關(guān)學(xué)院應(yīng)制定更加符合工科類高校人才培養(yǎng)方案的實驗教學(xué)大綱，形成實驗方面教學(xué)體系，適當(dāng)增加有效的實驗類型及教學(xué)課時，畢竟實驗教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)越性是顯而易見的。這樣，學(xué)生就可以通過實驗過程加深水力學(xué)理論課程中的相關(guān)基本概念和基本理論，熟悉水力學(xué)基本實驗儀器的使用方法、掌握基本實驗技能和科學(xué)實驗的基本方法，另一方面就可以起到加強學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和實踐創(chuàng)新能力[2]。

（六） 增加數(shù)值模擬環(huán)節(jié)

水力學(xué)是研究以水為代表的液體的宏觀運動規(guī)律及其在水利工程中應(yīng)用的學(xué)科[5]，是環(huán)境類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。雖然水力學(xué)課程在專業(yè)人才培養(yǎng)方案中扮演著重要的角色，但是由于課程內(nèi)容本身理論性太強并且距離生活經(jīng)驗較遠(yuǎn)，所以在學(xué)生們眼里水力學(xué)就是記公式且難學(xué)不易懂，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高，主動性不強，沒有學(xué)習(xí)吸引力。這些問題可以通過水力學(xué)課程中加入數(shù)值模擬的環(huán)節(jié)來解決，目前施行這種模式的高校為數(shù)不多。數(shù)值模擬是建立在具有嚴(yán)密理論基礎(chǔ)的流體力學(xué)方程上，通過先進(jìn)的數(shù)值解法和計算能力得到水力學(xué)中宏觀的物理參數(shù)并對經(jīng)驗公式進(jìn)行驗證，可以為機械記憶學(xué)習(xí)方式提供重要補充[6]。計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法可以有效實現(xiàn)流體力學(xué)的數(shù)值模擬過程，相繼也出現(xiàn)了許多商用的軟件，如，F(xiàn)lunet，Comsol Multiphysics等流體力學(xué)計算軟件。這些CFD的商用軟件應(yīng)用范圍非常廣泛，模塊兒較多，而且非常容易學(xué)習(xí)，可使學(xué)生在一天之內(nèi)學(xué)會其基本操作并建立簡單的仿真模型，尤其對于工科類高校學(xué)生來說是必不可少的輔助學(xué)習(xí)工具。

在水力學(xué)課程的教學(xué)中，可以在進(jìn)入實驗環(huán)節(jié)之前，使學(xué)生們使用CFD軟件構(gòu)建實驗儀器的幾何形狀，設(shè)置參數(shù)并建模，就可以提前做出有關(guān)實驗內(nèi)容的一些流場數(shù)據(jù)和曲線并針對性地開展下一步的實驗再進(jìn)行驗證及校準(zhǔn)。通過使用CFD軟件的數(shù)值模擬過程，明顯可以提高學(xué)生做實驗的積極性，有助于加深對水力學(xué)理論知識的理解。學(xué)生課前利用CFD軟件模擬這些物理現(xiàn)象，可以把握和認(rèn)識實驗課上整體的實驗，從而提高實驗環(huán)節(jié)的效率[6]。張宏偉[7]等通過水力學(xué)水頭損失控制方程離散化、給定初始條件、計算機求解該方程、最后對水頭損失實驗各個參數(shù)進(jìn)行了數(shù)理分析，數(shù)據(jù)與實際實驗?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)吻合較好，為水力學(xué)實驗?zāi)Ｊ教峁┝肆硪环N可能。

數(shù)值模擬過程有助于學(xué)生直觀理解水力學(xué)的研究內(nèi)容，認(rèn)識流體力學(xué)的應(yīng)用方式。計算流體力學(xué)軟件的使用減少了求解復(fù)雜納維-斯托克斯方程的過程，只要掌握了軟件的使用方法，確立準(zhǔn)確的幾何模型和模塊，就可以非常輕松處理水利工程中常見的水流問題，方便水利工程師及科研人員有效利用軟件應(yīng)用于實踐中。

（七） 加入實習(xí)環(huán)節(jié)

我院環(huán)境工程專業(yè)的實習(xí)環(huán)節(jié)分為大二時期的認(rèn)識實習(xí)和大四時期的實習(xí)，無論是大二或大四時期的實習(xí)往往都集中被分配到污水廠或供水廠，很少會派往有關(guān)水利工程或水工建筑物等方面的單位，這將不利于我院學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)水利工程方面內(nèi)容的拓展。就目前嚴(yán)峻的就業(yè)形勢前提下，學(xué)生們的學(xué)習(xí)主動性都傾向于畢業(yè)之后如何找到更加穩(wěn)定的工作或是繼續(xù)攻讀研究生，而忽略了實習(xí)環(huán)節(jié)能夠給本專業(yè)的理論知識帶來補充與說明的作用。所以有必要在水力學(xué)課程中加設(shè)相關(guān)水利工程類的實習(xí)或認(rèn)識實習(xí)機會，將水力學(xué)課程內(nèi)容與實際現(xiàn)場工程案例進(jìn)行充分的結(jié)合，使學(xué)生站在工程的角度上進(jìn)行理解，有利于理論聯(lián)系實際將抽象性、理論性和實踐性強的水力學(xué)課程消化得更加透徹。鑒于此，為了提高學(xué)生在現(xiàn)場實習(xí)過程中能將理論知識與實際工程聯(lián)系得更加緊密，使所學(xué)知識能夠解決實際工程問題，在實習(xí)初期可搜集一些與水力學(xué)知識相關(guān)的工程實例資料、圖片、視頻等，針對性地將這些資料應(yīng)用到水力學(xué)課堂的教學(xué)環(huán)節(jié)，以期獲得更加良好的教學(xué)效果[8]。

五 結(jié)語

水力學(xué)是我院大二下學(xué)期和大三上學(xué)期開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，水力學(xué)實驗也是水力學(xué)課程教學(xué)中的重要組成部分，在教學(xué)中發(fā)揮著重要作用。學(xué)生們可以通過水力學(xué)實驗、數(shù)值模擬和實習(xí)環(huán)節(jié)提高動手能力、獨立思考能力和創(chuàng)新思維能力。隨著社會與科技的發(fā)展和教學(xué)改革的不斷進(jìn)步，水力學(xué)課程也需要與時俱進(jìn)，不斷進(jìn)行改變，將學(xué)生培養(yǎng)擁有扎實理論基礎(chǔ)知識和實際操作與計算能力較強的工科院校創(chuàng)新型人才。