楊 蘭，戚曉明，潘爭偉，張 慧，汪艷芳，姜 麗

(蚌埠學(xué)院土木與水利工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

0 引言

2017年，國家大力提倡并推動(dòng)突出以“五新”，即新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系為特點(diǎn)的“新工科”教育教學(xué)改革，旨在全面落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，以一流人才培養(yǎng)、一流本科教育和一流專業(yè)建設(shè)為目標(biāo)[1-2]，培養(yǎng)新型工程科技人才以適應(yīng)新時(shí)期發(fā)展的需求。在“復(fù)旦共識”[3]、“天大行動(dòng)”[4]、“北京指南”[5]等會(huì)議的基礎(chǔ)上，提出了新工科建設(shè)指導(dǎo)意見，教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院聯(lián)合出臺了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》(教高〔2018〕3 號)，進(jìn)一步推動(dòng)新工科建設(shè)，探索形成具有中國特色的工程教育體系，促進(jìn)我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國?！百x能”是管理學(xué)領(lǐng)域中盛行的一種理論，課程賦能教學(xué)即在課程教學(xué)過程中，實(shí)施賦能教育機(jī)制建設(shè)的嘗試與實(shí)踐，讓學(xué)生能夠根據(jù)不斷變化的行業(yè)需求與職業(yè)要求，在課程學(xué)習(xí)的過程中積極主動(dòng)地不斷賦予自己新的能力[6]。

黨的十九大報(bào)告將水利放在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的首位，可見國家和黨中央高度重視水利工作[7]。中國特色社會(huì)主義進(jìn)入了新時(shí)代，水利事業(yè)發(fā)展也進(jìn)入了新時(shí)代[8]，這對未來的水利人才提出了新要求，為實(shí)現(xiàn)這些新要求就要實(shí)施新時(shí)代水利創(chuàng)新人才培養(yǎng)。新工科的建設(shè)正是推進(jìn)水利水電工程專業(yè)特色辦學(xué)、高水平辦學(xué)的契機(jī)。水力學(xué)是水利類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其基本理論在水利水電工程、工民建筑、石油化工、冶金、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛，工程中和流體運(yùn)動(dòng)相關(guān)問題的解決大都需要具備水力學(xué)的理論知識。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了更復(fù)雜的水力學(xué)問題，水力學(xué)課程內(nèi)容要隨水力學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展而不斷更新，涉及范圍廣，理論性和實(shí)踐性強(qiáng)。國內(nèi)有很多高校的學(xué)者們圍繞水力學(xué)課程的教學(xué)方法進(jìn)行了一些教學(xué)改革研究，金建華等[9]以水力學(xué)課程為例，在教學(xué)過程中深入挖掘水力學(xué)課程中蘊(yùn)涵的思政元素，對課程思政教學(xué)進(jìn)行了探索；王玉才[10]針對水力學(xué)課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式，對講授法和討論法進(jìn)行了討論分析，結(jié)合水力學(xué)課程的自身特點(diǎn)和在高等院校課程體系中的地位，提出了多元化的教學(xué)模式；楊揚(yáng)等[11]圍繞土木工程專業(yè)水力學(xué)課程，制定改革實(shí)施計(jì)劃，采用學(xué)生授課、項(xiàng)目案例式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、換班交流等教學(xué)方式方法開展教學(xué)方式方法改革與研究。已有的水力學(xué)課程教學(xué)改革研究對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性有一定的作用，水力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，不僅要求學(xué)生掌握水力學(xué)相關(guān)的基本理論和應(yīng)用技能，更重要的是培養(yǎng)他們獨(dú)立思考問題和解決實(shí)際工程問題的能力。新工科致力于培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代需要的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，不僅要具備高等教育工程人才的基本素質(zhì)，還要具備復(fù)合型、掌握新工具、主動(dòng)學(xué)習(xí)、社會(huì)責(zé)任感強(qiáng)等新特征。在新工科背景下，水力學(xué)課程作為水利類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其教學(xué)改革應(yīng)面向水利現(xiàn)代化，順應(yīng)水利行業(yè)發(fā)展需求，還要結(jié)合本省、本區(qū)域和蚌埠學(xué)院的資源優(yōu)勢進(jìn)行規(guī)劃并應(yīng)有所側(cè)重。在綜合分析課程背景和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探討在新工科背景下，課程賦能教學(xué)方法的設(shè)計(jì)和建立，對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 水力學(xué)課程現(xiàn)狀及存在問題

1.1 課程綜合性強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度大

蚌埠學(xué)院水利水電工程專業(yè)的水力學(xué)課程共計(jì)72學(xué)時(shí)，其中60學(xué)時(shí)的理論教學(xué)包括水靜力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)等10章內(nèi)容。水力學(xué)研究液體處于平衡或相對平衡狀態(tài)時(shí)的規(guī)律及其應(yīng)用，與高等數(shù)學(xué)微積分及理論力學(xué)聯(lián)系緊密，研究對象由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，由受力到能量、動(dòng)量，包含大量的新概念及理論公式，公式中又出現(xiàn)大量的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，內(nèi)容較為抽象。因此，如何幫助學(xué)生在這些繁雜的知識中構(gòu)建自己的知識體系，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，總結(jié)規(guī)律并用以指導(dǎo)工程實(shí)踐，給課程的教與學(xué)都帶來了較大的挑戰(zhàn)性。

1.2 教學(xué)方法單一，與工程實(shí)際相脫離

在以往的課程教學(xué)中，課程的理論知識一般采用多媒體PPT講解為主，在PPT制作時(shí)雖有部分動(dòng)畫演示，能增加學(xué)生對一些水流特征的理解，但講授仍偏于理論，與工程實(shí)踐相脫離。蚌埠學(xué)院水利水電工程專業(yè)水力學(xué)課程開設(shè)在第4學(xué)期，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)之前接觸到的專業(yè)知識較少，工程認(rèn)知缺乏。在進(jìn)行部分水工建筑物的水力設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，甚至都不知其用途和名稱，更加難以體會(huì)如何利用所學(xué)理論知識解決實(shí)際工程問題，從而學(xué)習(xí)迷茫，積極主動(dòng)性降低。

1.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定，缺乏創(chuàng)新

課程包含12學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括靜水壓強(qiáng)、畢托管流速系數(shù)測定、文丘里管流量系數(shù)測定、局部水頭損失系數(shù)測定、沿程水頭損失系數(shù)測定、孔口管嘴出流6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。學(xué)校有課程配套的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生只需根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟，對課堂中已經(jīng)得到的規(guī)律或結(jié)果加以驗(yàn)證即可。因此，學(xué)生的創(chuàng)造性和主觀能動(dòng)均沒有得到較好的發(fā)揮，一些有意義的想法無從驗(yàn)證，不足以滿足“新工科”實(shí)踐教學(xué)的要求。

1.4 課程思政元素欠缺

“課程思政”教學(xué)通過將思想政治和社會(huì)主義核心價(jià)值觀融于課程的全教學(xué)活動(dòng)中，落實(shí)“立德樹人”的根本任務(wù)，增強(qiáng)課程的吸引力，提高教學(xué)質(zhì)量。在本課程的教學(xué)過程中，注重講解專業(yè)知識，從國際、行業(yè)文化及歷史等方面對課程的多維演繹較少[12]，應(yīng)付式、被動(dòng)式地開展“課程思政”現(xiàn)象較為普遍，對充分發(fā)揮課程的思政價(jià)值有待進(jìn)一步探索。

2 課程賦能教學(xué)改革

2.1 多元化教學(xué)方法，豐富教學(xué)手段

針對蚌埠學(xué)院水力學(xué)課程理論教學(xué)存在的問題，充分借鑒先進(jìn)的教學(xué)理念，在教學(xué)中貫穿啟發(fā)式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、案例式等多種教學(xué)方法，采用線上線下相結(jié)合等教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。例如在講解課程第8章水流銜接與消能部分的內(nèi)容時(shí)，在課前學(xué)生可先通過MOOC視頻等初步認(rèn)識常見的3種消能方式，了解為什么要在泄水建筑物下游進(jìn)行消能，其消能機(jī)理是什么。要求學(xué)生自行查閱資料，對我國水利工程中分別采用底流消能、挑流消能和面流消能的工程進(jìn)行了解，思考為什么選取此種消能方式，其優(yōu)缺點(diǎn)有哪些。在課堂上，老師強(qiáng)調(diào)概念及消能工設(shè)計(jì)中要注意的問題，根據(jù)學(xué)生的查閱結(jié)果，和學(xué)生共同總結(jié)不同消能方式的優(yōu)缺點(diǎn)，分別選取我國采用底流消能、挑流消能和面流消能，具有代表性的大型水利工程，如向家壩、新安江、富春江水利工程為例。針對工程所處的地形地質(zhì)、水位、壩高等實(shí)際情況分析消能方式的選取，介紹消能工的規(guī)模，并展示工程圖片、圖紙，幫助學(xué)生在理解理論知識的同時(shí)加深學(xué)生的記憶。課后，可通過布置相關(guān)的設(shè)計(jì)性任務(wù)，學(xué)生自主完成某工程的消能工設(shè)計(jì)。對于這個(gè)任務(wù)，學(xué)生可參考已建工程，自行采用一種或者多種消能方式，在完成任務(wù)的過程中，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2.2 調(diào)整實(shí)踐教學(xué)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

新工科以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，專業(yè)實(shí)踐不能只依靠理論教學(xué)。水力學(xué)實(shí)踐教學(xué)要努力克服長期以來固定的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式，要主動(dòng)面向行業(yè)、面向世界、面向未來，通過實(shí)踐“賦能”使學(xué)生成為未來應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才。

1)創(chuàng)建水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多媒體庫。

水力學(xué)課程中有很多比較抽象的概念，如水流的流態(tài)特征中急流、緩流、臨界流等，靠單純的理論講解，學(xué)生理解不夠清楚，如有相關(guān)的視頻演示，學(xué)生觀看視頻可加深對概念的理解。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，一些經(jīng)典的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)如尼古拉茲實(shí)驗(yàn)、達(dá)西實(shí)驗(yàn)等不具備條件做，可以在網(wǎng)上下載相關(guān)的實(shí)驗(yàn)錄像，課堂上理論講解之后播放錄像，使學(xué)生更好地理解。建成水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)錄像庫，學(xué)生在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)有需要都可以去查閱相關(guān)實(shí)驗(yàn)錄像，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)條件。

2)結(jié)合仿真的綜合性水力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)今，以計(jì)算機(jī)為工具的數(shù)值計(jì)算方法迅速發(fā)展，流體力學(xué)仿真軟件的使用越來越廣泛。很多仿真軟件模塊豐富，界面友好，學(xué)生容易上手。在水力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，針對課程知識點(diǎn)內(nèi)容，結(jié)合流體力學(xué)仿真軟件，制定相關(guān)的仿真性實(shí)驗(yàn)。例如在進(jìn)行實(shí)際液體恒定總流能量方程推導(dǎo)時(shí)，用斷面平均流速代替實(shí)際流速，涉及到動(dòng)能修正系數(shù)α的取值。教材中提到α的大小取決于過水?dāng)嗝嫔狭魉俜植记闆r，水流流速分布越均勻，α的值越接近于1，反之流速越不均勻，取值越大于1。這時(shí)，有學(xué)生就會(huì)思考α的取值有沒有可能小于1，什么情況下會(huì)小于1？由于實(shí)驗(yàn)室缺乏實(shí)驗(yàn)條件，也無從驗(yàn)證其在何種情況下會(huì)出現(xiàn)小于1的情況。通過老師的講解，學(xué)生會(huì)有所了解，但還是不夠直觀。此時(shí)，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件，對丁壩擾流流場或圓柱繞流流場等簡單情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可非常直觀地看到整個(gè)流場中流線、流速、壓強(qiáng)等的分布情況，如圖1所示為丁壩附近流線分布，圖2所示為流動(dòng)方向的流速分布。據(jù)此，學(xué)生可進(jìn)一步計(jì)算壩前水流流速均勻處、壩后漩渦斷面的α值，從而對理論知識加以驗(yàn)證。

圖1 丁壩周圍流線分布

圖2 丁壩周圍流向速度分布

根據(jù)課程內(nèi)容，制定相應(yīng)的仿真性實(shí)驗(yàn)任務(wù)，如不同邊界時(shí)局部水頭損失系數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)、動(dòng)能修正系數(shù)與動(dòng)量修正系數(shù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、糙率對過流能力的影響、薄壁堰水流特征仿真研究等。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，對自己感興趣的某個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算及驗(yàn)證，通過對結(jié)果的分析處理，進(jìn)一步優(yōu)化模型，將計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，提高學(xué)生的工程實(shí)踐技能與科研素養(yǎng)。

3)增加工程實(shí)踐教學(xué)。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對具有工程職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)造性思維和社會(huì)能力的人才需求越來越大，工程實(shí)踐教學(xué)對學(xué)生的專業(yè)技能提升及工程素養(yǎng)有重要的意義。蚌埠學(xué)院水利水電工程專業(yè)的水力學(xué)課程在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)之外，沒有安排單獨(dú)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。任課教師盡可能多地從水利相關(guān)設(shè)計(jì)院、事業(yè)單位、網(wǎng)絡(luò)等渠道為學(xué)生收集典型的實(shí)際工程水力計(jì)算書、設(shè)計(jì)報(bào)告等，用于水力學(xué)的理論教學(xué)參考或供學(xué)生課后實(shí)踐。實(shí)踐環(huán)節(jié)和具體的工程項(xiàng)目案例緊密結(jié)合，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過自行思考、查閱資料、小組討論等方式解決實(shí)際工程問題，將理論知識融入工程實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自信。

2.3 深入發(fā)掘課程思政元素，優(yōu)化課程內(nèi)容

根據(jù)水利水電工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案和水力學(xué)課程教學(xué)大綱的要求，梳理本課程代表性知識點(diǎn)及其所蘊(yùn)含的課程思政元素，按照深入淺出、循序漸進(jìn)的方法[13]，整合形成融入課程思政的教學(xué)模塊及單元，具體思政教學(xué)內(nèi)容舉例如表1所示。通過發(fā)掘課程內(nèi)容中的思政元素，優(yōu)化課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

表1 水力學(xué)課程思政融入點(diǎn)

2.4 鼓勵(lì)學(xué)生參加學(xué)科競賽、科研項(xiàng)目

學(xué)科競賽為學(xué)有余力的同學(xué)提供了很好的學(xué)習(xí)、交流平臺。鼓勵(lì)學(xué)生積極參加本專業(yè)相關(guān)競賽，如水科學(xué)數(shù)值模擬創(chuàng)新大賽、全國大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽(水利類)、水利創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等，通過學(xué)科競賽，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識，提高學(xué)習(xí)興趣。

鼓勵(lì)學(xué)生積極申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，在專業(yè)教師的指導(dǎo)下完成課題的申報(bào)。在申報(bào)階段，學(xué)生自主選題，通過查閱相關(guān)資料及研究進(jìn)展，確定研究思路及方案，撰寫項(xiàng)目申請書。在項(xiàng)目實(shí)施階段，學(xué)生團(tuán)隊(duì)按照研究方案展開課題的研究，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加學(xué)術(shù)交流，撰寫論文或者申請相關(guān)專利，完成項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)要求及結(jié)項(xiàng)報(bào)告。同時(shí)，教師在自己的科研活動(dòng)中邀請學(xué)生加入，綜合提高學(xué)生的科研技能和科研素養(yǎng)。

3 成效分析

以蚌埠學(xué)院2019級水利水電工程專業(yè)為例，在進(jìn)行水力學(xué)課程教學(xué)過程中，采取各種“賦能”教學(xué)試運(yùn)行，以檢驗(yàn)教學(xué)效果。蚌埠學(xué)院2019級水利水電工程專業(yè)共計(jì)53名同學(xué)，2021年獲批立項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目6項(xiàng)，近一半學(xué)生參與大創(chuàng)項(xiàng)目，參與率高，積極性強(qiáng)。班級有6位同學(xué)參與省級、校級自然科學(xué)課題，申請軟件著作權(quán)5項(xiàng)，獲得國家級、省級和校級學(xué)科競賽獎(jiǎng)若干項(xiàng)。水力學(xué)課程期末考核優(yōu)秀率為13.21%，平均成績77.02分，與2018級相比，優(yōu)秀率提高11.41%，平均成績提高5.2分，成效顯著。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，“賦能”教學(xué)從根本上激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力、參與項(xiàng)目的積極性和專業(yè)知識的應(yīng)用能力均有進(jìn)一步的提高。

4 結(jié)語

“十四五”時(shí)期是安徽省全面加快水利改革發(fā)展的重大戰(zhàn)略機(jī)遇期，引江濟(jì)淮工程等重大水利工程的建設(shè)、水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、鄉(xiāng)村水利基礎(chǔ)建設(shè)、水資源保護(hù)水生態(tài)修復(fù)、河湖管理保護(hù)等重要而艱巨的任務(wù)需要大量的工程技術(shù)人才。結(jié)合蚌埠學(xué)院“地方性、應(yīng)用型”的辦學(xué)定位和有效服務(wù)地方建設(shè)的需要，根據(jù)新工科建設(shè)發(fā)展方向，結(jié)合水力學(xué)課程的具體特點(diǎn)，實(shí)施賦能教育機(jī)制建設(shè)的嘗試與實(shí)踐，讓學(xué)生能夠根據(jù)不斷變化的行業(yè)需求與職業(yè)要求，在課程學(xué)習(xí)的過程中積極主動(dòng)地不斷賦予自己新的能力，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，切實(shí)提高工程應(yīng)用能力及科研素養(yǎng)。