基于地域特色的“大土木”水力学课程建设与教学实践

摘 要：西北黄土高原地区“大土木”水力学课程教学需结合工程背景与专业特色，目前的课程理论与教学实践中存在诸多问题，须从教学内容、教学手段、教学方法、教学考核等方面结合教学实际进行改革与创新，以适应新形势下人才培养的需求。

关键词：地域特色；大土木；水力学；课程建设；教学实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）16-0080-03

Abstract： Teaching content and method of hydraulics curriculum for great civil engineering specialty in western China should combine the engineering background and specialty characteristics， especially in loess plateau areas. There are many problems existed in present course theory and teaching process， and reforms and innovations must be conducted to adapt to the requirement of talent cultivation under new situations. The changes in curriculum instruction should pay more attention to teaching content， teaching means， teaching methods and teaching examination.

Keywords： regional characteristics； great civil engineering； hydraulics； curriculum construction； teaching practice

一、背景

土木工程专业是理工科院校的核心专业，也是培养一切与水、土、文化相关的“复合型”工程技术人才的摇篮，在全国基础建设与管理人才培养中起着重要作用。根据教育部专业调整，土木工程专业涵盖了矿井建设、建筑工程、城镇建设（部分）、土木工程、交通土建工程、工业设备安装工程、饭店工程、涉外建筑工程等八个专业，使该专业具有多学科、宽口径、综合性强和人文素质要求高的特点[1]。我校处于黄土高原地区，土木工程专业人才培养中突出地域特色，以解决西北地区地域性土木工程问题为己任，构筑了土木工程结构抗震与减震控制、黄土与湿陷性黄土工程和地质灾害治理、大跨度空间结构与钢结构、结构健康诊断及检测加固等特色学科研究方向。“水力学”是以水为研究对象，研究其宏观机械运动规律及工程应用的一门学科，广泛应用于水利工程、土木工程、地质工程、环境工程等相关专业[2]，具有较强的理论性与工程应用性。作为土木工程专业的专业基础课程，水力学是将数理等基本理论课程与专业课程衔接的桥梁，承担着“承前启后”的重要作用。如何在专业改革与社会发展中适应变化，结合专业特色，优化课程内容与教学方法，以适应新形势下“大土木”课程体系建设与专业培养的需求，是水力学课程教学实践改革的重要任务。

二、现状分析

（一）“大土木”对水力学的需求与挑战

土木工程专业涉及面广，地上房屋建筑、地下建筑、桥梁和道路设计与建造均在其专业范围之内，其目标是培养适应工程建设需要的，有扎实基础理论和专业知识的，有较强实践技能的，能够从事设计、研究、施工、教育、管理、投资、开发等工作的高级专门人才。它的主干课程包括材料力学、结构力学、水力学、土力学、建筑材料、混凝土结构、钢结构、房屋结构、桥梁结构、道路勘测、施工技术与管理等，从中可以看出水力学是土木工程专业人才培养不可或缺的。

人类生存和生活都离不开水，“大土木”与水存在着千丝万缕的联系。随着科学的发展，防洪、河道治理、灌溉、交通运输、水力发电等都离不开水力学的专门知识和对水流运动规律的深入认识；同时，地铁、跨海大桥、高层建筑等工程建设也需要人们对水的渗流理论有深刻理解和掌握。而在西北湿陷性黄土地区，高层房屋及地铁工程的修建更需要人们把握水的渗流机理和特性，这对水力学的课程教学和研究提出了新的挑战，也促进水力学学科的发展。

“大土木”的转变对水力学课程的挑战主要表现在：（1）随着学校招生规模的不断扩大，上课人数急剧增加，由以前的小班授课改为多个自然班合并的大班授课，人数通常在150人左右，由于光线等方面原因，以前“黑板+粉笔”的授课方式已不适应目前的上课需求，影响教学效果；（2）由于水力学课程开设在第四学期，而“大土木”前提下学生后续专业方向不同，各专业课程不同，使水力学与专业课的过渡复杂。水力学课程是前期数理基础课与后期专业课的纽带，使学生对水的力学特性及工程应用有初步认识，但“大土木”的跨度大、涵盖面广、学科方向多，导致水力学与后续专业课程的衔接必须淡化专业针对性、提高综合性；（3）水力学与高等数学、理论力学、材料力学等联系紧密，而学生前期的学习基础层次不齐，如何将水力学中基本理论的复杂推导由求解“微积分应用题”转化对“物理本质”的简单描述，使不同层次的学生都能理解，提高学习兴趣和积极性；（4）目前“大土木”形式下人才本科培养目标是满足社会需求的应用型土木工程人才，这决定了授课内容的工程性，教学过程中要结合各专业特色，培养学生综合分析、解决实际工程问题的意识和能力。

（二）目前教學中的不足与问题

如何在“大土木”下提高土木工程专业《水力学》课程的教学效果，使各方向学生均具有良好的知识结构和专业素质，便于后期学习和工作，是笔者一直在思考的问题。通过多年的教学实践和调研，发现目前教学中普遍存在的一些问题：（1）学生对课程的重要性认识不足。由于“大土木”下，许多学生更重视混凝土结构、钢结构、结构设计、房屋建筑等专业课，认为以后从事的工作只限于“土”与“木”，而与“水”不相干，对水力学这门课程不重视，投入精力较少；（2）教学大纲存在偏差。目前教学大纲中多注重理论知识的讲解，轻视学生实践技能与动手能力的培养，致使学生认识不到水力学课程的工程应用性，认为与自身专业关系不大，造成理论知识与实际脱离；（3）课时量短，教学内容深入不够。土木工程专业的水力学课程仅为32学时，该课时量只能对水力学的三大基本方程和管道、渠道流动的水力计算进行讲解，虽然对水的流动特性和力学规律有一定认识，但缺乏水在各类后续专业涉及到的实际工程实例应用的讲解，这在土木工程领域是一块较为重要的内容，导致学生无法深入理解课程内容；（4）缺乏实践教学环节。由于教学资源与条件的限制，目前许多院校土木工程专业的水力学课程都没有相匹配的实践环节，使学生对初次接触的流体力学知识很难消化，例如渐变流过流断面的测压管水头齐平、各种流动损失的产生、雷诺实验现象等；（5）与固体力学课程区别较大。水力学是流体力学的分支，与固体力学最大的特点是考虑液体的粘性，其运动的最小单元是液体质点，常采用欧拉法进行研究，而不像固体力学采用质点系法，学生由于长期接触固体力学，很难将思维转变到水力学的研究上；（6）教学手段单一。大班授课的教学模式，对力学类课程应用传统的“黑板+粉笔”教学手段提出了挑战，只采用传统教学方法，存在后排、侧面学生看不清楚的问题，而采用多媒体辅助教学，需要学生高度集中，跟上老师的节奏，如何更好的结合这两者，避免班级中学生成绩两级分化严重的现象，也是值得探索的问题。

三、课程建设与教学实践

（一）优化课程内容

随着学科和社会需求的发展，“大土木”形式下的水力学课程不应该一成不变，应结合专业方向和教改实践，对课程知识结构和教学内容进行更新和优化，以便有限的课时内高质量的完成课程教学任务，提高教学效果。

消枝强干，突出重点。在课程教学过程中，结合土木工程专业的实际情况，加强课程的工程性，简化了一些偏于深奥的机理内容，例如浮体、紊流运动等理论，保证“液体静力学”、“三大方程”等重要知识的内容有足够的讲授课时，同时对长管、短管水力计算的基本类型和工程应用等用实例进行讲解，吸引学生兴趣，加深学生理解；对专业基础内容，进行了内容整合与简化，如将液体出流与管道流动进行了整合、将流动基本概念进行整合，使重点能够更加突出，将明渠流、给水管网等只作一般介绍。

删旧增新，与时俱进。采取“删、减、并、增”的思路，对一些落后的课程内容予以删除，例如在讲渗流理论时只讲达西定律等；对水力学的基本理论和优秀课程内容进行整合吸收；对水力学与流体力学的最新研究成果，引入课堂教学中，例如边界层理论以及湍流的数值计算、点源的扩散等内容引入课堂，扩大学生知识面，同时增加学生兴趣，培养学生创新思维能力。

精心准备，完善内容。水力学属于工程性较强的课程，为了能让学生更好地理解水的流动特性，并对三大方程及水流损失有更深刻的理解，我们修订了教学大纲，增加了教学实践环节，开设了流体静压强、文丘里管、动量方程、雷诺实验、流动演示等实验，加强学生对教学内容的理解，提高实践动手能力；同时，在教学过程中，将课程内容结合工程项目进行讲授，加强学生对课本知识的深入领会，最大限度的完善教学内容。

（二）改革教学手段

理论与实践并重。水力学是力学特性与工程应用性都较强的学科，在教学过程中，需对理论与实践并重，改革教学手段。传统教学中，主要是老师满堂灌，轻视对学生创造力的培养，在以后的教学过程中，需要对理论讲授、分组讨论、实例引导等综合起来，构筑多样灵活的教学方法，启发学生的创造性。同时注重学生实践能力的培养，把“工程搬进课堂”，在教学过程中插入工程实际，培养学生工程意识和对所学知识的消化吸收。带领学生体会《浅谈都江堰工程中流体力学原理的运用》[3]中所涉及的流体静力学与动力学原理，通过了解《兰州地区大厚度自重湿陷性黄土场地浸水试验综合观测研究》[4]与《兰州新区湿陷性黄土地基处理》[5]等内容使学生了解水的渗流特性及工程常见问题的处理方法，潜移默化地培养学生的工程实践能力。

板书与多媒体互补。在教学过程中，采用板书与现代多媒体技术相结合的方式，理论推导、教学互动等方面可采用传统的板书方式，以清晰学生思路并加深学习印象；而在复杂图形演示和一些工程实例等方面可采用多媒体的图像、视频、动画等手段，以直观生动的现场形象演示，易于学生认识和接受。同时，对一些了解性的课程内容，也可采用多媒体讲解，以加快课程进度，余留更多的课时于较难理解的复杂理论和实践互动环节。根据教学内容灵活选用，扬长避短，优势互补，使基本原理理论、实例讲解内容得以有机组合与巧妙编排，重点突出，使学生的易于吸收和掌握。

微课程与翻转课堂教学方法相结合。通过微课程视频将重点知识提供给学生，使学生自己去学习和探索，并设计“为什么？”，“怎么用？”等问题，从而改变传统教育中“以教为主”，而以学生为中心，开发和培养学生的创新能力。而翻转课堂，通过课前的微课程视频，学生自学，在课堂中通过与教师的讨论和交流来完成知识的吸收和升华，成为“以学为主”的创新教学方式[6]。本学期针对短管水力计算，采用了该教学模式，发现学生对新的教学方法特别好奇，也踊跃探讨问题，起到了较好的教学效果，但教学时间控制还需要进一步把握。

（三）提高学生兴趣

兴趣是最好的老师。由于学生刚开始接触具体工程实际问题，加之基础理论薄弱，创新思维不够，普遍反映“水力学”难学，导致学习积极性不高。针对该问题，笔者结合在该门课程教学中的切身体会，认为培养学生兴趣是促进该课程高效讲授的关键。绪论对激发学生学习兴趣上非常重要，在“大土木”下，绪论中要针对不同专业，采用视频影像等手段，展示工程应用实例，引起学生重视。例如对土木工程的学生，可以讲为什么进行边坡衬砌和设计排水孔，对道路与桥梁方向的学生可以讲黄土地区路段的施工、路基排水和防渗处理等。同时，可以播放都江堰、三峡大坝等著名工程的设计原理，或者台风下波涛汹涌的海浪资料来使学生生动、形象的认识水的各种物理性质。在讲授每一章开始的时候，清晰阐述该部分内容的学习目的，让学生有的放矢，在章节结束时加上内容讨论，加强教学互动，从而调动学生学习的积极性。

（四）改进考核方法

考核是衡量教学效果的主要手段。传统的闭卷考核方式已不适应素质教育下水力学课程的考核。通过改革，实行了多途径、多方面的综合考核，加大了对学生主观思考与实践动手能力的考核。在考试内容上，减少主观题，加大客观题的比重；在考试方法上，由原来的闭卷考试，实行了开卷的考试，允许学生带课本，主要考察学生应用知识的能力，避免学生死记硬背公式；在层次上，有20%的考核题目加大了难度和灵活性；在考试范围上，加上了实践考核。这样极大地调动了学生的积极性，对促进课程教学及提高学生的综合素质有明显效果。

四、结束语

“水力学”课程是“大土木”专业的主干课程，属于专业基础课，承担着“承前启后”的重任，其教学有内在规律。通过上述改革与实践，基于地域特色，针对课程教学的特点与重点，在教学安排上做到以基本理论为主线，强调工程应用的专业针对性和实践环节的主观能动性。在教学方法上，突出启发式研究性教学，做到讲清整体轮廓、阐明主要概念、指引学生自导公式、培養学生独立思考和解决实际问题的能力，从而培养学生的综合素质，为社会输出更多更好的专门人才。

参考文献

[1]崔武文，韩红霞，王喜燕.案例教学在土木工程专业课程教学中的应用[J].教育探索，2007，5：51-52.

[2]吴持恭.水力学（第四版）[M].高等教育出版社，2008，1.

[3]刘玉泉，朱克勤.浅谈都江堰工程中流体力学原理的运用[J].力学与实践，2008，30（4）：102-103.

[4]姚志华，黄雪峰，陈正汉，等.兰州地区大厚度自重湿陷性黄土场地浸水试验综合观测研究[J].岩土工程学报，2012（1）：65-74.

[5]陈海军.兰州新区湿陷性黄土地基处理[J].西安科技大学学报，2014，34（2）：204-209.

[6]张武威，曾天山，黄宇星.微课程与翻转课堂相结合的教学方法创新应用[J].课程教材教法，2014，34（7）：10-17.