工程实例教学法在水力学课程教学中的应用与实践

张西平，吴金华，梁素韬，石志建，冯利军，张志宇

（1.河北农业大学城乡建设学院，河北 保定 071001;2.河北农业大学农学院，河北保定 071001）

水力学是水利水电工程、农业水利工程等专业重要的技术基础课。课程理论性强，实践性强，运用性强［1-3］。在授课之前学生无专业背景，缺乏对水利工程的感性认识，且专业认识实习一般安排在水力学课程之后，所以当教师在课堂上讲到闸、泵、堰等水力计算知识点时，学生甚至不知道这些水工建筑物的名称及功能，往往因缺乏对工程的感性认识而显得茫然。很大程度上学生仍以“闭门学习”为主，只能机械地接受，很难体会到所学理论在解决实际问题中的重要性，故而缺乏学习的积极性和主动性。

近20多年来，案例式教学法在我国高校被广泛应用，对我国高校教育思想和教学方法的全面改革有着重要启示和推动作用［4-7］，但在多数课程教学中所使用的“案例”并非工程实例，而是假想或人为设计的，对学生而言，这样的“案例”和教材后面的习题大同小异，难以激起他们学习的兴趣。笔者针对水力学课程的教学现状和学生专业背景的缺乏，结合“河北农业大学第八批教学研究课题（重点资助）”的完成过程，提出将工程实例引入水力学课程教学中，激发学生学习的积极性和主动性，以期提高学生的工程素质和实践能力。

一、工程实例的来源

实例教学法首创于哈佛大学，最早被运用于19世纪后半叶的法律教学中。以后，逐渐被运用于医学、管理学、教育学等［8］。工程实例教学法是将工程实例应用于教学，通过教师讲授与演示相结合，激发学生的学习兴趣、改善学生的学习效果、提高学生解决实际问题能力的新型教学方法。水力学课程作为一门典型的抽象型课程之一，在其课堂授课中有必要引入工程实例教学法。

（一）通过实习过程搜集工程实例

作为农业水利工程和水利水电工程的专业课教师，每年需要带领本专业的学生参加专业认识实习和生产实习，在此过程中能够充分了解学生对基本理论、基本知识、基本方法的掌握程度以及学生将理论知识与实际工程联系起来的实践能力。多年实习过程中发现，多数学生既不能很好地将所学的理论知识与实际工程紧密联系起来，也不懂得主动用所学知识去解决工程实际问题，存在严重的理论与实践相脱节的现象。基于上述现象，在带领学生实习的过程中可收集大量与水力学知识相关的工程实例图片资料、视频资料和设计资料，且有针对性地把这些工程实例引入到水力学教学的对应环节和知识点中，以期获得良好的教学效果。

（二）通过与往届毕业学生的沟通搜集工程实例

在课题的开展过程中，通过对笔者从教多年来所教过的毕业生发问卷、打电话、发邮件等方式进行调研。调研内容主要包括如下5个方面:第一，调查了解水力学课程教学内容设置的合理性;第二，水力学课程教学方法的有效性;第三，搜集与水力学课程相关的设计、施工、管理等实例;第四，授课内容对从事不同性质工作的毕业生知识需求的可取之处及不足之处;第五，企事业单位对对口专业人才的水力学知识及解决实际问题的能力需求程度等。学生搜集自己所从事工作中与水力学知识相关的工程资料，教师再进行提炼、加工和整理，按水力学教学章节编排成教学工程实例资料。

（三）通过科研工作过程积累工程实例

在科研工作的过程中，有针对性地搜集与水力学课程相关的图片、视频及数据资料，经过加工处理后应用于水力学课程的教学过程中。

对授课的学生而言，通过如上途径所获得的工程实例资料是“看得见、摸得着、信得过”的“真实”工程，因为学生能够从以上途径搜集的工程实例中看到自己的身影，看到学长的身影，看到老师的身影，看到自己未来的身影。毫无疑问，这样的工程实例也必将能够最大限度地吸引学生的兴趣。

二、典型实例分析

水力学课堂授课中完全用概念、公式或文字来表达水力学中涉及的一些复杂水流现象和规律时，效果往往并不理想，如果辅以图片、动画或视频等工程实例，将会使学生对这些水流现象和规律有了更加直观的认识。然而工程实例的真实性显得尤为重要，工程现场或科研实践活动中的实际问题让学生有身临其境的感觉，更能激发学生的学习兴趣和求知欲望。基于此，对所搜集的工程实例按照知识点、讲授方法、大纲要求等不同分为以下几种主要类型。

（一）图片视频类实例

水力学课程被学生评价为“难学课程”的主要原因之一，是其研究对象是比较抽象的以水为代表的液体。每个人日常生活中都离不开水，对水并不陌生，但水既没有固定的形状又具有流动性。因此，水力学课程中将水作为研究对象，决定了该课程中基本理论的抽象性与复杂性，这也正是水力学课程让学生难以理解、感到疑惑的原因所在。水力学课程中对很多复杂的水流现象进行描述和定义时往往很简单，学生虽容易准确地记住，然而当他们面对大自然及各种工程中实际的水流现象时，并不能依据定义对其进行准确的判断和描述。有研究表明，人们通过语言形式从听觉获取的知识能记忆15%，通过视觉获取的知识则能记忆25%，将两者结合起来，记忆的知识则可高达65%［9］。若在对复杂水流现象进行描述和定义时，配合演示图片和视频资料，学生们往往如同亲临其境，豁然开朗，真正透彻、清晰、牢固地理解和记住各种复杂的水流现象。

通过放映自己在科研过程中拍摄的灌区渠道中水流现象的视频和图片资料来配合讲解“急流”、“缓流”和“临界流”等知识点，能提高学生的学习兴趣，促进课堂上老师与学生的互动及课间师生的交流。曾经有学生说自己家就在图片中放映的科研项目区附近，他对视频和图片中的渠道非常熟悉，但在看到了授课视频的那一刻，他才真正将这些定义和自己经常见到的水流现象联系了起来，理解了本次讲授的课程内容和知识点，激动的心情溢于言表，并主动提出愿意跟随老师参加一些相关的科研工作。

水力学中可引入此类实例的知识点包括:液体的表面张力、液体的粘滞性，层流、紊流，急流、缓流、临界流，水跃、水跌，各种消能方式等。

（二）操作应用类实例

水力学教材中关于薄壁堰流水力计算的章节中描述到:“由于薄壁堰流具有稳定的水头—流量关系，因此常被作为水力模型实验和野外测量中的一种有效易行的量水设备”［10］。如果教师在讲授时也像教材中一样仅仅对其描述，学生往往由于缺乏对堰的感性认识而不能完全理解，更不知如何利用薄壁堰去野外测量流量。结合科研课题带领学生利用旋浆流速仪和薄壁堰进行了大田灌水试验渠道流量的测量，并在测量操作的过程中特意拍摄了多组照片和视频。在讲授水力学该知识点时，通过多媒体播放了该组照片和视频。照片从不同角度展示了薄壁堰的外形和构造，又通过视频演示了利用薄壁堰测流量的完整过程。课堂上，学生都看得非常认真，尤其当学生看到视频里面的操作者就是本班同学时更是显得兴奋和激动，观看得就更加仔细和认真了。通过观看照片和视频，学生至少了解了如何利用薄壁堰去测量流量。接着学生一定想弄明白薄壁堰测流量的原理，教师便可自然地将学生引入到本节的教学中来。

水力学中可引入此类实例的知识点包括:文丘里流量计的原理和应用、薄壁堰的测流原理和应用、毕托管测流速的原理及应用等。

（三）设计计算类实例

水力学课程理论性强，计算方法和公式多，各知识点的掌握需要课后通过完成一定的练习来实现。不同版本的水力学教材中都配有大量的例题和习题，然而这些例题和习题与工程实际联系并不紧密，有的甚至是断章取义，学生往往认识不到作业题与实际工程之间的本质联系，因此对课后的作业题兴趣不大。比如教材中关于渠道设计的习题为:某黏土基础上的灌溉渠道，断面为梯形，边坡系数m=1.5，粗糙系数n=0.025，底宽b=5m，当设计流量Q=8m3/s，底坡i=0.000 3时，试确定渠堤高。由于受到版面的限制，学生专业背景的缺乏等原因，此类习题在各种版本的水力学教材中出现的形式基本相同，所不同的可能仅是数值上的变化。多数学生不知道也不去思考题中的参数如何给定，在完成作业时也只是参照例题的格式“照葫芦画瓢”而已，完全不可能将它和实际工程联系起来。

与教材中例题不同，在对渠道设计知识点讲解时所引用的例子是源于就职在某设计院的往届毕业生所参与设计的工程实例。讲解之前首先告知学生实例的来源及相关工程概况，使学生不对实例的真伪产生怀疑，然后结合工程概况、设计要求及设计者的设计思路引导学生去主动思考，确定相关参数，一步步完成设计，最终完成对所学知识点的理解和掌握。

水力学中可引入此类实例的知识点包括所有设计和计算的内容。

在把上述各类工程实例引入课程之前，均明确告诉学生所选实例的来源。通过沟通，学生反映练习这些来自于学长、老师、同学等实际的工程实例方面的例题，感觉自己不是在做练习题，而是在做实际工程，解决实际问题，莫名的产生一种责任感和压力感，并能够始终保持着一种新鲜感和一种探索知识的强烈愿望。通过实例的引入和讲解也使学生有机会了解不同性质的工作单位所从事的工作内容，不同工作内容对专业知识的需求程度，使学生较早地对自己未来工作去向有所了解和规划，从被动学习向主动学习转化。

三、结语

将工程实例教学法引入水力学教学中，旨在将“学”与“用”有机地结合，能够引起学生对基础理论知识的重视，让学生对知识的应用有切实的体会，能够充分感受到所学知识在解决实际问题中的重要性。工程实例教学法不仅激发学生对水力学课程及自身专业的兴趣，而且激发学生学习的积极性和主动性，使学生通过解决实际问题获得强烈的成就感，提高学生的整体思维能力和动手创新能力。

通过工程实例的讲授，达到使抽象水流现象直观化、复杂原理简单化、繁琐公式具体化的授课效果，使学生能够主动地了解用人单位，了解自己的专业，了解自己的课程，培养对自己所学专业的兴趣，愿意主动了解和探索专业领域;同时，又能提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力，加速学生由学习型人才向初步具有工程师素质的应用型人才转变。

通过工程实例的搜集过程，不仅有利于教师把理论与生产实际紧密结合，及时了解学科前沿，了解行业新动态，了解用人单位对毕业生专业知识需求的程度和深度，以便及时调整、完善、丰富教学内容，提高教师的专业素质;又能够顺应社会和行业的需求，最终培养出适应我国新世纪水利工程建设需要的具有创新精神和实践能力的高素质复合型人才。

［1］孟宪萌.关于“水力学”课程的教学体会及教改方案的探讨［J］.中国地质教育，2011（4）:93-95.

［2］王胜群.高职院校水力学教学改革思路探索［J］.产业与科技论坛，2012，11（16）:208-209.

［3］段小月，杨春维，汤茜，等.水力学教学方法的探讨［J］.赤峰学院学报（自然科学版），2013，29（4）:22-23.

［4］李春娟.互动教学模式的应用——以水力学教学为例［J］.科技信息，2013（4）:40-42.

［5］左建勇.面向工程的实训教学模式与案例分析［J］.实验室研究与探索，2011，30（7）:157-161.

［6］严跃成，申继红.力学课程案例教学方法探讨［J］.高等建筑教育，2011，20（5）:140-143.

［7］廖孟柯，张晓芳.工科课程案例教学模式探索与实践［J］.黑龙江教育，2011（5）:79-80.

［8］邓云洲.案例教学:一种可供教育学教学移植的范例［J］.教育发展研究，2001（4）:40-43.

［9］高海静，赵革委，蔡苏亚.视频案例教学在高职工科课程中的应用探新［J］.信息技术，2012（8）:225.

［10］吕宏兴，裴国霞，杨玲霞.水力学［M］.北京:中国农业出版社，2002.

（编辑:刘伟霄）