新工科背景下水力学实验教学模式探索

张艳 白相东 关成尧 宋洋 孔慧敏

摘要：本文在新工科背景下，结合本校办学定位和地学专业特色，经过探索和研究，提出了实验教学的多极化体系。该体系分为四级，为基本理论验证性教学实验，基本理论设计性实验，工程型、研究型设计性综合提高实验和开放创新型实验。该体系层层递进，级级拔高，潜移默化中提高学生各项能力。本次改革为应用型本科水力学类课程实验建设与改革提供了可借鉴的经验与示范。

关键词：水力学；实验教学；教学改革；多极化；新工科

中图分类号：P315.8 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）24-0269-03

近期，教育部启动了“新工科研究与实践”项目，引起了工程教育界的广泛关注。这是对传统工程人才培养教育的一个挑战，也是针对现今我国工科人才培养定位不清晰，工科教学理科化的改革。“新工科”重点在于“新”，即新兴、新型和新生，新学科的产生，传统学科的转型和学科交叉[1]。新工科要求培养出的人才要能适应未来新兴产业或行业发展，要有强的实践力、创新力和竞争力，要具有学科交叉融合的特征，要能快速学习新知识、新技术并有解决问题的能力[2，3]。

水力学课程是工科类院校水利、土木、环境等专业的一门专业基础课程，是研究水的宏观机械运动规律（水静力学和水动力学）及其在工程技术中的应用[4，5]。课程理论最终是要为相应的工程领域服务，所以该课程是一门以实用为目的的应用型课程，应以培养实践能力强的学生为目标[6]。水力学实验就是一个实践能力培养的环节，是理论教学的补充，可巩固课堂理论教学知识，同时培养动手操作能力，丰富实践操作知识[7]。本文将在新工科背景下探讨实验教学模式的改革。

一、实验教学模式改革的必要性

传统的实验教学以“教”为主，如水力学基础理论实验教学多为演示性、验证性实验，教师讲解，学生按照教师讲解步骤操作验证理论，缺乏创新，很难激发学生自主学习与创新兴趣，不利于培养学生创新意识和创新能力。另外，由于实验系统不够完善、功能单一，水力学实验教学也应向多元化发展[8]。所以水力学实验教学改革首先应该改变传统的“以教为主”的实验教学方法，发展为“以实践为主”、“启发式教学”为主，由学生被动接受转变为培养学生独立思考、独立分析、自我更新知识的能力，教会学生分析问题、解决问题的方法。这个培养目标应该贯穿于整个实验教学过程，着重训练学生应用现有的实验设备，独立完成实验设计，注重实验数据的采集、分析整理、得出结论及误差分析的过程训练。鼓励学生采集大量数据，启发学生应用EXCEL、MATLAB、SPSS等数据处理软件进行分析、归纳拟合方程或制作图表，然后在理论教学过程中对学生的实验结果进行讨论，培养学生选择最优方案的意识。这样既验证了实验内容，又训练了学生分析、归纳、总结实验数据和实验现象的能力。

二、实验教学模式改革的目标

针对新工科理论下的人才培养目标要求：多学科交叉，适应新技术、新产业和新经济的快速发展，培养具备整合能力、全球视野、领导能力、实践能力的复合型、综合性人才。人才培养模式要求将通识教育与工程教育、实践教育与理论教学，工程教育与行业企业相联系[9]。

本次实验教学模式改革目标：改变学生被动、惰性的学习习惯，培养学生的团队合作能力和主动思考，主动查阅资料，能将多学科知识结合进行实验，并从实验中举一反三，得到更适用于实际应用的实验操作过程及结论的能力。

三、实验教学新模式的建立

实验教学的新模式需要建立一套实验教学的培训体系。这个体系是要能够服务于多目标的。为了服务于多目标，就需要根据目标的不同而实现实验内容的分级化。

1.实验内容分级化。根据学生的个体差异和对学生培养层次的不同要求，实验内容应实施“多级化”，设计级别为四级：

一级为基本理论验证性教学实验，通过该类实验，验证课堂理论知识，让学生加深对理论知识的理解，掌握温度、压力、流速、流量等基本物理量测量技术。该级实验训练目标：掌握基本实验方法和技能。

二级为基本理论设计性实验，该类实验以课内基本理论为基础，与教学实验不重复的前提下进行实验设计。该级实验训练目标：使学生充分发挥主观能动性和创造性思维，具备自主探索精神，分析问题、解决问题的能力。

三级为工程型、研究型设计性综合提高实验，该类实验是由具有应用背景的工程性实验或结合教师科研项目为背景的理论性实验组成。该类实验更具综合性，更突出实际问题中知识的多学科交叉性。该级实验训练目标：培养学生团队合作、创新、自学、动手、综合应用能力。

四级为开放创新型实验，该类实验针对课内学时少，实验设备少，学生学习兴趣和主动性差异大等特点建立。该级实验训练目标：充分挖掘学生兴趣点，调动学生主动性，扩充基础理论知识和拔高学生的动手操作能力。

2.实验内容的实践。（1）基本理论验证性教学实验。本校水力学实验室已有课内教学实验项目8个，雷诺实验、沿程阻力系数实验、伯努利方程验证实验、局部水头损失实验、恒动总流动量方程实验5个验证性实验，及流谱流线演示实验3个。通过课内教学实验验证水流运动的基本规律，测定公式中的待定系数，学会使用水力学实验基本量测仪器，掌握基本操作技能，掌握分析实验数据，整理实验成果，完成实验报告的过程。该类型实验的执行重心为教师，教师先讲解实验原理、步骤、现象。学生再操作观察，记录数据，处理数据，完成报告。（2）基本理论设计性实验。该类实验仍属课内实验，即应用课内理论知识设计实验，但执行重点转移为以学生为执行主体，教师为辅助引导，即着重发挥学生的主观能动性与创造性，以培养学生独立思考能力和自主设计能力为目标。该类实验属半设计性实验，教师先根据理论知识和实验条件创设小型实验项目，一般一个项目对应一个知识点，学生在规定的实验项目内选择，在给定的实验条件下，充分利用已有的实验器材组合实验装置，甚至可以改装已有实验装置。学生用课内时间进行实验，在实验过程中教师需全程辅导，引导学生思路并及时更正学生在操作过程中出现的问题。本校开出的基本理论设计性实验项目有：①水静力学基本方程验证实验；②毛细力影响因素实验；③恒定总流连续性方程验证实验；④孔口和管嘴出流流量比较实验；⑤管道自由出流和淹没出流流量比较实验；⑥液体黏滞系数测定实验；⑦弯管局部水头损失的测量实验。开出项目都未做教学实验，完全由学生根据课内理论知识设计。实验要求3人一组，选定项目后自行设计实验步骤，不可使用教学实验操作步骤。在教师确定其可行性后，学生可利用本校水力学实验室现有的实验条件自行安装調试实验设备，但不可完全使用教学实验装置，记录整理实验数据，书写实验报告，汇报实验成果。小组成员在整个过程中，应轮流参与，并做合理分工。如学生根据水静力学基本原理Z+■=C，自行设计了：①测压管、U型管、差压计测量某点的静水压强；②等压面是水平面的条件；③观察真空现象，计算真空值等内容。设计多样化，真正体现了学生思考及创新的想法、对知识灵活运用和超强的动手能力，所以应该给学生更多的机会展示他们的能力、培养他们的能力。（3）工程型、研究型设计性综合提高实验。在新工科背景下开设重应用、重学科交叉、重能力培养的实验类型，是非常有必要的，也是一个新的挑战。该类实验重在将理论知识的延伸，与其他学科交叉，与工程实例结合，也要求教师要不断扩展知识面，提高自身教学实验素质，而不能只局限于课本知识或本专业知识。如，根据不同专业设置针对不同专业特色的实验项目。以地下水科学与工程专业为例，以地下水在岩石空隙中的渗流特征为主。课程因学时少，不能详细讲解渗流章节，但可以在该类实验中设置渗流实验专题，如地下水一维、二维渗流过程中渗透系数如何求解，潜水含水层潜水面毛细上升高度影响因素等等。再如与地质学专业中的沉积学学科交叉，地质学专业不学水力学，但沉积学中河流沉积的动力学作用是与水力学相关的，河流凹岸、凸岸的形成及形成速率，水平层理、交错层理等沉积层理形成的水动力条件等，都可在实验室中进行模拟。（4）开放创新型实验。开放性实验完全以学生为主体，学生自行选择实验项目（不限类型），自行安排实验时间，学校实验室全天向学生开放，教师只做项目可行性及最终结果的把关。开放实验可与课内实验结合，也可与设计综合性实验结合，但需不同于课内各类实验，有创新性，也可与课外科技活动（科技竞赛）、教师教科研项目相结合。以完全开放的方式，调动学生自主学习的积极性。我校为鼓励学生参加科研活动，特设了“大学生创新项目”，并给予一定的资金资助，学生可自立课题申报，也可依托教师科研项目申报。

3.实验考核方法改进。实验内容课程化，即严格规范实验课程，完善实验考核制度。将实验课提到与理论课同等重要的地位。实验课设置考核机制，分为三类实验考核，基本理论验证实验占40%，设计性实验占40%，开放实验占20%。基本理论验证实验考核包括实验过程表现和实验报告，所占比例分别为60%和40%。设计性实验考核内容分为实验设计、实验过程综合表现、实验报告、实验汇报四个部分，所占比例分别为30%、30%、30%、10%，实验内容要求新颖，不依赖于课内教学实验内容及操作过程，不可互相抄袭。开放实验只考核实验报告。

4.教学效果。（1）效果评价。新的实验教学模式应用以来，取得了很好的效果。“多级化”的实验体系，内容从简单到复杂，从单一到综合，多次重复应用课内知识点，加深对知识点的理解，逐级培养学生的动手能力、建立实验思维和创新精神。实验体系的重建和考核制度实施以来，实验课的教学效果确有改善，学生们对实验课的学习态度由被动式接受转变成了主动式讨论与探索，以前一些旁观的学生、不愿动手的学生也参与进来，甚至有的学生主动申请进实验室做一些自己感兴趣的小实验。当学生真正融入到实验中，体会到动手操作的乐趣，体会到团队合作的乐趣，体会到还能与其他所学专业知识结合，认清实验操作对理解理论知识的重要性时，也就从本质上改变了对实验课的认识。这是进行改革最重要的目的。（2）经验思考。该套“多极化”实验体系，从基本理论到实际工程应用，从基础操作到灵活应用、举一反三，整个过程层层递进，级级拔高，潜移默化中提高了学生的各项能力。但在实施过程中，设计实验题目内容以及类别的甄选，实验过程的把控皆为难点。如本校为以地学为主的院校，在引导学生选择综合设计性实验或开放实验题目时，会结合学生已学地学基础知识进行设计。所以题目的选择、过程的把控需要教师在多次实际操作中总结出适合学生、适合学校性质、发展目标的经验。

四、结语

经过几年的探索和研究发现，多极化层层递进的教学模式，能在潜移默化中提高学生的各项能力，降低学生对较难学科或不感兴趣学科学习的抵触心理。同时实验教学体系的改革也是紧紧围绕着我校培养应用型本科人才的办学定位，结合了本专业课程需要和拓展了地学基础课程的基础上进行的，力争带動水力学课程的教学改革，为专业课程奠定扎实的专业技术基础。

参考文献：

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