少学时水力学教学改革和达成度分析

何子干，赵志军，肖 婧，胡世平

(长沙学院土木工程学院，湖南 长沙 410022)

水力学为应用型本科高校土木工程专业的一门专业限修课.通过对本课程的学习，使学生理解水力学在我国的发展进程，掌握水力学理论和实验运用，为毕业设计和今后从事地质勘测、工程设计、施工等工作打下基础.

水力学主要研究液体宏观机械运动的规律及其在工程中应用，液体以水体为主要研究对象.可分为三大部分：水静力学，水动力学，工程中的水力计算.通常将水静力学，水动力学划分在水力学基本原理(理论)部分，将工程中的水力计算划分在工程水力学范畴内.

1 水力学课程教学改革的背景

《水力学》[1]课程由两大部分组成，即水力学基本原理和工程水力学.土木类学生通过本门课程的学习，不仅要掌握水力学的基本理论，更重要的是掌握水力学的相关应用.在许多高等院校的少学时水力学教学大纲中，水力学一般安排45-50个学时[2,3]，而我院水力学总学时数减少至32(理论课时24，实验课时8)学时，但是教学内容基本不变，这给授课教师和学生都带来了巨大的挑战，教师和学生都在赶进度.而且，教学内容不能与时俱进，即随着学科的发展及时更新.又由于该课程与水利专业联系密切，不少土木类学生概念理解困难，加之本课程公式繁多，理论推导较复杂，课程内容与课时比较大，导致一些学生对本课程的学习缺乏信心和目的性，方向不明则得过且过，使整个年级水力学课程的学习成绩离散度较大.针对课时少，内容多，公式繁，概念杂的特点，笔者对近几年《水力学》课程的教学改革进行了一些探索和归纳，并结合正在进行的专业认证，对本课程的2017版教学大纲要求的达成度进行了分析.

2 水力学课程教学改革的内容与方法

2.1 教学改革的内容

《水力学》是力学的一个分支，是我院学生的必修课.课程概括为两部分内容：水力学基本原理和工程水力学两部分.前者讲述水力学基本原理和概念，是本门课程的基础，学生必须坚实掌握这部分内容.为此，笔者在水力学教材的选择上，仍然坚持选择了传统的最新优质教材(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室编.水力学.北京：高等教育出版社，2016.4(第五版))，安排理论授课约18-20学时.后者就是水力学基本原理在工程中的应用，由于总课时的限制，仅能安排4-6个学时讲授有压管流和明渠恒定流动，因此，不能面面俱到，须重点突破.如图1所示问题：

已知旧钢管总长L=L1+L2+L3=100m，钢管直径d=800m，糙率n=0.01，各局部水头损失系数分别为：ζ进口=0.5，ζ转弯=0.3， ζ出口=1.0，求管中流量Q.

图1 工程水力学问题

就是水力学基本原理在工程中的典型应用，涉及了本教材前四章大部分内容和公式.先将糙率代入曼宁公式求出谢才系数，再用谢才公式求出沿程水头损失系数，接着用能量方程解出此管道系统的流量系数(涉及到沿程水头损失和局部水头损失)，最后，质量守恒得到流量.讲透此问题，水力学在工程中的应用之门随之打开，起到了事半功倍的效果.

笔者认为：掌握了坚实牢固的水力学基本原理和概念，工程水力学的学习和工作中的应用及自学没有理论上的障碍.例如，有压管道系统流动，明渠流动，堰流及闸孔出流，水流衔接和消能等都是工程水力学问题，看似复杂且流动形态各异，但万变不离其宗，这些流动都受到水力学基本原理(方程)的控制，只要清楚了其流动特点(边界条件)，逐个应用基本原理即可.

2.2 教学改革的探讨

2.2.1 以应用能力培养为导向，改变传统的教学模式

图2 等压面问题

2.2.2 教学方法多样化

传统的板书既费时间，图像效果又差，水流运动过程也无法逼真表现，如，流线展示、层流和紊流的转换和显示，压力体图示等.而这正是多媒体大显身手的机会[1，4，5]，它可以充分演示水流动态过程，如采用动画和视频录像的方式演示管道和明渠流动、原型观测和模型试验的录像演示挑流消能、堰流及孔口出流，以及相关数值模拟结果的计算机图示等，增强了学生对相关原理的理解，扩大了知识面.但是，多媒体也存在停留时间短、跳跃性强等不足.在公式推导时不能依靠多媒体，教师要严格逐步利用黑板板书推导，以期加深学生的印象.有条件和学时允许时，进行原型观测和模型实验也大有益处，如在本校教学中安排了以下五个实验：1静水压强测试；2动量方程验证；3流线演示和虹吸管演示；4沿程阻力系数测定；5渗流实验.增加了感性认识，理论与实际得到了良性的融合，也强化了学生的动手能力.

3 专业认证中的达成度分析

2018年11月长沙学院土木工程专业首次申请专业认证，其理念是：以学生为中心，以成果为导向的教学、教育、培养过程和结果得到跟踪、评价与改进.

2011-2015级五届学生学习时土木学院采用的2013教学大纲培养方案没有安排水力学限修课(2011-2014级)，或未安排实验课时(2015级)，故表一仅给出了近三届学生(采用2017教学大纲培养方案)的总成绩(含60%书面考查成绩、20%实验成绩和20%平时成绩)分布，可见平均成绩逐年明显得到提高，学习成绩达到了持续改进的效果.

图3近三届学生总成绩分布图

3.1 评价对象

土木工程专业2016级路桥2班、2016级建筑2班、2017级土木4班和2017级土木6班的所有学生.

3.2 课程所支撑的指标体系

本课程支撑土木工程专业要求中2个指标点，教学内容对应关系如表1所列：

3.3 评价依据的合理性

本课程包括理论和实验教学两部分.教学环节占总分的比例：

平时成绩占20%(含作业、课堂表现和考勤)；实验成绩占20%；期末考查成绩占60%.

实验成绩由教师根据实验报告、实验结果展示和实验操作等综合评定，具备开展水力学实验、测量和分析实验数据，获得正确结果的能力，以达到毕业要求指标点4.1的要求.若实验成绩不及格，则总成绩不及格.

期末考查采用笔试(开卷，只可以看教材或参考书)形式，题型包括填空、选择、简答(判断)、论述和计算等.考核内容应体现综合运用基本概念、基本原理和计算方法进行水静力学和动力学中的压强、流速、水头损失和受力等的计算，从而具备水力学工程问题设计、校核计算的能力，考核成绩支撑毕业指标点2.1.如果学生的期末考查成绩未达到50分，则平时各项考核成绩不计入总评成绩.

表1 本课程支撑土木工程专业要求的2个指标点和教学目标

3.4 课程评价和达成度分析

课程评价和达成度分析情况列于表2和表3.

通过对表2的近三年本门课程指标体系达成度分析，可以看出学生对基本概念和基本性质的试题完成情况较好，但在灵活运用知识解决实际问题方面有所欠缺.表四则表明这三届学生评价值呈逐年上升的趋势，但由于学生届数较少，肯定的结论要在后续教学中得以验证.在今后的教学中，在讲透原理的基础上，要紧密结合实际工程，灵活运用基本概念和基本原理分析和解决问题，帮助学生提高综合运用水力学知识的能力.此外，要及时做好作业、课堂提问等记录，以便了解学生对有关内容的掌握程度，对作业中错误较为集中的内容进行集中纠正，以引起这些学生的重视，提高教学效果.

表2 2016-2018学年《水力学》课程指标体系达成度计算

表3 课程达成度评价结果表—水力学

4 结论

以应用型本科人才培养为导向的土木类专业《水力学》课程教学改革，在学时总量安排(24+8)较少的情况下，要完成以前约45学时的内容教学，难度非常大，必须有所为有所不为.我们的做法是：安排较多学时用于讲透水力学基本原理和基本理论，同时安排足够的作业，使学生掌握较坚实的水力学理论，为工程水力学的学习和工作中的应用及自学解决理论障碍.通过不断加强《水力学》课程教学改革，熟练应用灵活多样的教学方法，科学组织教学内容，提高其应用能力，评价依据合理，最终得到了教学成绩持续改进，课程达成度结果持续提高的效果.