工科院校环境工程专业水力学课程教学改革与探索

罗明汉，许加星，徐文杰

(南京工程学院 环境工程学院，江苏 南京)

一 引言

水力学是工科院校环境工程专业必修的一门专业基础课程，具有很强的理论性、抽象性和实践性。所以、历届学生对于该门课程表示不易理解、难学，使得学生们对该课程的学习兴趣不大、积极性不高。鉴于此，怎样从课程本身的性质和特点着手，变抽象为简单，提高学生学习的积极性和主动性，从根本上改变学生对这门课程的认识和理解，从而增强教学效果是每一位从事水力学教学工作的教师应深思的问题。

二 水力学课程的特点

水力学是力学的一个分支，其研究对象是以水为主的液体，学习内容主要包括液体的平衡规律和运动规律[1]。在南京工程学院环境工程学院，水力学通常开设于环境工程专业和水质科学与技术专业大学二年级阶段。在教学过程中，大多数学生对水力学的评价是“难学”，之所以会有如此评价，主要是因为水力学具有以下特点。

（一） 理论性强

水力学的研究以水为代表，由静态到动态，由作用力到能量，使水力学区别于其他力学内容的特殊性，决定了水力学课程的教授具有较大的难度[2]。学习该课程的过程中遇到较多的理论公式，都是在一定的前提条件下推导而得出的，且推导过程复杂，涉及到高等数学、大学物理和理论力学中的知识。将理论知识应用于实际工程时又引出了大量的经验公式和常数，往往让学生迷茫到不知所措。

（二） 实践性强

水力学课程具有很强的实践性，该课程中的诸多知识点都是从实际生活和生产、工程当中总结、抽象获得的，而得到的诸多理论公式和经验公式还能指导实际生产和生活、工程中的诸多问题[2]。另外，水力学课程作为一门专业技术基础课程，在水污染控制工程、给水工程和管网设计等后续环境工程专业的专业课程中都有大量的应用。

（三） 抽象性强

抽象性强也是水力学课程中的一个典型特点，如果教师没有找到合适的教学方法加以引导便会影响学生们的理解不够清晰。该课程中涉及到的大部分生疏的名词、概念等都在过去的课程或生活中闻所未闻的，比如对于使用数学知识描述液体的拉格朗日与欧拉的研究方法，以本科生所掌握的数学基础来理解起来还是比较吃力的、还要结合抽象能力去理解。还有恒定流、均匀流和流线、迹线等方面的内容同样要求很好地将抽象能力和数学基础有效结合才能在一定程度上得到认识。

三 我校水力学课程的教学现状及问题

目前我校仍使用传统的教学方法对环境工程专业和水质科学与技术专业的学生教授水力学课程，因此存在如下的一些问题。

（一） 水力学课程的教学现状

水力学是我校给大二(水质科学与技术系)学生第二学期和大三(环境工程系)第一学期开设的课程，从学科角度上看，水力学是环境工程专业的专业基础课程，分别为2.0(水质科学与技术系)与3.0(环境工程系)学分，教学包含实验过程，是一门集力学与数学理论应用于实际水利方面的应用性学科，也是后续大三下学期和大四上学期学习专业课程的基础课程。

（二） 教学课时与授课内容匹配的问题

我院选用的水力学教材是由赵振兴、何建京主编，清华大学出版社出版的《水力学》(第二版)，本教材大分13个章节，涵盖了水静力学和动水力学方面的理论知识和工程水力计算内容之外，还涉及到了地下水和简单的数值模拟计算等部分内容。而一学期的课程教学总课时分别为32学时(水质科学与技术系)与48学时(环境工程系)，减去4学时实验只剩下28个课时(水质科学与技术系)和44个课时(环境工程系)。这样少的学时讲授全书内容将是一个不小的挑战，如何在小课时内集中讲授大部分的内容成为了老师们艰巨的任务。

（三） 教学方法单一

水力学的教学也一贯秉承着“教师讲，学生听”的传统式填鸭教学方法。水力学是集理论性和抽象性较强的一门课程，而课堂上教师仍然主导着大量的理论知识讲解，台下的学生们只能被动接受新知识，这样单一的教学方法很容易让学生们在短时间内感到疲乏与厌倦，气氛也越来越沉重和枯燥乏味，更别说让学生们参与到课堂中来，就连跟都跟不上，最后就只能“拖”着走了。尽管每一节课堂上都使用了多媒体手段，但是因为教师们过多地依赖，教学效果也不理想。

（四） 对实验教学重视不够

从水力学这门课程的性质上来讲，该课程的实践性及运用性较强，所以水力学教学中的实验环节就显得格外重要[3]。学生们可以通过实验过程巩固课堂上的理论内容提升动手能力和操作能力。然而，目前我院却至今没有设立水力学课程专用实验室，还要借用能动学院的实验室勉强完成雷诺及能量和动量方程有关的实验，这些基本实验就无法呈现给学生一个解决实际工程问题的案例。水力学知识是要应用于各种水利工程计算的，而不完善的实验场地和设施却减少了给学生提供感知认识的通道。

四 水力学课程教学改革的探索

笔者总结了教授水力学过程中积累的一些经验及见解，对南京工程学院这种工科类高校环境工程专业的水力学课程，从教育、理论和实践的三个大方向提出如下几个对水力学教学改革的建议。

（一） 教书育人

教师是人类灵魂的工程师，是人类文明的传承者，承载着传播知识、传播思想、塑造灵魂、塑造生命的时代重任。作为五千多年中华文明的未来传承人，高校教师理应教会学生学习、传承和保存优秀中华传统文化的特质，并通过学习现代科学技术和融合国内外先进文化体系创新并发展传统文化[1]。在全国教育大会上，习近平总书记指出，培养什么人是教育的首要问题，我国的教育必须把培养社会主义建设者和接班人作为根本任务，也是教育现代化的方向和目标。而高等教育的一切活动都应该服务于教书育人[4]，即围绕全面提高学生综合素质的宗旨开展高等教育是素质教育的真正意义和基本价值取向。而立德树人对于提高大学生的综合素质、思想道德水平、健康人格和教育的可持续发展有着积极促进作用。2018年5月2日，习近平总书记在北京大学考察时的重要讲话也明确提出要坚持把立德树人作为根本任务，把立德树人的成效作为检验学校一切工作的根本标准，高校教师教书育人的根本需要围绕着立德树人的方向展开。

（二） 课时及考核方式

目前我院开设的水力学课程课时分为32与48课时，选择的教材是由13个章节组成的、由赵振兴主编的水力学教材，课时较少，其中还要减掉实验的4个课时，这样一来学习理论知识的课时就只剩28和44个课时了，有必要加大课时至少达到56个课时才能将水力学教材里面大致的内容教授给学生们。

目前为止本课程的考核方式来看，考试成绩占70%，实验20%，平时成绩10%(考勤5% + 作业5%)。传统的考核方式大部分比重都在理论学习上，这样学生们的关注点仍然在课堂的理论学习上，而且学习起来不仅乏味，学习效果不佳，成绩自然不高。可以将实践、实习环节的比重加大，理论学习比重可适当减少至50%，这样一来水力学课程中包含的内容不仅多种多样，可以起到互补的效果，提高学生的学习兴趣和积极性。

（三） 环境专业特色的教学内容

作为工科类高校环境工程专业的一门专业基础课程，水力学的基本理论部分可与其他工科专业相同、但其实际应用部分则应该充分结合本专业的特色、从教学内容、示例及习题等各个方面均应该有所侧重。为了提高课堂理论教学的效果，教师在授课过程中应针对每一个知识点辅以对应的典型示例来巩固学生对其知识点的学习程度，对每一章节结束后应配以相应的习题以使学生自我加深对课堂内容的学习效果。在结合工程类高校环境工程专业特色的前提下，教师在课后发布的习题内容可以在教科书后面的习题中挑选，也可以适当从其他教材或参考资料中选取能够激发学生兴趣与对课堂知识点起到补充说明的习题来加深学习内容。对于课堂上需要演示的示例内容还可以通过多媒体或数值模拟等各种手段辅助说明。

（四） 多样化的教学方法

当前各大学最基本的教学方法当属一直延续多年的传统讲授法为主，在课堂上这种单一方法会使学生感到厌倦及疲惫。而在科技发展迅猛的今天，涌现出了如多媒体、线上等多种多样的教学手段及方法无疑最终只有一个目的，就是如何在最短时间、最有效教好学生。所以，在理论教学过程中，应采用多方位、多视角的多样化教学方法。比如，课程中出现连续方程、能量方程和动量方程等的公式推导环节时可以选用板书的方式将方程一步步推导出来，可使学生们一步步跟着老师的节奏掌握其过程、锻炼其思维及分析能力；对于某些如拉格朗日法、流线和迹线等较抽象的概念则适合使用多媒体手段为主进行相应的演示，使学生更快理解其含义。当然像今年这样的特殊疫情期间也可以使用线上教学方法来完成学业。所以，教师可以在教学过程中根据实际教学内容“私人订制”多种多样的教学方法，这样可以使每位同学更加期待下一节课程，从而提高学生学习积极性和课堂教学效率。

（五） 水力学实验教学的重视

始于19世纪初德国教育界的实验教学法是在一般自然科学和工程类学科教学中广泛使用的教学方法[4]。通过实验过程，尤其对于工科类高校的学生来说，不仅可以培养动手能力、观察能力、实践能力和创新能力、还有思维能力，最终还能巩固所学理论知识。对于我校水力学课程中的实验内容包含了典型的雷诺实验、能量和动量方程三大理论验证实验，但是对于紊流粗糙度或明渠水流等方面的实验在实际工程上才具有更加重要的实际意义。所以，为了进一步提高实验教学效果、相关学院应制定更加符合工科类高校人才培养方案的实验教学大纲，形成实验方面教学体系，适当增加有效的实验类型及教学课时，毕竟实验教学内容的优越性是显而易见的。这样，学生就可以通过实验过程加深水力学理论课程中的相关基本概念和基本理论，熟悉水力学基本实验仪器的使用方法、掌握基本实验技能和科学实验的基本方法，另一方面就可以起到加强学生理论联系实际的能力和实践创新能力[2]。

（六） 增加数值模拟环节

水力学是研究以水为代表的液体的宏观运动规律及其在水利工程中应用的学科[5]，是环境类专业的专业基础课。虽然水力学课程在专业人才培养方案中扮演着重要的角色，但是由于课程内容本身理论性太强并且距离生活经验较远，所以在学生们眼里水力学就是记公式且难学不易懂，导致学习兴趣不高，主动性不强，没有学习吸引力。这些问题可以通过水力学课程中加入数值模拟的环节来解决，目前施行这种模式的高校为数不多。数值模拟是建立在具有严密理论基础的流体力学方程上，通过先进的数值解法和计算能力得到水力学中宏观的物理参数并对经验公式进行验证，可以为机械记忆学习方式提供重要补充[6]。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法可以有效实现流体力学的数值模拟过程，相继也出现了许多商用的软件，如，Flunet，Comsol Multiphysics等流体力学计算软件。这些CFD的商用软件应用范围非常广泛，模块儿较多，而且非常容易学习，可使学生在一天之内学会其基本操作并建立简单的仿真模型，尤其对于工科类高校学生来说是必不可少的辅助学习工具。

在水力学课程的教学中，可以在进入实验环节之前，使学生们使用CFD软件构建实验仪器的几何形状，设置参数并建模，就可以提前做出有关实验内容的一些流场数据和曲线并针对性地开展下一步的实验再进行验证及校准。通过使用CFD软件的数值模拟过程，明显可以提高学生做实验的积极性，有助于加深对水力学理论知识的理解。学生课前利用CFD软件模拟这些物理现象，可以把握和认识实验课上整体的实验，从而提高实验环节的效率[6]。张宏伟[7]等通过水力学水头损失控制方程离散化、给定初始条件、计算机求解该方程、最后对水头损失实验各个参数进行了数理分析，数据与实际实验模型的数据吻合较好，为水力学实验模式提供了另一种可能。

数值模拟过程有助于学生直观理解水力学的研究内容，认识流体力学的应用方式。计算流体力学软件的使用减少了求解复杂纳维-斯托克斯方程的过程，只要掌握了软件的使用方法，确立准确的几何模型和模块，就可以非常轻松处理水利工程中常见的水流问题，方便水利工程师及科研人员有效利用软件应用于实践中。

（七） 加入实习环节

我院环境工程专业的实习环节分为大二时期的认识实习和大四时期的实习，无论是大二或大四时期的实习往往都集中被分配到污水厂或供水厂，很少会派往有关水利工程或水工建筑物等方面的单位，这将不利于我院学生学习有关水利工程方面内容的拓展。就目前严峻的就业形势前提下，学生们的学习主动性都倾向于毕业之后如何找到更加稳定的工作或是继续攻读研究生，而忽略了实习环节能够给本专业的理论知识带来补充与说明的作用。所以有必要在水力学课程中加设相关水利工程类的实习或认识实习机会，将水力学课程内容与实际现场工程案例进行充分的结合，使学生站在工程的角度上进行理解，有利于理论联系实际将抽象性、理论性和实践性强的水力学课程消化得更加透彻。鉴于此，为了提高学生在现场实习过程中能将理论知识与实际工程联系得更加紧密，使所学知识能够解决实际工程问题，在实习初期可搜集一些与水力学知识相关的工程实例资料、图片、视频等，针对性地将这些资料应用到水力学课堂的教学环节，以期获得更加良好的教学效果[8]。

五 结语

水力学是我院大二下学期和大三上学期开设的专业基础课程，水力学实验也是水力学课程教学中的重要组成部分，在教学中发挥着重要作用。学生们可以通过水力学实验、数值模拟和实习环节提高动手能力、独立思考能力和创新思维能力。随着社会与科技的发展和教学改革的不断进步，水力学课程也需要与时俱进，不断进行改变，将学生培养拥有扎实理论基础知识和实际操作与计算能力较强的工科院校创新型人才。