基于工程专业认证的河流动力学实验教学改革研究

李建林 王心义 王 燕 林 云 佘加平

（1.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454000；3.河南理工大学物理与电子信息学院，河南 焦作 454000）

近年来，我国实施了一系列的高校本科教育教学改革举措，积极推进我国工程教育专业认证就是其中一个很重要的措施。通过工程教育专业认证，可以提高本专业在国内同行的竞争力，帮助高校专业点建立健全高效的教学管理体系，提高工程教育人才培养对产业的适应性，促进我国工程教育参与国际交流，实现国际间本科教育的学位互认[1]。但是，目前绝大多数的高校本科工程专业还没有通过工程教育专业认证，其原因应该有两个：一是认证需要时间；二是有些专业自身存在诸多问题，即使申报也未必能够通过认证。所以，从管理部门到一线教师都在探索本科工程专业的教学改革，以期能早日通过工程教育专业认证。

实验是本科教学的重要组成部分，是培养学生实践能力、创造能力的主要手段[2]。以河流动力学实验教学为研究对象，探索工程教育专业认证下的专业课程实验教学的改革，为我国高校本科教学水平的提高提供借鉴。

1. 河流动力学课程及其实验教学现状

1.1 河流动力学课程概述

河流动力学课程是水文与水利工程专业的一门重要的专业课，主要包括河道水流、泥沙运动、河床演变规律与模拟等方面的内容，具有很强的理论性和经验性，同时又有明显的交叉学科特点。

目前，我国在本科阶段开设河流动力学课程的高校有近40所。不同高校的办学层次、办学条件和学科发展理念差异很大，导致对该课程的定位各不相同（有些高校设置为必修课，有些高校为选修课），因此，授课学时（包括实验学时）也存在较大差异。整体而言，总学时为32~48学时，实验学时为4~10学时。实验内容主要包括:（1）泥沙粒径分析实验；（2）泥沙起动实验；（3）沙波运动实验；（4）悬移质含沙量沿垂线分布实验。

1.2 实验教学中存在的共性问题

不同高校在河流动力学课程的实验教学环节采取了形式多样的改革，取得了良好的教学效果，但与工程教育认证的基本理念“以学生为中心，产出导向、持续改进”[3]对比，还存在一些共性的问题。

（1）以上实验大都已经设计好实验步骤，学生只需按部就班就能得到实验结果，这与“以学生为中心”的理念对比，实验过程学生思索问题少，缺乏主动性。

（2）实验完成后，学生的确能掌握相关知识点的内容，但与“产出导向教育”的理念对比，该实验对培养目标、学生毕业要求的支撑点是什么，还不够明确。

（3）实验结束后，学生提交了实验报告就算完成了教学任务。与“持续改进”的理念对比，没有建立“评价—反馈—改进”的闭环，未形成持续改进的机制。

（4）“河工模型”不仅是河流动力学的基本内容之一，也是水工专业的学生在毕业后，最有可能面临的实际工作之一。但受到教学内容、教学条件、实验场地等因素的限制，绝大部分高校在本科阶段没有开设与河工模型相关的实验。

2. 基于工程教育专业认证的实验改革

基于工程教育专业认证的实验教学改革，首先是教学理念的转变，其次才是培养目标、毕业要求、课程体系、教学方式等的改变。

2.1 教学理念的转变

（1）由“掌握知识”到“培养能力”的转变。近年来，我国提出了“创新驱动发展”“中国制造2025”“互联网＋”“一带一路”等一系列的国家战略。要实现这些战略，就不能仅满足于学生掌握课本知识，而需要培养学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力。目前，这个转变大家已基本达成共识。

（2）由“成绩合格”到“专业成就”的转变。工程教育专业认证考核的重点之一是学生在毕业后5年左右能够达到的职业和专业成就，如何在学校教学中体现。也就是说，学生在学校的考试成绩优秀，而毕业5年后未取得相关职业和专业的成就，这种教育依然是失败的。所以，从管理者到教师应该思考，每门课的知识点如何对学生毕业提供支撑，而不再以学生考试成绩合格为教学目标。

2.2 实验目的

结合国家战略和工程教育专业认证，将河流动力学本科实验目的确定为：通过实验，在掌握基本知识点的基础上，培养学生解决复杂工程问题的能力、团队协作能力和创新能力，为以后解决具体工程问题奠定基础。

2.3 实验内容的选择

泥沙运动是河流动力学的核心内容，所以，泥沙粒径分析实验、泥沙起动实验、沙波运动实验和悬移质含沙量沿垂线分布等基本实验不可或缺。

在兴建涉水建筑物时，对于可能发生的河床变形，必须做出定性和定量的预测[4]。定量估算河床变形的方法主要有两种：数值模拟和河工模型实验。由于动床河工模型实验更加接近河床变形的真实情况，在现实工程中被更多的采用。但动床河工模型实验占地面积大、费用高、针对性强，所以，不宜作为本科阶段的教学实验，这就导致了“学”与“用”的脱节。如何选择实验内容，既增加学生对水工模型的理解，为毕业后解决实际问题打下基础，又能不增加实验难度和实验成本，是河流动力学课程实验教学改革的突破口。

模型沙的选配是动床模型实验成败的关键[3]，而且在模型率定过程中，泥沙的粒径比尺和密度比尺不能更改。所以，确定模型沙的粒配曲线、模型沙的起动速度、推移质输沙率与沙波特征分析对于模型沙的选配具有重要意义。而这些内容大部分可在现有实验条件下完成，由此确定河工模型实验内容：模型沙粒径分析、起动和沙波运动。

所以，选择这几个知识点与动床水工模型相结合，构建两个综合实验：⑴弯道两岸泥沙与模型沙粒径分析实验；⑵泥沙与模型沙起动、沙波运动实验。

实验对应的知识点：⑴通过弯道两岸泥沙与模型沙粒径分析实验，确定河床泥沙及模型沙的干容重、d50、dpj等特征值；掌握粒配曲线绘制方法及曲线所反映的泥沙特征；判别弯道河床凹岸、凸岸泥沙特征值的差异，掌握河床演变分析方法和蜿蜒型河床演变特征；了解模型沙收集、制作方法，对比与河道泥沙特性的异同点；掌握河工模型垂向长度比尺、沉速比尺的确定方法。⑵通过泥沙与模型沙起动、沙波运动实验，掌握判别泥沙起动的方法、了解沙波运动变化过程；对比模型沙与河道泥沙起动、沙波运动的异同点，掌握河工模型时间比尺、垂向长度比尺、流速比尺、糙率比尺的确定方法。

2.4 实验准备及注意事项

对照工程教育认证的“以学生为中心”和“产出导向”两大理念，在实验的准备阶段要充分调动学生的积极性。

（1）在课堂教学环节，老师对实验涉及到的知识点的讲解适量增加案例分析和课程思政的内容，激发学生的学习热情；实验前，老师列出相关文献范围，督促学生查阅，以明确实验与毕业后职业工作的关系，提高学生的积极性和主动性；与学生一起讨论，分析实验过程应该注意的环节。学生则需要通过老师的课堂讲解和自己查阅相关文献，明确实验的意义、期望达到的目标和实验步骤，制定详细的取样、实验计划。

（2）泥沙与模型沙的准备。在保证安全的基础上，由学生在课余时间自行完成河床泥沙与模型沙的准备。

①河床泥沙的准备。可在学校附近的河湾断面处采集，考虑到室内实验设备的限制，泥沙粒径不宜太大（以推移质为主）。采集过程将学生分成2组，各组分别在同一断面的凹岸和凸岸采集。泥沙取样后，在室内进行分组烘干备用。

②模型沙的准备。通常采用轻质沙作为模型沙，科研过程中采用粉煤灰的效果较好[4]。可与学校后勤处协调，采集学校锅炉房的细煤灰备用。

（3）实验设备

①粒径分析实验。由于一般实验室标准筛最小孔径为0.074 mm，所以，粒径在0.074 mm以下的泥沙和模型沙须采用水析沉降法进行。实验设备除标准筛、电子天平外，还需准备玻璃粒径计分析管、分析杯、温度计、干燥箱、秒表、橡皮塞等。

②泥沙与模型沙起动、沙波运动实验。准备水槽、稳压水箱、变频离心泵、量水堰、进水水阀、固定测针、活动测针桁及测针、尾门、平水栅等。

（4）实验过程注意事项

①粒径分析实验。泥沙(模型沙)粒径很小时，沉降速度缓慢、泥沙含量小。所以，观测过程要有耐心，称重过程要仔细核对。

②泥沙与模型沙起动、沙波运动实验。对泥沙起动过程的弱动、中动、普动的含义通过实验加深理解；上、下游阀应分别有人控制并密切配合，阀门的开启不能过快；随着水流速度的增加，沙波形态会发生变化，要注意记录相应的时间、水位、流速，最好采用手机拍摄各状态，以便对比。

（5）实验结果分析及其拓展

在掌握基本知识点的基础上，启发学生思考回答以下问题:①如果凹岸、凸岸泥沙特征存在差异，原因是什么？如果差异不明显，问题在哪里？②将实测起动流速与张瑞谨、沙莫夫、岗卡洛夫等人的泥沙起动流速公式的计算结果进行对比，分析出现差异的原因；差异过大，应重新进行实验。③假定水平比尺和垂直比尺给定，依照动床模型设计步骤，能否确定其他相关比尺？

2.5 实验后对老师和学生的要求

对照工程教育认证的“持续改进”的理念，在实验结束后，老师应该分两个阶段与学生进行讨论：一是实验刚结束时，总结学生实验过程的优缺点；二是在实验报告提交后，对报告中存在的问题进行疏导与纠正，力争做到教学效果的持续改进。学生则在在回顾总结的基础上，尽快完成实验报告及老师提出的思考问题，遇到困难及时与老师进行沟通解决。

2.6 考核方式

针对工程教育专业认证的要求，重点考察学生能力的培养与提高，所以，在实验成绩的确定上，不仅要看实验结果是否正确(实验报告)，还要对学生实验前期文献阅读、实验准备和实验结束后对实验的思考和拓展进行考核(这两部分也需要学生提交书面报告)。考核成绩的构成见表1。

表1 实验成绩构成

3. 实验的创新及实施成果

3.1 实验的创新点

（1）实验内容的创新。将河流动力学重点内容之一“河工模型”融入到实验中来，与其他常规实验组合形成了两个多目标的综合实验，加深了学生对河工模型和河床演变的理解。

（2）实验过程的创新。让学生自己动手准备实验用沙；查阅文献、自己动脑确定实验步骤，分析实验结果。学生参与到实验的全过程，加强了学生在毕业后处理实际工程问题的能力。

（3）考核方式的创新。通过提交报告的形式量化实验前后学生对实验的设计与思考，将实验的全过程纳入到考核体系，督促学生认真对待实验的每一个环节。这在潜移默化中，也培养了学生的专业素养。

3.2 实施成果

河南理工大学于1960年设立水文地质与工程地质专业，2004年设立水文与水资源工程专业。虽然河南理工大学是一所以矿业、地质为主要特色的省属高校，但自水文与水资源工程专业设立以来，河流动力学课程一直设置为专业必修课。特别是2012年，水文及水资源工程专业成为校级重点学科后，水文系加强了与高水平大学水文专业的交流，加大了课程改革的探索，河流动力学课程的实验也由原来的4学时增加到8学时，实验内容设置为以上两个综合实验。

随着实验学时的增加和实验内容的改革，学生的学习热情显著提高，学习成绩、综合素质和创新能力都有了长足的进步。

（1）学习成绩显著提高。与2013级、2014级相比，2015级、2016级学生河流动力学课程成绩在70分以下的比例明显减少，70—90分的比例显著增加，成绩整体提升，成绩分布也更为合理（图1）。

图1 2016—2019学年河流动力学成绩分布

（2）参与创新实践的学生人数大幅增加，学生综合素质和创新能力有了显著提升。

随着学习成绩的提高，学生参与创新实践的积极性也显著增加。近5年来，水文专业的学生踊跃申报全国大学生创新创业计划，目前已完成5项，部分成果在CSCD核心期刊发表[5]。

自2015年起，水文专业的同学积极报名参加全国大学生水利创新设计大赛。目前，已有8支队伍40多名本科生参加比赛，获得一等奖1项，二等奖3项，优胜奖4项；1名同学获2016年全国水利院校十佳未来水利之星提名奖；参加全国“挑战杯”大学生课外科技作品竞赛也取得较好的成绩。

4. 结语

恰当的实验教学是提高学生创新能力和解决复杂问题的高效快捷的途径[2]。对照工程教育专业认证的要求，结合各高校河流动力学教学现状，总结了河流动力学实验环节存在的主要问题。从教学理念、实验目的、学时安排、实验准备、内容选择、实验过程、考核方式等方面进行有针对性的分析、论述，提出了河流动力学实验设计改革方案。该方案选择5个重要的知识点与动床水工模型相结合，构建了两个综合实验。实验紧密结合教学重点内容展开，以解决复杂问题能力的提高为核心，以毕业后取得的职业成就为目标。期望本文能为相关高校本科教学改革和工程教育专业认证提供有益的借鉴。