基于解决复杂工程问题的水力学课程教学实践

王继保，崔玉洁，刘 伟

（三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

水利工程要求工程师必须掌握扎实的工程技术基础理论和规范，必须能将知识应用于实际，将科学技术转化为现实生产力和实际贡献率。为使学生在毕业后3～5年内成长为卓越工程师，那么在学校培养学生时不仅要使其掌握扎实的理论基础，而且要使具有较强的解决复杂工程问题的能力。2016年我国正式成为国际工程教育《华盛顿协议》的成员国，标志着我国工程教育向标准化和规范化发展[1-3]。三峡大学水利水电专业、水文与水资源工程专业、农业水利工程专业先后通过工程教育认证，对培养学生解决复杂工程问题能力有十分明确的要求。

《水力学》是水利水电工程、水文水资源专业、农业水利工程、港口航道与海岸工程等水利类工程专业重要的技术基础课。该课程紧密结合水利工程实际，课程理论性强，实践性强、运用性强。

《水力学》课程通常安排在大学二年级进行学习，此时学生没有专业背景，缺乏对水利工程的认识，学生因缺乏对工程的感性认识，当讲到闸、泵、堰等工程概念时显得茫然。很大程度上学生只能机械地接受，很难体会到所学理论在解决实际问题中的重要性，故而在遇到实际工程水力学问题时而不能灵活运用所学知识进行应用。

笔者认真研究了水力学课程在水利工程师培养中的地位与作用，分析该课程与后续课程的关系，针对水力学课程的教学现状和学生专业背景的缺乏，对提高学生的解决复杂工程问题能力进行了课程教学探索。

1 精选内容、打好基础

结合水利类专业突出了工程应用性强的内容，强化了课程基本概念的理解和基本原理的应用，弱化了基本原理的数理论证过程，删除了与专业关系不大的内容。在注意后续专业课需求的同时，在水力学课程的讲授过程中还注意了将内容划分为专业基础性理论与应用和学科体系性理论两部分。专业基础性理论与应用包括水力学的基本概念、基本原理、基本方程的物理意义以及它们在工程实际中的应用。这部分是水力学课程学习的重点容。对于工科各专业来讲，水力学系列课程的基本理论部分是相同的，但对不同的专业，其应用部分则从教学内容、例题到思考题与习题等都力求结合专业特点有所侧重。学科体系性理论包括水力学基本原理和基本方程的建立或其逻辑推导过程。从培养应用型人才的角度而言，这部分应作为训练学生逻辑性思维的主要内容。关于这部分内容的教学，我们以教师提示性讲解为主，其中部分内容在教师的指导下，以学生自主学习完成。在该课程体系框架的指导下教学，使内容讲授主次分明，学生能够较好地把握学习的重点，并能较好地与后续专业课程衔接。

2 用“工程中的水力学”充实教学过程

从水利工程角度来说，工程中存在大量的水力学问题，实际工程中所遇到的水力学问题，都遵循着水力学中的普遍原理和基本规律。在教学中，我们将工程中水力学现象和问题进行剖析，使学生们学过的理论概念更加深化。

在学习之初，我们就让学生思考，在水利工程中会遇到的水力学问题有哪些，并组织学生分组讨论。问题一提出，课堂气氛顿时活跃起来，大家积极去思索。教师从中总结及提示，要从工程应用和实际需求中去考虑。最后，将学生们讨论的结果汇总分类，得到工程中的基本水力学问题是泄水建筑物的过流能力问题、建筑物受水流作用力问题、水流流态问题、水流的能量消耗问题等。这样就使学生对水力学基本作用和功能有了工程认识。

在学习中，也将部分内容和工程问题直接联系起来。如在讲解第四章有压管的恒定流，教材中很多例题采用是一般管道的概念和应用，但是我们发现部分学生并不能将管道的概念和应用转移到类似问题的水利工程中隧洞中去，所以我们在讲解这部分内容时，就直接将书中的管道变成隧洞，直接讲有压隧洞中的恒定流，使学生直接接受隧洞这一工程概念和学习隧洞水力学问题。再比如将第七章水跃和水利工程消力池的设计联系起来，将孔口出流和底孔泄流联系起来等。

由于将“工程中的水力学”充实了教学，使学生们在遇到了工程水力学问题时不在束手无策。实际工程水力学问题是复杂的、困难的。但只要我们平常在教学过程中，适当和工程问题结合起来，就不仅可激发学生们对课程学习兴趣，而且会逐渐培养他们自己解决工程中复杂问题的信心，对活跃思维、提高想象力，都有着积极作用。

3 加强工程水力学工程问题的纵横联系

水力学教学内容包括地面水和地下水，管道水流和明渠水流，恒定流和非恒定流等各种工程水力学问题，内容十分广泛，实际上其各水力学问题客观上存在着紧密的联系，揭示并深刻认识这种必然的内在联系，对学生们学习水力学和理解好工程水力学问题有十分重要的帮助。

我们在教学过程中，为使学生对工程水力学问题认识系统化，加深对各类水力学问题的知识，我们努力引导学生去寻找各种水流之间的共同规律区别所在。比如，非恒定流是一种比较复杂的，具有普遍意义的水流运动，我们从基本定义、方程推导、理论概念以及力学本质，处处与恒定流作为对比，从而使学生比较深刻地掌握非恒定流的基本规律。我们还启发学生将明渠水流与无压渗流进行对比，两者的基本方程推导、阻力规律、水面曲线特征等一一作为对照研究。又比如，“水压力”在水力学中是一个具有广泛意义的问题，我们在本课程教学的后期，让学生对坝体静水压力、管道中的水压力、水工建筑物基础下的水压力作综合分析，找出它们的共性和特性。如我们以“过水能力的含义”为题，要求学生联系过的实际工程中管流、明渠流及堰闸出流等，做一番分析讨论。学通过自己归纳总结，发表必得，教师一起参加讨论，从不同的侧面去弄清“过水能力”的意义。

通过这样的教学，一方面使教学过程阐述得既生动又深刻，另一方面也增加了对工程水力学问题的认识，加深了对水力学知识的理解和应用。

4 引入工程实例进行综合应用能力培养

对水利类专业学生来说中，水力学要求是能应用水力学基本理论和方法去解决工程的各种复杂工程水力学问题。然而由于工程实际中千变万化的边界条件和水流条件，水力计算中包含了众多的经验公式和各种系数，头绪纷杂，往往令初学者抓不到关键，因而常出现用错公式，图表，造成计算结果的错误。我们对这部分内容的教学，采用用实际工程实例训练使学生掌握水力学在工程问题中应用。

我们通过和学生谈话，对已经毕业的学生回访，确定学生对工程水力学计算比较经难点主要集中在发下几方面。隧洞过流能力、明渠天然河道水面线计算、溢洪道水力学计算等水力学问题。我们在课程快要结束时，安排一次综合练习，从实际工程设计中，抽出与水力学直接相关的设计计算问题，包括隧洞水力学计算，渠道及闸室水力学计算，溢洪道及消能的水力计算等。让学生在老师的指导下独立完成。完成之前，首先与学生讲解实例的来源及相关工程概况，使学生认识到自己确实是解决一个工程问题，然后在学生完成的过程中，结合工程实际、设计要点，引导学生以工程师的思路主动思考，查找技术参数，确定相关参数，一步一步完成最终任务。最终达到练习的目的，使学生将“学”与“用”有机结合，让学生对知识的应用有切实的体会。

5 结语

在水利工程中水力学知识应用广泛，水利工程的勘测、设计、施工、管理各个环节均需要解决大量水力学问题。水力学课程一个很鲜明的特点就是工程应用性。水力学课程教学不仅是要求学生掌握有关水流的相关知识和概念，更重要的是学会运用这些知识解决复杂工程实际问题。因此，在教学过程中，只有将理论和工程实际紧密结合，将书本上的知识和实际问题相对应，提高学生工程应用能力，才能使学生深刻全面地理解水力学内涵，更好掌握课程的基本理论，使他们分析解决复杂工程问题的能力得到很好的培养。