水力学课程的教学改革及实效分析

蒋先刚， 黄 琴， 徐文财

（四川农业大学土木工程学院，四川 都江堰 611830）

0 引 言

水力学是研究液体（主要是水）的平衡和机械运动规律及其应用的一门学科。水力学作为土木工程专业一门重要的基础课，具有极强的宏观性、抽象性和应用性。主要体现在概念理解难，公式推导和证明多，分析及计算繁琐等方面。

水力学的教学改革应从课程体系入手，结合教学目标和课程特点，以学生为主体，优化学习过程，推进教材学习深度，积极探索水力学教学的新模式［1］。例如，分课堂教学模式主要是把互动交流放在课堂上，学生相互协作共同解答，教师可参与讨论，师生互动性大大提升［2］；互联网辅助模式是利用互联网技术，拓展优质课程资源，提升学生的学习兴趣［3］，并对实际问题分析计算和模拟［4］。水力学的课程教学改革还应与实际相结合，时刻把握水力学学科的科研动态，保证在教学过程中适应学科发展［5］，并使教学真正实现“做中学，学中做”的目标［6］。为达到这个目标，通过实践教学，使学生巩固以往所学知识［7］，培养学生学习能力和创新能力［8-9］；利用全程参与式教学方法，提高理论教学与实践教学的效果［10］；结合案例分析教学方法，培养和提高学生的思考、分析和解决问题的能力［11］。通过教学方式、实验过程、考核体系等方面探讨多元化教学改革方案。通过问卷调查，了解学生在教学改革后的学习效果。

1 课程现状及存在问题

（1）课堂缺乏互动，学生学习兴趣不高。对于水力学课程，内容大多数是公式、证明、推导等理论知识，枯燥难懂，学生学习难度较大［12］。学习水力学课程要求学生具备良好的高等数学、理论力学及大学物理等课程的基础知识。同时，每节课所涉及的知识范围较广，学生只有在学习过程中对知识有清晰的理解和深刻的记忆，才能较好掌握。本应以学生为主的互动、交流学习课堂，往往会变成以教师为主的教学课堂，师生间互动较少。所以，大部分学生感到水力学课程学习难度较大，知识点不容易理解，从而对水力学课程有畏惧感，导致学生的学习兴趣和积极性不高。

（2）教学方式低效性。在目前的水力学教学过程中，主要为多媒体与板书教学。多媒体课件虽然使教学内容更直观、生动和形象化［13］。但是，多媒体呈现的内容较多、显示速度较快，导致学生只能做到简单的听课和记录，重难点内容难以有时间思考，不利于学生理解和思考。板书配合多媒体教学的局限性表现在花费时间长、上课效率低，尤其是在公式的证明和推导方面，严重影响了上课效率，不利于课堂教学的开展、降低授课效率。

（3）理论与实验联系不密切。水力学是一门实验性极强的课程，很多概念和公式都是通过实验得到的，所以实验课在教学中显得尤为重要。水力学实验可以培养学生动手能力和创新能力，通过实验教学与实验操作，很大程度上激发学生学习动力和对相关知识的理解。

但是，在目前的教学过程中，由于受课时压缩的限制，水力学主要以理论课为主，实验课为辅［14-15］。实验教学往往安排在理论教学之后，且间隔时间较长，导致学生对实验有关的理论知识记忆比较模糊，甚至遗忘。另外，水力学的实验大多都是经典实验，在实验过程中发现学生对实验原理没有深入研究，对实验现象及原因理解不深刻，对实验数据分析处理不认真。学生只是按照实验指导手册上的步骤进行实验操作［16］和实验数据获取，缺乏对实验相关知识的认真思考，缺乏分析实验数据的能力。

（4）考核形式单一。目前的水力学课程考核主要由平时成绩和期末成绩两部分组成。期末成绩主要考察学生对水力学课程重点内容的掌握，学生会利用临近考试的时间对水力学相关考点进行简单的死记硬背，以便在考试中取得较高的成绩。平时成绩大都由出勤、作业以及实验成绩组成。因为目前的课堂人数较多，考勤消耗时间较多，所以教师不能做到每节课都进行考勤，也无法了解每一位同学的出勤情况。平时作业成绩主要通过对课后习题作业的完成情况进行评价，但学生之间经常出现抄袭，导致批改后的作业分数代表不了学生的真实水平，对独立完成作业的同学有失公平［17］。实验课多以分组形式进行，主要是因为实验仪器数量少，上课时间短［18］。各小组成员无法单独完成整个实验流程，出现一人撰写实验报告，其余组员直接抄袭的不良现象。然而对于学生抄袭作业和实验报告的现象，教学方面难以控制。

2 教学改革措施

2.1 增强课堂互动性，分组进行教学

水力学课程中的概念、基本理论及公式推导等比较晦涩难懂。在课堂上经常会出现教师讲，学生听，师生之间没有互动交流，课程枯燥、乏味无趣。因此，活跃水力学课堂上的教学氛围就显得尤为重要。①根据学生不同的差异情况，对学生进行3人分组。每个小组以一带二的形式（中上学生带领两个中下学生）进行课上、课下互动交流学习，提升学生的学习积极性和团队合作意识。②教师采用PBL（Problem-Based-Learning）模式，即以学生为中心的教学理念，让学生从被动学习者转变为主动学习者，提升学生的思考能力和综合应用能力。教师以课程内容为基础，提出有针对性的问题让学生自主解答（驱动问题）。教师在此过程中以启发、探讨及参与的形式，引导学生对问题的认知，加强对知识的理解。同时，设定适合的情景，让学生围绕情景展开讨论，提高学生对已学知识点的运用能力，加强教师与学生课堂上的互动交流，提升学生课堂的积极性。教师主要培养学生的思考能力及创新能力，组长和成员是互帮互助的合作伙伴。互助合作学习模式可提高学生的学习兴趣和积极性，同时也会提升学生团队合作能力及个人解答问题的能力。

2.2 运用网络与多媒体结合

网络在教学中有着极大的优势和特点，主要体现在内容丰富、直观，可以使抽象的内容具体化，宏观的内容微观化，有助于学生对内容的理解，在教学中的运用尤为重要。教师可以通过微信小程序平台，在小程序界面中将教学内容上传，包括章节基本内容、章节小测、课前预习的内容及课后测验等。学生添加小程序后就可以访问其中的内容，同时教师和学生、学生和学生间可以在小程序中互动交流。另外，教师可将教学重点内容拍摄成几分钟的视频博客（VLOG）发布到教学群或微信小程序中，学生可利用课后或者睡觉前通过视频复习课程内容。利用网络教学方式可以调动学生学习兴趣，提升学生学习的主动性。同时，学生可以通过运用Matlab等编程软件，把相应的公式通过计算机编译用于求解相关例题，可以与手算结果进行验证。学生通过编程软件可以锻炼逻辑思维能力、学习钻研能力和动手能力等。教师根据教学内容，结合多媒体和网络技术，可以提升教学效率［19］。

2.3 加强实验与理论教学

水力学的理论知识为实验提供了依据和基础，实验为理论知识提供了支撑和保障。教师以小组形式给学生布置实验案例，学生通过学习资料内容，建立理论框架和思维导图［20］。让学生明确理论知识与实验之间的联系，提高学生的学习兴趣，为实验课教学打下良好的基础。学生通过动手操作实验，可加深对水力学理论知识的理解。在实验过程中，理论与实际往往存在差别，这就需要教师着重引导学生对实验差别进行验证和分析。学生对于实验原理、实验装置及各实验仪器间的连接等理解不够深入，会限制学生对实验的思考和创新。教师可通过VR实景仿真，布置实验环境和实验对象，允许学生在VR实景中开展实验，甚至演示传统实验室无法完成的实验现象，让学生充分了解实验仪器的工作原理和实验整个过程。VR实景实验室将抽象的实验过程体现在逼真的场景演示中，提高了学生学习的积极性，增强了课堂趣味性，也加深了学生对实验原理的理解。

2.4 多元化考核方式

水力学的考核主要评价学生对课程知识的掌握程度及综合应用的能力。在课堂教学中，学生通过查阅文献，加强对知识点的理解，有助于学生了解该知识的应用范围。在课后，教师组织课程竞赛，考察学生自主查阅资料和学习能力，有助于提升学生学习兴趣。在实验的过程中，考核学生自学实验视频后对整个实验的操作能力，有助于锻炼学生主动思考和创新能力。期末考核方式为卷面笔试，加大试卷中主观题的题量，多增加一些实际应用的题目，可以避免学生通过死记硬背获得高分，也能考察学生的分析能力。

3 教学分析评价

针对以上教学改革措施，为了了解学生在教学改革措施中的收获以及对教学改革措施的评价，通过问卷调查的形式进行分析、归纳。对土木工程专业90名同学进行问卷调查。问卷调查内容针对文章教学改革措施而制定，内容包括对本门课学习兴趣、学习情况、自学能力、分析问题和解决问题能力等方面。

3.1 对互动分组的评价

互动分组是学生为了完成共同的任务，建立的有明确责任分工的互助交流学习小组。分组的科学性与合作方式是分组互动学习的基础。让每个学生在合作中有展示自我的机会，让对学习感到乏味的学生在互助学习中提升学习兴趣和学习积极性，使学生更加自信。教师引导是互动分组学习的必要条件，学生的互动学习有了教师的参与和引导，会提升学生的思考能力和逻辑思维能力，会提升学生的学习效率。自主探索是互动分组学习的灵魂，教师应给学生独立思考、自主探索的条件，也应为学生创造互动交流的机会，充分发挥学生互动学习的主动性。

学生在互动分组中的学习收获情况如图1所示。由图可知，64.44%的学生认为互动分组可以提高学习兴趣和积极性，表明采用互动分组学习的形式得到了学生的认可。有35.56%的学生认为在分组中可以学会欣赏和借鉴他人的优秀品质，表明学生在分组中学会了观察和探索。有31.11%的学生认为在分组中可以增强团队合作意识，表明学生在学习过程中意识到每一个组员在团队里都极其重要。仅有11.11%的学生认为在分组中提升了创新能力和思考能力，表明有一部分学生不喜欢主动学习和独立思考。在对PBL模式的学习兴趣方面，有34.44%的学生较感兴趣，有57.78%的学生感兴趣，有7.78%的学生不感兴趣，说明绝大部分同学认可PBL模式，极少部分学生认为这种模式比较浪费时间，对学习没有较大的帮助。

对学习方式的调查结果如图2所示，有53.33%的学生喜欢通过老师的讲授和引导进行学习；有47.78%的学生喜欢通过实践学习的过程来检测自己基础知识的掌握与运用；31.11%的学生喜欢自主学习去了解掌握知识；有27.78%、23.33%、14.44%的学生分别喜欢探索学习、劳逸结合学习和合作学习，表明学生更倾向于团队合作学习和探索学习，也验证了所采取的改革措施适合于现阶段学生的学习诉求。

3.2 对网络与多媒体教学方法的评价

网络与多媒体教学有鲜明的教学特点，主要体现在丰富的教学资源，形象生动的情景，可充分调动学生的学习主动性，培养学生的创新能力，激励学生的学习兴趣。

学生使用微信小程序的满意度调查结果是大部分学生对网络学习内容满意，表明网络的自主运用更容易激发学生学习的主动性；少部分学生表示不满意，学生可能认为网络学习效率较慢，自身自制力不够强。通过软件学习后有51.11%的学生认为可以锻炼自己的思维能力和学习钻研能力，表明该类方法对学生以后的学习产生积极的影响；有32.22%的学生认为通过软件学会了运用软件推导公式，有16.67%的学生学会编程。整体来说，编程软件的学习不仅提升了学生的学习兴趣，同时让学生学会运用相关软件推导公式，也进一步提升了学生的思维及学习钻研能力。尽管如此，从实际情况来看，需要做进一步思考和改进，①如何提高学生运用软件学习次数，特别是在课下自主学习软件；②如何提升软件广泛应用。如果可以解决这些问题，同时配合老师的积极参与，并对学生进行有效的指导，更容易激励学生学习软件的兴趣，使学生在浓厚兴趣的引导下探索学习。

对教学方式的统计数据如图3所示，56.67%的学生倾向于通过实践教学方式来进行理论知识的学习；36.67%的学生倾向于板书与多媒体融合的教学方式来提升自己的学习效率；而倾向于软件应用教学、老师讲授学生记笔记为主、同学间讨论交流以及网络在线这4种教学方式占比分别为27.78%、16.67%、13.33%和6.67%，表明少数学生倾向于使用固定的教学方式来提高自己的学习，不喜欢新颖的教学方式，说明少数学生已经习惯固定思维的教学方式，也反映了大部分同学愿意接受教学改革措施。

3.3 对理论与实验教学模式的评价

问卷调查结果显示，学生对VR实景实验教学模式的学习感受如图4所示。有62.22%的学生认为VR实景可以使实验过程更加真实立体，学生在实验过程中体验感更强，对实验现象认知更为清晰；有32.22%的学生认为VR实景可以使实验内容更加丰富，学生通过实验的内容学会分析问题；有6.67%的学生认为VR实景可以使实验结果更真实形象。VR实景实验能够使学生对整个实验过程的认知更加清晰透彻，有助于加深学生对相关知识的掌握。

对实验案例教学模式的调查结果如图5所示。有43.33%的学生倾向于生活中的水力学实验案例，学生通过生活化的教学模式去了解基本知识在生活中的应用；有22.22%的学生倾向于综合实验案例教学模式，学生可以通过综合案例的考察来检验自己的不足及需要补充的理论知识；有26.67%和12.22%的学生分别倾向于对理论知识的案例解读和分模块的案例教学，学生通过这种教学模式可以掌握每一个知识点的分析方法。以上结果显示，绝大多数同学接受本文所提出的理论和教学模式结合的措施。

3.4 对考核方式的评价

采用科学合理的考核制度可以发挥积极的引导作用，提升学生自主学习的积极性，促进学生知识、能力、综合素质的全面发展。

自助查阅资料考核调查的结果中，有38.89%的学生表示非常满意，学生认为通过文献资料的查阅，能够让自己对所学知识的综合应用更加熟练；有34.44%的学生表示满意，学生可以对单模块的自我学习情况进行考核；有26.67%的学生表示不满意，学生认为通过文献查阅并不能很好地理解理论知识。这种考核的方式说明大部分学生还是倾向于对所学知识进行单节学习、模块检测和综合知识掌握的应用考察。

竞赛考核调查的结果中，有64.44%的学生认为竞赛考核方式可以加强对知识的综合应用，对该考核方式的形式是认可的；有26.67%的学生认为通过竞赛考核方式学会了有方向性的查找相关内容，表明了该考核方式对学生以后的学习有很大益处；13.33%的学生认为竞赛考核方式可以提升自身组织执行能力，对自身的管理和相关组织活动有很大的帮助。以上结果反映大部分同学接受自主查阅资料考核和竞赛考核这种多元的考核方式。

对考核方式的调查结果如图6所示，有46.67%、45.56%和42.22%的学生更倾向的考核方式分别为闭卷考试、考勤和作业；有33.33%、30.00%和25.56%的学生更倾向的考核方式分别为自我总结、课堂讨论和测验及文献案例学习。总体说来，大部分学生还是青睐于传统考核方式，对于新颖的考核方式持消极态度。这说明学生习惯了按部就班的学习考核方式，对新的学习考核方式的效果接受速度较慢。

4 结 语

水力学课程作为土木工程专业的一门基础课，其重要性不言而喻。针对目前水力学课堂现状及存在的问题，提出了几点教学改革的措施，即引导式的分组互动教学，带动学生的学习积极性；网络与多媒体教学的应用，提升学生学习的兴趣；实验案例教学，培养学生实践能力、创新思维能力和思考能力；多元化的考核方式激励学生自主探索学习。结合问卷调查结果，验证了所提改革方案可弥补现阶段课程教学中的不足，激发学生学习自主性、积极性及兴趣。结果表明，大部分学生对新的教学方式持肯定态度，少部分学生还是比较喜欢传统的教学方式，也许与学生长期接受这种教学方式有关。