以学生为主体的水力学实验课教学及评价试点研究

高淑会，柴小军，胡广录

（1.兰州交通大学环境与市政工程学院 甘肃 兰州 730070；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司 甘肃 兰州 730000）

水力学实验作为培养学生实践能力及将理论与实践结合的一种手段[1]，是抽象知识到感官认识、由理论到实际转化的关键，实验质量直接影响学生的工程应用能力、工科专业工程教育认证的程度及专业培养目标的实现[2-3]。在本科学习阶段，水力学实验项目主要包括演示类实验、基础验证量测类实验和部分综合创新型实验[4]。实验目的是通过观察实验流动现象，结合理论知识增强感性认识，深刻理解理论知识；通过学生动手参与实验，对实验装置进行探索、操作并验证已有理论，来培养其分析问题、解决问题的能力，在整个实验过程中潜移默化地提升其科研技能和科研素养。但是在目前实际的水力学实验教学中，由于主观或客观条件的限制，学生仍然没有处于主体地位[5-6]。以往的实验教学过程以“教”为主，学生按照教师讲解的步骤进行操作，实验结束后交实验报告[4]。实际教学过程中发现，这种模式的实验教学效果并不好[7-8]。学生在实验过程中没有积极性，缺乏创新，学生自主学习的动力与创新兴趣很难被激发[9]。这种教学方式直接影响实验教学质量，进而影响专业能力及培养目标的实现，更不能满足工程认证的需要和新时代对创新型人才素质培养的要求。因此，本文将针对这些问题，对水力学实验课教学过程及成绩考核进行改革，以适应新工科背景下的工程认证要求及“双一流”学科对人才培养目标的设定。

1 水力学实验现状分析

1.1 教学形式单一化，学生缺乏主动性

传统的实验教学过程采用的是教师提前布置任务让学生预习，然后教师上课以讲授和现场示范为主，接着学生开展实验，最后提交实验报告这一模式。实验过程中，实验指导教师虽然对实验原理、实验目的、实验仪器设备、实验操作步骤、实验注意事项、实验报告格式要求等方面进行了详细讲解，但由于学生初次接触实体实验装置，很多学生很难集中精力仔细听完并消化吸收，大部分学生不能彻底理解实验装置与理论知识之间的联系。另外，虽然指导教师安排学生开展预习，鉴于没有监督机制，预习效果很大部分受学生懒惰和学习氛围的影响。大部分学生实验前没有认真阅读实验指导书，实验过程不注重思考，敷衍完成实验报告，不能达到预期的实验教学效果。

1.2 教学内容固化，实验缺乏综合性

目前，每个学校根据其自身专业特点有选择开设的水力学实验项目主要包括三大类，验证性实验、演示性实验以及综合性实验，主要实验项目为验证性实验。这类实验项目的操作流程基本已经固化，教学过程中缺少综合性实验、设计实验以及创新型实验。验证性实验有能量方程、毕托管测速、沿程和局部水头损失以及孔口和管嘴出流实验等。以上传统实验的目的就是验证课本上理论知识和理论公式，各实验之间没有紧密的联系，而且缺乏工程专业背景的渗透，不利于学生对理论知识的系统理解。此外，由于上述传统验证性实验的实验装置都是标准化设计，学生开展实验全部是按照实验报告流程化操作，没有创新性，大部分学生往往仅是利用实验装置完成实验，导致完成实验过程及实验报告就意味着实验结束，并未深入思考如此设计实验装置的原理，更谈不上与已有理论知识进行连接。

1.3 考核模式单一，缺乏综合评价方式

在目前的教学考核体系下，实验考核方式主要是通过学生出勤和实验报告为依据来确定的。基于上述考核体系，很多学生仅仅根据指导书撰写完实验报告，不能透彻理解实验过程与理论知识之间的联系，这种考核方式不能有效激发学生主动参与实验过程。由于实验仪器有限及开课班级及时间的限制，“流体力学实验”开展过程中采用分组的模式，一般3—5 人成组完成实验。因此，一个组内的实验报告数据及图表基本相同或相近。在实验过程中，有些学生存在侥幸心理，不积极主动开展实验，实验报告中的实验数据直接照搬小组内其他同学的内容。采用上述考核方式使得每个学生的成绩在学习状态、学习能力及操作过程中并不能恰当体现，而且在完成实验过程中，学生的参与度、动手操作的过程、实验数据分析处理的贡献度也没有得到有效考量。

1.4 实验仪器利用率低，实验室缺乏开放性

目前水力学实验的大部分实验仪器仅在教学中使用，而且教学过程中由于人数多，时间有限，使得学生没有足够的时间和精力对实验仪器进行学习和探索。而在学生有较多空闲的时间段，受限于实验室的相关规定及学生安全的问题，实验仪器并没有得到充分利用。虽然有些高校在实验室管理中心的支持下设置了开放性和创新性实验，但是现阶段开展的上述实验往往以授课老师的科研项目为载体，并没有对本科实验仪器及实验装置进行深入研究。这种实验室开放形式对于学生自主学习和探索不够畅通，也不利于学生自主创新意识的提高。

2 水力学实验教学改革措施

2.1 改变水力学实验以“教”为主的理念

水力学实验改革的要点是如何充分调动学生对实验课程的积极性，启发学生自主思考，理论联系实际，发掘学生的自主创新能力。将学生被动接受转变为以学生为主体，教师辅助的实验课教学活动方式，明确学生的主体地位，学生在实验过程中通过发现问题分析问题来解决问题，其动手能力和创新能力才会被激发出来。

另外，教师在教学过程中需要秉承工科专业工程教育认证理念，采用以学生为中心、以产出为导向的持续改进方式，从微观角度把握实验教学改革设计过程，把学生作为主体对象来思考，提高学生的参与度。具体做法为：将学生被动接受转变为以学生为主体，教师辅助的实验课教学活动方式，通过让学生自主预约实验、实验答辩、过程讲解（指导教师负责）、后期实验报告及设计创新型实验等清晰明确的方式和可衡量的教学标准，落实实验课程的可达成度，改变学生被动、惰性的学习习惯，培养学生独立思考、独立分析、自我更新知识的能力。

2.2 改革水力学实验课教学过程，提高教学效率

为提高学生的参与度，激发学生做实验的内生动力，水力学实验教学活动过程可以根据学生理论课学习的进度，在开展实验课之前借助虚拟网络平台预先开展水力学实验的动画模拟和数据处理，完成实验预习。在实验过程中，教师根据培养目标和学生的特点来设置不同层次的问题，请学生结合实验预习情况，根据实验装置的设置在实验过程中寻找答案。比如，介绍完局部水头损失中突扩管和突缩管的三点法和四点法测量方法，引导学生思考采用上述方法的原因和机理，结合流动演示现象启发学生自主思考，激发学生对知识进行迁移和融会贯通的能力。在实验开展过程中，可以设置平行工况开展实验，比如水静力学实验，让学生自主选择基准面进行测压管水头的量测，真正认识到基准面的物理意义。实验结束后，实验指导教师集中一个时间进行实验答辩和实验讨论，根据实验答辩情况确定实验答辩成绩。另外，实验中可以加入创新型实验，可让学生自行开展实验设计、实验装置准备、实验操作、实验分析及数据处理，并以创新实验过程为考核依据，考核成绩优秀的学生，可推荐其参加各种创新创业及大学生竞赛等。

2.3 改革水力学实验考核方式

根据实验教学过程进行考核，考核以小组的形式开展，以激发小组成员之间互相交流和协作的能力。实验教学过程具体流程为：学生预习→预约实验→实验过程→实验答辩→实验报告评价/创新型实验→单项实验总成绩。实验最终成绩可采用[实验预习（20%）+实验过程（20%）+实验答辩（20%）+实验报告（40%）]的比例，取所做实验的平均值即为本门课程的最终成绩。学生单项实验成绩按照个人给分，其中，实验报告、实验过程答辩、实验预约这三项按照小组给定成绩，任何一项不参加者，该单项实验成绩记为不合格，实验表现按照个人给分。实验表现由指导教师按照实验过程中学生的表现、发现问题、解决问题的能力进行给分，最后总成绩由上述四部分组成。通过上述考核方式，可以鼓励学生在实验过程中互相讨论、交流，在交流过程中加深对理论知识的理解，对实验过程中自己哪些方面存在的优势和不足有充分的了解，深刻激发学生的学习积极性。

2.4 改革实验室开放制度，实行预约和弹性管理

针对实验仪器利用率低，实验室缺乏开放性的问题，可以尝试改革实验室开放制度，实行预约和弹性管理的新实验教学体系。例如，本科实验课的时间采用预约实验的模式，学生根据自己的空余时间和学习程度来预约实验，实验室在规定的时间内呈现（半）开放状态。为了保证学生和实验室安全，实验室门口设置打卡机，学生只有刷卡才能进入，实验室内装有摄像头，确保实验过程有记录，学生完成实验后刷卡退出。这种新的教学体系需要实验室的硬件配合和课程教学体系的软件支撑。硬件方面，开放实验室需要与实验室负责人相沟通，而且涉及学生安全问题，需要学生具有安全意识和对实验室认真负责的态度。软件方面，教学老师在课程体系设计上需要综合考虑实验预习、实验过程、实验结果等环节，在学生预约实验前应给学生提供充足的资料进行预习，包括实验原理和实验操作的相关视频、实验教学CAI（辅助系统），根据实验室现场观察、实验室录像及实验结果来反推实验过程。另外，也可以尝试利用实验室现有的仪器设备，将大学生学科竞赛、“互联网+”创新创业大赛和与“水力学实验”教学相结合，请学生到实验室自主设计实验方案，教师进行辅导，这样更有利于提高学生的独立思考问题、解决问题的能力。当然，基于实验室的开放需要增加的实验室管理和设备维护费用，相关管理部门应该予以支持，以保障实验室的正常运行和实验教学活动的顺利开展。

3 结语

实验教学是学生理解理论知识，探索未知领域的重要途径，开展专业基础课程实践教学，是培养学生理论知识体系建立、动手能力以及实践创新能力的最佳方法。本文针对当前水力学实验教学中存在的问题，提出围绕以学生为主体的实验教学改革方法，包括：改变水力学教学理念、改变教学过程和考核方法、开放实验室等方式，以提升实验教学质量，激发学生的主观能动性，实现专业能力培养和专业目标。