水力学实验教学内容与方法改革探讨*

张鹏 景秀丽 孙明霞 孙玉霞 张坤强

1 山东农业大学水利土木工程学院 山东泰安 271018 2 山东第一医科大学（山东省医学科学院）化学与制药工程学院 济南 250117

0 引言

水力学是研究以水为代表的液体的运动规律以及工程应用的一门重要的技术基础课[1]，是高等院校水利水电工程、给排水科学与工程、水文与水资源工程等水利类专业的必修课。水力学实验教学是水力学课程教学的重要组成部分，实验方法是促进水力学学科发展的重要研究手段，它作为理论教学的补充与理论教学紧密相关，同时是一种直观的教学而独立于理论教学体系[2]。水力学实验以巩固课堂教学知识为出发点，通过水力学实验使学生掌握水流运动的一般规律和与之相关的基本概念、基本理论、水力计算的基本方法与科学实验的基本技能，培养学生在实验过程中的动手能力、分析问题、解决问题的能力和创新能力以及严谨求实的科学态度，为学习后续专业课程、从事专业技术工作以及进行科学研究奠定基础。

山东农业大学水力学实验室是水利土木类专业的专业基础实验室，于2015年改扩建，现有使用面积420 m2，主要服务水利水电工程、给排水科学与工程、水文与水资源工程、建筑环境与能源应用工程、道路桥梁与渡河工程以及环境工程等六个专业的本科生实验教学和创新能力培养，每年有400名左右的学生进行水力学实验。水力学实验室现有流动演示仪、流谱流线演示仪、自循环伯努利方程实验装置、自循环毕托管实验装置、自循环文丘里流量计实验装置、自循环动量定律实验装置、自循环沿程水头损失实验装置、自循环局部阻力系数实验装置、自循环雷诺实验装置、水面曲线水槽、明渠水槽等实验设备44套，根据教学大纲可开设10多项水力学实验项目。本文针对水力学实验教学中存在的部分问题，根据当前实验室条件以及笔者的教学经验，分别从教学内容和教学方法等方面开展研究。

1 实验教学存在的问题

当前水力学实验教学虽然在学生认识和掌握课程知识方面起到了较大的作用，但存在一些问题，主要表现在以下几个方面。

1.1 实验内容不够完善

水力学实验主要分为演示性、验证性实验两种，由于这两种实验方法简单、单一，教师在实验课前已把实验仪器、设备调试好，学生的动手操作仅限于阀门开闭、数据的读取记录以及现象的观察等。实验教学过程中主要侧重学生对于理论知识的掌握，而忽略了学生思维的创新和实践能力的培养，学生误以为实验教学只是对理论知识的验证，导致学生实验兴趣不高，影响了学生的学习积极性。

1.2 实验教学模式单一

目前，水力学实验教学主要采取单一的“教师教、学生学”的模式[3]，教师是整个教学过程中的主体，学生的学习处于被动状态。学生按照教师在理论课教学过程中讲授的内容结合实验报告中实验步骤和方法进行实验操作并记录整理实验数据上交实验报告[4]。整个实验教学过程学生始终都是按照教师的安排在进行实验，这种教学方式让学生在实验过程遇到的问题较少，限制了学生对实验的思考，有的学生甚至在实验结束后对实验原理一问三不知，无法达到巩固知识、培养学生学习的主动性、创新能力的目的，这与学校培养复合型人才的要求是不相符的。

1.3 学生对实验重视不够

大部分学生在水力学实验课前没有对实验内容做足课前准备，只是通过实验教材或者实验报告简单地看了实验仪器和步骤，没有将实验原理、实验方法、实验步骤吃准吃透，在实验过程中，部分学生也是“现学现卖”，边看实验步骤边进行实验，由于实验过程中对实验步骤不熟练，要花费大量的时间去学习实验步骤，没有足够的时间在实验中思考，影响了实验教学效果。

1.4 实验教学中缺乏交互

水力学实验教学一般是40～50人在实验室一起进行实验，由于人数众多，教师很难兼顾到所有学生。另外，实验课前学生没有对实验做足课前准备，小组内学生之间缺乏足够的分工交流，出现会做实验的学生在忙着实验，不会做的学生无所事事的现象。另外，学生在实验过程中完全按照实验教材进行实验，在实验中思考较少，遇到的问题也较少，未能与教师交流，就会影响教师对学生实验掌握程度的判断，导致学生实验流于形式，失去教学实验的意义。

1.5 实验考核体系有待改进

实验考核是对学生掌握实验情况的评价方式，水力学实验考核，目前主要以学生的出勤率和实验报告的完成情况进行打分。这种考核方式存在一些问题，例如，部分学生不重视实验过程，做实验不认真，实验报告抄袭别人的实验数据，获得的成绩有可能比认真做实验的学生成绩高，这种现象不仅影响学生实验的积极性以及对实验教学的重视程度，也会影响教师对实验教学效果的客观评价。

2 水力学实验内容与教学方法改革

2.1 教学内容分级

根据当前实验条件、不同的专业学习内容以及实验课时的要求，结合工程实际以及水利工程发展趋势，增加水利信息化部分内容，并将实验内容实施多级化教学[2,5]。根据实验所需理论知识以及实验操作的难易程度，将水力学实验分为演示性实验、验证性实验、参数测定实验、综合提高实验四个等级。第一级为演示性实验，学生通过此类实验了解水的流态以及相关的现象，增加学生对水力特性的理解，代表实验有流动演示实验、流谱流线实验等。第二级为验证性实验，学生通过验证性实验增加对实验原理的理解，为学生对原理的使用条件和公式的应用提供帮助，代表实验有恒定总流伯努利方程实验、动量定律实验等。第三级为参数测定实验，本类实验需要一些特殊的仪器（例如毕托管、文丘里流量计）和方法，学生在实验中学习了这些特殊仪器构造、适用性以及使用的技能，掌握了测定参数的方法和技能，增强了学生在实验参数测定的认知、实验成果的分析以及实验原理的理解等。第四级为综合提高实验，该实验将现代信息化技术应用到水力学实验教学中，通过多通道信号采集系统仪、PLC触摸屏测控系统、数据远传系统等系统结合实验软件、远程摄像头，建立虚实结合实验，实现远程计算机控制测量、现场手动测量、现场PLC触摸屏测控等实验方式，可用于线上远程教学。通过本类实验，学生能够认识水力基本要素各类传感器，了解水力要素相关数据采集传输方式，掌握PLC触摸屏测控以及远程控制测量的操作方法，开阔了学生的视野。

2.2 实验教学方法

构建“实验前—实验中—实验后”三阶段水力学实验教学方法（图1）。改变传统单向传授的教学方法，结合水力学实验教学的特点，构建“三阶段”水力学实验教学模式，该模式构建思路为：学生根据实验任务，实验课前利用实验教材、网络资源、小组讨论等方式进行自主学习，利用实验室开放时间进入实验室熟悉水力学实验仪器，实验课上与同学、老师相互讨论交流完成实验，实验课后完成实验报告，总结反思[6-8]。

图1 “三阶段”水力学实验教学模式

2.2.1 实验前

教师根据教学计划提前将实验目的、实验要求、实验装置等资源上传QQ群、微信群等公共平台以及学校网络教学平台内的水力学实验电子资料库，供学生自学查看。为了充分调动学生的积极性和创造性，根据学生自学后对本实验的认识以及遇到的问题，在实验课开始前两天通过开放实验室，让学生进入实验室，了解实验时需要的水力学实验装置、仪器以及使用的材料等。教师在实验课前将实验仪器、实验装置调试好，并将学生提出的问题予以记录并及时反馈，便于学生对整个实验的认识和理解。

学生接受实验教学任务后自由组建3人学习小组，并选出一名组长。学生在公共平台下载实验教学资源，通过学习实验教学资源，深入理解实验基本理论，在实验课前填写实验室开放记录表后进入实验室，进行实验的初步设计，通过小组内讨论以及与教师线上或线下交流，解决在实验前遇到的问题。学生通过自主学习开发个人的思维，主动思考实验过程，调动了学习的积极性。

2.2.2 实验中

学生到达实验室后，教师首先强调实验室规章制度和注意事项，然后各小组成员进行分工协作，根据课前实验设计和步骤进行实验，实验中准确记录实验数据，对于遇到的问题，小组成员之间相互交流解决或者与教师交流解决。

实验中，教师的角色从“传道”“授业”转变为“解惑”[9]。教师在实验中主要查看学生的实验操作是否规范以及掌握实验程度，对于学生在实验实施中存在的问题，与学生交流、讨论并及时予以讲解和相应的建议。课堂最后，教师对本节实验课进行提问点评，根据本实验中学生遇到的问题深入剖析，引导全班学生思考讨论，寻求答案。对于学生在实验中出现的常见问题，进行答疑解惑、查漏补缺，将相关的知识点进行串联，不断引导学生思考更深层次的问题。在整个实验课堂中，学生主宰着整个实验学习过程，而教师只是作为课堂活动的组织者、问题的解答者。

2.2.3 实验后

学生在实验结束后对实验数据进行校核完成实验报告，对整个实验进行总结，对在实验中学到的新知识、新方法进行归纳总结，对实验后思考的问题，与同学、老师面对面交流或者通过QQ群、微信群等方式进行沟通，然后利用实验室开放时间进行验证，完善实验报告。学生归纳总结知识的过程也是知识积累的过程，有助于学生拓展思路发挥创造力，对于遇到的问题能够举一反三，培养学生学习的自主性、创新性。

教师在实验教学后对于学生提出的问题进行解答，对学生在整个实验教学阶段遇到的问题进行归纳总结，采用“过程+结果”的实验评价方法对学生整个实验教学过程进行评价，过程评价包括通过QQ群或微信群等公共平台进行问题交流的次数、实验课回答问题、参与讨论的活跃度、实验操作的熟练程度等；结果评价内容包括学生对实验仪器的熟悉操作能力、疑难问题的思考解决能力、实验报告完成情况、实验数据准确性、回答问题准确性等。

3 结束语

本文通过分析当前水力学实验教学中存在的实验内容不够完善、实验教学模式单一、实验考核体系陈旧等不足，探索“三阶段”水力学实验教学模式，让学生能够根据实验任务，从主动思考到自主完成的整个实验过程，真正成为教学的主体，在思考中不断丰富自己的专业知识，充分发挥和调动学生在实验教学中的积极性和能动性，提高学生思考问题、分析问题、解决问题的能力，增强了学生学习的创新性和综合能力。另外，可将水力学实验教学改革实施中的思路、方法、经验应用到其他水利类实验教学、工科实验教学中，加深学生对教学内容的理解，提高学生的动手能力和创新能力。