给排水科学与工程专业“水力学”课程体系改革探究

杨皓涵，朱永恒，丛海兵

（扬州大学环境科学与工程学院 江苏 扬州 225127）

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是联系人类社会与自然环境的重要介质。面对全球淡水资源短缺、水污染加剧和水环境逐年恶化的严峻局面，水资源保护与利用已成为政府和民众关注的焦点。给排水科学与工程专业以水的社会循环为研究对象，研究内容涉及城市水资源、城市市政水工程、建筑水工程、工业水工程等多个领域，与社会、经济、管理的结合日益紧密，发展前景广阔[1]。“水力学”作为研究水运动规律及其应用的学科，是给排水科学与工程专业的核心基础课程，内容涉及水静力学和水动力学基本理论知识，探讨管流、明渠流、堰流、孔口流以及渗流的运动规律，是后续众多专业课程（如“泵与泵站”“给水排水管网”“建筑给水排水”“水资源利用与保护”等）的先修课程。作为一门应用性极强的课程，水力学旨在培养学生分析和解决给排水工程中水力学问题的能力和技能，为学生学习后续专业课程，分析与解决给排水工程领域的复杂工程问题打下坚实基础。

给水排水科学与工程专业“水力学”课程目标是通过本课程的学习，使学生掌握以水为代表的水在静止或运动过程中的基本概念、基本理论、基本计算方法和一般规律，培养学生分析水的采集和输送工程中所面临的各种静止或运动情况，从力学角度分析水的运动学、动力学等性能，为后续解决给排水工程领域复杂工程问题打好基础。然而，作为给排水科学与工程专业的核心基础课程，学生很难在传统的教学过程中完全掌握各环节的技能并达到课程目标。因此，结合课程设置情况及存在的问题，本文以培养学生工程应用和创新能力为导向，结合学校实际情况从教学内容、教学方式、实验课程及课程考核等方面进行探索和改革，以提高课程的教学效果和学生的专业素质，为使学生能尽快将水力学理论知识应用于工程实际和开展创新研究打好基础。

1 水力学课程教学现状及存在的问题

1.1 课程内容相对滞后

给排水科学与工程专业培养方案中，“水力学”课程理论学时一般以讲授法和案例教学法为主要授课形式，使学生掌握水运动过程中的主要规律。然而，目前水力学课程教学中往往忽视实际案例教学，理论性过强，基础知识教学与工程应用尚未达到理想的融合状态，不利于学生对后续专业知识的理解。另外，目前课程教学忽略了学生对前沿科学研究的了解，缺少对学生“发现问题，解决问题”初步科研能力与科研思维的培养，这对于毕业生的继续升学深造和创新思维的培养也是不利的。

1.2 教学方式单一

目前水力学课程为56 学时，每次课两学时90 分钟，涵盖内容多，以讲授法为主，前半部分以理论学习为主，涉及大量公式推导，重点、难点较多。在有限的课时内，学生在单一的讲授形式下很难长时间专注于课堂内容，对于重要理论的公式推导可能花费大半节课的时间，而且在缺乏具体应用和实操的情况下，学生对于理论知识的掌握并不理想。同时，水力学后续涉及大量的工程应用案例，相较于课堂上教师的讲解，丰富的互联网资源更形象生动并且节省了大量的时间。另外，作为一门众多重点院校的考研科目，水力学题目的训练必不可少，如何兼顾课堂理论教学和各类题目的讲解对授课教师也存在一定的挑战。因此，有必要结合丰富的互联网资源，利用课前和课后时间，减轻教师课堂教学的压力。

1.3 实验教学创新性不足

实验教学是验证基础理论，检验课堂教学效果的直接证明，也是学生全程参与度最高的实践环节。不同于一般的物理化学实验，水力学实验需要相对独立的实验仪器，“先教学示范、后学生模拟”是水力学实验的通用流程。教师首先花费半个小时讲解实验原理、操作步骤、注意事项等，需要学生在剩余较短的时间内完成主体实验，无法充分发挥学生的动手实践能力。同时，实验室信息化管理水平相对落后，实验室教学资源无法大范围共享，虚拟实验教学还没有实现网络化。另外，实验课程的内容相对固定化，往往学生重复历年的实验内容，缺少自主创新能力的训练。

1.4 考核方式缺少中间环节

课程考试是检查教学效果、保证教学质量的有效手段之一，也是提高学生课上课下学习积极性的重要方式。目前水力学课程主要采取“平时作业成绩+期末考试”的考核方式，考查学生对教学内容的掌握情况。然而，面对日益多元化的培养模型，以分数为主决定课程成绩的机制对于学生综合能力和教学质量的考核尚不全面。平时课堂提问、小组任务完成情况、微课任务情况、实验操作、实验报告等，都是考查学生知识掌握能力和创新能力的重要依据。因此，有必要在现有考核模式的基础上，加强和细化平时成绩的比重和内容。

2 “水力学”课程教学改革内容

2.1 优化教学内容

水力学主体内容主要包括静力学、运动学和动力学理论部分，前后章节由简到繁，逻辑性较强，如果开始时对知识点掌握不够扎实，后续章节的教学效果可能更不理想。首先，要求教师对课程知识体系、前沿动态有较为深入的把握和理解，主体课程开讲前帮学生厘清课程脉络、重点与难点，从静力学、运动学和动力学三大理论模块，逐层介绍各章节主要内容，增强学生对课程内容内在关联性以及整体逻辑性的认识。其次，紧跟理论知识讲解和公式推导，丰富实际案例，在讲授理论知识的同时，与后续专业课程的工程实例结合，化繁为简，加深学生对知识点的理解与记忆。例如，水头损失讲解过程中，首先介绍沿程/局部损失的区别与联系，授课教师以排水过程中污水提升管道设计为例，分析沿程水头损失的计算过程，总结管道设计过程中的基本原则。最后，教师引入最新的水力学理论和研究方法，加深学生对知识点的理解，培养学生“发现问题，解决问题”的科研思维[2]。例如，教师在讲解层流和湍流的定义以及雷诺数判别时，可介绍最新深度学习方法，研究固定雷诺数下水的转速和方向，以及边界层和尾迹控制方法。

2.2 丰富教学方式

一是构建微课，将课程重点、难点设计成5―10 分钟的短视频，学生通过课前预习和课后复习可在较短时间里了解本节课的课程内容，在正式课堂上加深理解[3]。例如，在介绍水力学三大核心方程（连续性方程、能量方程、动量方程）时，教师课前分享三大方程推导过程的微课，学生在初步掌握推导过程后，减少了对课上烦琐推导过程的理解难度，提升了学生对难点学习的自信心。二是探索互动式教学模式，采用“课外调研+课堂汇报”方式，加强课上互动，锻炼学生综合能力。例如，在讲解水的分类时，教师在课前以小组形式布置文献调研，介绍不同类型水的特点并加以应用，课堂上学生以PPT汇报小组成果，锻炼学生的团队合作能力和问题分析能力。三是引入翻转课堂启发式教学法，设置问题情境，充分调动学生参与的积极性和主动性，启发学生独立思考和逻辑思维能力，引导学生独立解决问题的能力。例如，在讲解水静压强特性时，介绍知识点后，通过翻转课堂提问，相对压强、绝对压强、真空压强，布置选择题和判断题，加强学生理解三者的联系和区别。

2.3 改革实验课程

根据教学培养方案中各课程的衔接关系及实验项目的关联，统筹优化实验结构。一是理论知识学习和实验课程统一，提高实验课程效率。实验课程虽独立设置，但要建立理论课教师与实验课教师长效对接沟通机制，理论知识学习过程中教师已对实验原理和整体流程进行了详细讲解，如毕托管测速、文丘里管测速、恒定总流伯努利方程综合实验等，大大减少了实验过程中前期准备的时间，给学生提供更多时间发挥动手能力。二是建立虚拟仿真实验、视频素材库、仿真软件等，学生线上进行实验操作，测量记录实验数据，完成实验预习报告，如孔口管嘴实验、伯努利方程实验、毕托管测速等，形成“线上+线下”同步教学模型，加强实验室信息化建设，提升实验室信息化水平。三是增设自主创新实验，学生根据水力学教材中的理论知识选定实验内容，利用课上或课后时间完成实验，提交最终实验报告。在进行必选实验的同时，增设二至三个创新实验，如不同类型薄壁堰流量测定、污水管道流量和充满度的关系、虹吸管模型设计等，通过创新实验教学对学生进行科研实操训练，培养学生的专业实践能力与自主创新精神[4]。

2.4 完善考核机制

综合前期对教学内容、教学方式、实验课程等方面的改革，教师提出采用“全方位多层次”的考核办法，全面考查学生对水力学教学内容的掌握情况[5]。除了原有的平时作业，还增加了平时成绩补充课程提问、小组任务完成情况、微课任务情况、实验操作、实验报告等，加大对教学过程的考查比重，将“水力学”的课程考核贯穿于整个教学环节，提高学生对水力学知识的掌握程度以及应用知识进行实际工程设计的实践能力。一方面考查学生对知识的掌握情况，另外及时了解学生对知识的理解和掌握程度，最后根据学生作业书写的认真度、思维的灵活性、解答的正确性，给出作业考核成绩（表1）。

表1 水力学课程考核方式

3 结论

作为给排水专业本科生入学后接触的第一门专业基础课，水力学的教学质量直接影响了学生对后续专业知识的理解程度。如何在传统教学的基础上，不断丰富和提升课程质量，提高学生的工程应用能力和科研创新能力是一项重要的课题。教学内容上将理论知识与工程应用结合，引入最新的流体力学研究成果达到教学内容的提升，同时将传统讲授法与新形势下互联网教学法并轨，充分利用课前、课上与课后时间设计教学内容，充分利用实验教学锻炼学生的自主创新能力，最后将上述互动教学融入平时成绩，与结课考试结合共同评价学生的知识掌握程度，实现给排水科学与工程专业培养复合型人才的育人目标。