水土保持专业“水力学”课程教学改革的探索

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

水土保持专业“水力学”课程教学改革的探索

王平程金花张会兰

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

“水力学”是水土保持专业的一门核心基础课程，具有较强的理论性、实践性和应用性。针对“水力学”课程的特点,探讨了课程教学改革的措施。首先，优化课程教学内容，突出重点，紧跟水力学发展的前沿；其次，利用多种教学手段开展教学，采用板书和多媒体手段相结合的方式，提升教学效率；第三，加强实验教学，提高学生的动手能力，加深学生对理论知识的理解，虚拟仿真实验将抽象的实验过程浓缩在形象逼真的动画演示中，可以提高教学效果，增强课堂趣味性。“水力学”课程教学改革训练了学生科学的思维方式，培养了厚基础、宽专业的高素质创新人才。

水土保持与荒漠化防治；水力学；课程教学

水土资源是一切生物繁衍生息的根基，是人类社会可持续发展的基础性资源，保护水土资源是实现生态文明的重要途径[1]。

“水力学”是水土保持与荒漠化防治专业本科教学体系中的一门核心基础课程，同时也是相关专业课的前置课程。“水力学”课程教学的目标是让学生通过学习和实验训练，掌握水力学的基本理论和科学研究方法，为后续专业课程的学习以及将来从事科学研究工作奠定基础。针对水土保持专业本科生开设的“水力学”专业基础课应根据水土保持建设的需求，将“水力学”课程的基本理论与工程实践相结合，通过一系列的分析与计算，为水土保持建设提供理论支撑。笔者以北京林业大学水土保持与荒漠化防治专业本科生“水力学”课程的教学和实践为例，对“水力学”课程教学进行了改革探索，以期为水土保持专业基础课程教学质量的提升提供科学依据。

一、水土保持专业“水力学”课程教学的特点及问题

“水力学”作为水土保持专业的一门核心基础课程，具有较强的理论性、实践性和应用性。首先，“水力学”课程内容包含了大量的基本概念、理论公式推导，涉及大量的数学运算和物理分析，课程内容枯燥，学习难度大，导致学生学习的积极性不高。其次，“水力学”课程中很多的流动现象、理论、公式等都是通过实验观察总结得出的，可以说水力学是一门从实验到理论的科学。因此学生在“水力学”课程的学习过程中，需要通过做实验来加深对理论知识的理解，提高实际动手能力。第三，由于在实际工程设计、建设中会涉及大量的水力学理论和模型，因此学习了“水力学”的课程知识对于学生今后的就业和深造都非常重要。尤为重要的是，“水力学”课程中涉及的基本概念和理论知识是水土保持专业后续课程的基础，例如“土壤侵蚀原理”中水力侵蚀的计算和分析、“水土保持工程学”中拦砂坝的稳定性分析等，都需要以水力学知识作为理论基础[2]。因此，“水力学”作为水土保持专业的核心基础课程，在本科教学体系中占据着重要的位置。

目前，水土保持专业多采用水利类专业的“水力学”课程教材，此教材虽然涵盖了水利学的基本内容，但缺少学科的前沿知识，难以满足水土保持专业的发展需求[3]。随着计算机技术的快速发展，数值模拟技术在水力学的科学研究和工程设计中得到了广泛应用[4]，但由于目前许多高校还没有开设专门的“计算水力学”课程，因此学生在“水力学”课程教学中无法掌握数值模拟计算的相关知识，导致学生的知识面较窄。

传统的“水力学”课程教学多以教师讲授为主，学生作为教学的客体，往往只是单纯的听讲和记录，课堂参与度不高，不利于教师及时了解学生的课堂学习情况。究其原因，一方面是由于“水力学”课程理论性较强，学习难度大；另一方面则是由于学生对“水力学”课程学习兴趣不高，部分学生是抱着挣学分的态度来学习的，因此学习效果一般。

综上所述，为提高“水力学”课程教学的效果，笔者基于“水力学”课程教学的特点，探讨了教学改革的措施。

二、水土保持专业“水力学”课程教学改革的探索

(一)优化课程内容

针对“水力学”课程应用性较强的特点，课程的理论教学应紧密结合专业培养目标和水土保持工程实践，通过查阅文献资料及相关素材，将工程实践融入到理论教学中，提升学生解决水土保持工程实际问题的综合能力。例如在例题讲解中可与专业课相结合，引导学生应用水静力学中的液体平衡方程来分析求解水土保持工程中拦砂坝的受力和稳固性。理论公式与工程实际相结合，有助于激发学生的学习兴趣，做到学以致用，增强学生对理论公式的感性认识。

作为一门传统的专业基础课程，“水力学”同时也是一门与“理论力学”“材料力学”“土力学”同等重要的经典力学课程。随着计算机技术的快速发展，不断有新的计算方法应用于水力学相关的科研和教学工作中。目前本科生教学选用的“水力学”课程教材大多偏向传统和经典内容，对当下热点科研方法和成果涉及较少，学生难以了解水力学最新的前沿知识。因此，任课教师一方面要注重基础性内容的讲解，同时还要紧跟前沿，引入数值模拟方法，介绍一些简单的数值计算方法，如中心差分法、迎风格式等，展示部分计算实例和结果，帮助学生初步了解“计算水力学”的知识，并引导学有余力的学生不断拓展新的专业知识。

(二)利用多种教学手段开展教学

目前，多媒体技术大量应用于教学活动中，但实际效果却各有不同。“水力学”课程由于具有较强的理论性，并不适宜完全采用幻灯片教学，而是应根据课程教学的具体内容，将传统板书与多媒体放映技术有机结合。板书可详细展示理论公式的推导过程，让学生更好地跟进教师的分析思路，促进学生理解公式推导过程中所运用的数学技巧和物理知识，便于学生记录和课后复习回顾。对于“水力学”课程中抽象的、难以理解的知识点，如卡门涡街、雷诺实验等，如果仅仅通过公式推导的方式进行讲解，学生会缺乏直观的认识，难以理解实验的物理过程。所以在讲解这部分内容时，可以辅以多媒体技术，如图片、动画、录像等资料，丰富教学资源，活跃课堂气氛，化抽象为直观，增强学生的感性认识，有助于学生的理解。教师在制作多媒体课件时，应广泛收集有关的自然或实验现象素材，利用PowerPoint软件制作成动画，生动形象地展示教学中的重点和难点，便于学生学习，从而提升教学质量。

例如雷诺实验是英国工程师雷诺在1883年发现的实验现象，当流体流速较小时，流动状态为层流，随着流速的不断增大，流动状态由层流逐渐过渡至紊流，如图1(a)所示。笔者在教学中用动画演示了雷诺实验现象，并进一步分析流态转变的原因，即流动流体在受到某种微小扰动之后，导致某些地点的流线、流速和压强产生变化，在压强差的作用下，流线摆动将进一步加剧，直至最终形成一个个破碎的旋转着的小漩团，在液体中沿横向作掺混运动，这就是由层流过渡到紊流的微观过程，如图1(b)所示[3]。笔者结合动画演示开展教学，使学生对雷诺实验过程有了直观的认识，并理解其中的物理机理，使学生对该知识点的掌握更加牢固。

“每个硬币都有两面”，多媒体教学具有直观、生动、形象等诸多优点，但也有不足，“水力学”教学不能过度依赖多媒体。多媒体教学一般演示较快，信息量大，学生往往来不及记录笔记就跳至下一屏，不利于学生进行深入的思考和理解。

(三)加强实验教学

“实践，认识，再实践，再认识”是人类认识事物本质的规律[6]。“水力学”实验教学是“水力学”课程教学体系中的重要内容，有着理论教学无法替代的作用，是理论联系实际的关键环节[7]。实验教学可以提高学生的动手能力，加深学生对理论知识的理解。例如文丘里流量计实验，学生通过调节阀改变流量，观察各测压管的液面读数，并用秒表、量筒测定实际流量，再根据能量方程和连续性方程，计算理论流量，并与实验测定值作比较分析。北京林业大学水土保持学院建有较为完备的水力学实验室，包括水静力学实验、雷诺实验、伯努利实验、文丘里流量计实验、达西渗流、堰流实验等在内的多套实验装置[8]。实验教学应坚持“三步曲”策略，即让学生实验开始前预习、实验过程中讨论、实验完成后总结，做到“理论指导实验，实验检验理论”，巩固所学的知识点。

图1 雷诺实验的动态演示

在实验过程中，理论与实际往往存在差别，教师要着重引导学生对实验差别做进一步分析。例如文丘里流量计实验，实际测量计算得到的流量一般比理论值小，实际应用时必须进行修正。教师可引导学生思考实验测量与理论值存在偏差的原因、各因素对偏差的影响以及如何操作以减少实验偏差。对实验偏差进行详细的分析可进一步加深学生对理论知识的理解，避免学生墨守成规。通过实验，学生学会了科学的研究方法，提高了学生分析问题的能力。

传统的“水力学”实验教学的装置一般比较固定，教学以教师演示为主，学生在教师演示后按照实验操作手册，调整部分实验参数或改变部分实验条件即可完成实验，对于实验原理、实验装置的总体设计以及各实验仪器间的连接等理解不够深入，限制了学生的主动思考和创新。目前随着计算机辅助教学技术的快速发展，虚拟仿真实验教学模式得到了大量应用。虚拟仿真实验教学模式可构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，允许学生在虚拟环境中开展实验，甚至演示传统实验室无法完成的极端实验现象。虚拟仿真实验将抽象的实验过程浓缩在形象逼真的动画演示中，提高了教学效果，增强了课堂趣味性。北京林业大学水土保持学院配备了多套“水力学”虚拟仿真实验教学软件[8]，学生可以全程完成从实验的自主设计、实验操作到实验结果分析的整个过程，从而加深了对实验原理的理解。

三、水土保持专业“水力学”课程教学改革的成效

(一)提高了理论教学的有效性

结合“水力学”课程教学的特点，优化了课程教学内容，做到了重点分明、取舍适当，教学内容能紧跟水力学发展前沿。板书与多媒体教学的有机结合，提升了教学效率。通过教学改革，北京林业大学水土保持专业本科“水力学”课程理论教学取得了初步成效，学生提升了学习兴趣，出勤率达到95%以上，课程评价满意度达到90%以上。教学改革使水土保持专业人才培养质量得到不断提升，每年成功申请大学生创新训练项目数位居学校前列，保研至外校的研究生因专业基础扎实，受到导师好评。2017年有2人在本科毕业设计阶段即撰写了科研论文，并发表在核心期刊上。

(二)实现了实验教学的综合化

实验教学注重引导学生对实验偏差进行进一步分析，提高了学生的动手能力，培养了学生的创新能力。通过实验教学的“三步曲”，进一步加深了学生对实验原理与过程的理解，使学生能在实验数据分析和报告撰写中加入自己的思考，训练了学生科学的思维方式，使之成为厚基础、宽专业的高素质创新人才。

[1] 郑江坤.围绕生态文明建设推进水土保持与荒漠化防治专业教学改革——以四川农业大学为例[J].中国林业教育，2016，34(3)：30-34.

[2] 王文娥，吕宏兴，张新燕.“水力学”课程教学方法改革探索[J].黑龙江教育(高教研究与评估版)，2013(4)：31-32.

[3] 朱首军，李占斌.水力学[M].北京：科学出版社，2013：9.

[4] 戴昱，汪德爟，丁全林.“计算水力学”课程构建与教学模式研究[J].中国电力教育，2012(17)：68-69.

[5] 靳娟娟.水力学教学现状及教学改革初探[J].教育教学论坛，2016(26)：115-116.

[6] 黄继英.国外大学的实践教学及其启示[J].清华大学教育研究，2006，27(4)：95-98.

[7] 李玲，陈永灿，谭谦.水力学文丘里流量计实验教学的改进[J].实验技术与管理，2013(7)：171-172.

[8] 张会兰，王云琦，王玉杰.水土保持专业“流体力学”课程优质教学资源的建设[J].中国林业教育，2015，33(2)：55-58.

(责任编辑 王 伟)

北京林业大学2012年课程建设项目“土壤侵蚀原理(双语)”，项目编号BJFU201201；北京林业大学2016年教学改革研究项目——“流体力学”课程开放式-研究性课堂与实验教学模式的协同实践，项目编号BJFU2016JG006。