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浅议土木工程专业《水力学》课程特点与教学探索

  随着经济结构转型和产业结构优化升级,社会对人才结构的需求重心下移,除了需要大量的研发型科技精英人才外,更急需大批能促进科技成果转化、带动产业发展的专门应用型人才。土木工程专业是理工科院校的传统核心专业,也是培养一切与水、土、文化相关的“复合型”工程技术人才的主要专业,主要目标是培养适应工程建设需要的,有扎实基础理论和专业知识的,有较强实践能力的,能够从事设计、研究、施工、教育、管理、投资、开发等工作的高级专门人才。因此,土木工程专业在全国基础建设与相关领域管理人才的培养中起着非常重要作用。
  水力学是土木工程专业的一门专业基础课,在基础课和专业课中起着承前启后的桥梁作用,具有很强的理论性和实践性。水力学在土木工程专业学科建设中的课程定位与在水利工程专业不同,所占的比重与学时都远低于水利工程专业,导致学生对该课程重视程度不够,常处于应付作业、惰于思考的被动学习状态。面对日新月异的社会基础建设发展现状和激烈的就业前景,如何把学生培养成适应社会发展需要、具有扎实理论基础、知识面广、动手能力强的复合型人才,这是当前高教改革的中心任务。如何通过教学环节的探索与改革,优化教学过程,使理论性强、公式繁多复杂、内容枯燥难于掌握的水力学课程教学变得生动、易于理解掌握,全面培养学生的兴趣,变被动学习为主动学习,成为教学实践中探索的主要问题。
  1土木工程专业水力学课程特点
  水力学是流体力学的一个分支,它是以水为研究对象,研究其宏观机械运动规律及工程应用的学科,课程以高等数学、理论力学、大学物理等课程学习为基础,理论性强,涉及范围广,实践性和应用性也很强。从最早的大禹治水,到阿基米德《论浮体》著作的发表,再到将水引导用于灌溉、交通运输、发电等,人类就一直在探索着水的静止与运动规律,在不断探索与生产实践中发现和总结了大量定律及规律,为利用水资源及消除水患提供了理论基础及应用方法。土木工程专业与水利工程专业不同,未来的就业环境和所从事的工作也有所差别,因此,水力学课程教学内容与水利工程专业在基础概念、理论与分析方法上相同,但由于就业方向的不同,实际教育教学侧重点与教学的方式方法当有所不同。水力学课程以培养适应社会就业为导向,教学改革要做到正确处理理论与实践、知识与能力的关系,突出理论应用能力、综合思维能力和实践反思提升能力的培养。要使教师便于施教、学生易于掌握,总结其一些特点,找到突破口,有的放矢,是十分必要的。根据多年教学经验,笔者以为水力学在土木工程专业本科、专科生的学习中,具有以下特点:
  1.1独特性强
  水力学虽然是联系“水”与“力学”的纽带,但相对于其他力学课程来说,水具有流动性,这是固体力学所没有的,同时由于水的粘滞性和静止时无法承受剪切应力的特性,使其具有与其他力学完全不同的思维方法,与之相对应的当是不同的教学方式。而水力学课程中主要内容是水的宏观机械运动规律和工程应用,从这个方面来讲,水力学课程内容涉及范围较广,需要的知识更多,具有更大的独立性。可以形象地说,水力学是一门“水物理学”。
  1.2理论性、逻辑性强
  水力学课程的基本概念、基本公式、经验公式、半经验公式比较多,与理论力学、材料力学等力学课程类似,在讲课的过程中,需要有大量的理论公式及推导,理论性、逻辑性强,学生在学习过程中需要紧跟教材内容及教师的讲解思路,循序渐进,才能系统、连贯地掌握整个课程知识体系。对于这一点,我们老师应该更注重教学方法,不让这个似乎“完美”的推导过程变成“微积分的应用题”,而是对公式所揭示的“物理本质”有清楚的描述,使学生更容易理解。
  1.3实践应用性强
  水力学是人类认识水的运动规律并把它应用到工程实践的一门学科,具有较强的工程应用性,因此,在教学过程中,需理论与实践并重。人类历史发展过程中的治理洪水、防洪兴利、水磨、水车、水力发电以及各类水工建筑物和防渗加固处理等,都是水的工程应用,可以说水力学是在人们生产生活的探索总结出来的,它是一门专业理论性和实践性都较强的基础课。因此,在进行水力学课程理论教学的同时,必须加强水力学课程的实践教学环节,将各类水流运动的基本规律和实际工程及相关学科有机联系起来,真正做到将所学知识准确地运用到实际生活生产实践中去,这对巩固课堂教学知识,培养学生的动手能力及加深理论知识的理解应用起到至关重要的作用。
  1.4专业针对性强
  土木工程专业的专业课程主要包括土力学、建筑材料、混凝土结构、钢结构、房屋结构、桥梁结构、道路勘测、施工技术与管理等课程,从中可以看出后期专业课与水利工程专业有很大的差别,因此,对水力学课程的教学内容也必须根据其专业特性进行相应倾斜,从而与专业课程有更好的衔接,也使学生能够学以致用,在道路、桥梁、边坡衬砌、防渗加固及地基处理等工程实践中有更好的应用。
  2水力学教学中的实践探索
  针对上述土木工程专业水力学课程的特点,笔者依据长期教学过程中存在的问题,结合专业背景,对当前土木工程专业水力学的教学内容与方法进行了大量有益的探索和改革。我们的总体目标是培养具有扎实的理论基础,又具有实践动手能力的,能够独立思考积极主动解决问题的专门技术人才。就如何做好水力学课程的教学工作,提出几点看法。
  2.1立足知识背景,探求内容“物理本质”
  水力学中涉及大量的公式推导,一般教师在讲课过程中习惯于将水力学理论知识按照其推导过程进行设计,在课堂讲授时则一步一步详细介绍其推导过程,其目的是让学生清楚知道该理论的来源和数学依据,整个形式似乎是“完美”的。但是,这样的教学过程容易让学生感觉水力学课程是“微积分的应用题”,不利于水力学课程“物理本质”的理解。当然,水力学课程是以高等数学、理论力学为基础的,与其联系密切,很多理论知识是利用数学知识推理而来,但是为了让学生在学习过程中,不仅仅停留在“数学层面”上,而是能够更高效地理解水力学课程的“物理本质”,需要老师在教学过程中帮助学生实现从读懂数学到理解流动过程物理本质这一转变。例如,在讲解欧拉法中液体质点通过任意空间坐标时的加流速时,可以从物理本质上说明加速度计算公式中各项的产生是由于空间位置发生了变化还是时间先后不同而产生了速度变化;同样的,在讲伯努利方程时,也可将方程中各项的物理本质进行讲解,使学生对课程内容的理解不是停留在死记硬背或数学层面上,而是更深层次的物理本质乃至生活本质。通过长期教学的培养,使课堂讲授对公式本质的了解由教学手段最终发展为心灵的自然转化,使学生透过公式能够看见所反映问题的本身物理意义,以及在工程中的应用价值,从而达到由理论到实践的教学效果。
  2.2联系生活实际,深入理解概念原理
  水力学凝结了人类历史发展过程中对水的认识与探索,其很多内容原理都可以在生活中找到相应的工程实例,在课堂中引入生活实例,可以使学生能够更生动、清晰、深入的理解课程所学概念原理。例如,在讲表面张力时,可以引入“露珠为什么是圆形的?”、“水在土壤中为什么只停留在作物耕作层,而没有随重力作用下渗?”等,启发学生思考问题的能力,引发学生的学习兴趣。在讲解伯努利方程时,可以提问“人往高处走,水往低处流”这样论据是否正确、“水是由流速高的地方流向流速低的地方吗?”等问题,引导学生理解公式本质,加深理解,深化印象;在综合考虑负压及能量平衡和转化原理时,还可以引入“列车车轨处的卷吸力”、“鼓风机的原理”等,以使学生深入理解位能、动能及压能的相互转化原理;在讲平面所受静水总压力的计算时,可以举例底面积相等,高度相等的不同形状容器中,哪个容器充满水时底面所受的压力大等;在讲解虹吸原理时,可以引入生活中鱼缸的抽水换水原理,增加课堂的趣味性。
  2.3精选教学内容,灵活教学手段
  随着教学体制的改革,学分制的实行,理论课时缩短,土木工程专业的水力学课程学时也在缩短之列,因此,对课程教学内容应结合专业方向和知识结构进行优化,以便在有限的课时内高质量的完成课程教学任务。
  消枝强干,突出重点。在课程教学过程中,结合土木工程专业的实际情况,并加强课程的工程性,简化了一些偏于深奥的机理的讲述内容,例如浮体、紊流运动等理论,保证了“液体静力学”、“三大方程”等水力学最基本的内容有足够的讲授课时;同时,对水动力学的三大方程直接从物理学的基本定理和定律入手推导:从质量守恒原理推导连续性方程;从动能定理推导能量方程;从动量定律推导动量方程。实践证明,这种模式既节省课时,又符合当前教学改革的目标,教学效果良好。对专业基础内容,进行了内容整合与简化,如将液体出流与管道流动进行了整合、将流动的一些基本概念进行了整合,使重点能够更加突出,将明渠均匀流、给水管网等只采用多媒体课件进行简单介绍。
  与时俱进,删旧增新。采取“删、减、并、增”的思路,对于一些与土木工程相关性不大的课程内容予以删除,例如液体的相对平衡、紊流运动机理、最佳水力断面等内容进行了简化,只采用多媒体的形式给以直观展示;对于水力学的基本理论和优秀课程内容进行整合吸收;对于水力学与流体力学的最新研究成果,引入课堂内容的教学中,例如连续介质假设的使用条件、边界层理论以及湍流的数值计算、点源的扩散等新的课程内容引入课堂,通过制作视频文件,可以观察局部能量损失原理,从而扩大学生的知识面,增加学生对课程的学习、探究兴趣,培养学生创新思维能力。
  2.4传统教学为主,多媒体教学为辅
  水力学课程中,基本公式和经验公式较多,在教学过程中,应该根据所讲授的内容的重要性及逻辑性,选择采用板书推导或多媒体讲解,把多媒体教学与传统板书教学有机结合,而不是把没有感情的大屏幕变为教学主角。对课程中一些公式的推导,需要严密的逻辑性,则须采用板书推导,以使学生能跟上上课节奏,理解教师思路,对所学知识能更深入的把握。笔者在教学实践中,通常采用板书推导,完成以后,再用多媒体课件整理一次思路,这样使学生能够再次加深理解,让部分掉队的同学也能够了解所学知识,实践证明起到了良好的教学效果。而一些抽象概念学生难以理解时,多媒体则可以化抽象为直观,帮助学生理解、消化,例如,在雷诺实验时讲到流速较小时为层流,而流速大时各层流会形成涡体,流动中产生涡流。而这个由层流到稳流的演化过程可采用多媒体演示,化静态授课为动态教学,不仅让学生映像深刻,还激发了学生学习兴趣,起到画龙点睛的作用。在讲局部水头损失时,可以将流动显示实验中的视频插入多媒体播放,使学生了解不同形状的边界引起的涡及能量损失。“使一些难以用单一语言、文字、图像来讲解的概念能够被清晰、透彻地理解”。使学生能够较好利用直观的背景材料掌握理论知识,达到多重教学手段完美结合,提高教学质量的目的。
  2.5加强实践环节,培养学生动手能力
  实验教学是水力学课程学习中的重要环节,通过实验,学生可以对水的流动现象有直观认识,加深对课堂所学理论知识的理解,培养学生的动手能力、独立工作能力、分析和解决问题的能力。但是目前许多开设的实验,实验开始之前由老师负责把仪器设备安装、调试完好,学生的实践仅仅是依老师命令打开阀门、记录数据,很少有学生思考实验中用到的各种仪器、设备的作用,是否有更好的实验设计方法。针对这种情况及大学生普遍动手能力差的现状,我们对实验环节也进行了改革,特别要求学生实验前先预习、实验过程中每个学生对每个实验都要亲手操作、实验结束后及时完成实验报告,发现问题进行进一步讲解。如果有实验结果不符合规律时,要求重新做实验。并且开设了流体相关的实验创新课程,支持学生进行创新性研究,部分学生在试验中还能够提出新的实验设计方案,有助于创新能力的培养。实验教学弥补了理论教学的不足,对学生深入理解相关理论和动手能力的培养起到了关键作用。
  水力学是土木工程专业的一门专业基础课,本文根据土木工程专业水力学课程所具有的特点及在教学过程中存在的课程理论性强、公式繁多、内容枯燥、学生难于掌握等问题,结合多年教学经验,提出从教学方法、教学手段、教学内容、实践环节等多方面入手,注重所讲内容的物理本质,采用板书与多媒体相结合的教学手段,加强实践环节,将生活常识融入水力学理论教学,在教学内容及教学方法上进行有益的实践与探索,全面提高学生的学习兴趣,从而提高教学效果。