立足于知识背景的水力学课程教学实践

摘 要 为了在课堂教学过程中帮助学生高效实现从读懂数学到理解流动过程物理本质的转变,本文开展了基于学生水力学知识背景的课堂教学实践,并举例对实践过程进行阐述,同时针对实践效果和需注意的问题进行了深入分析.

关 键 词 知识背景 水力学 教学实践

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.ki.kjdkz.2015.01.042

0 引言

作为流体力学的一部分,水力学主要以水为研究对象,分析其平衡和运动规律的具有较强理论性和实际工程意义的一门课程.在土木工程、市政工程、水利工程等专业中,水力学作为一门专业基础课程对其他专业知识的学习影响深远.

曾经有一位电子工程师谈到他在大学学习数字信号课程时遇到一大堆数学公式,但只有在多年后的应用中才真正懂得什么是数字信号,水力学课程的学习也有类似之处.①水力学教师一般习惯于将教案中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,水力学课程和其他力学课程一样,与高等数学等基础课程联系密切,很多理论知识是利用数学知识推理而来,但是它又不同于数学,是一门具有实际物理意义的课程,这就是水力学和其它工程类专业基础课程共同所具有的重要特点之一.为了让学生在课堂学习的过程中能够最高效地理解水力学课程的“物理本质”,而不是仅仅停留在“数学层面”上,这就要求水力学教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.笔者通过与学生的密切交流,在了解学生有关水力学知识背景的前提下开展了基于学生水力学知识背景的课堂教学实践.通过在两届土木专业学生水力学课程上的课堂教学实践,立足于水力学知识背景的教学方法在帮助学生课堂上加强对水力学物理本质的认识上取得了很好效果.下面就立足于水力学知识背景的教学方法举两个具体的例子进行阐述.

1.立足于知识背景的教学实践举例

我们在对“重力作用体静压强的分布规律”②一节进行教案设计时,往往习惯开始于欧拉平衡微分方程的综合式表达式 等于 （ + + ）,随后分析作用在流体上的质量力只有重力情况下的单位质量力,将各方向单位质量力代入该式,经过缜密的微积分推导得到重力作用体静力学基本方程 + 等于 .这个过程理论性强而且流畅,是许多教师习惯的课堂讲授过程.其实,对学生而言,在中学物理课中就已经知道静水的压强表达式为 等于 和 等于 + .如果我们从学生已掌握的水力学知识背景出发,在教案设计中首先开始于 等于 和 等于 + ,分析对比后得到重力作用体静力学基本方程 + 等于 ,如图1所示.这样的过程将更有利于学生对 + 等于 背后所代表的物理意义的理解.同时,这也是一个由已知到未知的过程,符合学生对知识的认知规律.这一过程弱化了微积分推导过程,让学生学习的重点不在推导过程,而是在对水力学概念及其物理意义的认知上.显然,立足于知识背景进行水力学教案设计和课堂讲授更有利于加强和加速学生对水力学知识物理本质的理解.

水力学知识背景不仅仅局限于我们生活中的水力学常识,水力学课程前部分所学知识即为后部分知识学习过程中的知识背景.教学过程中充分利用已学的水力学知识,融会贯通,前后知识的比较和分析,可加深学生对新知识的理解,特别是对水力学问题物理本质的理解.例如,我们在对“伯努利方程”一节进行教案设计时,将其与前面静力学知识建立类比关系进行分析,如图2所示.显然,通过与静力学知识物理意义的类比更加加深了学生对伯努利方程背后所代表的物理意义的理解.

将新学知识建立在已学知识的基础上,新知识和已学知识进行类比的教学设计,不仅帮助学生将整个水力学课程所需要掌握的知识内容贯穿起来,形成一张相互关联的知识网,有利于了解各内容内在的本质联系,而且通过这种类比更加有利于快速高效地掌握新知识背后所代表的物理本质.

2.实践效果与思考

多年来,许多教师开展了有关水力学课程教学的研究工作,通过一系列的教学方法和教学模式的改进和创新,使得教学效果有了显著的提高.基于学生的水力学知识背景开展课程教学实践,对课程内容的讲授灵活变通,一方面不仅有利于节约课堂教学时间,适应高校教学体制变革和学分制深入开展过程中水力学课堂学时缩减的实情,同时也丰富了教学方式,对改变课堂沉闷状态、调动学生课堂积极思考有一定的促进作用；另一方面也更加有利于帮助学生实现从读懂数学到理解流动的物理本质这一转变,加强学生对水力学知识点的掌握及其物理意义的理解.

但是,在以水力学知识背景为出发点的教学过程中也需要注意一些问题.一方面,教师要在开课之前必须对学生所掌握的知识背景进行深入细致的了解,只有了解了学生的知识背景程度才能设计好课程教案；另一方面,教师必须全面而准确地把握水力学课堂内容,吃透教材,将课程内容巧妙地与学生的知识背景联系起来.

基金项目：南昌大学教改基金项目（项目编号：NCUJG LX-13-1-88）

注释

① 张鸣远.对工科流体力学教学改革的一些思考[C].力学课程报告论坛论文集.高等教育出版社,2009：251-254.

② 禹华谦.工程流体力学（水力学）[M].西南交通大学出版社,2013.