土建类专业《水力学》课程教学改革

【摘 要 】 本文介绍了土建类专业水力学课程教学中存在的问题并分析其原因,提出了改革教学内容,促进教材建设,改善教学方法,提高教学效果的基本思路.笔者认为,当前应该改革课程内容,土建工程实践紧密结合,加快教材建设改革；改进教学方法,提高多媒体教学效果,使用网络教学平台；利用计算流体力学的成果促进课堂教学和实验教学；改变成绩评定和考核方式,使考核过程更加科学与合理.

【关 键 词 】 水力学；土建类；现状；改革

《水力学》（或《工程流体力学》）课程是土建类专业培养方案和大纲中规定必须开设的一门专业基础课程,相比该专业的其他力学基础课程而言,该门课程学时数少,对结构课程的支撑性较弱,课程教学多是为了满足培养方案的要求,教学效果不甚理想.作为一名长期从事土建类专业水力学学课程教学的老师,有必要对水力学教学的现状进行反思,提出合理的解决办法.

1.土建类专业水力学教学现状

1.1 课程地位不高.本校的土建类专业以工业民用建筑为主要方向,在课程设置中固体力学占据着非常重要的基础地位,流体力学与水力学课程基本上处于可学可不学,学好学坏一个样的地位.在专业培养中也较少重视流体力学或水力学的应用,学生学习以应付考试为主.授课和学习的积极性都不高,课程整体上来说不受重视,据了解很多学校建筑类专业的水力学课程基本上都面临着这样的窘迫地位.

1.2 教师队伍建设不足.大多学校土建类专业不一定同时具有水利类专业,水力学教学主要是为了满足专业培养目标中单独一门课程的需要,一般该课程的师资力量一般不强,数量较少,教学科研和实验教学环境较差,大多数流体力学或水力学专业的硕士研究生或者博士研究生基本不原意来校做教师,因此该类专业的流体力学老师一般专业出身的少,很多学校的流体力学老师是建筑专业或其他专业通过培训后任教该门课程的.在土建专业中,流体力学课程的老师队伍建设严重不足且整体素质和同专业的其他教师相比不同步.

1.3 学生学习积极性不高.土建类专业学生毕业主要从事工业与民用建筑的设计和施工等方面的工作,老是认为水力学课程与这些工作联系不大,应用不广,认为一般应用没有必要单独学习水力学,只需要按照规范来做就可以了,相比其他几门力学课程而言,学生学习积极性不高,水力学学习基本上是在临近考试的时候才进行.学生的积极性不高,教学效果肯定大打折扣.

1.4 课时较少,内容较多.土建类专业开设的水力学课程在一般院校中课时不高,一般在40-60 之间,由于教学改革的要求,课程门数增加,重点课程的学时比例增大,水力学课程的学时数有降低的趋势.在比较少的课时中,水力学教授内容包括水静力学,动力学,流动阻力和能量损失,孔口管嘴出流和管路流动,明渠流动,堰流和渗流等内容,有些专业还需要学习气体射流等内容.分理论和工程应用两大部分,内容较多,涉及的基础知识较广,有些数学知识还需要在课程中进行补充,学时显得紧迫.

1.5 教材建设没有特点.如上所述目前水力学教学内容主要包括理论部分与工程应用部分,目前各个学校所使用的教材内容基本上按照上面列举的内容来布局,采用的教学顺序也是先理论（静力学,动力学,能量损失）后应用（孔口管嘴出流和管路流动,明渠流动,堰流和渗流等）的顺序.这个顺序和内容的布置是所有的非流体力学专业的水力学课程采用的一般方式.没有针对土建专业课程进行专门的布局,在理论部分的习题中基本上仍旧以水力工程的例子为主,在应用部分,没有结合土建类专业,比如给排水,通风,防渗,供暖改革课程内容.采用的基本上的水利类专业的课程体系和教材体系.

1.6 课程理论抽象,实验教学困难,教学方式比较单一. 水力学基本理论建立在复杂的物理分析和数学推导的基础之上,讲解起来比较抽象,数学基础比较差的同学较难接受,加上通过理论推导的结论和规律与现实的实际例子有一定的差异,对于同学们接受起来非常抽象,因此水力学课程往往成为土建类专业同学不以为然而又敬畏的课程之一.多数结论需要通过实验过程来进行验证,而水的运动过程受实际的条件约束较多,不同的工程条件会形成不同的结果,常规水力学实验主要用来验证流体力学基本理论以及一些典型的工程例子（如基本方程,能量损失,堰流等）,验证一个规律需要较大的实验投入和准备工作,加上土建类专业实验中水力学的地位问题,实验教师的配置问题,水力学实验课程一般很难开全.实验过程中由于学生人数众多,实验分组一般都是5人-10 人一组,实验过程中动手能力以及实验效果均较差.

水力学教学过程一般采用理论教学和实验教学相结合的方式进行,理论教学一般采用介绍概念,提出问题,分析推导得出结论的步骤进行,这个步骤过程中采用传统的板书推导的方式是常用的教学方法,近年来许多学校的课堂教学过程也在尝试使用多媒体教学过程,但从效果来看不甚理想.

2.教学改革与探索

上述水力学教学过程中存在的问题说明,土建类专业的水力学教学目前已经处于一个比较困难和尴尬的地步.在教学过程中必须采用多方面的手段,改变教学思路,改进教学手段,更新教学内容,改善教学条件,提高教学质量.

2.1 课程内容改革和教材建设探讨.目前的水力学( 工程流体力学)课程基本以水利类专业为背景,介绍和研究的主要对象为水这种液体,对于土建类专业而言,笔者以为,水只是其专业背景下的一种流动工质,和建筑相关的流体种类还有很多,比如空气,燃气等,这些流体的流动过程本身与水运动的基本规律差别不大,应该能够在水力学课程中加以辅助介绍,在实际的教学过程中,我们在介绍水动力学基础中加入了气体运动规律（如可压缩流动的连续性方程,气体流动的能量方程以及压强线的概念等）；在介绍流动阻力和能量损失的时候补充了通风管道的阻力和能量损失的计算方法,在介绍孔口的时候联系到窗户等通风口的淹没出流问题,介绍管道流动计算的时候与建筑给水排水系统联系,在介绍渗流的时候结合建筑井和基坑的排水问题.并且在例题和作业中有意识的和建筑物中的流动问题相结合,通过这种调整使学生在学习的时候,不再觉得水力学是一门与建筑行业无关的课程,同时了解了建筑中的流动过程,而这些内容是他们可能在其他课程中无法了解的,认识了流体力学与建筑以及人类的生产生活过程息息相关之后,逐渐培养出学习流体力学（水力学）课程的积极性.

关于教材建设的问题,笔者长期以来使用两种教材,一种是以建筑设备工程专业使用的流体力学与流体机械类（多种流体,以空气主）；另一种是以水力工程,土木工程为代表专业使用的水力学或工程流体力学教材,这类教材一般以不可压缩水流为研究对象,水力工程应用比较丰富.通过长期的使用来看,应该以水力学（工程流体力学）为基本教材内容,适当的加入前者中关于气流运动,建筑工程中流动问题,并在二者结合的基础之上增加适当的工程问题作为例题和习题.建设土建类专业普遍实用的一本教材.目前的教学中内容已经进行了改变,但教材的编写和建设比较滞后.

2.2 教学手段的改革.关于多媒体教学在逻辑性强的含有较多的数学公式的推导内容的课程教学中的应用与效果问题,历来在高校中颇有争议,但不管怎样,为了适应学生的厌倦传统教学方式的要求,为了适应课堂教学时间缩短而内容增加的形势,传统的黑板教学方式必将被新型的教学手段所代替,这好象不值得讨论了,事实上并不是幻灯片方式不适用于公式推导的教学过程,问题在于我们的多媒体手段是不是能够解决和克服这样的问题.也就是说就是如何利用多媒体技术,以及应用怎样的多媒体技术.

水力学和流体力学研究的对象是流动的物质,研究的是流体的流动规律和状态,动画和录象是在教学中必不可少的元素,使用动画软件可以形象的描述出流体在压力变化的时候的体积变化,流动的迹线和流线,层流和紊流的特征和现象.使用PPT自带的动画功能也可以将每一步推导过程按照顺序播放和演示出来,这种变化的动态效果和流动的特征在本性上是相容的,从这个意义上讲流体力学是最适合使用多媒体技术讲授的.

对流体力学的抽象认识甚至可能因为多媒体的应用而改变,在没有多媒体技术之前,抽象的理论要被消化,往往是需要在实验过程中才有可能变的具体一些,而有了图象动画之后,在课堂上也可以一目了然,提高了教学效率,同时也吸引了大部分同学的积极性.在有了尽可能多的感性认识之后,对于数学推导以及原理的应用也比较容易接受了.

网络和信息技术的发展,为流体力学的教学提供了一个新的平台,笔者通过使多年的水力学教学过程中同时发现了不是课程本身的问题,许多同学不会主动的和老师沟通关于学习的问题,近年来我主动公布了自己的电子地址,,个人博客和网站.意外的发现和同学的联系不断的增加,课程教学的问题也更多的通过网络来解决和消化了,当然更好的利用网络是建立网络课程,但笔者现在仍旧坚持采用这些一对一的网络方式.

多媒体技术与网络教学是流体力学教学手段进步的一种标志,除此之外借助于流体力学自身发展的技术来促进课程教学也不可忽略,计算流体力学的飞速发展和应用,使得在计算机上模拟流动的过程和结果变的非常容易,尽管在本科教学中,不必讲解计算流体力学,但使用它可以直接显示出一个具体流动的特征和规律.在多媒体的制作过程中这也是一个不可忽略的途径.

2.3 实验实践环节改革.水力学实验,所需场地面积大,设备投资高,单个实验时间长,土建类专业水力学课程实验环节一般比较少,实验个数少,实验参与度低,一般一台实验设备进行实验时往往有5、6人之多.很多同学实验过程中基本上是看其他同学做,实验效果较差,在实验条件受限的条件下,笔者认为可以采取以下的一些手段改善实验效果.

增加实验组数,我校的实验室有10台综合实验台,如果50个人一起做实验,5人一组,分成两组,就2-3人一个小组了,有了实验条件参与度自然提高,有些实验仪器只有2台套,这就要合理的组合了,将几种实验放在同一个时间段里进行,不同的小组进行不同的实验,然后依次进行轮换,这样的过程既防止了多人做一个实验,又避免了实验过程变成演示实验,提高了设备的利用率 .当然这样的结果带来的后果就是增加了实验老师的工作量,同时要求学生在课前的准备要足够的充分.

采用多媒体实验教学,有些实验仪器实验室中没有,我们就借鉴其他学校的实验录象或者自己使用动画制作了一些实验过程,在课堂上演示并讲解.达到实验目的明了,原理清楚,熟悉过程,知道结论的目的.

采用计算流体力学计算,根据工程的流动现象,自己设计流动过程的边界,条件,流体种类.通过计算机计算和数图显示,掌握流动规律,获得流动结论,由于计算机模拟是实质上的计算机实验,这一过程可以很好的代替实际的实验,可以模拟任意复杂的实验环境.同时也便于同学们自己设计实验,达到开拓视野,提高创新能力的目的.

2.4 考核方式和效果评价.传统的水力学教学方式基本上都是采用闭卷考试来评定学生成绩以及衡量学生是否结业,现行的水力学教材上基本上只有问答和计算两种形式,考试中一般多采用这两种题型.笔者在教学中结合本课程在专业中的地位问题,做如下的尝试：

考核不仅仅由考试来决定,在每章甚至在有些比较重要的小节或一个知识点介绍完之后,不定时的给学生布置小论文任务.要求学生就该内容去找日常生活或工程中有关的例子并进行说明,作为平时最重要的成绩.

考试的题型不限于计算和问答,采用更多的方式要求学生掌握基本规律,计算题在结业考试中的比重低于30%.但一定要是需要综合能力才可做的.前面的一些诸如选择,判断,作图,分析的体型考察基本规律和概念,既考查基本知识又考察应用能力.

考试的内容不全由教师决定,在每章作业之后布置一个特殊的任务,自己出一些本章内容有关的考题并上交,考试的时候一部分内容就是学生自己出的考题.这个过程由于学生比较重视,也很认真,同时也刺激了进一步学习的兴趣.

总评成绩的评定根据学校的规定,考试、实验和平时成绩各居一定比例.综合平定效果,这个问题我想大多数教师都是采用相同的方法来进行的.其实撇开教育的规范性来看,笔者认为,学习成绩的评定中应淡化考试成绩,而注重平时的学习和应用能力.

3.结语

水力学（流体力学）课程作为土建类专业的一门基础课程,在结构专业中的地位较弱,同时课程在教师队伍,教材建设,教学内容,教学方法,以及同工程实际相联系的过程中,也还存在诸多问题.作为该门课程的一名普通教师,笔者认为,当前应该改革课程内容,土建工程实践紧密结合,加快教材建设改革；改进教学方法,提高多媒体教学效果,使用网络教学平台；利用计算流体力学的成果促进课堂教学和实验教学；改变成绩评定和考核方式,使考核过程更加科学与合理.