面向实际应用能力培养的水力学课程教学改革

面向实际应用能力培养的水力学课程教学改革

[摘 要]水力学课程内容知识点抽象、计算公式较多,对数学物理基础要求较高,工程应用性强,学生在学习的过程中对所学内容与工程实际的联系理解不够深刻,应用能力较弱。文章针对该课程授课过程中存在的上述问题,提出以工程实例为导向、以应用能力为主导的课程教学模式改革,引导学生从单纯理解所学知识向结合工程背景解决实际问题转变,以适应面向工程的应用型人才培养目标要求。

[关键词]水力学;工程实例;应用能力;教学模式改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章編号] 2095-3437(2019)01-0055-03

水力学是土木工程专业的一门重要的专业基础课,尤其是在农业水利工程、水利水电工程、交通工程、市政工程、桥梁隧道工程等专业的课程设置中,水力学都占有重要地位。对于宁夏大学土木与水利工程学院来说,水力学课程是4个专业8个教学班开设的专业基础平台课之一,选课学生达到200多人,其后续课程包括水力学及桥涵水文、水力学Ⅱ、水文及水力计算、乡镇供水工程等多门课程,是我院一门重要的专业基础课。

水力学的研究对象是以水为代表的液体,它没有一定的形状,且具有流动性;课程内容设置概念多、公式多、理论性强、知识点抽象,研究涉及力学问题,课程本身难度较大;研究方法与固体质点系法完全不一样,学生受惯性思维的影响,理解困难,学习难度大[1]。但同时该课程实用性、应用性又很强,而且与工程实际联系非常紧密,是后续很多专业课程水力计算的基础。目前,针对水力学课程的教学内容、方法、模式、实验设备等已开展了系统的改革,改革效果较好,教学手段也转变为以多媒体教学为主结合板书的混合教学模式,极大地克服了课时压缩及板书对图表显示、动画模拟的约束等问题,提高了课堂教学效率。但传统的从理论到理论、理论脱离实际的模式依然是授课的主导模式,受课程特点及多种因素的影响,目前的教学方式还远远不能适应学生实践创新能力培养的要求,同时对学生的工程背景及实际应用能力方面的培养及提升,以及与工程单位对人才实际操作能力的需求还不匹配。如何在双一流建设过程中,以培养学生能力为主导,加强课堂教学的改革,进一步适应工程类人才的工程背景及实操能力培养,是这门课程教学改革的重要目标。

一、课程的特点及存在问题

和其他力学课程类似,从教材内容来看,水力学课程大多数是公式、定理、推导等,学生感到枯燥难懂,学习积极性不高。水力学课程的力学“三大理论”、连续性方程、能量方程、动量方程、欧拉平衡微分、方程式、液体的平衡、静水总压力的计算、达西公式等内容对学生的高数和物理水平要求较高,有大量的理论公式及公式推导[2],涉及高等数学、大学物理、理论力学和材料力学等相关的知识,且理论性、逻辑性强,需要学生在学习过程中紧跟教材内容及教师讲课思路,在深刻理解数学、物理、力学原理的基础上应用到水力学研究中,才能对整个课程知识体系有较好的掌握。但这一点往往受到学生基础数学、力学基础薄弱的影响,学生在学习过程中容易产生强烈的畏难情绪,从而影响这部分内容的课堂讲授效果。

教材上例题和习题偏理想化、学术化,一般只有对工程背景的简单介绍,而且前后知识的连贯性差,这就使学生的学习缺乏明确的工程目标。加上大二学生因自身工程常识的缺失而往往不知道所学知识能解决什么工程问题,于是认为力学没用,难以理解学习的目的和意义,这不仅不利于激发学生的学习兴趣,而且也不利于对学生分析解决实际问题能力的培养。个别学生即使考试成绩很高,但也不具备用所学力学知识分析、解决实际工程问题的能力,因为所学理论和实践是脱节的,不能学以致用[3]。

在目前的教学中,由于课时限制,还是由教师为主导,配合多媒体教学,采用课堂讲授的方式进行。教材版本较多,但基本编排体系不变,习题类型是配合章节内容进行单独设置,缺乏整体性。虽然有实验课作为实践环节,但课堂教学中却很少设置实践教学和创新教育环节,实验设计又不能完全结合实际工程展开,造成学生理论水平高于知识实际应用水平。

实验环节多年来一直是本课程培养学生创新能力和工程实践能力的重要环节,通过实验教学与操作,能够帮助学生更好地理解理论知识与培养实践动手能力。但是受课时及实验条件限制,大部分的实验教学依然是按照实验原理—目的—操作步骤—教师演示—学生操作—撰写实验报告的流程在开展,教师讲解示范,学生被动听,按实验指导书的要求做,实验报告及计算大家都一样,整个实验过程缺乏师生互动和学生积极思考,因此很多学生兴趣不浓,往往做完实验依然是知其然不知其所以然。

教学学时的压缩导致理论教学学时欠缺,实践教学环节也没有充足时间开展。水力学课程学时的大量压缩,使学生对水力学知识的运用能力、实验动手能力都有所下降[4],这是目前多数工科学校面临的普遍问题。从我校的情况来说,这门课程的学时从20年前的100左右压缩到10年前的40多,到现在基础部分只有30学时了。课程理论教学难度本身较大,教师花在理论教学上的时间本来就比较多,受学时大量压缩的影响,实践主要依靠常规实验课,根本无法设计较多的实践环节。

新技术、新计算手段、新的计算工具等知识的欠缺。随着社会发展进步,计算机技术及各种模拟分析软件的出现大大方便了工程应用中的力学计算,很多软件工程单位都已经在使用了,但现行的水力学课程还没有对其进行深入的介绍和结合,其教学内容依然是传统的计算方法和手段,严重滞后于工程单位的技术更新,缺乏创新性。因此,需要改变传统中只教授力学原理的内容安排,适当增添工程问题力学的数学模拟方法的原理和方法以及应用计算机技术来替代人工计算过程[5]。简单的问题,教师可以利用工程实例给学生做介绍,然后让他们自己动手去实践;复杂的数值模拟软件则介绍其原理及适用条件,给学生打开一扇门,开阔其眼界,引导其探索工程问题解决的先进方法及模式,以提升其对现代计算机工程分析技术的认识水平和能力。 二、课程教学改革思路

在基础理论教学学时大量压缩的情况下,教师要最大限度地调动学生的学习积极性,促进学生创造性思维能力、综合解决实际问题能力的提升。笔者结合这门课程的特点及自身多年的教学实践,将以工程为导向,以实际应用能力培养为主导的教学改革思路总结如下。

一是讲好绪论课,让学生树立工程应用的理念。从第一课开始,以各种工程实例为引子,先从认识基本工程建筑物入手,剖析工程实例中遇到的水力学问题及其与基础力学的联系,总结本课程中将要涉及的水力学问题的本质,点出该课程与前后课程的关联点和相关性,讲清楚该课程在本专业常见工程中的具体应用并简单举例,然后再介绍课程体系、学习方法、发展历程等。从第一堂课开始就引导学生了解该课程的地位,以及让“工程应用”理念成为本课程的关键词。

二是重视对水力学问题的物理意义及工程背景的讲解。由于学生的数学、力学、物理基础薄弱,教师在讲解公式推导及相应的基本概念过程中,除了要注意总体分析思路的阐述外,还要注重做好对这些现象物理意义、数学意义、力学意义的解释,帮助学生建立对本课程的研究内容与上述课程之间的联系,同时结合工程背景知识的加强和强化,更好地体现本课程承上启下的作用,使学生更有效地掌握从工程背景到认识水力学现象继而理解它们的数学、物理、力学本质的分析过程,并且能从力学本质来解释水力学现象,继而应用到工程实例中去。

三是教学的最终目的是培养学生的工程应用能力。

任课教师应该让学生看到力学在实际工程中的用处,并教会学生用力学知识与方法处理实际问题的思路,具备处理一些简单的实际问题的能力[4]。为此,将大纲内容进行细致梳理,对于特定知识点对应的工程问题则精心选择工程案例,在讲解理论之前,先分析工程案例中的问题,将问题抽象化后与知识点的关系理清楚,然后讲述理论,让学生在工程实例分析与讨论中能进一步加深对理论知识的理解,将抽象难懂的力学知识与直观形象的实际工程联系起来,直观地体会到本课程知识的用处,从而提高学生的学习兴趣、积极性,以及解决工程实际问题的能力。

四是将工程背景渗透到例题、小作业中。目前可以见到的大部分教材及参考书中的例题及习题基本上都是配合章节理论教学单独设计的,相关的工程背景没有介绍或者成为已知条件出现在习题中,相对较为理想化、学术化。学生要做的就是按照例题照猫画虎去计算,很多学生都会计算,也能和书中的知识点联系起来,但几乎很少去考虑该习题练习的目的和意义,也不知道该知识点与解决工程问题的联系,这种现象在毕业设计中表现得非常突出。学生常常拿到实际工程问题却不知道应该用书上的哪种方法、哪些知识来解决,甚至不知道应该如何分析工程问题并将其转换为力学问题。这反映出教学中工程背景介绍以及实践与理论相结合的缺失。考虑到课后习题及例题的经典性,加上教师的工程背景,可在教学过程中将一些工程中专业贴近度较高的实际计算事例(如毕业设计的部分计算、实际工程设计的部分内容)做一些处理,分解到各个知识点的教学当中,增强学生的感性认识。同时增强对例题和课后习题工程背景的介绍,进一步引导学生明确学习及练习的工程目标。

五是进一步增强实验教学中的实践环节。在信息时代,考虑到学生对新的教学手段的认同,教师可将知识点制作成微课或小视频,学生在上实验课前可以通过移动终端随时随地地了解和学习,完成自我学习在前、老师讲授补充在后的过程,提高自学能力。此外,实验课要增加提问环节,针对实验中涉及的基本理论设置问题,每个学生都要回答,教师对其回答打分并登记成绩。教师还可将近年来和水力学相关的创新实验获奖作品进行展示,并简述其涉及的水力学原理及理论,来引起学生的创新兴趣,然后引导学生创新。比如教师上实验课时可对现有实验设计、仪器设备的不足之处进行分析,引导学生开展实验方案设计;针对节水中的一些小问题提出节水创新方案等,提升学生的学习兴趣和解决实际问题的能力。

六是改革考核方式(注重过程性考核)。对于本课程的考核方式,应注重教学过程中的质量控制和考核,加大平时成绩所占比重(40%)。课堂考核主要包括工程案例分析大作业、课后习题、出勤和课堂提问等形式。实验考核包括学生动手能力、对实验涉及的理论知识的认知、学生的实际操作能力和创新能力。学生如能设计出工程方面的创新型实验装置或展示更有效的实验过程及改进措施等可以加分。期末考试采用卷面成绩加平时成绩按比例确定。改变学生过去只重视期末突击而不重视平时积累的学习风气,注重知识的融会贯通,将“教知识”转换为“提能力”,提升工科学生的实际工程应用能力。

七是针对学时压缩问题,结合各专业教学要求,对教学内容进行重点取舍,将和专业关系紧密度不是很高的内容以及理论性过强的公式推导进行简化,同时适当强化工程应用部分的分析过程。部分难度较低的内容则采取學生组成自学小组制作PPT并当堂讲述、学生教师提问题、教师总结三者相结合的方式开展,这样既可以节约课堂教学时间,也可以增加实践环节,锻炼学生的自主学习能力,巩固学习成果。

八是借助各种教学平台,结合核心课程建设,将教材、多媒体课件、视频文件、工程实例照片、习题、网络资源等进行整合,同时开展线上线下交互式专题讨论及课后教学延伸、提交作业、答疑等,跟上时代发展的信息化步伐,让学生可以随时随地学习。

三、结语

培养学生的工程应用能力是工科高等院校的重要目标。在水力学课程教学中,通过多种方式贯穿和加强工程导向,培养和提升学生学习该课程后解决相关工程问题的实际应用能力,可为本课程及其他理论性较强且有较好的工程应用背景的力学课程教学提供参考。

[[ 参 考 文 献 ]]

[1] 彭杨.微课教学在《水力学》课程中的应用浅析[J].教育教学论坛,2017(1):70-71.

[2] 李娟.水力学课程教学关键环节思考与探索[J].中国教育技术装备,2017(20):103-105.

[3] 屠冰冰.以工程应用为导向的《材料力学》教学内容改革与实践[J].当代教育实践与教学研究,2017(12):101.

[4] 杨扬,刘海苹,丁剑霆.基于能力培养的水力学课程教学方式方法改革与实践[J].黑龙江工程学院学报2017(3):68-71.

[5] 兰界.基于创新能力培养的工程力学教学改革与实践[J].建材与装饰,2017(10):155-156.

[责任编辑:庞丹丹]

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