水力学实践课立体化教学改革与实践

［摘 要］ 水力学实践课是“水力学”课程的重要组成部分，也是水力学理论教学的重要补充。为进一步提高人才培养质量，基于“以学生发展为中心、产出导向、持续改进”的教育理念，对水力学实践课的培养目标进行了调整。针对水力学实践课面临的实际问题，从教学资源、教学内容、教学过程、教学方法、考核体系等方面开展了立体化教学改革与实践。结果表明，采取的措施有利于调动学生的学习兴趣，提升学生解决复杂工程问题的能力，以及培养学生的创新思维能力。

［关键词］ 水力学实践课；教学改革；产出导向；立体化教学

［基金项目］ 2022年度教育部办公厅教育部首批虚拟教研室试点项目“给排水科学与工程专业课程群虚拟教研室”（379）

［作者简介］ 初 祁（1987—），女，湖北丹江口人，工学博士，北京工业大学城市建设学部助理研究员，主要从事城市水文研究；赵树旗（1963—），男，河北元氏人，工学博士，北京工业大学城市建设学部副教授，主要从事水力学研究；张永祥（1962—），男，黑龙江绥化人，理学博士，北京工业大学城市建设学部教授，主要从事水资源与污染控制理论与技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）37-0077-04 ［收稿日期］ 2023-07-31

“水力学”是高校给排水科学与工程专业的学科基础必修课，也是水利、土木、环境、机械、热动、石油、冶金等专业的核心基础课［1］。水力学的主要任务是研究液体处于平衡状态和机械运动状态下的规律及其在工程实际中的应用，属于力学的研究范畴，该课对高等数学、大学物理、工程力学等课程的知识储备有一定要求［2］。课程涵盖的知识面广，研究对象抽象，教学内容理论性强，同时，课程注重理论知识在实际工程中的应用，与专业实际问题联系紧密，是理论性和实践性并重的一门课程［3］。因此，“水力学”教学不能只侧重理论知识的讲授，还应重视实践能力和创新能力的培养。水力学实践课作为水力学理论教学的重要补充，能够帮助学生加深对抽象基本概念和复杂流动现象的认识和了解，提升学生运用理论知识发现、分析和解决实际工程问题的能力，在培养学生实践和创新能力方面具有不可替代的作用。

当前水力学实践课的教学过程中，多数高校存在教师教学投入不足、教学资源和内容陈旧、教学过程与理论课脱节、教学方法和考核维度单一、学生参与度低等问题。上述问题直接影响了教学的质量和效果，进而影响了专业能力的培养和人才培养目标的实现，无法满足新时代对高素质创新型人才的培养要求。因此，如何用科学的方法解决水力学实践课面临的实际问题，调动学生的学习兴趣，进一步提高人才培养质量，就显得尤为重要和迫切。

一、高校水力学实践课教学现状

高校给排水科学与工程专业的“水力学”课程多开设在大学二年级，实验部分可作为单独的实践课开设，也可以作为实践环节内设在水力学理论课教学过程中。根据各高校专业需求，水力学实践课的学时一般设置为8～16学时，实验类型以验证性实验为主。结合本校和其他高校水力学实践课的教学情况，笔者认为当前水力学实践课教学存在以下问题。

（一）教师教学投入不足

教师在实践课教学中的投入明显减少，主要原因是实践课授课任务重、投入产出比低。水力学实验室空间和实验设备有限，专业指南中又明确要求操作性实验每组不多于5人。这意味着人数较多的班级需要分时段开展实践教学，实际授课工作量远超过年终考核计入的教学工作量。教师年终考核中教学工作量折算比例低，教学研究项目和经费支持偏少，教学为主型的教师职称晋升机会少，导致教师投入教学研究的积极性不高。

（二）教学资源和内容陈旧

根据专业建设要求，高校通常设立有独立的水力学实验室，实验室内配备有能量方程等经典实验所需的实验设备。但是，这部分实验设备多是在实验室设立初期购买，由于后续设备维修和更新费用拨付困难，导致现有设备使用年限较长，故障率偏高。教师在现有的实验设备条件下，依据设备厂家提供的配套实验指导书指导学生完成实验，再要求学生完成指导书中指定的成果要求和思考题，会让不少学生对实验环节缺乏兴趣，对完成实验任务产生抵触情绪，进而影响教学质量。教师提供的学习支持（学习、答疑、作业和讨论）也只限于课堂教学时间内的面对面交流，教学资源和内容形式相对匮乏。

（三）教学过程与理论课脱节

水力学实践课教学任务重，投入与产出不成正比，因而很少有教师愿意讲授实验环节，即使部分高校设有专任实验师，由于实验设备少，每位教师承担的教学任务依旧很重。受限于教师和设备数量，实验安排往往滞后或提前于理论知识点的授课进度，导致学生实验时多处于一知半解的状态，实验效果也不理想。如果理论课和实践课讲授的教师不同，教师间沟通不畅会导致讲授环节脱节的情况更为突出。

（四）教学方法和考核维度单一

传统的水力学实践课教学过程通常是课前要求学生提前了解实验内容；课堂上教师先简要介绍实验目的、原理、设备和操作流程，然后由学生分组进行实验操作、记录实验数据；课后要求学生处理实验数据，完成指导书指定的实验成果要求和思考题。然而，实际只有少部分同学会在课前了解实验原理和流程，课上也只是对照指导书的步骤操作，没有深入思考，对实验数据的合理性和有效性缺乏分析和判断能力。考核方式以实验报告（90%）为主，平时成绩仅以考勤的方式进行考核，不注重过程化管理，导致部分学生轻视课前预习和课堂表现，实验误操作和浑水摸鱼现象突出，实验报告完成度低且雷同度高。

（五）学生参与度低

水力学实践课的实验类型可以分为演示型、验证型、综合型和创新型［4］。其中，演示型实验的目的是让学生观察实验现象，加深对基本概念和流动现象的感性认识，调动学生的学习兴趣。验证型实验的目的是在结论明确的前提下，学生通过定性观察和定量分析，验证理论公式或结论的正确性，加深对相关流动规律的理解，同时掌握水力学重要参数的测量方法，提升对实验数据的处理和分析能力。综合型实验的目的是在掌握实验原理的基础上，让学生基于已有实验条件，设计实验方案或改进实验装置，分析和解决某个实际问题。创新型实验的目的是让学生在理解相关理论知识、了解实验原理和设备构造的基础上，发挥主观能动性，通过文献调研和资料收集，设计实验方案或模型模拟方案，解决实际工程问题，训练学生的创新能力和科研能力。

由于验证型实验的内容相对简单、对实验设备要求较低、讲授难度较小，当前实践课教学的形式多以验证性实验为主。但是对学生而言，验证型实验内容较为枯燥，很难激发学生的学习兴趣，学生只关注如何重复实验步骤，不关注背后的实验原理和设计思路，阻碍了学生实践能力和创新思维的锻炼和培养。

二、立体化教学模式下培养目标的确定

2018年新时代全国高等学校本科教育工作会议上提出坚持“以本为本”的教育观，高等教育由此进入以全面提高专业人才质量和注重人的发展为中心的新时期。为适应新的高等教育观，给排水科学与工程专业需落实以学生发展为中心、产出导向、持续改进的教育理念，改变传统教育以教师为中心的做法，从学生学习需求出发，注重因材施教，关注学习成效，完善从“培养目标—毕业要求—培养方案—课程大纲—评价分析—持续改进”的闭环人才培养质量持续改进体系，促进知识、能力和素质全面发展。

在这样的教育理念下，课程培养目标不应局限于单一的知识目标，而是着眼于知识、能力和素质三方面能力培养的立体化目标［5］。笔者根据用人单位对课程需求的调研反馈，结合水力学实践课的课程特点，将课程培养目标调整为：掌握与水力学实验内容相关的核心知识点（知识目标），掌握基本实验技能，熟练运用理论知识解决实际工程中存在的水力学问题（能力目标），具备对实际工程中的复杂水力学问题开展水力学试验设计与研究所需的团队合作能力、创新能力和终身学习能力（素质目标）。随后，将各个教学环节在不同培养目标维度进行立体化延展，然后将立体化的教学环节联系起来，形成整个教学过程的立体化改革。

三、水力学实践课立体化教学改革措施

（一）教学资源立体化

为提高实验效率，增加师生互动，笔者以北京工业大学日新学堂平台为媒介，发布各类教学资源，实现作业在线提交、批改和答疑。实验前教师将实验指导书和PPT、录制的实验操作和实验原理简介视频、虚拟仿真实验平台链接、相关拓展资料等上传至平台，发布与实验相关的核心知识点信息，建立与实验原理、实验设备构造、实验操作相关的题库，并于实验开始前随机组题进行测试，实验过程中要求学生上传实验数据和设计方案，实验后要求学生将实验报告上传至平台，教师批改后学生可在线查阅批改结果、提问和讨论。

（二）教学内容立体化

“水力学”课程教学的重点内容包括水静力学、水动力学及其在工程中的实际应用。根据新版高等学校给排水科学与工程本科专业指南中所列核心知识单元和知识点，筛选出14项实验（见表1）。除水静力学和水动力学部分外，重点突出水头损失、有压流动和明渠流动的相关分析计算。将筛选出的实验重新分类，验证型实验只保留静水总压和局部阻力实验，相关分析计算在理论部分的习题课中进行补充讲解。其余5项综合型实验在原有验证型实验基础上，对涉及的相关水力学问题深入挖掘，增加了部分设计性实验内容。演示型实验内容没有变化，讲授方式上改为学生授课。新增两个课外创新型实验，实验选题可以来自实际工程，也可以依托科研或竞赛项目。

（三）教学过程立体化

针对实践课教学过程与理论课脱节的问题，学生可以在日新学堂上查看实验资料预习和巩固相关理论知识，教师也可以在理论课教学中结合流动现象视频，讲授实验中涉及的知识点。对于知识点间有联系的实验，教师在讲授过程中可以将类似的知识点进行重组和串联，通过联系和对比来加深学生的印象。对某些具有类似功能的设备和组件，可以引导学生对比分析其作用和优缺点，启发创新思维。此外，讲授过程中可适当加入思政元素，如结合虹吸实验讲授南水北调的虹吸工程，结合以往实验操作失误导致的安全问题强调安全无小事等，提升学生的责任意识和专业认同感。

（四）教学方法立体化

针对不同的实验类型，采用差异化教学模式。演示型实验以学生授课为主，采用翻转课堂形式，实验前两周，教师会根据学生的自主报名情况确定分工，然后将分工情况和相关知识点和拓展信息上传至日新学堂。学生通过自己查阅资料和观看流动现象视频讲授实验现象和原理，讲授过程中教师也会结合实际问题进行延伸提问。验证型实验以案例教学为主，实验前教师围绕实际工程案例提出问题，让学生带着问题进行学习，如在某管道有压流动中要如何减小局部水头损失，让学生通过问题的解决增强解决实际工程问题的能力。综合型实验以分组教学为主，教师在实验前发布难易程度不同的两种设计性实验，由小组成员讨论确定具体实验内容和实验方案，着重考查团队协作能力。创新型实验以项目式教学为主，教师结合某实际工程或项目资料启发并引导学生发现与该工程或项目紧密相关的水力学问题，学生需要自己查阅相关资料，与教师讨论并确定自己感兴趣的研究方向，开展实验设计或研究。

（五）考核体系立体化

考核是检验教学目标完成情况和衡量实际教学效果的重要手段，基于能力和素质培养的立体化考核体系应当将学生的课前预习情况、课堂讨论情况以及实验过程完成情况纳入考核体系。实验报告部分的考评应增加误差分析和思考题的比重，还可根据综合型实验和创新型实验的完成情况考虑额外加分。以沿程阻力实验为例，笔者设置的具体成绩评定方式为：实验成绩占90%，实验出勤状况占5%，实验教学建议反馈占5%。在实验成绩中，课前预习情况占15%，实验前课堂测试占5%，实验过程完成情况占25%（团队结果有效性占15%、个人操作占10%），实验报告占45%（数据处理占15%、误差分析占10%、分析思考题占10%、设计性实验完成情况占10%）。

四、水力学实践课立体化教学改革实践效果

笔者对比了2021年（改革前）和2022年（改革后）本校水力学实践课的评价结果。学生对水力学实践课的总体评教分数由90.5分提升至94.3分（校评前5%），校内督导专家打分由89分提升至93分。学生在改革前的教学建议反馈中提到的实验设备老旧、实验内容单调、对实验原理一知半解等问题在教学改革后得到明显改善。改革后学生普遍反映课程很有意思，在实验中感受到了团队协作的重要性、分析和解决实际问题的成就感，增加了学习的自信心。总体来看，水力学实践课的立体化教学改革实践效果较为明显，有利于提升学生解决复杂工程问题的能力，培养学生的创新思维、独立思考和自主学习能力。