環(huán)境工程專業(yè)水力學(xué)課程模塊化引導(dǎo)式教學(xué)研究

1、前言
在全球新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的浪潮中，新技術(shù)、新模式、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)科技人才的要求不斷提升，高等院校的工程教育和人才培養(yǎng)亟待產(chǎn)生適應(yīng)性的新理念、新模式和新體系。在此形勢(shì)下，2016年我國(guó)正式加入國(guó)際工程教育《華盛頓協(xié)議》組織，標(biāo)志著工程教育質(zhì)量認(rèn)證體系實(shí)現(xiàn)了國(guó)際實(shí)質(zhì)等效；2017年教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，號(hào)召培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)密切結(jié)合的“卓越工程師”。新工科背景下，“成果導(dǎo)向教育”模式以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”為核心理念，成為構(gòu)建我國(guó)工程教育質(zhì)量監(jiān)控體系、提高我國(guó)工程教育質(zhì)量、培育新工科卓越工程師的關(guān)鍵指導(dǎo)思想。
力學(xué)是各類工程技術(shù)的發(fā)展支柱，在培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)方面起著地基和橋梁作用。水力學(xué)作為力學(xué)的分支，其任務(wù)是研究液體（主要是水）的平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其工程應(yīng)用，是高等工科院校環(huán)境類專業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。對(duì)于環(huán)境工程專業(yè)而言，它是介于基礎(chǔ)科學(xué)（工程力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等）和環(huán)境工程應(yīng)用（化工原理、給排水工程等）之間的一門(mén)技術(shù)科學(xué)，是其他專業(yè)課程的前導(dǎo)課，因而開(kāi)設(shè)學(xué)期較早（一般在第3學(xué)期）。一方面，水力學(xué)課程具有理論性強(qiáng)、經(jīng)驗(yàn)公式多、概念抽象、推導(dǎo)復(fù)雜且易混淆等特點(diǎn)，一旦學(xué)習(xí)不得法、常常會(huì)事倍功半；另一方面，本科生在前期尚缺乏對(duì)本專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)知和深入理解，導(dǎo)致此階段水力學(xué)課程學(xué)習(xí)與后續(xù)課程的導(dǎo)向關(guān)系不明、缺乏針對(duì)性和延伸性，降低了教學(xué)質(zhì)量，特別是背離了新工科教育中“清晰地聚焦和組織教育系統(tǒng)，使之圍繞確保學(xué)生獲得在未來(lái)生活中獲得實(shí)質(zhì)性成功的經(jīng)驗(yàn)”這一定向反饋理念。
2、水力學(xué)課程的模塊化架構(gòu)
2.1層次遞進(jìn)式的模塊化結(jié)構(gòu)
不同教材的章節(jié)結(jié)構(gòu)安排因編寫(xiě)者的知識(shí)背景及所面向院校的專業(yè)特色而不同，在此情況下，水力學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵在于厘清本門(mén)課程的邏輯結(jié)構(gòu)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠抓住課程的主線和重點(diǎn)。筆者在教學(xué)過(guò)程中將其分為水力學(xué)基本原理與理論、水力學(xué)工程應(yīng)用兩大模塊?；驹砼c理論模塊從水的基本性質(zhì)出發(fā)（子塊1），闡述液體（水）平衡的規(guī)律及靜水壓力計(jì)算方法（子塊2），進(jìn)而以靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律為基礎(chǔ)推導(dǎo)水動(dòng)力學(xué)伯努利方程（能量守恒），與連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒）和動(dòng)量方程（動(dòng)量守恒）共同構(gòu)成水力學(xué)三大基本方程（子塊3），最后解析流動(dòng)阻力產(chǎn)生的本質(zhì)和提出水頭損失的計(jì)算方法，解決特定流動(dòng)情境下伯努利方程關(guān)鍵參數(shù)的率定問(wèn)題（子塊4）。工程應(yīng)用模塊包含四大方面（子塊5-8），服務(wù)于給排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的“孔口、管嘴與有壓管路”、從人工管網(wǎng)拓展至自然界水流過(guò)程的“明渠均勻/非均勻流”、探索野外溝渠過(guò)流測(cè)定方法的“堰流”，以及飽和多孔介質(zhì)體系下的“滲流”。上述兩大模塊及下轄8個(gè)子塊的明晰，有助于學(xué)生明確所學(xué)內(nèi)容在總課程體系中的知識(shí)定位和層次關(guān)系，教師在授課節(jié)點(diǎn)處對(duì)這種邏輯脈絡(luò)的強(qiáng)調(diào)，也有利于學(xué)生對(duì)下一節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容的預(yù)思考及教學(xué)完成度的自我評(píng)估。
2.2不同模塊的交叉鏈接
除了從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行上述遞進(jìn)式的模塊劃分，水力學(xué)教學(xué)還應(yīng)圍繞本門(mén)課程在工程實(shí)踐中的靶向問(wèn)題來(lái)進(jìn)行模塊間的統(tǒng)籌歸納與交叉鏈接。水力學(xué)應(yīng)當(dāng)解決工程中的三大問(wèn)題：“過(guò)水流量”“應(yīng)力狀態(tài)”和“流動(dòng)特征”。子塊1是解決三大問(wèn)題的概念基礎(chǔ)，子塊2、子塊3中的動(dòng)量方程及子塊5中的管道切應(yīng)力計(jì)算是本門(mén)課程中僅有的涉及“應(yīng)力狀態(tài)”的三部分；子模塊3的能量方程與連續(xù)性方程、子模塊4及子模塊6-8特別針對(duì)“流動(dòng)特征”問(wèn)題，其余各子模塊重點(diǎn)解決“過(guò)水流量”問(wèn)題。課程講授時(shí)既應(yīng)注意消枝強(qiáng)干、優(yōu)化整合，保證水力學(xué)最基本的內(nèi)容（如三大方程等）有足夠的講授課時(shí)，又要使重點(diǎn)更加突出、授課主線更加明晰。同時(shí)，不應(yīng)完全局限于教材章節(jié)的編排，而要將相關(guān)知識(shí)系統(tǒng)化后輻射講解，例如，可以設(shè)置“水力學(xué)應(yīng)力計(jì)算專題案例分析”，將全書(shū)中涉及應(yīng)力計(jì)算的工程情境和分析方法進(jìn)行匯總、對(duì)比，最終培育學(xué)生運(yùn)用交叉模塊知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
3、模塊化體系下的引導(dǎo)式教學(xué)設(shè)計(jì)
3.1具有環(huán)境工程特色的案例引導(dǎo)教學(xué)
作為專業(yè)前導(dǎo)課程，水力學(xué)開(kāi)課的時(shí)間較早，在尚未全面掌握本專業(yè)知識(shí)架構(gòu)的情況下，學(xué)生對(duì)于水力學(xué)工程應(yīng)用模塊的專業(yè)背景知識(shí)缺乏深入理解，因而不能很好地進(jìn)行導(dǎo)向性學(xué)習(xí)，不利于課程知識(shí)向?qū)I(yè)問(wèn)題的延展，這必然導(dǎo)致很多學(xué)生的工程應(yīng)用分析與計(jì)算能力不足[6]。為了解決這一問(wèn)題，需要在各個(gè)模塊的學(xué)習(xí)過(guò)程中，進(jìn)行必要的引導(dǎo)式教學(xué)設(shè)計(jì)。在講授過(guò)程中，示例、課堂思考、習(xí)題都應(yīng)充分結(jié)合本專業(yè)的特色，盡量結(jié)合生產(chǎn)或生活中與環(huán)境工程相關(guān)的內(nèi)容，以問(wèn)題為導(dǎo)向設(shè)計(jì)水力學(xué)案例，以使學(xué)生能夠加深對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解，并能將其靈活運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)與后續(xù)專業(yè)課程的緊密銜接。因此，要實(shí)現(xiàn)理想的模塊化引導(dǎo)式教學(xué)，首要的任務(wù)是結(jié)合具體模塊的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)好的教學(xué)案例。例如，在子塊1“水的基本性質(zhì)之水的密度”部分，傳統(tǒng)教學(xué)中僅將其作為水的普通物理性質(zhì)一帶而過(guò)，而在引導(dǎo)式教學(xué)思維下，筆者在課堂上啟發(fā)學(xué)生思考：中國(guó)北方寒區(qū)冬季即便是溫度很低，為何湖泊仍然沒(méi)有完全結(jié)冰？這一現(xiàn)象十分具有環(huán)境工程特色，冬季冷空氣來(lái)襲，湖泊表層水溫開(kāi)始下降，降至4℃時(shí)表層水開(kāi)始下沉避免進(jìn)一步降溫結(jié)冰（此時(shí)講授水的密度曲線，水的溫度在4℃時(shí)最大），底部相對(duì)高溫的水密度小因而上浮、構(gòu)成垂向循環(huán)，又由于冬季地溫遠(yuǎn)高于氣溫，即便是在凍土區(qū)3m以下的深度，地溫也能達(dá)到6℃～8℃，甚至更高。因此，遇冷下沉的表層水實(shí)際上在底部重新經(jīng)歷了一次“加熱”，最終難以完全凍結(jié)。更加重要的是，凍融分離濃縮作用使得湖水中的污染物幾乎完全富集到底部未凍水中[8（]引導(dǎo)學(xué)生介入后續(xù)“水質(zhì)工程學(xué)”課程的內(nèi)容），形成了具有季節(jié)特色的地表水體脈沖式污染源（引導(dǎo)學(xué)生介入后續(xù)“環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)”課程的內(nèi)容）?？梢?jiàn)，通過(guò)有針對(duì)性的引導(dǎo)式教學(xué)設(shè)計(jì)，既能讓學(xué)生很好地理解水的密度特征，更能激發(fā)其思考實(shí)際環(huán)境現(xiàn)象的興趣，同時(shí)搭建了水力學(xué)和后續(xù)其他專業(yè)課程的知識(shí)鏈條。
3.2模塊化引導(dǎo)式教學(xué)的多元實(shí)現(xiàn)
模塊化引導(dǎo)式教學(xué)的實(shí)現(xiàn)，除了依賴于有專業(yè)特色的示例教學(xué)以外，還應(yīng)采用多元化的教學(xué)方法。水力學(xué)概念多、公式多、理論性強(qiáng)，注重演繹推導(dǎo)、工程計(jì)算復(fù)雜，因而在一定程度上消減了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，學(xué)生的畏難情緒比較明顯。因此，在水力學(xué)課程的講授過(guò)程中需要注意的是“既要把工程搬進(jìn)教堂、也要把興趣點(diǎn)亮”，包括：（1）積極實(shí)施啟發(fā)式教學(xué)，將教師主講與課堂討論相結(jié)合，每堂課預(yù)留10分鐘的總結(jié)與討論時(shí)間，強(qiáng)化雙向交流。（2）改變“一塊黑板一支筆”的呆板教學(xué)，制作形象生動(dòng)的多媒體課件，配合水力學(xué)演示軟件系統(tǒng)及水力學(xué)實(shí)驗(yàn)授課，有利于學(xué)生對(duì)水力學(xué)現(xiàn)象、理論和工程問(wèn)題的認(rèn)識(shí)與理解。（3）學(xué)生上水力學(xué)課前沒(méi)有開(kāi)展其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，對(duì)一些專業(yè)現(xiàn)象或工程背景的認(rèn)識(shí)不足，在授課過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)為學(xué)生介紹相關(guān)專業(yè)背景知識(shí)，或者推薦通俗易懂的文獻(xiàn)資料供學(xué)生課前預(yù)習(xí)或課后閱讀，這也有助于強(qiáng)化水力學(xué)課程和其他專業(yè)課程知識(shí)體系之間的關(guān)聯(lián)。對(duì)其原因進(jìn)行解析，取得了很好的教學(xué)效果，加深了學(xué)生對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，也使學(xué)生對(duì)于實(shí)際河道過(guò)流特征有了更準(zhǔn)確的理解。（4）教學(xué)藝術(shù)的提高。水力學(xué)是一門(mén)工科思維框架下以大量工程計(jì)算為核心的課程，如何消解學(xué)生可能產(chǎn)生的畏難情緒、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，既建立在上述教學(xué)技術(shù)運(yùn)用的基礎(chǔ)上，也與教師的自身素養(yǎng)和教學(xué)藝術(shù)有關(guān)。我們可以在“夜寒漏永千門(mén)靜，破夢(mèng)鐘聲度花影”的意境中，借由“漏”的特點(diǎn)闡釋孔口與管嘴出流的特征，也能在古羅馬圖拉真大帝的塞戈維亞千年水渠的風(fēng)采中，探尋先賢探索明渠流動(dòng)的智慧，進(jìn)而理解無(wú)壓管流的設(shè)計(jì)原理?？傊?，教學(xué)有法，但無(wú)定法，貴在得法。教學(xué)技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合，才是模塊化引導(dǎo)式教學(xué)成功實(shí)施的保障。
4、結(jié)語(yǔ)
本文提出模塊化體系下的引導(dǎo)式教學(xué)，通過(guò)確立2大模塊及下轄8個(gè)子塊，明晰了水力學(xué)核心內(nèi)容的層次和邏輯關(guān)聯(lián)，消枝強(qiáng)干、抓住重點(diǎn)，建立靶向教學(xué)的基礎(chǔ)框架。構(gòu)建具有環(huán)境工程特色的案例引導(dǎo)教學(xué)模式，通過(guò)啟發(fā)式互動(dòng)教學(xué)、多媒體及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐授課、延伸式拓展學(xué)習(xí)、提升教學(xué)藝術(shù)等多元化途徑實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)模式，以期開(kāi)展彰顯環(huán)境工程專業(yè)特色、滿足前導(dǎo)課程要求、理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐緊密結(jié)合、“學(xué)有所指、學(xué)以致用”、契合導(dǎo)向式教育理念的水力學(xué)課程教學(xué)。