环境工程专业水力学课程模块化引导式教学研究

1、前言
在全球新一轮科技革命与产业变革的浪潮中，新技术、新模式、新产业的发展对科技人才的要求不断提升，高等院校的工程教育和人才培养亟待产生适应性的新理念、新模式和新体系。在此形势下，2016年我国正式加入国际工程教育《华盛顿协议》组织，标志着工程教育质量认证体系实现了国际实质等效；2017年教育部积极推进新工科建设，号召培养与产业密切结合的“卓越工程师”。新工科背景下，“成果导向教育”模式以“学生中心、产出导向、持续改进”为核心理念，成为构建我国工程教育质量监控体系、提高我国工程教育质量、培育新工科卓越工程师的关键指导思想。
力学是各类工程技术的发展支柱，在培养学生工程实践能力和创新意识方面起着地基和桥梁作用。水力学作为力学的分支，其任务是研究液体（主要是水）的平衡和机械运动规律及其工程应用，是高等工科院校环境类专业学生必修的一门专业基础课。对于环境工程专业而言，它是介于基础科学（工程力学、高等数学等）和环境工程应用（化工原理、给排水工程等）之间的一门技术科学，是其他专业课程的前导课，因而开设学期较早（一般在第3学期）。一方面，水力学课程具有理论性强、经验公式多、概念抽象、推导复杂且易混淆等特点，一旦学习不得法、常常会事倍功半；另一方面，本科生在前期尚缺乏对本专业知识的系统认知和深入理解，导致此阶段水力学课程学习与后续课程的导向关系不明、缺乏针对性和延伸性，降低了教学质量，特别是背离了新工科教育中“清晰地聚焦和组织教育系统，使之围绕确保学生获得在未来生活中获得实质性成功的经验”这一定向反馈理念。
2、水力学课程的模块化架构
2.1层次递进式的模块化结构
不同教材的章节结构安排因编写者的知识背景及所面向院校的专业特色而不同，在此情况下，水力学教学的关键在于厘清本门课程的逻辑结构，使学生在学习过程中能够抓住课程的主线和重点。笔者在教学过程中将其分为水力学基本原理与理论、水力学工程应用两大模块。基本原理与理论模块从水的基本性质出发（子块1），阐述液体（水）平衡的规律及静水压力计算方法（子块2），进而以静水压强分布规律为基础推导水动力学伯努利方程（能量守恒），与连续性方程（质量守恒）和动量方程（动量守恒）共同构成水力学三大基本方程（子块3），最后解析流动阻力产生的本质和提出水头损失的计算方法，解决特定流动情境下伯努利方程关键参数的率定问题（子块4）。工程应用模块包含四大方面（子块5-8），服务于给排水管网设计的“孔口、管嘴与有压管路”、从人工管网拓展至自然界水流过程的“明渠均匀/非均匀流”、探索野外沟渠过流测定方法的“堰流”，以及饱和多孔介质体系下的“渗流”。上述两大模块及下辖8个子块的明晰，有助于学生明确所学内容在总课程体系中的知识定位和层次关系，教师在授课节点处对这种逻辑脉络的强调，也有利于学生对下一节学习内容的预思考及教学完成度的自我评估。
2.2不同模块的交叉链接
除了从结构上进行上述递进式的模块划分，水力学教学还应围绕本门课程在工程实践中的靶向问题来进行模块间的统筹归纳与交叉链接。水力学应当解决工程中的三大问题：“过水流量”“应力状态”和“流动特征”。子块1是解决三大问题的概念基础，子块2、子块3中的动量方程及子块5中的管道切应力计算是本门课程中仅有的涉及“应力状态”的三部分；子模块3的能量方程与连续性方程、子模块4及子模块6-8特别针对“流动特征”问题，其余各子模块重点解决“过水流量”问题。课程讲授时既应注意消枝强干、优化整合，保证水力学最基本的内容（如三大方程等）有足够的讲授课时，又要使重点更加突出、授课主线更加明晰。同时，不应完全局限于教材章节的编排，而要将相关知识系统化后辐射讲解，例如，可以设置“水力学应力计算专题案例分析”，将全书中涉及应力计算的工程情境和分析方法进行汇总、对比，最终培育学生运用交叉模块知识解决实际问题的能力。
3、模块化体系下的引导式教学设计
3.1具有环境工程特色的案例引导教学
作为专业前导课程，水力学开课的时间较早，在尚未全面掌握本专业知识架构的情况下，学生对于水力学工程应用模块的专业背景知识缺乏深入理解，因而不能很好地进行导向性学习，不利于课程知识向专业问题的延展，这必然导致很多学生的工程应用分析与计算能力不足[6]。为了解决这一问题，需要在各个模块的学习过程中，进行必要的引导式教学设计。在讲授过程中，示例、课堂思考、习题都应充分结合本专业的特色，尽量结合生产或生活中与环境工程相关的内容，以问题为导向设计水力学案例，以使学生能够加深对相应知识点的理解，并能将其灵活运用，实现与后续专业课程的紧密衔接。因此，要实现理想的模块化引导式教学，首要的任务是结合具体模块的知识点设计好的教学案例。例如，在子块1“水的基本性质之水的密度”部分，传统教学中仅将其作为水的普通物理性质一带而过，而在引导式教学思维下，笔者在课堂上启发学生思考：中国北方寒区冬季即便是温度很低，为何湖泊仍然没有完全结冰？这一现象十分具有环境工程特色，冬季冷空气来袭，湖泊表层水温开始下降，降至4℃时表层水开始下沉避免进一步降温结冰（此时讲授水的密度曲线，水的温度在4℃时最大），底部相对高温的水密度小因而上浮、构成垂向循环，又由于冬季地温远高于气温，即便是在冻土区3m以下的深度，地温也能达到6℃～8℃，甚至更高。因此，遇冷下沉的表层水实际上在底部重新经历了一次“加热”，最终难以完全冻结。更加重要的是，冻融分离浓缩作用使得湖水中的污染物几乎完全富集到底部未冻水中[8（]引导学生介入后续“水质工程学”课程的内容），形成了具有季节特色的地表水体脉冲式污染源（引导学生介入后续“环境监测与评价”课程的内容）。可见，通过有针对性的引导式教学设计，既能让学生很好地理解水的密度特征，更能激发其思考实际环境现象的兴趣，同时搭建了水力学和后续其他专业课程的知识链条。
3.2模块化引导式教学的多元实现
模块化引导式教学的实现，除了依赖于有专业特色的示例教学以外，还应采用多元化的教学方法。水力学概念多、公式多、理论性强，注重演绎推导、工程计算复杂，因而在一定程度上消减了学生学习的兴趣和热情，学生的畏难情绪比较明显。因此，在水力学课程的讲授过程中需要注意的是“既要把工程搬进教堂、也要把兴趣点亮”，包括：（1）积极实施启发式教学，将教师主讲与课堂讨论相结合，每堂课预留10分钟的总结与讨论时间，强化双向交流。（2）改变“一块黑板一支笔”的呆板教学，制作形象生动的多媒体课件，配合水力学演示软件系统及水力学实验授课，有利于学生对水力学现象、理论和工程问题的认识与理解。（3）学生上水力学课前没有开展其他专业课程的学习，对一些专业现象或工程背景的认识不足，在授课过程中应适当为学生介绍相关专业背景知识，或者推荐通俗易懂的文献资料供学生课前预习或课后阅读，这也有助于强化水力学课程和其他专业课程知识体系之间的关联。对其原因进行解析，取得了很好的教学效果，加深了学生对这一问题的认识，也使学生对于实际河道过流特征有了更准确的理解。（4）教学艺术的提高。水力学是一门工科思维框架下以大量工程计算为核心的课程，如何消解学生可能产生的畏难情绪、提高学生的学习兴趣和主动性，既建立在上述教学技术运用的基础上，也与教师的自身素养和教学艺术有关。我们可以在“夜寒漏永千门静，破梦钟声度花影”的意境中，借由“漏”的特点阐释孔口与管嘴出流的特征，也能在古罗马图拉真大帝的塞戈维亚千年水渠的风采中，探寻先贤探索明渠流动的智慧，进而理解无压管流的设计原理。总之，教学有法，但无定法，贵在得法。教学技术与艺术的结合，才是模块化引导式教学成功实施的保障。
4、结语
本文提出模块化体系下的引导式教学，通过确立2大模块及下辖8个子块，明晰了水力学核心内容的层次和逻辑关联，消枝强干、抓住重点，建立靶向教学的基础框架。构建具有环境工程特色的案例引导教学模式，通过启发式互动教学、多媒体及实验实践授课、延伸式拓展学习、提升教学艺术等多元化途径实现这一教学模式，以期开展彰显环境工程专业特色、满足前导课程要求、理论学习和工程实践紧密结合、“学有所指、学以致用”、契合导向式教育理念的水力学课程教学。