提高土木类《水力学》教学质量的途径

提高土木类《水力学》教学质量的途径

谢德华 邓仁健

湖南科技大学土木工程学院 湖南湘潭 411201

摘要：本文概述了土木类《水力学》这门课程的特点和主要教学任务，根据作者本人的教学实践，从五个方面谈了加强教学质量的途径。

关键词：水力学；教学质量；实验

一、《水力学》课程在土木工程学科中的地位

水力学是一门工程类基础专业课程，铁道、道路、桥梁、隧道与地下工程、土建结构、给排水、工业与民用建筑、水文地质与工程地质等各专业都需要学习^[1]，从某种意义上说，只要跟自然界中的水体打交道，基本都会应用到水力学的基本知识，故水力学是工程建设不可或缺的基本专业课程。

作为土木工程专业，水力学是必不可少的课程。土木工程在搞工程建设的时候，不可避免的要与自然界中的水体打交道，比如修建水坝，修建铁路和公路，修建桥梁，道路排水，基坑排水，开通运河和输水渠道，做建筑物基础都要考虑地下水等。总之，搞土木类工程建设，涉及一系列水力学问题，需要工程技术人员重点掌握^[2]。

二、《水力学》课程的课程性质与教学目标

本课程是土木专业重要的专业课程，主要研究液体运动的一般规律和有关的基本概念和基本理论，为土木工程专业的工程建设、规划、设计、施工管理中的水力学问题，提供水力计算依据。

通过本课程的学习，使学生掌握水流运动的基本概念、基本理论与分析方法；熟悉常见水利工程中的水力计算，具备初步的试验测量技能。最终，为后续课程和专业技术工作奠定基础。

学习目标1：掌握液体的主要物理性质；掌握按力的作用方式分类的两类力；了解流体力学的研究内容，了解流体力学的发展历史、发展前景以及在我国重大工程建设中取得的与流体力学有关的建设成就，明确今后在工程实践中承担的社会责任。

学习目标2：掌握静水压强计算方法及其特性；掌握液体平衡微分方程以及等压面的概念；掌握静水压强分布图的绘制；熟悉压强的几种表示方法以及几种水头的定义；掌握平面上的静水总压力的计算方法、曲面上的静水总压力的计算方法以及压力体的画法，并在此基础上解决一些工程实际问题。

学习目标3：了解液体运动的两种方法；掌握恒定总流的三大方程：连续性方程、能量方程及动量方程；熟悉水动力学的研究方法，能运用能量方程求解水头和管径等问题，能用动量方程求解力的问题；掌握水头损失的计算方法，与连续性方程及能量方程结合解决工程实际问题。

学习目标4：掌握孔口、管嘴的恒定出流公式，在工程实践中加以运用；熟练进行短管、简单长管的水力计算；掌握明渠均匀流的计算，了解明渠非均匀流概念；了解堰流在工程中的应用，掌握堰流计算公式，能进行小桥孔径的计算；了解地下水的运动，掌握渗流的达西公式。

学习本课程应具备《高等数学》中有关微分、积分、简单微分方程等高等数学基础；还应具备《理论力学》、《材料力学》中有关静力学、动力学、应力与应变、面积矩等方面的工程力学基础。后续课程为《水资源开发与利用》、《桥涵水文》、《岩土力学》等。

三、提高《泵与泵站》教学质量的几个途径

1 加强前续基础课和专业基础课的学习, 为水力学的学习打下良好的知识基础

学习水力学所需的基础知识主要包括数学,物理等知识。其前续课程包括高等数学，线性代数，大学物理等。学生只有很好的掌握了这些课程的基本原理和概念, 在学习水力学时才不会出现知识储备不足。否则, 当讲述水力学时, 如果还要教师去回顾和复习原应掌握的数学、物理等基础知识, 那么在现在这种压缩课程学时的趋势下课时将远远不够, 很难完成教学计划。所以, 加强学生对前续课程的学习, 打下牢固的基础知识, 是学好水力学的前提。教师在这方面要加强对学生的提前灌输, 要学生重视基础课程的学习。

2 根据水力学课程特点，确定合适的教学方法

水力学是一门理论和实践共存的课程，理论部分主要包括静水压强的定义及特性；液体的平衡微分方程式及积；等压面；重力和几种质量力同时作用下的液体平衡；压强的表示方法；作用于平面上的静水总压力，作用于曲面上的静水总压力；恒定流与非恒定流，迹线与流线，流管、元流、总流，过水断面、流量、断面平均流速，一维流、二维流、三维流，均匀流和非均匀流、渐变流和急变流；恒定总流的连续性方程，恒定总流的能量方程，恒定总流的能量方程；液体均匀流的沿程水头损失，切应力与沿程水头损失的关系，切应力的分布；沿程水头损失计算公式；局部水头损失等，这部分内容理论难度高，需要大量数学、物理知识，故教师要仔细讲解，力保学生能听懂。这部分内容所花学时较多，大约需要18个学时左右，理论部分是学好水力学的关键，只有理论知识扎实了，才能谈到后续的应用。实践部分主要包括给管道流、明渠、堰流和渗流等，这部分内容工程实践性强，涉及到许多工程应用方面的知识，学生可能理解大概意思，但又不知其所以然，所以需要老师多举工程实例，多给学生讲解实际工程案例，并带学生现场参观实习，理论联系实际。这部分内容大约需要14个学时左右，是泵站这门课程的重中之重。

教学过程中，应加强多媒体信息化教学，多给学生提供一些实际的工程图片，让学生增强感性认识，提高学生的兴趣和认知，有利于提高教学效果。

3 加强计算能力的教学

学生从课本上学到基本概念和基本理论，但是大多数同学对水力学的基本知识如何运用到工程实践的计算并不深刻理解，所以仅仅靠课堂教学，是无法让学生深入领会水力学的。水力学这门课程，必须加强计算能力的培养，让学生懂得如何根据实际工程的特点建立计算模型，再结合书本的理论知识，加强理解。这是水力学教学必不可少的关键环节。本课程大约安排6个学时，结合实际工程专门进行水力学计算的讲解。

4 加强实验教学

本门课程安排了实验教学环节，一共安排了5个实验，分别是水静力学实验，雷诺实验，伯努利方程实验与毕托管实验，沿程阻力和局部阻力实验，文丘里管实验与孔板流量计实验。通过实验，学生可以理解水力学的基本理论，并实际观察到水力学的经典实验现象，掌握基本的测定技能，对学生加强对水力学的基本理解，有非常大的作用。实验教学4学时。

5 加强对前沿知识的学习，理解学科的发展趋势

学生不应只满足于课本上讲授的基本知识和规范，还应利用图书馆和网络等媒介，多了解现阶段水力学的最新发展方向，老师在课堂上也应适当对这方面进行扩展，这样学生才能在一个更高的层次理解和把握水力学的未来发展趋势，这也是提高学生素质的不可或缺的教学环节。

结语

教材在不断的更新和发展^[3]，水力学也在不断地发展，这都需要老师和学生不断加强学习，在掌握基本理论的前提下，了解最新前沿动态和发展趋势，不断提高对水力学的理解，这是一个不断持续的过程，作为教师，更应该加强自身学习，不断更新知识，为提高教学质量打下良好的基础。

参考文献：

[1]黄儒钦. 水力学教程[M]. 成都：西南交通大学出版社，2013，1-5.

[2]吴望一. 流体力学[M]. 北京：北京大学出版社，1995.1.3.

[3]张敏远. 高等工程流体力学[M]. 西安：西南交通大学出版社，2008，2-5.

【作者简介】1.谢德华，1974.09.28,男，湖北武汉人，湖南大学博士，湖南科技大学讲师，研究方向：本科教学理论及重金属污染防治；

2.邓仁健，1980.09.12,男，湖南省桂阳县人，哈尔滨工业大学博士，湖南科技大学副教授，研究方向：本科教学理论及水处理理论、技术与资源化回收利用等.

【基金课题】2018年湖南省教育厅教研教改项目“基于成果导向的给排水科学与工程专业实习模式研究与实践”（湘教通[2018]436号第359项）