面向工程应用能力培养的“河流动力学”课程教学改革思考

荆海晓 王雯 王义民 左娟莉

[摘 要] 为了提高河流动力学课程的教学效果，适应我国西北地区水利工程建设、河流生态保护等对人才工程应用能力的需求，结合河流动力学课程特点及课程教学的经验，对该课程现状及教学过程中存在的主要问题进行了分析，从课程内容优化、教学方法、课程考核等方面提出将培养学生工程应用能力贯穿于课堂教学的思考，为高校水利工程双一流建设提供支撑，也为相关课程的教学改革提供参考借鉴。

[关键词] 河流动力学;工程应用能力;课程改革

[基金项目] 2017年度陕西省教育厅“水利水电学院创新创业教育建设的探索与实践”;陕西省高等教育教学改革研究重点项目（17bz022） （王义民，王雯）;2016年度西安理工大学教学研究项目“‘河流动力学课程教学方法改革与创新研究”（xqj1624）（荆海晓）;2017年度西安理工大学教学研究项目“基于启发式教学法的学生创新能力培养”（xqj1709）（王雯）

[作者简介] 荆海晓（1986—），男，山西运城人，博士，西安理工大学水利水电工程学院讲师，主要从事水力学及河流动力学研究;王雯（1986—），男，陕西宝鸡人，博士，西安理工大学水利水电工程学院副教授，主要从事水力学及河流动力学研究;王义民（1972—），男，山西新绛人，博士，西安理工大学水利水电工程学院副院长，教授，博士研究生导师，主要从事水文水资源研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）29-0161-03    [收稿日期] 2019-09-24

“河流动力学”是水利类专业的一门重要专业课，其目的是让学生掌握河流水流泥沙基本特性、水流中泥沙运动的基本规律及其计算方法，在此基础上，进一步了解河床演变的基本原理、不同河型的演变规律及应用[1]。本课程内容主要分为泥沙运动规律和河道演变原理及应用两部分，具有较强的理论性和经验性，同时又有明显的学科交叉特点。涉及水力学、水文学等学科的原理和方法，经验、半经验公式较多，学科相对不成熟。该课程知识在河道治理、水资源开发利用、河流水环境保护治理、灌溉排水工程、引水工程、水库建设及水力发电等工程问题中均有所涉及，应用范围非常广[2，3]。

西安理工大学水利水电学院长期坚持立足西北、面向全国开展水利水电教学研究。其中，水文与水资源工程专业和水利水电工程专业是我校的特色本科专业，两个专业都开设“河流动力学”课程，以适应水资源开发、河流水环境保护、水库建设及水力发电等方向对人才的需求。特别是对于西北黄土地区，河流泥沙问题更为突出和关键，是相关水利工程建设必须要考虑的问题之一。但由于课程特点及多因素的影响，该课程目前仍以理论讲解为主，缺乏与实际工程问题的有效结合，目前的教学方式还远远不能满足对学生工程实际应用能力的培养和提升，也无法满足工程单位对人才解决工程问题能力的需求。因此，如何考虑工程需求，合理安排教学内容，采用适当的教学方法，提高学生的工程应用能力是这门课程教学改革的重要目标，也是一项长期而艰巨的任务。

一、“河流动力学”课程现状

（一）课程基本情况

西安理工大学水利水电学院水文与水资源工程、水利水电工程两个专业开设“河流动力学”课程，其中水文水资源专业2个班，水利水电工程专业4个班，课时为32学时（包括6学时实验课）。课程教材选用《河流动力学》第二版（邵学军、王兴奎，清华大学出版社出版，2013）。此外，《河流泥沙动力学》（张瑞瑾，中国水利水电出版社，2014）、《河流动力学专论》（徐国宾，中国水利水电出版社，2013）等作为教学参考书。教学内容方面主要包括：河流泥沙的来源、泥沙颗粒的基本特性、床面形态与水流阻力、泥沙起动、推移质和悬移质运动、水流挟沙力、河道演变基本原理、冲积河流的河型。实验教学内容包括：弯道环流实验、泥沙起动流速实验、沙波运动实验、悬移质含沙量垂线分布实验4个。教学方法主要为课堂讲授和实验。考核方式为期末考试成绩（占比70%）、实验成绩（占比10%）和平时作业（占比20%）。

（二）课程的特点

“河流动力学”课程主要包括泥沙运动基本规律和河道演变原理及规律两部分。其中泥沙运动规律部分主要从力学、统计学角度来分析泥沙的起动、运动和分布规律。而河道演变基本原理及规律部分主要通过观测、经验等建立河道演变的基本规律。该课程的主要特点为：（1）新概念多、学科交叉多。河流是水流、泥沙与河床三者在自然及人类活动影响下相互作用的产物[4]。河道水流、泥沙运动及河道演变是一个非常复杂的物理过程，对其进行认识和研究往往涉及到地质地貌学、环境科学、地理信息系统等方面的交叉。在研究过程中，涉及大量新概念，如泥沙沉速、床面形态、水流挟沙力、河相关系等。（2）理论不完善、经验性强。河流水流、泥沙运动及河道演变涉及湍流、两相流问题，目前理论上研究仍不完善，理论结果无法直接应用，需要结合实验或经验，大量的经验公式出现在各个章节。而对于河道演变规律部分，教材内容仍为对河流河型的判断及影响因素的分析，包含许多假说，无完善的理论。（3）工程应用性强、应用范围广。“河流动力学”课程教学内容涉及的工程应用范围广泛，如河道治理、水库泥沙淤积、灌区渠道淤积等。针对不同工程问题的时间、空间尺度不同，所采取的研究思路和方法也有所不同。

（三）课程教学存在问题

1.课程数学推导、经验公式多，学生感到枯燥难懂，学习积极性不高

河流动力学中研究问题的方法主要为力学和统计学的方法，这对学生的数学和物理水平要求较高，有大量的理论和经验公式推導涉及高等数学、概率论、水力学、理论力学等相关的知识，理论性、逻辑性强，要求学生对物理问题、力学模型和数学推导都有较好掌握。这使得有部分同学在学习过程中望而却步，没信心、没兴趣。数学、力学基础薄弱的学生容易产生强烈的抵触甚至厌学情绪，从而影响课程的课堂讲授效果。还有部分同学纠结于个别公式的推导和理解，对课程的知识体系和整体研究思路不清，进而对课程失去学习兴趣[5]。

2.课程学时少，理论教学与实际工程联系不够。我校两个专业“河流动力学”的课程学时均为32学时，其中还包括6个学时的实验课程。由于课时有限，在课堂教学中为了完成教学内容，无法结合实际工程问题进行扩展，只能针对课堂内容，简单介绍应用背景，在课后作业中布置一些有工程应用的题目或让学生课后查阅相关资料。但教材上的题目都是将工程问题进行了一定简化或理想化的，前后知识连贯性差，无法达到对学生分析解决实际问题能力的培养。

3.实验教学中缺乏设计性实验。实验教学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。但目前“河流动力学”的实验课时少，实验均为验证性实验，缺乏设计性实验，且实验教学要求较低。每堂实验課中老师会将实验原理、操作步骤、测量参数、分析方法、注意事项等进行示范讲解，学生只需将示范过程重复一遍，完成实验报告即可。这种方式导致学生对实验课的兴趣不浓，仅仅对所做实验有所了解，无法达到提高学生创新能力、激发学生创新思维的目的。

4.课堂教学方式单一，教学效果差。良好的课堂教学效果是保证课程教学质量的关键，目前本课程的课堂教学大多仍以教师讲为主的方式。这种方式常导致学生被动学习，学习效果较差。特别对于“河流动力学”课程，经验半经验公式较多、概念多、各种理论或方法多，枯燥无味，学生如果只是在课堂上被动地接受这些知识，很难完全理解和掌握。而且部分学生完全依赖课堂学习，其他时间投入到课程学习中的时间很少。由于信息技术的发展，近些年出现了多种不同的教学方式，如慕课、雨课堂、云课堂等[6]，也有许多不同的教学方式，如翻转课堂等。因此，如何结合目前学生的情况，合理地选用多种教学方式结合，调动学生的学习积极性，进而保证课堂教学效果，是课程改革要考虑的重要问题之一。

二、课程教学改革思路

在课堂教学学时较少的情况下，教师要最大限度地优化课程内容，注重讲授过程中工程应用背景的介绍、解决问题思路和方法的完整性，调动学生学习的主观能动性，有效地利用课余时间，促进学生创造性思维能力、综合解决实际问题能力的提升。作者结合课程的特点及教学实践经验，提出以下几点改革思路。

（一）树立工程应用的理念、将工程背景渗透到习题中

在“河流动力学”的课堂教学过程中，始终树立工程应用的理念，从课程开始就引导学生了解该课程在水利工程中的地位。从不同专业的工程问题中提取与课程相关的工程问题，针对解决工程问题所涉及的知识点进行讲解，并精心选择工程案例，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，将抽象难懂的概念、模型与直观形象的工程联系起来，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。

在课后习题和思考题方面，大部分教材及参考书中均针对章节知识点设计的题目，对相关的工程背景进行简化处理，学生在做题过程中只需按照例题解题过程去计算，学生掌握知识点很容易，但却无法真正与解决实际工程问题联系起来。因此，需要教师结合工程问题设计综合性的课后习题，通过这些题目可以将不同章节的内容或知识点联系起来，解决工程问题，提高学生解决工程实际问题的能力。

（二）优化课程教学内容、注重研究思路和研究方法

针对“河流动力学”学时少的问题，首先可以结合不同专业的教学要求，对教学内容进行重点取舍，在保证知识体系完整性的前提下，将和专业关系紧密度不高的内容进行简化。由于“河流动力学”理论不成熟、经验性较强的特点，在内容讲解上，注重解决问题的思想和思路，将烦琐的推导过程或细节留给学生课后掌握，培养学生认识工程问题，解决工程问题的能力。如泥沙沉速部分的讲解，可按照以下思路进行：第一，从工程问题出发提出为什么要研究泥沙沉速（研究的意义是什么）;第二，天然河道泥沙颗粒大小、密度、形状等各不相同，如何研究（简化为单颗粒圆球）;第三，单颗粒圆球的沉速公式推导（沉速公式的形式）;第四，如何考虑泥沙颗粒大小、形状、颗粒群体相互作用等对沉速的影响（沉速公式系数的实验修正）;第五，不同泥沙沉速公式的介绍和应用。通过这一部分内容的讲解，学生对研究泥沙沉速问题的思路有了清晰的认识，而不是仅仅学会了使用泥沙沉速公式，培养了学生解决河流动力学相关问题的能力。

（三）改革课程考核方式、注重过程考核和综合应用能力

目前的课程考核方式仍是以期末考试成绩为主，导致学生不注重学习过程，通过考前突击复习以取得高分。此外，由于考试题目类似，部分学生只需对历年考题进行练习就可以取得高分。因此，应注重教学过程中的质量控制和考核，适当加大平时成绩所占比重。平时成绩主要包括课后习题、工程案例分析、到课率和课堂提问等形式。期末考试试题选择时，适当增加工程案例分析、知识综合运用等题目的占比，加重主观题的分量，减少客观题的比重。培养学生注重知识的积累和灵活运用，提升学生的实际工程应用能力。

此外，可通过现代化的教学手段，如多媒体、资源共享课、慕课、虚拟仿真、虚拟现实技术等，将工程案例添加到课堂教学中，增强学生对相关工程问题的了解，强化学生对知识的运用能力，让学生在探索与实践中掌握课程的知识。

三、结语

“河流动力学”是水利工程相关专业的一门重要的专业课，该课程对解决水利工程中的泥沙问题、河道演变问题等提供了研究思路和解决方法，具有重要的工程应用价值。本文从课程的现状出发，提出课程教学过程中存在的相关问题，从培养学生工程应用能力方面考虑，提出在课程教学内容、教学方法、考核方式等方面的改革思考和建议，为培养具有工程应用能力和实践创新能力的工程人才提供保障，为我校水利工程双一流建设提供支撑。本文研究也可为相关专业课程改革提供参考借鉴。

参考文献

[1]邵学军，王兴奎.河流动力学概论（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2]徐国宾.河流动力学专论[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[3]张瑞瑾.河流泥沙动力学（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[4]张俊宏，陈璐.提高河流动力学教学效果的有利措施研究[J].教育教学论坛，2016（19）：181-182.

[5]代俊峰，方荣杰，郭纯青，等.河流动力学教学内容优化与教学方法改革研究[J].教学园地，2011（36）：41-43.

[6]倪云林.TQC理论在河流与海岸动力学课堂教学改革中的应用[J].教育管理，2018（15）：139-140.