河流动力学教学内容优化与教学方法改革研究
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作者: 代俊峰 方荣杰 郭纯青 张红艳
摘 要 为提高河流动力学课程的教学质量，适应广西乃至西南地区水资源开发、河流生态保护事业对人才的需求，本文从教材优选、课程内容优化、实验教学改进、教学方法革新等方面对河流动力学课程改革进行研究。在吸纳现有教材优点的基础上，建立复合教材体系，并增加岩溶地下河系水流运动和河床演变规律，构建体现岩溶特色的河流动力学教学内容。优化理论课程内容，革新课程实验内容，增加特色实验和自主创新实验，提高学生动手和创新能力。采用启发式、交互式、开放式教学方法，提高学生自主学习能力。
关键词 河流动力学；教学内容；实验教学；教学方法
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1671-489X(2011)36-0041-03
河流动力学是水文与水资源工程专业重要的专业课，它的作用是使学生了解冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后所发生变化的基本特性。按研究的角度和特点，河流动力学可分为泥沙学和河流学两个子领域[1]。河流动力学在水库建设、大江大河治理、工程泥沙、水资源开发利用、水环境保护及农业节水灌溉等方面具有十分重要的作用[2]。
2000年，桂林理工大学（原桂林工学院）在广西高等院校中率先设置水文与水资源工程本科专业，并开设河流动力学课程，以适应水资源开发、河流生态保护事业对人才的需求。该课程作为水文与水资源工程专业的专业主干课程之一，其地位十分重要，在2004年、2006年和2009年几次教学大纲修订中，河流动力学作为桂林理工大学水文与水资源工程专业核心课程的地位始终没有发生变化[3]。经过多年的发展和积累，河流动力学课程建设取得一定的成果，但如何面向广西乃至西南水资源开发，合理安排教学内容，提高课程的教学质量，是一项长期的、艰巨的任务。本文结合河流动力学课程改革与实践，从教材选取、内容优化、实验改进、方法革新等方面对课程建设进行研究。
1 合理选择教材，丰富授课内容
课程开设早期，采用的教材比较单一，使得授课内容有一定的局限性。针对此种情况，改变以往采用单一教材的局限性，融合多本最新的优秀教材，构建复合教材体系。目前可用于本科生教育的河流动力学教材主要有以下几本。
1）《河流动力学》（张小峰等，中国水利水电出版社，2010）[4]系统介绍河流动力学的有关理论，分别阐述河流泥沙来源、泥沙运动、流域侵蚀、河床演变、河道观测和河床冲淤变形模拟方法等内容。
2）《河流动力学》（陈文彪等，武汉大学出版社，2007）[5]主要包括河流动力学的研究对象、学习河流动力学的方法、推移质运动、悬移质运动、悬移质含沙量沿水深的分布、蓄水库中因挟沙水流而形成的异重流、水库淤积和坝下游一般冲刷的计算等方面的内容，着重基本概念的阐释，对若干问题提出作者的论点和分析的方法。
3）《河流动力学概论》（邵学军等，清华大学出版社，2005）[6]系统地阐述泥沙运动力学和河道演变的基本原理，内容包括河流系统与人类活动、泥沙颗粒基本特性、床面形态及水流阻力、推移质运动、悬移质运动、河道演变的基本原理、冲积河流的河型、数字河流、河流动力学研究展望。本书可以帮助学生掌握泥沙运动和河道演变方面最基本的知识。
4）《河流动力学》（王昌杰，人民交通出版社，2004）[7]主要内容包括泥沙性质、推移质运动、悬移质运动以及异重流、平原河流河床演变、潮汐河口河床演变以及河床演变分析与河床变形计算，着重基本概念的阐述，并顾及前后课程的衔接。
5）《河流泥沙动力学》（张瑞瑾，中国水利水电出版社，1998）[8]系统阐述河流水力学基本原理，泥沙的特性、沉速、起动、沙波运动，推移质和悬移质运动及计算方法，高含沙水流和异重流等，重视基本概念和理论与实际结合，深入浅出，便于自学。
综上所述，每本教材由于编写体系不同、侧重点的差异，都有自身的优势。在综合几本教材优点的基础上，结合专业发展实际，选择《河流动力学概论》（邵学军等，清华大学出版社，2005）为主，以《河流动力学》（张小峰等，中国水利水电出版社，2010）和《河流动力学》（陈文彪等，武汉大学出版社，2007）为辅的复合教材体系。
2 优化课程内容，拓宽学生视野
改变以往采用单一教材的局限性，吸收、融合多本教材的内容，并使之成为较完整的体系，优化课程内容。目前的授课内容主要以《河流动力学概论》（邵学军等，清华大学出版社，2005）教材为框架，在河流系统与人类活动和冲积河流的河型章节中穿插介绍《河流动力学》（张小峰等，中国水利水电出版社，2010）中的流域侵蚀和河床冲淤变形模拟方法相关内容，而在悬移质运动部分增加《河流动力学》（陈文彪等，武汉大学出版社，2007）中的蓄水库中因挟沙水流而形成的异重流、水库淤积和坝下游一般冲刷的计算，并增加《中国岩溶地下河系及其水资源》（郭纯青，广西师范大学出版社，2004）[9]中岩溶地下河的内容，同时精简数字河流、河流动力学研究展望两个章节的内容。优化后的课程内容，既做到主次分明、层次清晰，又吸取不同教材的精华。
此外，河流动力学是一门多学科交叉的学科，广泛应用水力学、水文学等学科的原理和方法处理问题，主要研究水流与河床的相互作用规律，这使得部分教学内容与水力学、水文测验等课程的内容有所联系，因此，在授课过程中注重河流动力学与相关课程之间的衔接。例如，在河流动力学教学中，学生对泥沙运动驱动力的理解有一定难度，为了改善教学效果，在讲授河流动力学时，适当介绍水力学中与泥沙运动水流阻力有关的力的分解及水流能量等基本概念和基本知识。
河流动力学是新兴的学科，随着水流流速、泥沙含量测量等新技术手段的出现，以及新的泥沙运动理论的提出，河流动力学的一些授课内容也将随之变化发展。因此，介绍当代学科发展的前沿领域十分必要，可以引发并增强学生深入学习的兴趣。为此，在注重传授泥沙运动、水流阻力、河床演变等基本原理、基本概念、基本知识的基础上，充实反映本学科研究新进展的内容，如深入浅出地介绍河流动力学研究进展及其前沿的有关内容，拓宽学生的视野。
3 改进实验教学，提高学生实践能力
实验是理论的来源和基础，实验教学有着理论教学不可替代的地位，课程实验的目的不仅要加深对理论知识的理解，而且要利于实验技能的提高和综合能力的培养。河流动力学也是一门实验科学，实验在河流动力学的教学中占有十分重要的地位。为巩固所学内容，培养学生动手操作和解决实际问题的能力，本课程开设有课程实验和实习。
由于课程开设之初的实验多为验证型和操作型，内容较简单，虽然易于学生操作，但不利于发挥他们的主观能动性。例如粒径计法泥沙颗粒分析实验，教师在实验前的准备工作较繁杂，而学生实验时得到动手能力锻炼的机会较少。另外，有些实验项目不便于学生将所学的专业知识系统化，难以激发学生将专业理论应用于实践的探究热情和对该学科的好奇心，如泥沙吸附重金属迁移转化动态模拟实验。
因此，改进实验内容，增加特色实验和自主创新实验十分必要。首先，实验项目由验证性实验向综合性实验转变。例如，利用土壤侵蚀与流域产沙模拟装置，将流域产沙、泥沙起动、河床演变等实验项目整合成一个大型的综合实验――水流挟沙模拟实验，这样不仅增加实验项目之间的联系，有利于学生对专业知识系统化理解，也能较大程度地锻炼学生的动手能力。其次，增加设计性实验项目，充分发挥学生的创新设计能力。例如，利用岩溶管道水流模拟装置，由学生运用已掌握的岩溶地下河方面的基本知识、基本原理，提出具体方案、拟定实验步骤，独立完成操作、记录、分析实验结果等，提高学生的动手和创新思维能力。最后，增加实验内容与现实之间的联系，如实地调查漓江河床演变特性和灵渠防洪排沙工程，有利于提高学生对实验的兴趣和参与热情。
3.1 特色实验
1）漓江河道演变实地调查。以桂林市区漓江河段为研究对象，实地调查市区河段的比降、断面形态、河床物质组成和河型，结合河流断面的水流流速、水流挟沙能力等因素的分析，研究市区河段河型的成因。
2）灵渠防洪排沙工程考查。考查灵渠水利设施各组成部分及河流动力功效，实地认识人工水利设施与河流动力作用的相关关系，初步掌握水沙流野外调查观察和人工水利设施防沙排洪功效。灵渠水利工程观察的内容非常丰富，主要包括铧嘴、大小天平、南渠、秦堤、北渠以及船闸、斗门等。它们的作用不同，但互相联系，构成一个统一的排洪分沙分水的整体。
3.2 自主创新实验
1）水流挟沙模拟实验。该实验采用土壤侵蚀与流域产沙模拟装置，该装置主要由人工智能控制组件、多变河曲组件、自动人工降雨组件及流量测量等综合集成，可完成实体比例仿真模拟流域产沙过程、泥沙起动、河床形态变化等任务，研究床面形态与水流条件、泥沙特性的关系，观察在不同水流条件和泥沙颗粒组成情况下床面形态的变化及其过程。
2）地下河运动仿真实验。该实验采用“岩溶管道水流模拟装置”，该装置由3部分组成：岩溶管道水流模拟实验台、岩溶管道水流模拟装置测试仪和计算机监控系统。其中岩溶管道模拟实验台由3个水箱组成，每个水箱从不同位置延伸出多个管道，每个水箱均可大范围独立升降，以便由水箱产生不同的水压力，形成不同的管道水流，另有4个流量计灵活测试各管道水流量。通过岩溶管道水流模拟，了解岩溶区内岩溶管道水系统和岩溶地下河系统内岩溶水运动过程，并进行地下河运动仿真模拟及相关的水量计算和评价。
同时，结合西南地区地表河流和岩溶地下河系生态与健康，将与河流动力学有关的科研成果转化成教学内容，让学生受惠于延伸的教学与科研平台。重视实践环节训练，注重培养学生的应用能力，将教学、创新、科研融为一体，全方面提高学生实践能力。
4 革新教学方法，提高学生自主学习能力
以灵活多样的教学手段组织和实施教学活动，以启发式、交互式、开放式教学方法贯穿教学活动始终。基本理论采用多媒体与必要板书有机结合的方式实现课程教学，习题和实验作为课堂教学内容的补充与延伸。
1）坚持“教师为主导，学生为主体”的思想。教师主要起启发和引导的作用，以点带面去激发学生获得更多知识的欲望，调动学生的学习能动性。教师精心传授与学生用心听讲相结合，课堂上留给学生5分钟左右的思考时间。鼓励学生课前预习，带着问题听课，课后复习，自学并消化吸收。
2）激发学生的创新意识。在课程建设中，紧跟学科发展趋势，密切联系科研生产实际，及时把泥沙运动、河床演变等领域的新思想、新理论、新方法反映到教材建设及课程教学之中。采用启发式教学，注重学生自主学习，强调课程的基本概念，留给学生一定的思考空间，引导学生到书本、参考资料去寻求答案，以激发学生的创新意识，培养出更优秀的学生。
3）建设精品课程，丰富教学手段。课程中的水流阻力、水流挟沙力等内容比较抽象，在利用图表、图形、动画等讲解基本概念上，多媒体教学有着明显的优势。在课堂教学中，恰当、合理运用多媒体课件、多媒体动画、教学录像等技术手段辅助教学，让学生有更直观、更详细的认识，收到较好的教学效果。充分利用网络的开放性、交互性、实时性等特点，将多媒体、网络与课程相结合，突出个性化和多样化，鼓励学生利用精品课程自主学习。
4）课堂教学交流互动。为了调动学生学习兴趣和主动性，增强课堂教学效果，改变传统的填鸭式课堂教学，采用交流互动式教学，与学生共同探讨黄河河床演变、漓江河道形成等问题，鼓励学生发表自己的看法。在课堂传授知识的同时，让学生随堂进行有关计算，并随堂进行讲解，巩固学生的学习知识。通过布置课后思考题的方式，指导学生查阅使用各种资料。采用讨论等形式，鼓励学生根据兴趣自选问题，结合课程内容进行专题调研，走上讲台发表自己的观点和看法，展开热烈的讨论。
5）理论联系实际，注重知识运用能力的考察。河流动力学是一门理论密切结合实际的、具有显著水利特色的专业基础教学课程。在教学活动中，安排漓江河道演变实地调查、灵渠防洪排沙工程考查、水流挟沙模拟实验、地下河运动仿真实验等系列实践性、实验性教学活动，引导学生重视技术、重视实际、重视实践，强化学生对知识的运用能力，让学生在探索与实践中获得新的知识。
6）利用现代交流手段，注重课外辅导、答疑、讨论。就学生集中反映的问题，安排课外辅导，或通过网络交流工具进行在线交流讨论。个别问题采用点对点答疑解惑，答疑不是简单给出答案，而是启发引导学生沿正确路径自己分析、思考解决问题，增强解题能力。结合专业介绍及学科前沿论坛，举办小讲座，开阔视野，努力提供有趣味性、可研究性且密切结合教学内容的实例。
7）改革考试制度，将应试教育转向素质教育。期末总评成绩作为综合成绩，包括两部分。一是平时成绩占30%～40%，包括平时作业、课堂讨论、实验实践环节等。在日常教学中，引导学生阅读科技期刊，让学生选择自己感兴趣的与教学相关的题目写微型文献综述，作为学生的平时作业成绩，培养学生素质和能力。二是期末试卷占60%～70%，在理论课笔试试卷设计上，加重主观题的分量，减少客观题的比重。同时试卷的给分点要多，注重考查学生的知识面。
5 结语
将河道水流、泥沙运动与西南岩溶地下河系融为一体，突出地表水系与岩溶地下河系水流运动特点，体现岩溶特色，深化河流动力学教学内容，完善具有西南岩溶地区特色的河流动力学教学体系，拓宽河流动力学课程教学内涵。革新课程实验内容，增加特色实验和自主创新实验，提高学生动手和创新能力。采用启发式、交互式、开放式教学方法，提高学生自主学习能力。将科研成果转化成教学内容，让学生受惠于延伸的教学与科研平台。重视实践环节训练，注重培养学生的应用能力，建立校外实习基地，将教学、实践、科研融为一体，重视实践环节训练。
参考文献
[1]曹叔尤,方铎.河流动力学进展[J].水科学进展,1992,3(4):319-325.
[2]曹叔尤.水力学及河流动力学基本问题研究的现状与任务[J].四川大学学报:工程科学版,2002,34(1):1-5.
[3]代俊峰,郭纯青,方荣杰,张红艳.体现岩溶地下河特色的河流动力学教学内容构建[J].中国科教创新导刊,2011(22):96-97.
[4]张小峰,刘兴年.河流动力学[M].北京:中国水利水电出版社,2010.
[5]陈文彪,谢鉴衡,张瑞瑾.河流动力学[M].武汉:武汉大学出版社,2007.
[6]邵学军,王兴奎.河流动力学概论[M].北京:清华大学出版社,2005.
[7]王昌杰.河流动力学[M].北京:人民交通出版社,2004.
[8]张瑞瑾.河流泥沙动力学[M].北京:中国水利水电出版社,1998.
[9]郭纯青.中国岩溶地下河系及其水资源[M].桂林:广西师范大学出版社,2004.
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