水力學(xué)“課程思政”本科教學(xué)設(shè)計(jì)初探

[摘 要] 黨的十九大明確指出中國(guó)特色社會(huì)主義進(jìn)入了新時(shí)代和相應(yīng)的社會(huì)主要矛盾;高等教育也應(yīng)該隨著社會(huì)主要矛盾的轉(zhuǎn)化適應(yīng)新時(shí)代的要求;教育部本科教育工作會(huì)議把立德樹人作為學(xué)校工作的首要任務(wù)，高等院校要以本為本;水力學(xué)課程是水利、土木、環(huán)境和交通等專業(yè)本科教學(xué)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課;根據(jù)課程及學(xué)生特點(diǎn)，在課程教學(xué)中結(jié)合歷史人物、典型工程以及對(duì)基本理論和計(jì)算方法的哲學(xué)思考，可使學(xué)生在接受專業(yè)知識(shí)的同時(shí)思想道德素質(zhì)得到全面的提高。

[關(guān)鍵詞] 高等教育;水力學(xué);“課程思政”;教學(xué)設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)] G641? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1008-2549（2019） 03-0099-03

黨的十九大明確指出中國(guó)特色社會(huì)主義已經(jīng)進(jìn)入了新時(shí)代，社會(huì)主要矛盾也已發(fā)生了轉(zhuǎn)化。高等教育在國(guó)民教育中具有重要的地位。為適應(yīng)新時(shí)代的要求，高等教育必須明確目標(biāo)和責(zé)任。2018年8月教育部召開的新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議提出，立德樹人的成效是檢驗(yàn)學(xué)校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)。要求堅(jiān)持以本為本，推進(jìn)四個(gè)回歸。指出2018年高校師生思想政治狀況滾動(dòng)調(diào)查結(jié)果顯示，對(duì)大學(xué)生思想言行和成長(zhǎng)影響最大的第一因素是專業(yè)課教師。要求高校要明確所有課程的育人要素和責(zé)任，推動(dòng)每一位專業(yè)課老師指定開展“課程思政”教學(xué)設(shè)計(jì)，做到課程門門有思政，教師人人講育人。水力學(xué)（亦適用于工程流體力學(xué)，下同）作為水利、土木、環(huán)境和交通等本科專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，加強(qiáng)“課程思政”教學(xué)設(shè)計(jì)，在人才培養(yǎng)中起到和其專業(yè)地位同等重要的作用。

一 新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義時(shí)期的高等教育

黨的十九大報(bào)告指出，中國(guó)特色社會(huì)主義進(jìn)入新時(shí)代，我國(guó)社會(huì)主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)是中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程，必須把教育事業(yè)放在優(yōu)先位置，深化教育改革，加快教育現(xiàn)代化，辦好人民滿意的教育。要全面貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，發(fā)展素質(zhì)教育，推進(jìn)教育公平，培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人。

2018年8月教育部召開的新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議提出，高教大計(jì)，本科為本;本科不牢，地動(dòng)山搖。強(qiáng)調(diào)要把握好堅(jiān)持以本為本和推進(jìn)四個(gè)回歸。回歸大學(xué)的本質(zhì)職能，把“培養(yǎng)人”作為根本任務(wù)?；貧w常識(shí)，就是學(xué)生要刻苦讀書學(xué)習(xí)。回歸本分，就是教師要潛心教書育人?；貧w初心，就是高等學(xué)校要傾心培養(yǎng)建設(shè)者和接班人?；貧w夢(mèng)想，就是高等教育要傾力實(shí)現(xiàn)教育報(bào)國(guó)、教育強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。

相應(yīng)于進(jìn)入新時(shí)代我國(guó)社會(huì)主要矛盾的轉(zhuǎn)化，高等教育本科教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)也應(yīng)該與之相適應(yīng)。這一代本科生自幼接受了充分的基礎(chǔ)教育，目前自媒體蓬勃發(fā)展且社會(huì)物質(zhì)條件充裕，這就決定了他們自主意識(shí)強(qiáng)、思維活躍的特點(diǎn)。世界觀、人生觀和價(jià)值觀也已基本形成。滿足培養(yǎng)目標(biāo)要求，這應(yīng)該是一貫的，重要的是過程的審視和改變。既往像管理中小學(xué)生的模式可能已經(jīng)不適用了，甚至有可能造成逆反心理，也不排除會(huì)有典型負(fù)面突發(fā)事件的出現(xiàn)。教學(xué)過程中以人為本，將立德樹人、教書育人貫穿于培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，融入于每門課程當(dāng)中，是新時(shí)代的要求，也是歷史發(fā)展的必然。

二 水力學(xué)教學(xué)在高等學(xué)校本科教學(xué)中的地位和特點(diǎn)

水力學(xué)是諸多領(lǐng)域本科專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中重要的專業(yè)（技術(shù)）基礎(chǔ)課。前修課程是數(shù)學(xué)、普通物理、理論力學(xué)、材料力學(xué)等，后續(xù)課程是相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)課，起著承上啟下的重要作用。水力學(xué)課程既古老又現(xiàn)代。因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用的需要，很久以前水力學(xué)理論就開始萌芽，日后逐漸完善并走向成熟。隨著時(shí)代發(fā)展的需要，現(xiàn)代又派生出環(huán)境水力學(xué)、生態(tài)水力學(xué)等分支，顯現(xiàn)出旺盛的生命力。

水力學(xué)的前修課程理論性強(qiáng)、邏輯推理嚴(yán)謹(jǐn)，許多學(xué)生經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)已經(jīng)形成了思維定式?？茖W(xué)的發(fā)展源動(dòng)力來自社會(huì)實(shí)際需要。水流運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，當(dāng)理論研究成果不能滿足實(shí)際需要時(shí)，只能提出來一些假說，然后通過實(shí)驗(yàn)或直接在實(shí)踐中去完善，直至最終正確的確立。闡明這一點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中就能夠事半功倍，平靜心境，以至于順理成章地接受，使思維方式開闊靈活多樣化，提高解決問題的能力。這其中涉及除理論方面有突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家之外，還有一些實(shí)驗(yàn)科學(xué)家以及著名的工程師，還有一些經(jīng)過歷史長(zhǎng)期檢驗(yàn)的典型工程。這些和水力學(xué)的發(fā)展相依相伴，密不可分，融入本科課程教學(xué)中，便于學(xué)生系統(tǒng)接受水力學(xué)知識(shí)，同時(shí)也是思想道德素質(zhì)教育的有力抓手。

三 水力學(xué)“課程思政”本科教學(xué)設(shè)計(jì)

在水力學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，可結(jié)合歷史人物、典型工程以及對(duì)基本理論和計(jì)算方法的哲學(xué)思考，以使學(xué)生在接受專業(yè)知識(shí)的同時(shí)全面提高思想道德素質(zhì)。

（一）結(jié)合歷史人物講授典型知識(shí)點(diǎn)

經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)始人牛頓給出了液體流動(dòng)時(shí)粘滯力所遵循的規(guī)律。帕斯卡發(fā)現(xiàn)了靜止液體內(nèi)部壓強(qiáng)的傳遞規(guī)律。阿基米德給出了浸沒于液體中的物體所受浮力的計(jì)算方法。拉格朗日提出了研究流體運(yùn)動(dòng)的一種方法。另一種更常用的研究流體運(yùn)動(dòng)方法的提出者是歐拉，他也導(dǎo)出了理想液體的平衡微分方程式。伯努利導(dǎo)出了流體運(yùn)動(dòng)過程中各種機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化和機(jī)械能損失之間關(guān)系的方程式。納維和斯托克斯導(dǎo)出了粘性液體運(yùn)動(dòng)所遵循的基本微分方程式。雷諾通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了流體運(yùn)動(dòng)的兩種形態(tài)，并給出了湍流流動(dòng)平均意義上的運(yùn)動(dòng)微分方程式。布拉休斯提出了計(jì)算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。尼古拉茲公布了他對(duì)砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果，并據(jù)此給紊流光滑管和紊流粗糙管的理論公式選定了應(yīng)有的系數(shù)?？评詹既憧颂岢隽税盐闪鞴饣軈^(qū)和紊流粗糙管區(qū)聯(lián)系在一起的過渡區(qū)阻力系數(shù)計(jì)算公式。普朗特建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機(jī)制。卡門提出了分析帶旋渦尾流及其所產(chǎn)生阻力的理論。周培源在湍流封閉模式研究方面做出了歷史性的貢獻(xiàn)。謝才總結(jié)出了明渠均勻流公式。托里拆利論證了孔口出流的基本規(guī)律。弗勞德給出了明渠重力流的相似準(zhǔn)則數(shù)。這些科學(xué)家在不同時(shí)期用他們的辛勤工作，極大地推動(dòng)了水力學(xué)學(xué)科的發(fā)展甚至是實(shí)現(xiàn)了突破。我們應(yīng)該銘記他們，要有對(duì)他們及其所創(chuàng)造科學(xué)成果的敬畏感，這才是正確的科學(xué)態(tài)度，繼而才會(huì)在自己的科學(xué)實(shí)踐中將這種精神發(fā)揚(yáng)光大。

更值得指出的是，歐拉人生中經(jīng)歷了雙目失明等接連不斷的沉重打擊，其許多重要成果都是靠堅(jiān)強(qiáng)的意志和毅力取得的。這種崇尚科學(xué)、追求真理、為科學(xué)和真理傾其一生的大無畏精神值得每一位科學(xué)工作者仰慕和學(xué)習(xí)。

流體運(yùn)動(dòng)基本方程納維—斯托克斯方程的導(dǎo)出也不是一帆風(fēng)順的，經(jīng)過了納維（1822年）、柯西（1823年）、泊松（1829年）、圣維南（1837年）和斯托克斯（1845年）五次建立、修正和完善，歷時(shí)二十五年才得到現(xiàn)在的最終形式?？茖W(xué)的進(jìn)步都不是一帆風(fēng)順的，任何重大成果的取得都不可能一蹴而就，中途不可避免地會(huì)走彎路甚至遭遇挫折。面對(duì)這些我們不要?dú)怵H甚至喪失信心，要耐得住性子，腳踏實(shí)地一步一個(gè)腳印地向前進(jìn)。

我國(guó)著名科學(xué)家周培源先生，早期就在水力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域取得了杰出的成就，成果享譽(yù)海內(nèi)外。之后數(shù)十年間，毅然決然摒棄國(guó)外的優(yōu)厚待遇獻(xiàn)身國(guó)內(nèi)，積極投入到國(guó)家急需的相關(guān)領(lǐng)域社會(huì)主義建設(shè)中?？茖W(xué)無國(guó)界，但是科學(xué)家是有國(guó)界的。只有具有強(qiáng)烈的愛國(guó)主義精神，科學(xué)家才能全心全意地服務(wù)于祖國(guó)，最終實(shí)現(xiàn)民族的偉大復(fù)興。

（二）結(jié)合典型工程講授若干知識(shí)點(diǎn)

都江堰位于成都平原西部的岷江上，始建于秦昭王末年（約公元前256～前251），是蜀郡太守李冰父子在前人鱉靈開鑿的基礎(chǔ)上組織修建的大型水利工程，由分水魚嘴、飛沙堰、寶瓶口等部分組成，兩千多年來一直發(fā)揮著防洪灌溉的作用，至今灌區(qū)已達(dá)30余縣市、面積近千萬畝。鄭國(guó)渠屬于最早在關(guān)中建設(shè)的大型水利工程，位于今陜西省涇陽縣西北25公里的涇河北岸。它西引涇水東注洛水，長(zhǎng)達(dá)300余里。在戰(zhàn)國(guó)末年由秦國(guó)穿鑿。公元前246年（秦王政元年）由韓國(guó)水工鄭國(guó)主持興建，約十年后完工。靈渠位于廣西壯族自治區(qū)興安縣境內(nèi)，于公元前214年鑿成通航。靈渠流向由東向西，將興安縣東面的海洋河（湘江源頭，流向由南向北）和興安縣西面的大溶江（漓江源頭，流向由北向南）相連，是世界上最古老的運(yùn)河之一。

南水北調(diào)工程主要解決我國(guó)北方地區(qū)，尤其是黃淮海流域的水資源短缺問題。東、中線一期工程干線總長(zhǎng)為2899公里，已經(jīng)完工并向北方地區(qū)調(diào)水。三峽工程是當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工程。它的防洪效益、裝機(jī)容量、建筑規(guī)模、施工難度、施工期流量、泄洪能力、船閘級(jí)數(shù)及總水頭、升船機(jī)的規(guī)模和難度、移民規(guī)模等許多指標(biāo)都突破了世界水利工程的紀(jì)錄。

都江堰、鄭國(guó)渠和靈渠這三項(xiàng)水利工程，都是中國(guó)古代勞動(dòng)人民勤勞、勇敢、智慧的結(jié)晶。在明渠流動(dòng)及堰流流動(dòng)規(guī)律方面都有了很深很成熟的認(rèn)識(shí)。特別是都江堰工程的整體布局和運(yùn)用，充分利用了彎道水流及泥沙輸運(yùn)的機(jī)理，使非汛期灌溉和汛期排洪的效果達(dá)到了極高的科學(xué)水平，堪稱典范。南水北調(diào)和三峽水利樞紐（可分別與明渠非恒定流和消能措施內(nèi)容結(jié)合）等當(dāng)代宏大水利工程，也都取得了舉世矚目的成就。綜合起來，這些工程都可以讓我們有充分的文化自信，同時(shí)也堅(jiān)定了實(shí)現(xiàn)民族偉大復(fù)興的目標(biāo)。

（三）對(duì)基本理論和計(jì)算方法進(jìn)行哲學(xué)思考的典型知識(shí)點(diǎn)

在講授液體的主要物理性質(zhì)時(shí)，提出了理想液體與粘性液體的概念。分析實(shí)際液體運(yùn)動(dòng)，機(jī)械能損失的計(jì)算從理論上還無法完全解決。通常先忽略液體的粘滯性，亦即忽略水頭損失，把液體作為理想液體來分析，得出相應(yīng)描述各運(yùn)動(dòng)要素的方程式。當(dāng)然，粘性液體流動(dòng)時(shí)水頭損失往往是不可忽略的。對(duì)粘性液體進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)或原型觀測(cè)對(duì)基于理想液體分析得出的結(jié)果進(jìn)行修正。該解決問題的思路可以給予我們一個(gè)啟發(fā)——對(duì)于暫時(shí)無法完全解決的問題，可以把問題先“擱置”起來，然后再通過修正來達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

分析粘性流體運(yùn)動(dòng)，邊界層理論對(duì)于流動(dòng)阻力和水頭損失研究有著重要影響。對(duì)于非流線型物體，特別是存在鈍體的壁面，漩渦的分離是普遍存在的。但分離后的渦旋搖擺是必然的。特別是物體繞流之后渦旋的搖擺性更為明顯，已有許多文獻(xiàn)表明這種現(xiàn)象存在各種形狀和各種宏觀尺度的繞流情形。且在一定條件下，渦旋的搖擺還會(huì)有顯著的規(guī)律，亦即眾所周知的卡門渦街現(xiàn)象。由此可見，廣義上來講，宏觀水流運(yùn)動(dòng)都是由不同特征尺度渦旋構(gòu)成的復(fù)雜組合體。在水流運(yùn)動(dòng)中，應(yīng)該是確定性和隨機(jī)性并存;恒定流中存在著局部非恒定流，即具有相對(duì)性。由此可見，無論分析什么自然現(xiàn)象，都要有辯證思維，不要絕對(duì)化，要能夠在變化中看到其普遍的性質(zhì)，又能夠在靜止中洞悉其局部變化的規(guī)律。

進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算時(shí)，環(huán)狀管網(wǎng)計(jì)算常見的方法有哈迪克勞斯法和有限元法，都有其對(duì)應(yīng)的整套理論、方法、方程和計(jì)算過程，對(duì)學(xué)生來說接受起來有一定的難度。在講解過程中，強(qiáng)調(diào)抓住兩個(gè)基本點(diǎn)，則瞬間變得思路清晰，易于掌握。一是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要遵循的連續(xù)性方程，另一個(gè)是構(gòu)成每個(gè)環(huán)的各個(gè)管路水頭損失的代數(shù)和都應(yīng)該為零。無論做任何事情，事情如何復(fù)雜，只要透過現(xiàn)象抓住事物所遵循的本質(zhì)規(guī)律，問題也就可以迎刃而解。

對(duì)于梯形渠道正常水深、底寬和臨界水深以及泄水建筑物下游收縮斷面水深的計(jì)算，由于其所遵循方程均是高階非線性的，通常要運(yùn)用迭代法求解。迭代法有一些鮮明的特點(diǎn)。要使迭代收斂，必須首先要導(dǎo)出滿足收斂條件的迭代公式。迭代計(jì)算時(shí)，通常迭代初值的選取對(duì)最終迭代結(jié)果沒有影響。也就是迭代過程具有容錯(cuò)性。根據(jù)迭代過程的實(shí)際情況還可以對(duì)迭代過程進(jìn)行修正，比如采用欠松弛迭代或超松弛迭代等。這就預(yù)示著無論做什么事情，首先要選定一條正確的方式，在此基礎(chǔ)上就要抓緊時(shí)機(jī)毫不猶豫地推動(dòng)事情的進(jìn)展，并在進(jìn)展過程中善于總結(jié)，對(duì)路線不斷修正，以期更快捷、更有效地達(dá)到正確目標(biāo)。

明渠非恒定流流動(dòng)遵循圣維南方程，水力要素不僅隨時(shí)間變化還隨位置變化。如果不厘清其層次關(guān)系，則會(huì)相互交錯(cuò)使問題陷入復(fù)雜化的泥潭。推導(dǎo)連續(xù)性微分方程時(shí)，對(duì)由于流量沿程變化而引起控制體內(nèi)質(zhì)量變化的分析，可忽略水力要素隨時(shí)間的變化，均用初始時(shí)刻的值進(jìn)行計(jì)算;對(duì)控制體內(nèi)液體體積隨時(shí)間變化而引起質(zhì)量變化的分析，可忽略由于斷面位置不同而引起水力要素的變化，均以上游斷面水力要素來進(jìn)行計(jì)算。推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)微分方程時(shí)，把水位分割成渠底高程和水深兩部分，僅考慮渠底高程變化時(shí)計(jì)算重力的作用，僅考慮水深變化時(shí)計(jì)算壓力的作用。依此思路導(dǎo)出圣維南方程組的過程簡(jiǎn)潔明了，和經(jīng)典形式完全一致。學(xué)生易于接受，也提高了講授效率。這表明對(duì)于復(fù)雜問題的解決，要善于分清層次，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾。

非恒定流遵循的由連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程構(gòu)成的偏微分方程組，對(duì)于實(shí)際工程問題往往比較復(fù)雜，無法得到解析解，而常用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行分析。數(shù)值計(jì)算得到的是一種近似解，在求解過程中應(yīng)注意到解的精度。常用且有效的為特征線法。因?yàn)橐痪S非恒定流所遵循的微分方程組屬于雙曲型方程，有兩條特征線。依此可將偏微分方程組化為沿著兩條特征線分別成立的特征方程，而特征方程為常微分方程，繼而進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在此基礎(chǔ)上的數(shù)值計(jì)算，特性得以最大限度地保留，相對(duì)于其他數(shù)值計(jì)算方法理應(yīng)具有更高的精度。這要求我們處理問題要盡可能地抓住事物發(fā)展的本質(zhì)特征。

納維-斯托克斯方程（簡(jiǎn)稱N-S方程）是深入全面分析復(fù)雜水流運(yùn)動(dòng)的基石。然而它在極其簡(jiǎn)單邊界和初始條件下才有解析解。絕大多數(shù)情況下只能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為了探討數(shù)值格式的可行性，一維對(duì)流方程是最基本的模式方程，依此討論對(duì)流項(xiàng)離散格式的正確性。理論分析及計(jì)算實(shí)際均表明，當(dāng)對(duì)流項(xiàng)采用具有二階精度的中心差商，格式是不穩(wěn)定的;而采用具有一階精度的向前差商或向后差商，格式是有條件穩(wěn)定的。在實(shí)際計(jì)算中，采用迎風(fēng)格式，其所反映的現(xiàn)象與物理實(shí)質(zhì)相符，計(jì)算穩(wěn)定。這使我們得到啟示，無論處理任何事情都要嚴(yán)格按照事物發(fā)展的客觀規(guī)律辦事;在解決問題過程中，個(gè)人要服從整體，沒有整體利益就不可能使個(gè)體受益，不顧整體利益的個(gè)人利己主義也不可能達(dá)到自己的目的。必須弘揚(yáng)團(tuán)隊(duì)精神和集體主義精神，才能共同發(fā)展共同進(jìn)步。

結(jié)合水力學(xué)課程教學(xué)專業(yè)內(nèi)容，通過歷史人物、典型工程以及基本理論和方法的哲學(xué)思考，培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，崇高的理想和愛國(guó)主義精神，可以使學(xué)生的思想道德素養(yǎng)在掌握專業(yè)知識(shí)的同時(shí)得到全面的提高。

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（責(zé)任編輯：王義祥）