工程背景下《海洋工程環(huán)境學(xué)》課程教學(xué)模式研究

鄒麗　裴玉國　孫哲　孫鐵志

摘要：隨著我國“海洋強國”戰(zhàn)略的不斷推進，國家對發(fā)展海洋經(jīng)濟越來越重視，相關(guān)產(chǎn)業(yè)對船舶海洋工程專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提出了新的要求?！逗Ｑ蠊こ汰h(huán)境學(xué)》課程是一門船舶與海洋工程類學(xué)生的專業(yè)必修課，課程主要側(cè)重于工程實際應(yīng)用，進一步激發(fā)學(xué)生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其獨立處理、解決問題的能力。文章針對這一課程教學(xué)存在的問題和不足，在工程背景下對其課程教學(xué)模式進行了研究，旨在為培養(yǎng)解決工程實際問題的高素質(zhì)應(yīng)用型人才提供借鑒。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型人才培養(yǎng);《海洋工程環(huán)境學(xué)》;工程背景;教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）13-0294-03

一、引言

隨著“海洋強國”上升為國家戰(zhàn)略以及“一帶一路”倡議的實施，我國海洋經(jīng)濟不斷發(fā)展，開發(fā)利用海洋資源的活動也不斷深入，所涉及的海洋工程相關(guān)產(chǎn)業(yè)需要極強的工程理論基礎(chǔ)作為支撐，以保證實際工程施工的可行性、經(jīng)濟性和安全性[1]?！昂Ｑ髲妵毙枰Ｑ罂茖W(xué)、海洋技術(shù)和海洋工程的協(xié)同發(fā)展作為支撐;海洋工程與時俱進的發(fā)展戰(zhàn)略與發(fā)展方向?qū)Υ肮こ填悓I(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求[2]?！逗Ｑ蠊こ汰h(huán)境學(xué)》課程作為船舶與海洋工程專業(yè)學(xué)生一門重要的專業(yè)課程，是培養(yǎng)適應(yīng)海洋工程相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才、技術(shù)型人才和應(yīng)用型人才的基礎(chǔ)課程。傳統(tǒng)的《海洋工程環(huán)境學(xué)》課程在授課過程中偏向理論知識教學(xué)，存在學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、課程教學(xué)不能立足于工程實際等不足，很難滿足培養(yǎng)實踐能力強的工程技術(shù)人才的需求。本文將探索《海洋工程環(huán)境學(xué)》課程的新教學(xué)模式，重點探討在工程應(yīng)用背景下，如何培養(yǎng)出可以解決實際問題的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

二、理論聯(lián)系實際，緊密依托工程

（一）面向工程的《海洋工程環(huán)境學(xué)》

面向工程的海洋工程環(huán)境學(xué)，不同于海洋地質(zhì)學(xué)，也區(qū)別于海洋氣象學(xué)。海洋地質(zhì)學(xué)，是研究地殼被海水淹沒部分的物質(zhì)組成、地質(zhì)構(gòu)造和演化規(guī)律的學(xué)科，研究內(nèi)容涉及海岸與海底的地形、海洋沉積物、洋底巖石、海底構(gòu)造、大洋地質(zhì)歷史和海底礦產(chǎn)資源等方面;海洋氣象學(xué)是大氣科學(xué)和海洋科學(xué)共同研究的領(lǐng)域，是研究海上大氣的物理信息，以及海洋與大氣相互作用規(guī)律的學(xué)科，研究內(nèi)容涉及海洋與大氣之間的水分和熱量的交換，以及海洋對天氣和氣候變化的影響、海洋冰凍狀況等方面。相較于這兩門學(xué)科，海洋工程環(huán)境學(xué)是面向工程實際應(yīng)用的海洋學(xué)，是研究海洋工程與自然環(huán)境之間相互作用的一門學(xué)科，主要研究海洋中的結(jié)構(gòu)物于所在的海洋環(huán)境中所承受的來自波浪、海流、潮汐、風(fēng)以及海冰等海洋環(huán)境的載荷作用等方面。海洋工程環(huán)境中的各個載荷要素十分復(fù)雜又相互影響，對海洋工程結(jié)構(gòu)物的作用也十分復(fù)雜，面向工程的海洋環(huán)境學(xué)，是要通過研究各種環(huán)境要素本身的機理及其與海洋工程結(jié)構(gòu)物之間的作用，來指導(dǎo)海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計與建造。

（二）課程內(nèi)容與船級社及行業(yè)規(guī)范的結(jié)合

船級社及行業(yè)規(guī)范是理論知識在工程應(yīng)用上最前沿、最直接的應(yīng)用。課程在講清理論知識的基礎(chǔ)上，將著重探討海洋環(huán)境相關(guān)資料的整理與推算，并與規(guī)范相結(jié)合，緊密依托工程需求。如在對風(fēng)載荷的基本理論知識進行講解后，將探討各國船級社對于設(shè)計風(fēng)速的不同設(shè)計要求、探討不同行業(yè)規(guī)范在作用風(fēng)壓、受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積、構(gòu)件高度以及其形狀選擇上的不同。通過對不同規(guī)范中不同計算公式的對比與分析，在讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生了解不同規(guī)范對于理論知識的應(yīng)用。

（三）課程內(nèi)容引入實際工程

海洋工程環(huán)境學(xué)是一門實踐性很強的課程，工程案例是一項不可缺少的教學(xué)材料[3]。通過大量工程實例穿插整個教學(xué)過程，最能吸引學(xué)生注意力，進一步激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。課前查閱相關(guān)資料，準備充分的工程實例，通過充分設(shè)計緊扣課程知識。課中將理論知識與工程實例結(jié)合，重點講述理論知識在工程實例中的應(yīng)用。課后通過布置相關(guān)工程的實際問題，讓學(xué)生學(xué)以致用，理論聯(lián)系實際，進一步拓展所學(xué)的專業(yè)知識。在課程中針對我國自主攻克重大技術(shù)難題、取得的重大科技創(chuàng)新與突破的項目與實際工程，將結(jié)合課程內(nèi)容，層層深入，進行多次、細致的講解，如我國首座自主設(shè)計、建造的第六代深水半潛式鉆井平臺——“海洋石油981”平臺;中國第一艘自行設(shè)計、自主集成研制的載人潛水器——“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器以及我國唯一能在極地破冰前行的船只——“雪龍”號極地考察船等。除了上述工程實例外，工程事故案例也將列入課程內(nèi)容之中，通過工程事故使學(xué)生深感海洋環(huán)境中設(shè)計和校核工況這一關(guān)決不能放松，喚起學(xué)生的工程責(zé)任意識，不僅有助于學(xué)生更快理解理論知識，又能培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣和對具體問題的分析能力。課程的結(jié)課考核方式為課程大作業(yè)，通過課程中理論知識的講述、工程實例的引入、深入學(xué)習(xí)，學(xué)生在掌握基礎(chǔ)的理論知識以及工程實例處理方法后，課程大作業(yè)以開放式方式，引導(dǎo)學(xué)生在感興趣的實際工程問題中自主選擇，自行分析，并進行展示。

三、科研融入《海洋工程環(huán)境學(xué)》課程

海洋工程環(huán)境學(xué)課程內(nèi)容安排，依托于大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院多年授課積累的內(nèi)容編寫的《海洋工程環(huán)境學(xué)》講義，但內(nèi)容并不局限于講義所涵蓋的范圍，還將著重把當前科學(xué)研究內(nèi)容作為課程理論知識點的補充內(nèi)容，從而提前培養(yǎng)本科生的科研素養(yǎng)，讓本科生提前體驗學(xué)術(shù)研究氛圍，激發(fā)學(xué)生對進一步深造的興趣。

（一）引入成熟、成功的科研研究成果

結(jié)合相應(yīng)的授課內(nèi)容，引入在學(xué)術(shù)領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)的并受到廣泛認可的科研研究成果，以拓展學(xué)生視野。在海洋工程設(shè)計中，經(jīng)常需要統(tǒng)計各種海洋水文氣象的極值參數(shù)，以滿足設(shè)計需要。例如，在海洋石油鉆井平臺和海港工程的設(shè)計中，均需計算多年一遇風(fēng)速、波高和波周期的極大值;在港灣的建設(shè)、碼頭的設(shè)計需要計算多年一遇的最高、最低水位;某些海洋工程設(shè)計也需要水溫最高、最低值、氣溫的統(tǒng)計計算等[4]。

目前，有關(guān)海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計建造規(guī)范明確規(guī)定了極端事件的概率，如百年一遇波浪，即該波浪的重現(xiàn)期為100年，通常，這一事件的出現(xiàn)概率僅為十億分之一，然而，計算表明，對于一個設(shè)計壽命為20年的結(jié)構(gòu)物，遭遇百年一遇的極端海況的概率可達18%。極端海況條件對結(jié)構(gòu)響應(yīng)和強度設(shè)計至關(guān)重要，通過對目標海域波浪運動合理有效的數(shù)值預(yù)報計算，給出該海域極限海況下的波浪參數(shù)，在進行工程設(shè)計時充分考慮這些工況，才能在保證工程安全的前提下，降低實際成本。但事實上，海洋水文氣象觀測年份是有限的，目前，我國沿海海洋站一般只有二三十年，甚至一兩年的歷史資科，而工程上所需的多年一遇極值卻是一類小概率事件，很少出現(xiàn)在有限的現(xiàn)有觀測記錄中。為了從現(xiàn)有實測資料中推算出今后若干年可能出現(xiàn)的極值，目前應(yīng)用較為廣泛的方法為極限波浪推算方法，將此方法引入本課程，讓學(xué)生了解學(xué)術(shù)領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)的廣泛認可的科研成果，在實際工程中的應(yīng)用。

（二）引入激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的研究內(nèi)容

興趣是學(xué)習(xí)最好的老師，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是課程教學(xué)取得最優(yōu)效果的關(guān)鍵?！逗Ｑ蠊こ汰h(huán)境學(xué)》課程開課以來的幾年課堂教學(xué)經(jīng)驗表明，學(xué)生對于波浪演化、海洋內(nèi)波、泥沙運動等畫面感強烈、新穎的研究內(nèi)容充滿學(xué)習(xí)熱情與興趣。在此方面的教學(xué)中，將科學(xué)、合理地引入信息化的教育技術(shù)，利用多媒體教學(xué)方法，通過前期搜集準備的圖片、錄像、Flash動畫等，生動形象地表述波浪各種演化、海洋內(nèi)波生成與傳播、泥沙運動等海洋動態(tài)的物理運動過程，以及外界因素對其產(chǎn)生的影響[5]。圖片和錄像可以增加學(xué)生對工程的直觀認識，形象地表達某些重要概念或?qū)嶋H的工程處理方法，有利于強化概念理解和解決實際工程問題能力的培養(yǎng)[6]。作為工科專業(yè)，學(xué)生既需要良好的專業(yè)理論基礎(chǔ)，同時也需要較多的實踐訓(xùn)練來培養(yǎng)觀察和知識的實際應(yīng)用能力[7]。因此本課程教學(xué)還將充分利用學(xué)校實驗室教學(xué)資源，如大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點實驗室、船模拖曳試驗水池、內(nèi)波實驗室等，課程教學(xué)課時包含學(xué)生參觀相關(guān)實驗室、參與相關(guān)實驗。理論與實踐相結(jié)合，在鞏固理論知識的情況下，將相關(guān)理論可視化、形象化，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力與實驗分析研究能力。只有經(jīng)過學(xué)生的觀察和動手，才能更好地發(fā)現(xiàn)問題，同時在發(fā)現(xiàn)問題后有意識地去解決問題，提高學(xué)生動手和解決問題的能力。

（三）引入數(shù)值模擬技術(shù)

計算機技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，使得海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)取得了巨大的進展與成功。作為現(xiàn)代工程學(xué)科“理論分析”“數(shù)值模擬”和“實驗分析”中的三大支點之一，海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)從海洋中基本的質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等方程出發(fā)，以離散和有限元方法對海洋中的現(xiàn)象進行分析計算，詮釋海洋中的物理規(guī)律，模擬海水的運動過程[8-9]。海洋環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)能模擬不同條件下的海洋水文狀況，將數(shù)值模擬技術(shù)引入教學(xué)，可以讓學(xué)生通過相關(guān)計算模型的前處理、數(shù)據(jù)處理、代碼分析、模式運行、數(shù)據(jù)的可視化等環(huán)節(jié)的實踐操作，與理論知識和實驗操作相聯(lián)系，一方面能將理論知識中的偏微分方程等大量抽象的問題形象化，使得專業(yè)中的相關(guān)基礎(chǔ)理論得以應(yīng)用，另一方面能夠突破實驗室的限制，從而使學(xué)生能夠?qū)?fù)雜的海洋環(huán)境產(chǎn)生更為全面、直觀且深刻的認識與掌握。

四、總結(jié)

《海洋工程環(huán)境學(xué)》課程作為船舶與海洋工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，本文提出的課程教學(xué)模式，面向?qū)嶋H工程應(yīng)用，對于理論和實踐兩個教學(xué)環(huán)節(jié)交叉運用?！逗Ｑ蠊こ汰h(huán)境學(xué)》課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中只有以培養(yǎng)應(yīng)用技能型人才為目標，以應(yīng)用創(chuàng)新為導(dǎo)向，讓學(xué)生熱愛船舶與海洋工程專業(yè)，提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)獨立處理問題、解決實際問題的能力，才能達到最佳的教學(xué)與學(xué)習(xí)效果。

參考文獻：

[1]鄭少軍，嚴厲.工程環(huán)境海洋學(xué)的教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2019，（36）：100-101.

[2]蔣浩宇，趙恩金，程飛，等.海洋環(huán)境數(shù)值模擬在海洋工程專業(yè)研究生教育中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2019，（2）：147-149.

[3]張亞.海洋工程環(huán)境課程的教學(xué)改革研究[J].專業(yè)，2012，12（4）：144-145.

[4]劉濤.極限波浪推算方法與波浪傳播的數(shù)值模擬[D].天津大學(xué)，2006.

[5]張寶吉，周暉.卓越工程師培養(yǎng)計劃的“船舶阻力與推進”課程的教學(xué)改革與實踐[J].船海工程，2016，45（6）：158-160.

[6]韓鑫，藍尉冰，焦自權(quán).實踐化教學(xué)模式在“船舶原理”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2015，14（15）：188-189.

[7]韓翔希，符妃，馮志強.以培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才為導(dǎo)向的《船舶原理》課程改革總體思路探[J].課程教育研究，2018，（14）：232-233.

[8]蔣浩宇，趙恩金，程飛，等.海洋環(huán)境數(shù)值模擬在海洋工程專業(yè)研究生教育中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2019，（05）：147-149.

[9]劉紅英，劉紅坤.有限元模擬技術(shù)在物理實驗教學(xué)中應(yīng)用實例分析[J].物理教學(xué)，2014，（8）：33-34.

Study on Teaching Mode of "Environmental Mechanics of Ocean Engineering" Course under Engineering Background

ZOU Li1，2*，PEI Yu-guo2，SUN Zhe2，SUN Tie-zhi2

（1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China;

2.School of Naval Architecture，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning? 116024，China ）

Abstract：With the continuous development of Marine economy in China，the state pays more and more attention to the development of marine economy，and related industries have put forward new requirements for the training of application-oriented talents in marine and marine engineering.The course "Marine Engineering Environment" is a compulsory course for students majoring in marine and marine engineering.The course mainly focuses on the practical application of engineering，which further stimulates students' interest in studying the specialty and cultivates their ability to handle and solve problems independently.Aiming at the problems and deficiencies in this course teaching，this paper studies its course teaching mode in the engineering background，and aims to provide reference for the cultivation of high-quality applied talents who solve practical engineering problems.

Key words：applied talent training;Marine Engineering Environment;engineering background;teaching mode