海洋平臺設計原理課程改革研究與實踐

黃 威，劉加一，殷彩玉

（華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074）

專業(yè)課程是課程思政建設的基本載體，專業(yè)知識體系是提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力的重要內容，對大學生思維方法和價值理念的建立具有重要意義，是大學教育中立德樹人的關鍵步驟。深入落實專業(yè)課程思政建設，加強專業(yè)課程教育的基礎強化和與時俱進，是推進建設世界一流大學和一流學科建設的強動力源。

華中科技大學緊密圍繞海洋強國戰(zhàn)略需求，為船舶與海洋工程一流專業(yè)創(chuàng)建，積極構建基于船舶與海洋工程結構設計為主體的本科培養(yǎng)新體系。為了培養(yǎng)具有優(yōu)秀創(chuàng)新實踐能力的船舶與海洋工程專業(yè)卓越人才，設立了一系列理論與實踐相結合的專業(yè)課程[1]。隨著世界各國逐漸將發(fā)展目光投向深藍，廣袤海域中所蘊含的礦產資源和生物資源等不斷被發(fā)掘。

本項研究目標旨在調整海洋平臺設計原理所涉及的相關專業(yè)知識內容，參考最新海洋結構物設計規(guī)范和指南，吸收國內外有關海洋平臺設計相關研究與教材最新內容。強調基礎鞏固、加強相關原理與方法的學習；重視理論到實踐的轉化，增加教學課程實踐環(huán)節(jié)；基于教學內容、教學模式的改變，增加學生課程參與度與積極性，改進考核方式，進而形成一套實踐性強的、較為系統(tǒng)的海洋平臺設計原理新講義與課程大綱。

一、教學大綱的修訂

結合立德樹人的根本目標，經(jīng)過多年教學與科研工作實踐，海洋平臺設計原理課題組經(jīng)過不斷的研討、協(xié)調分工與課程教學磨合，從教學內容的完整性和實用性對早期課程教學大綱的教學目標、教學方法和教學內容均作出了相應的修訂，并在教學過程中重視專業(yè)課程思政點的具體落實，為深入推進專業(yè)課程思政提供有力支撐。

經(jīng)過修訂，海洋平臺設計原理課程學時由24 學時增加到32 學時，增加了《大型集中ProjectⅢ海洋結構物總體設計與優(yōu)化》為期3 周的大型課程設計。教學目標從原來的對深水平臺結構設計原理和方法的掌握，注重基礎鞏固和創(chuàng)新實踐，重點強化了學生利用所學知識解決簡單的海洋平臺設計和相關性能分析的綜合能力培養(yǎng)，并促進專業(yè)和思政教育的協(xié)同共行，達到全方位落實立德樹人的育人目的。在教學方法上，為了面向疫情期間教學和教學深度的加強，在原本理論教學基礎上，強化了線上與線下的結合，利用“超星”課堂平臺實現(xiàn)隨堂測試、討論以及課下的反饋等，利用課上的案例教學和課下的數(shù)值模擬實踐，達到翻轉課堂的效果。并強調了對海洋平臺設計以及深海資源開發(fā)技術的發(fā)展前沿跟蹤探索的線上學習方式的獲取，如圖1 所示。教學內容上，經(jīng)過初步修正的內容包含24 課時的海洋平臺主體尺度規(guī)劃原則和方法、總體性能分析與結構強度的相關內容和8 課時的系泊系統(tǒng)設計內容。經(jīng)過數(shù)年教學實踐和對最新海洋結構物設計教學的參考，為了進一步提升教學內容的完整和統(tǒng)一性，強化面向創(chuàng)新實踐的教學目的，新的教學大綱進一步強化了結構設計基礎、載荷與結構響應和模型試驗內容，適當減少了定位系統(tǒng)設計的講解。對海洋平臺設計規(guī)范進行更新和刪減，形成最終修訂的新教學大綱，更有利于強化學生利用所學知識解決實際工程問題的綜合能力培養(yǎng)。

圖1 海洋平臺設計原理課程教學方法

二、教學講義與內容

依托《海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術》[2]的主體，原講義主要內容分為兩個部分，第一部分為海洋平臺總體設計，第二部分為深水平臺定位系統(tǒng)設計。第一部分包含七章內容：第一章緒論，主要介紹了海洋平臺類型、發(fā)展歷程和結構特點等；第二章介紹了海洋工程環(huán)境與載荷，包含有風、浪、海流、海冰與地震，其中重點通過波浪理論和莫里森方程對海洋平臺主要受到的海浪開展了相關的講解與實例分析；第三章為深水平臺設計基礎，介紹了浮式結構物設計基本過程及其特點、浮式平臺設計基礎和要求；第四章為深水平臺總體尺度與結構規(guī)劃，重點根據(jù)幾種典型的深邃平臺結構特點介紹了半潛式平臺、張力腿平臺和深吃水立柱平臺的主體尺度規(guī)劃及結構形式對不同規(guī)劃的影響；第五章以半潛式平臺為主，進一步考察主尺度規(guī)劃的合理性，通過計算平臺運動特征和各自由度上的響應周期和設計波確定來完成平臺的總體性能分析；第六章對平臺組合載荷工況的介紹，分析了不同形式平臺的強度分析特點；第七章是深水平臺的主體安裝，介紹了不同結構形式平臺安裝方法的差異和相關的工程結構介紹。第二部分基于《浮式結構定位系統(tǒng)設計與分析》[3]，通過四章內容對系泊系統(tǒng)特點、材料、受力及強度和系泊設計做出介紹，結合最后一章動力定位系統(tǒng)完成了浮式結構物定位系統(tǒng)的介紹。講義在內容上包含了海洋平臺總體設計過程相關的內容。但是兩部分內容在邏輯性上并不太連貫，分別開展主體結構和系泊系統(tǒng)設計過程中涉及的大量設計規(guī)范，對課堂教學的講授和學生積極性是一個較大的挑戰(zhàn)。在主體的第一部分中，對過程、規(guī)范等內容的側重較強，對結構設計基礎及創(chuàng)新實踐性的教學內容缺少足夠的探索。

結合新教學大綱提出的新的教學目標，在原講義基礎上，研究和分析國內高校在海洋平臺設計相關課程中教學內容設計，基于《Handbook of Offshore Engineering》《Dynamic Analysis and Design of Offshore Structures》《Springer Handbook of Ocean Engineering》和《海洋結構工程》完成對新講義主要內容的梳理與整合，對定位系統(tǒng)設計相關內容進行簡化，最終形成了基本符合雙語教學的海洋平臺設計原理課程的新講義與教學內容規(guī)劃。

新講義共包含有八章主要內容。第一章內容為海洋平臺概述，在原基礎上增加了對深海油氣開采的介紹，增強專業(yè)背景知識的掌握。另一方面，對典型深水平臺特點的介紹過程中，將平臺安裝涉及的初步內容添加到第一章，進而刪除原講義中的第七章。第二章主要介紹幾種典型的海洋環(huán)境及載荷，突出波浪載荷的重要性，添加了波浪譜相關直接介紹與運用講解。結合課題組經(jīng)驗，介紹了使用規(guī)范進行平臺結構抗地震分析的實例，達到基礎強化與運用能力的培養(yǎng)。第三章為海洋平臺載荷與響應。重點介紹波浪載荷及設計波的確定，以及針對波浪載荷作用下在平臺和結構物上載荷的計算和結構物運動響應的簡化計算分析。在本章內容中，針對結構響應內容，演示使用ANSYS/AQWA 進行有限元分析的方法，強調理論到實踐的轉換。第四章從結構設計原理與方法引入，主要針對海洋平臺結構設計所涉及的極限狀態(tài)設計和疲勞極限狀態(tài)設計進行講解，貫通結構設計到海洋結構物設計，注重海洋結構物特殊海洋環(huán)境下極限狀態(tài)的特點。并強調了作為一種結構設計，海洋平臺結構可靠性與風險評估的重要性和基本方法。第五章將海洋平臺主尺度的規(guī)劃和總體性能分析進行整合，針對典型平臺結構的總體設計進行邏輯性連貫性更好的介紹。并將平臺安裝涉及的總體性能分析部分內容納入到此章。第六章主要介紹深水平臺的定位系統(tǒng)，將原講義中約占8 學時的內容進行縮減，主要針對系泊系統(tǒng)靜力計算、系泊系統(tǒng)動力分析以及使用時域和頻域方法開展系泊系統(tǒng)強度分析進行講解，將動力定位基本原理和發(fā)展現(xiàn)狀部分融入該章，形成完整的內容。在完成海洋平臺結構和總體設計相關理論知識介紹后，第七章重點包含有浮式平臺模擬實驗技術，針對實驗模擬技術所涉及的相似律等基本理論，深水模擬實驗平臺發(fā)展和相關技術，并結合小型的實驗模型開展深水模擬實驗的簡單實際操作演示結合課堂講解，強調學生通過文獻調研對當前在深水試驗模擬平臺的最新研究進展進行跟蹤和分析，進一步強化學生學以致用，增強專業(yè)理論和專業(yè)技能。第八章從結構層面轉換到材料層面，強調學生對所學的材料力學和結構力學知識的專業(yè)實踐認知，對傳統(tǒng)材料性能和當前新材料（如纖維增強材料）在水下和特殊環(huán)境（高/低溫、高壓）條件下的特性和應用前景有充分的認知。

對比修訂前的海洋平臺設計原理課程講義及內容，新講義所包含的內容具有以下幾個主要特點：（1）內容邏輯性強。新講義調整了舊有內容安排上的扁平性，以深水平臺設計所包含的主要內容為主線，將材料特性、典型深水平臺特性及其尺度規(guī)劃和總體性能分析、風險和可靠性評估進行串并聯(lián)，形成了一種思路清晰邏輯性更強的教學思路，如圖2 所示；（2）強化基礎知識。講義在保留原有的平臺設計所包含的基本理論，如強度校核、波浪理論、平臺特征載荷下的分離和扭轉和剪切計算等，增加了結構設計中極限狀態(tài)設計、可靠性和風險評估知識，有助于學生對結構設計類專業(yè)課程的整體思路的整理和掌握；（3）突出創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。新講義在強化基礎理論基礎上，通過增加實驗模擬技術知識和數(shù)值模擬實踐的海洋結構物課程設計，利用翻轉課堂形式，促進學生將專業(yè)知識轉化為專業(yè)技能的能力培養(yǎng)，突出利用綜合的專業(yè)知識解決實際工程問題的能力培養(yǎng)；（4）先進性。新講義更新和增加了海洋工程結構相關的設計規(guī)范和方法，引入線上線下相互促進的教學方法，提升學生對專業(yè)知識新進展和新成果的自主學習能力培養(yǎng)；（5）深入落實專業(yè)課程思政。為了促進一流專業(yè)建設，課程組在制定新大綱和講義過程中強調了專業(yè)課程思政的深入落實。在新講義中，每章內容均有一個課程思政要點來進行課堂內容的串聯(lián)，寓價值觀引導于潛移默化的知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀。

圖2 海洋平臺設計思路

三、海洋結構物總體設計與優(yōu)化課程設計

海洋結構物總體設計與優(yōu)化課程設計是學生基礎鞏固和創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的重要一環(huán)，對于培養(yǎng)卓越海洋結構工程師具有重要的意義。

在學生已完成的專業(yè)課的學習中，理論和大型課程設計以船體結構與強度設計為主，學生對給定的母型船結構下根據(jù)設計規(guī)范，掌握了對船體結構穩(wěn)性、強度等計算與分析，具有一定的實踐能力。為進一步培養(yǎng)學生綜合運用所學專業(yè)知識的能力，海洋結構物總體設計與優(yōu)化課程設計作出了適當?shù)男薷模海?）在課程設計形式上，不再提供母型船結構相關信息，而是以海洋結構物所要滿足的功能需求為給定條件，進一步貼合實際工程需求。促使學生通過文獻調研的形式，獲取海洋平臺要滿足功能需求需要設計的具體形式以及所工作海域的環(huán)境條件。在這種條件下，滿足海洋結構物設計的一個閉環(huán)；（2）設計內容除了傳統(tǒng)的結構靜力學強度以及穩(wěn)性等計算分析外，強調了深水環(huán)境工作條件下的海洋平臺載荷與結構響應計算分析，充分考慮結構定位方式對海洋平臺結構性能的影響。重要的是，該課程設計的啟動時間與課程啟動時間一致，貫穿在海洋平臺設計原理理論教學和海洋結構物總體設計與優(yōu)化課程設計的教學過程中，便于學生實現(xiàn)理論學習到工程實踐的摸索與探討；（3）在考核形式上，以4 人為一小組的形式展開，在設計初期完成工作協(xié)調分工，最后根據(jù)設計和答辯結果對每個小組中的每個成員進行考評，考評內容同組相互交叉，以促進項目開展過程中學生的參與度。

通過近幾年的課程設計實踐可以發(fā)現(xiàn)，學生對課程設計具有較高的投入程度，能夠根據(jù)功能需求設計出基本符合要求的一般形式的海洋平臺結構形式，并完成相關的計算分析。但是，由于未給定母型船體結構信息，在平臺結構細節(jié)設計中容易出現(xiàn)較多的不合理情況，以至于在后續(xù)結構性能分析時出現(xiàn)較大偏差。這需要課程組在教學實踐中進一步具體化地讓學生對典型海洋平臺結構有清晰的認知。

四、結束語

創(chuàng)新實踐型人才培養(yǎng)是研究型大學專業(yè)課程教學的重要目標，是深入落實立德樹人根本任務的基礎。鑒于對深海資源開發(fā)、利用和保護的需求，深水海洋平臺的發(fā)展對國家建設海洋強國具有重大意義。結合當前快速的技術發(fā)展和對學生自主創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的要求，海洋平臺設計原理課程在初步的教學大綱和講義基礎上，從強化教學內容的邏輯連貫性、鞏固專業(yè)知識基礎、重視理論到實踐能力培養(yǎng)的目標，新的海洋平臺設計原理教學大綱和內容完成了修訂和初步實踐。新的教學內容具有更好的科學性和工程實踐性，有力地強化了學生專業(yè)基礎和專業(yè)技能的培養(yǎng)。使學生能夠在自主學習和研究的過程中，注重理論與實踐相結合，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，促進學生綜合能力和協(xié)同組織能力的提高，為海洋強國戰(zhàn)略培養(yǎng)具有較高綜合素養(yǎng)的復合型人才提供有力支撐。