“船舶流體力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容的分析與思考

劉 曾，孫江龍，袁 華，解 德

（1.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.船舶數(shù)據(jù)技術(shù)與支撐軟件湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430074；3.船舶和海洋水動(dòng)力湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

1 課程的基本特征

習(xí)近平同志在黨的十九大報(bào)告中指出：“堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)?！痹谖覈?guó)從高速發(fā)展至高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，上至黨中央、各部委領(lǐng)導(dǎo)，下至高校教務(wù)管理人員及授課教師，均意識(shí)到專業(yè)教材在人才培養(yǎng)質(zhì)量上起著舉足輕重的作用。高等學(xué)校本科專業(yè)教材是高校教師授課的“劇本”，專業(yè)教材的好壞直接影響教師的課堂效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，對(duì)學(xué)生夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)專業(yè)思維能力起著至關(guān)重要的作用。

“船舶流體力學(xué)”是流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與船舶與海洋工程領(lǐng)域流體力學(xué)問(wèn)題的有機(jī)結(jié)合，是船舶與海洋工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在專業(yè)課程體系中有著舉足輕重的地位。設(shè)置船舶與海洋工程本科專業(yè)的高等院校，通常會(huì)在第5 學(xué)期開設(shè)“船舶流體力學(xué)”課程。對(duì)船舶與海洋工程專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，“船舶流體力學(xué)”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，幾乎所有與船舶原理及海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能有關(guān)的后續(xù)課程，都是以它作為基礎(chǔ)知識(shí)的。在這門課程的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生普遍反映涉及的內(nèi)容較為抽象且公式推導(dǎo)較多，不易學(xué)習(xí)。

本文將面向船舶與海洋工程行業(yè)需求，結(jié)合所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)本科課程教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)船舶與海洋工程專業(yè)基礎(chǔ)課程“船舶流體力學(xué)”，在分析國(guó)內(nèi)現(xiàn)有主要教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，從專業(yè)需求角度提出“船舶流體力學(xué)”課程教學(xué)所需解決的核心問(wèn)題，給出“船舶流體力學(xué)”課程的基本知識(shí)構(gòu)架，供后續(xù)編寫教材參考。

2 現(xiàn)有教材主要內(nèi)容分析

表1列出了國(guó)內(nèi)船舶與海洋工程專業(yè)開設(shè)“船舶流體力學(xué)”課程所主要采用教材的基本信息。這七本教材的編者來(lái)自上海交通大學(xué)、江蘇科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)、華南理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和武漢理工大學(xué)。這些高等院校是目前我國(guó)“船舶與海洋工程”專業(yè)本科生培養(yǎng)的中堅(jiān)力量（除華南理工大學(xué)外，其余六所高等院校的船舶與海洋工程專業(yè)均入選首批國(guó)家一流本科建設(shè)點(diǎn)）。因此，表1 所列出的教材可認(rèn)為代表了船舶與海洋工程專業(yè)“船舶流體力學(xué)”課程教材的整體情況。

表1中所列教材均以不可壓縮流體為主線，講述流體力學(xué)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用。在對(duì)具體章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有“船舶流體力學(xué)”教材的內(nèi)容可細(xì)分為流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和船海專業(yè)特色知識(shí)兩類。表2 和表3 分別給出了這七本教材在流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和船海專業(yè)知識(shí)的章節(jié)分布。可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有教材中的流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)主要包括：流體的性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)、理想流體動(dòng)力學(xué)、旋渦理論和圓管流動(dòng)，這部分內(nèi)容主要為后續(xù)內(nèi)容的教學(xué)打基礎(chǔ)。后續(xù)章節(jié)均為船海專業(yè)知識(shí)，包括：勢(shì)流理論、粘性流體動(dòng)力學(xué)、邊界層理論、機(jī)翼理論、水波理論和相似理論，這部分內(nèi)容與船舶與海洋工程水動(dòng)力問(wèn)題緊密相關(guān)。

表1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有“船舶流體力學(xué)”教材基本信息

表2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有“船舶流體力學(xué)”教材中包含流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的章節(jié)分布

表3 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有“船舶流體力學(xué)”教材中包含船海專業(yè)知識(shí)的章節(jié)分布

以國(guó)內(nèi)早期出版的兩本教材（劉岳元、馮鐵城、劉應(yīng)中，許維德）為例，現(xiàn)有教材主要從流體力學(xué)知識(shí)的內(nèi)在邏輯出發(fā)，將船海專業(yè)特色知識(shí)劃分為勢(shì)流理論及其應(yīng)用與粘性流體動(dòng)力學(xué)兩大部分，其中勢(shì)流理論及其應(yīng)用部分包括旋渦理論、勢(shì)流理論、機(jī)翼理論和水波理論，粘性流體動(dòng)力學(xué)部分包括N-S 方程介紹、相似理論、邊界層理論和湍流等。這種內(nèi)容劃分方法從流體力學(xué)知識(shí)體系的邏輯結(jié)構(gòu)出發(fā)，相應(yīng)知識(shí)結(jié)構(gòu)層次清晰，內(nèi)容循序漸進(jìn)。

船舶流體力學(xué)主要描述當(dāng)水中的浮體與水發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的作用力，以及水與浮體間的相互作用。具體來(lái)說(shuō)，船舶流體力學(xué)從力學(xué)的角度來(lái)闡釋船舶在航行時(shí)所受到的阻力、螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的推力、船舶或海洋平臺(tái)等浮式結(jié)構(gòu)在波浪中的運(yùn)動(dòng)與受力以及船舶或潛水器在航向改變時(shí)的受力。從船舶與海洋工程需求的角度出發(fā)，可發(fā)現(xiàn)船舶阻力的分析由勢(shì)流理論、粘性流體動(dòng)力學(xué)、邊界層理論和水波理論支撐，螺旋槳推進(jìn)性能的分析依賴于旋渦理論和機(jī)翼理論，船舶或海洋平臺(tái)等浮式結(jié)構(gòu)在波浪中的運(yùn)動(dòng)與受力由水波理論支撐，船舶或潛水器在航向改變時(shí)的受力與勢(shì)流理論中附件質(zhì)量等內(nèi)容相關(guān)，不同尺度間物理關(guān)系的換算則由相似理論支撐。

現(xiàn)有教材所普遍采用的內(nèi)容劃分方法，將船舶與海洋工程水動(dòng)力分析的需求割裂，僅有較少章節(jié)提到船舶與海洋工程專業(yè)的實(shí)際水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，與專業(yè)需求聯(lián)系不緊密，不利于培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)流體力學(xué)知識(shí)解決船舶與海洋工程水動(dòng)力問(wèn)題的意識(shí)。此外，現(xiàn)有“船舶流體力學(xué)”教材與后續(xù)“船舶原理”等課程內(nèi)容銜接不順暢，通過(guò)現(xiàn)有教材的教學(xué)，學(xué)生對(duì)船舶流體力學(xué)與船舶原理之間的聯(lián)系體會(huì)不深，也影響了學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣。

3 課程教學(xué)內(nèi)容編排的思考

在分析現(xiàn)有教材優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本科課題教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)“船舶流體力學(xué)”教學(xué)需要解決的核心問(wèn)題是：建立流體力學(xué)的一般理論與方法和船舶與海洋結(jié)構(gòu)所面臨的流體力學(xué)工程問(wèn)題之間的聯(lián)系?！按傲黧w力學(xué)”課程是“船舶原理”課程的先導(dǎo)課程，通過(guò)這門課程的教學(xué)，教師須傳授學(xué)生船舶與海洋工程流體力學(xué)理論的基本知識(shí)要素，并培養(yǎng)學(xué)生分析解決船舶與海洋工程流體力學(xué)問(wèn)題的基本能力。

圍繞教學(xué)需解決的核心問(wèn)題，在教材內(nèi)容編寫過(guò)程中需妥善解決如下三方面問(wèn)題：

第一，處理好“船舶流體力學(xué)”與“流體力學(xué)”間的關(guān)系。船舶流體力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)分支，主要關(guān)注不可壓縮流體—水與物體之間的運(yùn)動(dòng)和相互作用?！按傲黧w力學(xué)”宜從專業(yè)需求出發(fā)，從“流體力學(xué)”中提取與專業(yè)問(wèn)題匹配的流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，按照專業(yè)問(wèn)題自身的邏輯次序進(jìn)行編排，強(qiáng)化專業(yè)問(wèn)題與流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的聯(lián)系，弱化流體力學(xué)中數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程埋下清晰、高效的伏筆。

第二，處理好“船舶流體力學(xué)”與“船舶原理”間的關(guān)系。作為“船舶原理”課程的先導(dǎo)課程，“船舶流體力學(xué)”宜從流體力學(xué)角度對(duì)專業(yè)問(wèn)題進(jìn)行描述與講解，使流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與專業(yè)問(wèn)題有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)“船舶原理”課程前，對(duì)專業(yè)問(wèn)題有一定的認(rèn)知，方便在“船舶原理”課程上進(jìn)行更深入的教學(xué)。

第三，處理好“船舶流體力學(xué)”與“計(jì)算流體力學(xué)”等的關(guān)系。計(jì)算流體力學(xué)提供了一個(gè)方便的手段來(lái)解決船舶與海洋工程專業(yè)的流體力學(xué)問(wèn)題，也是船舶與海洋工程專業(yè)目前非?；钴S的一個(gè)研究領(lǐng)域。在編寫“船舶流體力學(xué)”教材過(guò)程中，可以對(duì)計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展進(jìn)行扼要介紹，可以借助計(jì)算流體力學(xué)對(duì)一些常見(jiàn)專業(yè)問(wèn)題進(jìn)行分析，但不宜對(duì)計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行過(guò)多篇幅的介紹。計(jì)算流體力學(xué)是手段，“船舶流體力學(xué)”的編寫圍繞教材需解決的核心問(wèn)題開展。為提升“船舶原理”課程教學(xué)中部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)效果，華中科技大學(xué)單獨(dú)開設(shè)了“船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)”這門課程?！按傲黧w力學(xué)”可在相似理論一章中，簡(jiǎn)要介紹實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的重要性和“船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)”的主要內(nèi)容。

簡(jiǎn)而言之，“船舶流體力學(xué)”教材大綱的編寫，宜以行業(yè)工程問(wèn)題需求為牽引，尋找能解決這些工程問(wèn)題的流體力學(xué)知識(shí)與方法。表4 給出了“船舶流體力學(xué)”課程大綱的初步架構(gòu)。大綱共包含八章內(nèi)容，其中前四章圍繞勢(shì)流理論講述流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)：第一章介紹船舶流體力學(xué)關(guān)鍵問(wèn)題，第二章介紹流體力學(xué)基本概念、流體力學(xué)基本方程、流體力學(xué)基本解法，第三章介紹相似理論，第四章介紹波浪理論。后四章圍繞船舶工程需求講述船舶專業(yè)知識(shí)：第五章介紹船舶快速性，主要包括船舶阻力劃分、理想流體阻力、粘性流體阻力、自由面興波阻力和螺旋槳基礎(chǔ)理論；第六章介紹船舶耐波性，主要包括無(wú)界流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)物體受力分析、船體波浪載荷和船體響應(yīng)；第七章介紹船舶操作運(yùn)動(dòng)方程，主要包括線性運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)與非線性運(yùn)動(dòng)方程的介紹；第八章介紹船舶流體實(shí)驗(yàn)，主要包括常規(guī)排水型船舶的阻力預(yù)報(bào)與水翼受力分析。按華中科技大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)本科生培養(yǎng)計(jì)劃，設(shè)置課程總學(xué)時(shí)36 學(xué)時(shí)，各章節(jié)課時(shí)在綜合考慮各章節(jié)教學(xué)任務(wù)量與學(xué)生學(xué)習(xí)接受程度的基礎(chǔ)上進(jìn)行分配。

表4 “船舶流體力學(xué)”課程大綱初步架構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)“船舶流體力學(xué)”教材的主要內(nèi)容進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有教材側(cè)重從流體力學(xué)知識(shí)的內(nèi)在邏輯出發(fā)，和本專業(yè)流體力學(xué)工程問(wèn)題的聯(lián)系有待進(jìn)一步加強(qiáng)。接著，從行業(yè)工程需求出發(fā)，提出了“船舶流體力學(xué)”教材在編寫中需解決的核心問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，對(duì)“船舶流體力學(xué)”與“流體力學(xué)”“船舶原理”“計(jì)算流體力學(xué)”等課程間的關(guān)系給出了初步的思考，并對(duì)“船舶流體力學(xué)”教材大綱提出了新的構(gòu)想。本文的工作明確了“船舶流體力學(xué)”在專業(yè)教學(xué)中的定位，為出版一本反映船舶與海洋工程發(fā)展、滿足船舶與海洋工程專業(yè)需求的“船舶流體力學(xué)”教材打下了良好的基礎(chǔ)。