新工科背景下《船舶建造理論與工藝》多種教學(xué)策略探索

□蘇紹娟 于鵬垚 趙 勇

一、引言

《船舶建造理論與工藝》課程是大連海事大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)必修主干課程，講述船舶建造工藝的相關(guān)理論與方法，主要包括船體工藝、舾裝工藝和涂裝工藝。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握船舶建造的基本理論、建造流程、工藝方法、工藝裝備；了解國內(nèi)外造船發(fā)展趨勢及先進(jìn)的造船工藝，使學(xué)生初步具備從事船舶建造及解決生產(chǎn)實(shí)際問題的能力?？陀^上來說，船舶建造理論與工藝是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，涉及到船廠生產(chǎn)的各個(gè)部門，如果僅僅依靠課本來講述的話，教師很難描述出船廠生產(chǎn)實(shí)際情況，學(xué)生也難以明白，有一種“紙上談兵”的感覺，不免讓學(xué)生感覺枯燥乏味，這也是該課程教學(xué)存在的難點(diǎn)所在。

新工科專業(yè)除了指新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，如與大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)的專業(yè)還包括將智能技術(shù)用于傳統(tǒng)工科專業(yè)升級改造的專業(yè)。與傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)相比，新工科專業(yè)培養(yǎng)的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)，同時(shí)具有國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型人才。船舶與海洋工程專業(yè)是行業(yè)特色很鮮明的傳統(tǒng)專業(yè)，同時(shí)又融合了機(jī)械、力學(xué)、材料、智能、控制等多個(gè)學(xué)科[1]，屬于新工科建設(shè)范疇?！洞敖ㄔ炖碚撆c工藝》課程如果僅僅講述傳統(tǒng)的制造方法，顯然不符合新工科人才的培養(yǎng)要求，因此本文在分析船舶建造工藝課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對存在的不足，在新工科背景下，整合教學(xué)資源，通過多媒體課件、立體分段結(jié)構(gòu)實(shí)體、三維船體虛擬仿真結(jié)構(gòu)模型、利用虛擬仿真技術(shù)模擬建造流程等多種教學(xué)手段，采用雨課堂教學(xué)工具，使學(xué)生從立體角度掌握船舶建造理論與工藝流程，為虛擬造船打下良好的基礎(chǔ)[2]。

二、課程內(nèi)容概述

船體建造工藝流程是指船體構(gòu)件加工，船體部件、分段、總段裝焊工藝，船臺(船塢)總裝，直至完成整個(gè)船體的工藝過程。主要包括船體放樣、鋼材預(yù)處理、號料與下料、構(gòu)件邊緣加工、構(gòu)件成形加工、部件裝焊、分段裝焊、大型分段及總段組裝、船臺總裝、船舶舾裝、船舶涂裝、船舶焊接、密性試驗(yàn)和船舶下水等，其造船工藝流程如圖1所示[3]。

圖1 造船工藝流程

可見現(xiàn)代造船模式并非一個(gè)簡單的串聯(lián)過程，而是一個(gè)不斷往復(fù)的復(fù)雜過程。隨著制造技術(shù)和管理技術(shù)不斷進(jìn)步、船體分道建造技術(shù)、區(qū)域舾裝技術(shù)和區(qū)域涂裝技術(shù)不斷完善，造船生產(chǎn)達(dá)到了船體建造、舾裝和涂裝三種不同類型的作業(yè)在空間和時(shí)間上相互協(xié)調(diào)和有機(jī)結(jié)合，形成了殼、舾、涂一體化的按“區(qū)域/類型/階段”組織生產(chǎn)的造船模式。

三、發(fā)揮多媒體教學(xué)的優(yōu)越性

多媒體教學(xué)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)者的思路想法，從整體上對課程內(nèi)容進(jìn)行分類，把文字、突破、視頻、動(dòng)畫等多種素材在時(shí)間上和空間上進(jìn)行集成，從而極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)習(xí)的興趣和求知的欲望，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，發(fā)揮課程教學(xué)學(xué)生主體的作用[4]。

《船舶建造理論與工藝》課程涉及面很廣且內(nèi)容豐富凌亂，鋼質(zhì)船舶的船體由成千上萬個(gè)零部件經(jīng)過成形加工、裝配、焊接而成，讓沒有任何建造經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生單純從書本上理論上短時(shí)間內(nèi)掌握種類繁多、內(nèi)容復(fù)雜的船舶建造理論與方法是有一定難度的[5]。因此，需要借助多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以圖片、動(dòng)畫、視頻等多種資源相結(jié)合的方式在課堂上充分展示復(fù)雜全面的船體構(gòu)件和生產(chǎn)加工流程，讓學(xué)生從視覺、聽覺、立體等多方面增強(qiáng)對船舶建造理論與方法的認(rèn)識，使原本復(fù)雜抽象的知識瞬間變得簡單明了、通俗易懂。同時(shí)也活躍了課堂的氣氛，提高了學(xué)生的興趣。

有些工藝到現(xiàn)場看到就會理解，但是如果單純理論講解，不但學(xué)生感到抽象難以理解，教師表述也不太容易，但是通過圖片視頻就能一目了然，比如在船體鋼料加工階段實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化，采用的是流水線作業(yè)形式，包括鋼材的送進(jìn)、矯平、預(yù)熱、拋丸除銹、噴漆、烘干、送出過程，如圖2所示，如果教師僅憑一般性的講解，不會給學(xué)生留下任何印象，學(xué)生也不會理解，但是通過視頻資料，一下子就能吸引學(xué)生的注意力，達(dá)到非常好的教學(xué)效果。同樣由于篇幅和學(xué)時(shí)的限制，在教材和課堂上很少描述船舶建造的工藝準(zhǔn)備，學(xué)生也沒有見過，所以建造的理論講解總會是空中樓閣、紙上談兵的感覺，通過在網(wǎng)上搜索大量的圖片，如圖3所示，可以很好地增強(qiáng)學(xué)生的感官認(rèn)識，從而對造船理論和方法有更深入的理解，使課堂不再枯燥無味。

圖2 鋼材預(yù)處理流水線

(a)數(shù)控肋骨冷彎機(jī) (b)三輥卷板機(jī)

四、結(jié)合立體結(jié)構(gòu)實(shí)體模型

船舶建造工藝對學(xué)生的立體感要求很高，在講述分段建造時(shí)，僅從理論出發(fā)或者結(jié)合二維結(jié)構(gòu)圖學(xué)生很難想象其裝配順序[6]，針對此問題，教師整合現(xiàn)有資源，結(jié)合學(xué)?，F(xiàn)有的立體分段實(shí)體，如圖4所示，對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析，使學(xué)生從立體角度加深對船體結(jié)構(gòu)形式的理解，進(jìn)而讓學(xué)生掌握建造工藝流程，為虛擬造船打下良好的基礎(chǔ)。

(a)艙壁結(jié)構(gòu) (b)球鼻艏結(jié)構(gòu)圖4 船體結(jié)構(gòu)模型

五、船舶制造流程虛擬仿真教學(xué)策略

船體分段裝配虛擬仿真是一項(xiàng)綜合性的訓(xùn)練，是學(xué)生在學(xué)習(xí)完成相關(guān)專業(yè)知識后進(jìn)行的。依托仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建仿真環(huán)境及實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的效果。

(一)虛擬仿真的目的及方法。虛擬仿真的目的是堅(jiān)持虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的原則，體現(xiàn)“新工科”理念，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為導(dǎo)向，著重提升學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力。

1.模擬現(xiàn)場教學(xué)+討論法。指導(dǎo)教師以仿真實(shí)驗(yàn)裝置為對象，現(xiàn)場指導(dǎo)和講解，要求學(xué)生參考結(jié)構(gòu)工藝圖紙，對裝配方法、裝備設(shè)備、裝配焊接順序等內(nèi)容進(jìn)行討論；并現(xiàn)場給出幾種不同的裝配流程，同學(xué)討論其裝配流程的優(yōu)缺點(diǎn)，從而確立正確的裝配順序。

2.教學(xué)法+互動(dòng)法。學(xué)生按照典型分段的生產(chǎn)流程完成各個(gè)階段裝配順序，進(jìn)而從整體上把握工藝流程。同學(xué)也可以形成小組與其他同學(xué)研討確定最優(yōu)的裝配方案，實(shí)現(xiàn)“生生互動(dòng)”；教師現(xiàn)場指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)“師生互動(dòng)”；學(xué)生通過工藝仿真操作練習(xí)，掌握船體分段裝配焊接的順序和方法。

圖5 船底分段裝配仿真流程圖

(二)仿真流程。首先學(xué)生通過用戶名和密碼登錄系統(tǒng)；仿真開始前可對工藝流程進(jìn)行選擇編輯；操作過程中對于施工過程中各知識點(diǎn)附有解析與知識拓展說明性提示，幫助學(xué)生自學(xué)；資料庫功能，項(xiàng)目實(shí)施過程中所涉及到的工藝圖紙、施工方案其它文件資料；學(xué)生根據(jù)所學(xué)裝配理論在可視化環(huán)境下完成典型分段裝配流程。以船底結(jié)構(gòu)裝配為例完成的實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示。

總之通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論教學(xué)，學(xué)生能夠掌握船體典型分段：船底、舷側(cè)、甲板、艙壁等分段的裝配流程[7]。把理論課中難以用語言表達(dá)的難點(diǎn)、重點(diǎn)表示出來，使學(xué)生通過該虛擬仿真掌握船體典型分段的制造過程，從而能加深了解，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，也能提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

六、結(jié)語

綜上所述，在新工科人才培養(yǎng)大背景下，《船舶建造理論與工藝》教學(xué)手段和教學(xué)方式不應(yīng)僅限于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，應(yīng)該與三維建模、智能制造、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)結(jié)合，既要充分利用多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)資源，還應(yīng)與虛擬仿真制造相結(jié)合，通過船體分段裝配流程仿真，對船廠裝配車間情景再現(xiàn)，任課教師通過教材、動(dòng)畫模擬、實(shí)物模型、船廠實(shí)習(xí)等方式將理論知識傳授給學(xué)生，學(xué)生以小組討論的方式確定船體裝配方案，實(shí)現(xiàn)“生生互動(dòng)”；教師現(xiàn)場指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)“師生互動(dòng)”。通過互動(dòng)教學(xué)，學(xué)生不但能夠掌握船體典型分段的裝配流程，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程的能力，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識。