基于問題式學(xué)習(xí)的船海工程疲勞課程教學(xué)改革

張 崎，董磊磊，楊宏啟，陳景杰

（大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

引言

疲勞損傷是船海工程領(lǐng)域中的常見問題，也是該領(lǐng)域中業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的問題。疲勞分析相關(guān)課程是船舶與海洋工程專業(yè)中非常有特色的專業(yè)課程之一，其主要內(nèi)容為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的疲勞與斷裂損傷的基本理論、基本概念等相關(guān)知識(shí)；同時(shí)面向船海領(lǐng)域的實(shí)際工程問題，學(xué)習(xí)掌握疲勞、斷裂破壞分析的工程化方法。該課程在培養(yǎng)本科生特別是高年級(jí)本科生的分析問題、解決問題能力和工程概念等方面有著重要的作用。

目前國內(nèi)很多知名高校都在工科專業(yè)的本科階段開設(shè)了疲勞分析的相關(guān)課程［1］，但是由于各高校開設(shè)此課程的專業(yè)不同，因此在培養(yǎng)目標(biāo)與課程設(shè)置等方面的側(cè)重點(diǎn)各不相同，由此產(chǎn)生的教育教學(xué)問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是在授課內(nèi)容方面偏重機(jī)理的學(xué)習(xí)，弱化了疲勞問題的工程化應(yīng)用。雖然在培養(yǎng)目標(biāo)中均強(qiáng)調(diào)提升學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用能力，但是在課程體系中較少設(shè)置與工程問題銜接緊密的學(xué)習(xí)內(nèi)容。二是在課堂教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)上偏重知識(shí)的講授，弱化了學(xué)生的參與和互動(dòng)。由于學(xué)生的參與度不夠直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)專業(yè)知識(shí)的投入程度，學(xué)生一直處于以教材為中心的應(yīng)試學(xué)習(xí)狀態(tài)中，難以提高學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。此外，調(diào)研發(fā)現(xiàn)與該課程相關(guān)的教學(xué)培養(yǎng)模式、教學(xué)內(nèi)容改革的相關(guān)研究卻很少，且相對(duì)集中于航空航天及機(jī)械等其他專業(yè)方向［2-3］；相關(guān)的教學(xué)改革工作僅對(duì)課程教材適用性、教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)置等部分進(jìn)行研討［4］。由于該課程中的疲勞和斷裂力學(xué)涉及面廣且實(shí)用性很強(qiáng)，因此在教學(xué)中如何讓學(xué)生在牢固掌握基本概念、基本方法、基本理論的基礎(chǔ)上，盡可能地建立較為系統(tǒng)的學(xué)科知識(shí)體系和結(jié)構(gòu)，是一個(gè)比較困難的問題。

通過前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在國外高校中，很多學(xué)校同樣開設(shè)了疲勞與斷裂相關(guān)的課程，其中包括美國麻省理工學(xué)院、挪威科技大學(xué)、英國西英格蘭大學(xué)、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)等知名學(xué)府。麻省理工學(xué)院在材料科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的課程明顯針對(duì)材料及其相關(guān)專業(yè)，其授課內(nèi)容偏重機(jī)理、過于理論化，并不適用于船海專業(yè)；英國西英格蘭大學(xué)、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的課程設(shè)置雖偏向于土木工程專業(yè)及航空航天專業(yè)，但就授課基本內(nèi)容而言，都是面向工程問題的課程教學(xué)。在國外眾多高校中，疲勞與斷裂相關(guān)課程設(shè)置最為完善和系統(tǒng)的是挪威科技大學(xué)，該校也是船海行業(yè)的頂級(jí)院校。挪威科技大學(xué)依次開設(shè)了“疲勞設(shè)計(jì)”“海洋結(jié)構(gòu)的疲勞和斷裂”和“疲勞分析”三門課程，其中前兩門課程是針對(duì)高年級(jí)本科生或研究生開設(shè)的，第三門課程是針對(duì)博士生開設(shè)的。挪威科技大學(xué)的“疲勞設(shè)計(jì)”主要涉及與設(shè)計(jì)和維護(hù)抵抗疲勞失效相關(guān)的基本問題，同時(shí)介紹疲勞設(shè)計(jì)在工業(yè)界的關(guān)鍵應(yīng)用，授課基本內(nèi)容與國內(nèi)現(xiàn)有課程基本相同；但挪威科技大學(xué)在課程中設(shè)置12個(gè)作業(yè)，其中10個(gè)旨在解決工程問題，其余2個(gè)是基于給定主題的自主論文。挪威科技大學(xué)的“海洋結(jié)構(gòu)的疲勞和斷裂”是在“疲勞設(shè)計(jì)”的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講解挪威國家石油標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（NORSOK）、挪威船級(jí)社（DNV）、英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（BSI）和美國材料與測(cè)試協(xié)會(huì)（ASTM）等行業(yè)權(quán)威機(jī)構(gòu)所給出的疲勞和斷裂設(shè)計(jì)規(guī)范與指南中規(guī)定的設(shè)計(jì)原則等知識(shí)，其教學(xué)大綱中明確規(guī)定了“理解并使用BS 7910給出的斷裂設(shè)計(jì)指南”的課程目標(biāo)；其目標(biāo)為完成課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生將對(duì)疲勞和斷裂的物理現(xiàn)象有較為透徹的了解，能夠建立海洋工程結(jié)構(gòu)中疲勞和斷裂的簡(jiǎn)單計(jì)算模型，并依據(jù)規(guī)范予以校核評(píng)估。

綜上可以看出，國內(nèi)高校在課程教學(xué)中十分重視理論和機(jī)理的學(xué)習(xí)，但缺乏針對(duì)海洋工程問題的教學(xué)；學(xué)生即使在課堂上學(xué)習(xí)、掌握了大量的基本知識(shí)、基本方法，但是仍然缺乏解決實(shí)際問題的經(jīng)驗(yàn)；遇到實(shí)際工程問題，很難理清頭緒，對(duì)于工程問題的原委與性質(zhì)缺乏認(rèn)識(shí)或是認(rèn)識(shí)得不深刻、不徹底，無法獨(dú)立地分析、解決問題。而挪威科技大學(xué)的課程設(shè)置思想十分值得我們學(xué)習(xí)，通過設(shè)置與專業(yè)內(nèi)容相關(guān)的“問題”，并結(jié)合行業(yè)規(guī)范進(jìn)行細(xì)致講解和學(xué)習(xí)，這將起到事半功倍的作用，有效地解決課堂教學(xué)與學(xué)生在未來工作中所面臨的真實(shí)、復(fù)雜情況相脫節(jié)的問題。因此，本文針對(duì)以上問題，結(jié)合我國船海專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，提出了面向工程實(shí)踐的疲勞損傷分析課程的問題式教學(xué)改革方案。

一、問題式學(xué)習(xí)

問題式學(xué)習(xí)的教學(xué)方法在教育教學(xué)領(lǐng)域已被公認(rèn)為是能夠幫助本科生系統(tǒng)地建立學(xué)科知識(shí)體系的方法，該方法源于20世紀(jì)60年代美國針對(duì)醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的特定教學(xué)模式［5］，其主要宗旨在于解決醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中課堂教學(xué)與實(shí)際情況相脫節(jié)的問題。問題式學(xué)習(xí)模式的顯著特點(diǎn)是以解決問題為核心，教學(xué)行為的整個(gè)過程是圍繞一系列的問題而展開的，是以弄清楚問題的來龍去脈、前因后果為目標(biāo)導(dǎo)向的，教學(xué)的過程同時(shí)也是問題探究解決的過程。問題式學(xué)習(xí)主要具有以下幾個(gè)特征［6］：首先，以工程中的科學(xué)問題為學(xué)習(xí)出發(fā)點(diǎn)。其次，在解決問題的過程中需要以適當(dāng)人數(shù)的學(xué)習(xí)小組為單位來解決問題，學(xué)習(xí)過程中要強(qiáng)調(diào)學(xué)生共同承擔(dān)責(zé)任、共同學(xué)習(xí)。再次，學(xué)習(xí)體系中要以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生是問題的解決者，是負(fù)有責(zé)任的自我發(fā)展的學(xué)習(xí)主體；而教師的作用是促進(jìn)者或指導(dǎo)者，并不以講授者的身份出現(xiàn)在學(xué)生面前。最后，學(xué)習(xí)的目標(biāo)是在學(xué)習(xí)過程中，使學(xué)生獲得新的知識(shí)或者對(duì)已有知識(shí)有新的理解，同時(shí)獲得團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新能力等。

在“基于問題式學(xué)習(xí)”教學(xué)法中問題的設(shè)計(jì)極為重要，要重點(diǎn)關(guān)注問題的針對(duì)性和結(jié)構(gòu)性［7］。針對(duì)性不強(qiáng)的問題會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所傳授的知識(shí)點(diǎn)不易產(chǎn)生共鳴，進(jìn)而導(dǎo)致課堂知識(shí)傳授效率降低；若問題的結(jié)構(gòu)性過于良好則會(huì)導(dǎo)致該問題也許只有一個(gè)確定的答案，從而顯得問題過于容易，導(dǎo)致學(xué)生只關(guān)注問題的解決，而放棄了對(duì)問題本質(zhì)的探究。因此，在運(yùn)用問題式學(xué)習(xí)教學(xué)方式時(shí)，教師必須根據(jù)課程設(shè)置的教學(xué)目標(biāo)提出相應(yīng)有針對(duì)性的問題，這個(gè)問題必須能夠覆蓋相關(guān)課程的主要內(nèi)容，即通過問題設(shè)置和引導(dǎo)學(xué)習(xí)，才能夠達(dá)到課程關(guān)鍵內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)。問題的設(shè)置中存在著“大而全”和“小而精”兩種模式，兩種模式并無優(yōu)劣之分；針對(duì)不同的課程內(nèi)容，應(yīng)有目標(biāo)、有針對(duì)性地設(shè)置問題，以是否能夠涵蓋所有關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容為評(píng)判問題優(yōu)劣的依據(jù)。

二、問題式學(xué)習(xí)在船海領(lǐng)域疲勞課程中的應(yīng)用

結(jié)合疲勞與斷裂損傷分析的授課內(nèi)容，通過對(duì)船舶與海洋工程案例的深入分析及船舶海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)規(guī)范的詳細(xì)解讀和整理，開展了相應(yīng)的課程問題設(shè)計(jì)研究；并以工程案例和工程規(guī)范相結(jié)合的演示教學(xué)引導(dǎo)“基于問題式學(xué)習(xí)”教學(xué)方法的逐步深入，同時(shí)建立與問題相對(duì)應(yīng)的測(cè)試問題題庫，改變現(xiàn)有的課堂教學(xué)模式，培養(yǎng)船舶專業(yè)高年級(jí)本科生的研究型學(xué)習(xí)能力。通過多年的教學(xué)積累，作者建立了以工程問題為引導(dǎo)、理論分析為基礎(chǔ)、規(guī)范講解為重點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)詳解為核心、匯報(bào)講評(píng)為目標(biāo)的授課方式。教學(xué)過程的基本步驟如下。

（一）工程問題的設(shè)置

為了強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)和工程概念，結(jié)合疲勞課程各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的難易程度，依次設(shè)置了“海洋工程中S-N曲線及應(yīng)用對(duì)比”“平板對(duì)接結(jié)構(gòu)疲勞分析——基于名義應(yīng)力的疲勞分析”“管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中與疲勞分析——基于熱點(diǎn)應(yīng)力的疲勞分析”“半潛式平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的簡(jiǎn)化分析方法”和“甲板結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展分析及剩余壽命評(píng)估”這五個(gè)工程問題，其中既包含疲勞分析的基本知識(shí)點(diǎn)，又涉及規(guī)范中的核心內(nèi)容，并以工程實(shí)用問題的形式呈現(xiàn)出來。

以“海洋工程中S-N曲線及應(yīng)用對(duì)比”部分為例，在了解S-N曲線基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)比DNV、ABS、CCS等各大船級(jí)社規(guī)范及美國焊接協(xié)會(huì)（AWS）、美國石油協(xié)會(huì)（API）等行業(yè)協(xié)會(huì)所提供的S-N曲線，著重闡述海洋工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的S-N曲線特點(diǎn)、適用范圍和差異。對(duì)其中差異較大的內(nèi)容進(jìn)行詳解，如規(guī)范中疲勞載荷的概率水平問題、雙斜率和單斜率曲線問題等；并設(shè)置簡(jiǎn)單疲勞分析問題，讓學(xué)生采用不同的S-N曲線進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)比在相同載荷條件下，疲勞損傷結(jié)果的差異，以此加深學(xué)生對(duì)各種S-N曲線的理解。

（二）理論知識(shí)講解

在上述五個(gè)工程問題的引導(dǎo)下，結(jié)合傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式對(duì)該門課程中的基本知識(shí)點(diǎn)做講解，其中包含疲勞的定義與特征、S-N曲線、等壽命變換、斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展等核心理論知識(shí)。

（三）疲勞規(guī)范講解

五個(gè)工程問題的設(shè)置均與規(guī)范中的關(guān)鍵部分一一對(duì)應(yīng)，課堂中對(duì)規(guī)范的講解不求大而全，其目的是讓學(xué)生建立理論知識(shí)與工程規(guī)范的對(duì)應(yīng)聯(lián)系，學(xué)以致用。作者是基于中國船級(jí)社《海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞強(qiáng)度評(píng)估指南》中關(guān)鍵章節(jié)的核心內(nèi)容開展教學(xué)的，其中包括“通則”“基于S-N曲線的疲勞分析”“應(yīng)力集中系數(shù)和熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算”“簡(jiǎn)化疲勞分析方法”和“基于斷裂力學(xué)的疲勞分析方法”五大部分。

以“基于斷裂力學(xué)的疲勞分析方法”部分為例，對(duì)應(yīng)理論知識(shí)，講解基于斷裂力學(xué)的疲勞分析方法的應(yīng)用條件，加深學(xué)生對(duì)疲勞和斷裂問題的認(rèn)識(shí)；特別是關(guān)于工程初始裂紋的定義及其影響因素，由于此部分內(nèi)容在通用疲勞斷裂教材中很少涉及，因此需格外強(qiáng)調(diào)并關(guān)注。對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展模型參數(shù)確定問題，在規(guī)范和教材中的講解和處理方法均存在差異，此處更加強(qiáng)調(diào)工程化方法的應(yīng)用，并以真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，設(shè)置研究問題，讓學(xué)生通過實(shí)操訓(xùn)練加深理解。

（四）關(guān)鍵知識(shí)的重點(diǎn)解讀

針對(duì)學(xué)生初次接觸疲勞問題，不容易抓住學(xué)習(xí)重點(diǎn)的問題，在課堂教學(xué)中對(duì)關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)做多次、重點(diǎn)的解讀，其中包括疲勞分析中S的含義、等壽命變換的含義、斷裂韌性與裂紋擴(kuò)展的關(guān)系等。讓學(xué)生重點(diǎn)掌握課程中“S-N曲線的測(cè)定”“斷裂韌性的測(cè)定”及“疲勞裂紋擴(kuò)展速率的測(cè)定”三個(gè)關(guān)鍵試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)與區(qū)別。

由于課時(shí)及試驗(yàn)條件的限制，三個(gè)關(guān)鍵試驗(yàn)測(cè)試只能以多媒體形式展現(xiàn)；在教學(xué)過程中，以過往科研活動(dòng)中的相關(guān)試驗(yàn)視頻資料為載體，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依托設(shè)置工程問題，讓學(xué)生在數(shù)據(jù)回歸分析的過程中，提高對(duì)三個(gè)關(guān)鍵試驗(yàn)關(guān)聯(lián)與區(qū)別的認(rèn)知，其中包含加載條件、試件形式、數(shù)據(jù)分析方法等。

（五）分組研討與匯報(bào)講評(píng)

針對(duì)五個(gè)工程問題，分別設(shè)置與之對(duì)應(yīng)的1～2個(gè)測(cè)試問題，讓學(xué)生在課后分組完成，并用1個(gè)學(xué)時(shí)在課堂上進(jìn)行匯報(bào)（每次僅1個(gè)小組匯報(bào)，輪流執(zhí)行）和討論。通過測(cè)試問題，有意識(shí)地激勵(lì)學(xué)生去思考、提問、分析，進(jìn)而得出結(jié)論；在對(duì)學(xué)生進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)，不以成敗論高低，以此激發(fā)學(xué)生自主思考的積極性。

結(jié)語

通過多年來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)船海工程案例的深入分析和設(shè)計(jì)規(guī)范的詳細(xì)解讀，開展課程問題設(shè)計(jì)研究，以船舶與海洋工程實(shí)際案例為引導(dǎo)，以規(guī)范設(shè)計(jì)分析為目標(biāo)，構(gòu)建了針對(duì)船海結(jié)構(gòu)疲勞分析的問題式教學(xué)專業(yè)知識(shí)體系；建立了“海洋工程中S-N曲線及應(yīng)用對(duì)比”“平板對(duì)接結(jié)構(gòu)疲勞分析——基于名義應(yīng)力的疲勞分析”“管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中與疲勞分析——基于熱點(diǎn)應(yīng)力的疲勞分析”“半潛式平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的簡(jiǎn)化分析方法”和“甲板結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展分析及剩余壽命評(píng)估”五個(gè)問題的工程案例庫及六個(gè)相應(yīng)的測(cè)試問題題庫；整個(gè)教學(xué)活動(dòng)將基礎(chǔ)理論知識(shí)、專業(yè)規(guī)范和工程問題融會(huì)貫通，形成了一個(gè)工程問題體系，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并有效地提升了教學(xué)效果和質(zhì)量。相關(guān)教學(xué)成果可以推廣至船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)相關(guān)專業(yè)的其他課程教學(xué)活動(dòng)中，如“船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析”“船舶結(jié)構(gòu)有限元分析”等。

同時(shí)，基于問題式學(xué)習(xí)的教學(xué)方法能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生良好的綜合素質(zhì)和學(xué)習(xí)能力，尤其是針對(duì)高年級(jí)的本科生，可以使其在初步掌握基本專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)其解決實(shí)際工程問題的能力；在開闊視野的同時(shí)，深入地鞏固基本專業(yè)知識(shí)，提高綜合專業(yè)能力。與傳統(tǒng)課堂講授相比，在船海工程疲勞分析課程中引入基于問題式學(xué)習(xí)的方法具有很大的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為：一是大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)之前就明確了其工程對(duì)象和目標(biāo)，在理論知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)將工程問題、規(guī)范要求有效地結(jié)合起來，形成了知識(shí)體系。二是極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與性，把課程學(xué)習(xí)的部分權(quán)利交給學(xué)生，讓學(xué)生主動(dòng)思考、分析問題并解決問題，推動(dòng)了課堂進(jìn)程。學(xué)生在思考和處理工程問題的過程中，歷練了工程師思維，收獲的不僅是結(jié)論，更是獨(dú)立的思想和創(chuàng)新的能力。