基于工程教育認(rèn)證的船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革探索

符妃 馮志強(qiáng) 韓翔希

摘? 要? 工程教育認(rèn)證是北部灣大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)發(fā)展的重要機(jī)遇，根據(jù)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的工程知識(shí)要求、問題分析能力和使用現(xiàn)代工具能力等分析船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)課程存在的問題，并就這些問題提出相關(guān)的教學(xué)改革建議。

關(guān)鍵詞? 船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)；工程教育認(rèn)證；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）11-0108-03

0? 引言

近年來，各個(gè)高校對工程教育專業(yè)認(rèn)證表現(xiàn)出相當(dāng)高的熱情，以認(rèn)證促進(jìn)學(xué)科發(fā)展，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，提高畢業(yè)生競爭力。工程教育專業(yè)認(rèn)證與國際接軌，工作標(biāo)準(zhǔn)與國際等效，獲得認(rèn)證的專業(yè)的畢業(yè)生學(xué)歷國際認(rèn)可。工程教育以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)，不斷提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。專業(yè)認(rèn)證是專業(yè)建設(shè)的重大發(fā)展機(jī)遇，為了達(dá)成培養(yǎng)目標(biāo)，必須深化教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量。

北部灣大學(xué)著力突出海洋性辦學(xué)特色，船舶與海洋工程專業(yè)是學(xué)校重點(diǎn)支持和發(fā)展的專業(yè)。為了建設(shè)海洋特色鮮明的、具有一定國際影響力的高水平應(yīng)用型大學(xué)，船舶與海洋工程專業(yè)的工程教育認(rèn)證需及早推進(jìn)。船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)是船舶與海洋工程專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，其教學(xué)質(zhì)量直接影響學(xué)生的專業(yè)水平和工程能力。為通過工程教育專業(yè)認(rèn)證，課程應(yīng)對照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革。

船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)容包括單跨梁的彎曲理論、桿件的扭轉(zhuǎn)理論、力法、位移法、能量法、矩陣法、矩形板的彎曲理論、桿與板的穩(wěn)定性，要求學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論和概念以及船體結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，具有校核船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)計(jì)新的船體結(jié)構(gòu)的能力。課程以課堂教育為主，教材采用上海交通大學(xué)出版社出版的《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》[1]。在教學(xué)過程中，常常出現(xiàn)過度依賴多媒體堆砌內(nèi)容、教材老舊沒有及時(shí)更新、缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)、學(xué)生有畏難心理學(xué)習(xí)興趣不高等問題，造成學(xué)生不能很好地掌握船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的技能，工程能力相對較弱。

船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)課程在船舶專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系中居于重要位置，針對現(xiàn)存問題對教學(xué)模式進(jìn)行改革，以適應(yīng)工程教育認(rèn)證的要求，培養(yǎng)具有良好工程意識(shí)的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

1? 工程知識(shí)要求

船舶與海洋工程專業(yè)畢業(yè)生要求具備必要的船舶與海洋工程專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，能系統(tǒng)掌握理論知識(shí)及實(shí)踐技能，工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)中明確要求畢業(yè)生能夠?qū)I(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問題。船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)對船舶結(jié)構(gòu)校核和設(shè)計(jì)有舉足輕重的作用，必須重視課程的學(xué)習(xí)及應(yīng)用。

1.1? 工程知識(shí)學(xué)習(xí)存在的問題

1.1.1? 教材陳舊，側(cè)重方法介紹，未引導(dǎo)學(xué)生深入分析船舶典型結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性[1]

該課程廣泛使用的教材是上海交通大學(xué)出版社1991年出版的《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》，書中闡明了結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論和基本方法，詳盡地介紹了力法、位移法、能量法、矩陣法和有限元法的原理和應(yīng)用。該教材被國內(nèi)高校廣泛使用，對船舶設(shè)計(jì)與制造人才的培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用，但是該教材在要求學(xué)生掌握各種結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法時(shí)，并沒有有效引導(dǎo)學(xué)生深入分析船舶結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，進(jìn)而掌握船體的典型結(jié)構(gòu)形式簡化為計(jì)算模型、相對應(yīng)的計(jì)算模型采用適當(dāng)計(jì)算方法的能力，并熟知每種計(jì)算方法的基本原理。隨著科技的發(fā)展，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已普遍采用有限元分析的數(shù)值模擬計(jì)算，只簡單介紹有限元法的原理已不合時(shí)宜，應(yīng)引入典型的船舶結(jié)構(gòu)案例，并介紹一些通用程序，為分析實(shí)際工程夯實(shí)基礎(chǔ)。船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)常見教材及主要內(nèi)容見表1。

1.1.2? 重課堂輕實(shí)踐，忽視專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用

現(xiàn)有的船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)課程以課堂教學(xué)為主，缺少工程實(shí)踐環(huán)節(jié)，教學(xué)方法單一，沒有將理論知識(shí)與實(shí)際工程的力學(xué)模型結(jié)合，學(xué)生機(jī)械記憶相關(guān)公式和方法，以通過考試為單一目標(biāo)，分析和解決實(shí)際工程的能力得不到有效培養(yǎng)?，F(xiàn)有課堂教學(xué)往往局限于幻燈片加教材，教師可以提前制作幻燈片確定好教學(xué)思路和內(nèi)容，但一味追求內(nèi)容堆砌，把控不好教學(xué)節(jié)奏，重點(diǎn)難點(diǎn)沒有特殊指導(dǎo)，師生之間沒有積極互動(dòng)，造成課堂氣氛沉悶，學(xué)生能動(dòng)性較低，教學(xué)效果不理想[2]。

1.1.3? 學(xué)生普遍力學(xué)基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)興趣不高

船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)習(xí)需要將高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等先導(dǎo)知識(shí)融會(huì)貫通，但學(xué)生能力參差不齊，基礎(chǔ)普遍較為薄弱，遇到公式推導(dǎo)復(fù)雜的新課程容易產(chǎn)生抵觸心理，學(xué)習(xí)積極性不高，逃避甚至放棄該課程的學(xué)習(xí)。

1.2? 適應(yīng)工程知識(shí)要求的改革方案

1.2.1? 教學(xué)組織以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主探討工程問題，并形成工程方案

學(xué)生應(yīng)深度參與課堂教學(xué)過程，積極探討，形成工程意識(shí)和批判性思維。如在學(xué)習(xí)力法和位移法后，組織學(xué)生討論船體結(jié)構(gòu)中哪些結(jié)構(gòu)組成剛架，哪些組成板架，剛架和板架受到的載荷有什么特點(diǎn)，一個(gè)簡單的剛架或板架分別采用力法和位移法計(jì)算，兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)在哪里。通過討論，對比分析，更好地熟悉船體結(jié)構(gòu)特征，掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法并將理論知識(shí)應(yīng)用到工程分析中。課堂教學(xué)從單方面灌輸模式轉(zhuǎn)換為互相對話模式，從知識(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)轉(zhuǎn)換為能力培養(yǎng)目標(biāo)。

1.2.2? 加強(qiáng)產(chǎn)教融合，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)

北部灣大學(xué)一直堅(jiān)持產(chǎn)教融合協(xié)同育人的教育方針，不斷深化教育教學(xué)綜合改革，與中船集團(tuán)廣西公司、中船集團(tuán)第十一研究所、中船集團(tuán)北部灣設(shè)計(jì)公司、北部灣港口集團(tuán)等多家央企、省企建立聯(lián)合培養(yǎng)基地，在這樣的大環(huán)境之下，課程教學(xué)改革應(yīng)抓住機(jī)遇，開展協(xié)同創(chuàng)新、協(xié)調(diào)育人，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。教學(xué)與實(shí)踐緊密結(jié)合，深入企業(yè)學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中消化應(yīng)用理論知識(shí)。

1.2.3? 針對學(xué)生基礎(chǔ)薄弱問題，適當(dāng)增加先導(dǎo)課程的總結(jié)復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)，對問題進(jìn)行分解和簡化，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

對以往知識(shí)進(jìn)行總結(jié)再引入新知識(shí)，學(xué)生從熟悉的知識(shí)領(lǐng)域進(jìn)行探索，從心理上更容易接受新內(nèi)容。對復(fù)雜問題進(jìn)行分解，簡化推導(dǎo)及證明過程，強(qiáng)調(diào)結(jié)論及其應(yīng)用。將新知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用在實(shí)際案例上，申明知識(shí)點(diǎn)的實(shí)用性，引導(dǎo)學(xué)生自主分析，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2? 問題分析能力

工程教育認(rèn)證要求畢業(yè)生能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理識(shí)別和判斷船舶與海洋工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論，從而具備技術(shù)開發(fā)能力。

2.1? 問題分析能力培養(yǎng)存在的問題

工程問題的分析涉及多個(gè)課程知識(shí)，現(xiàn)有的課程設(shè)置或多或少照顧了教師想上什么課和能上什么課的情況，不同的課程在不同學(xué)期由不同教師授課，學(xué)生將考試過關(guān)作為課程結(jié)束的標(biāo)志，各門課程人為割裂。現(xiàn)有教學(xué)模式過度依賴單一教材進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)思路和教學(xué)大綱也大多依托選用的教材，學(xué)生獲取相關(guān)知識(shí)的渠道非常窄。

2.2? 針對問題分析能力培養(yǎng)的改革方案

2.2.1? 深化課程體系改革，按學(xué)生的畢業(yè)要求進(jìn)行組織

船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容包括理論力學(xué)和材料力學(xué)的內(nèi)容，同時(shí)涉及高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、線性代數(shù)等。在課程安排上，應(yīng)體現(xiàn)內(nèi)容的遞進(jìn)和銜接，在課堂教學(xué)中，可適當(dāng)增加先導(dǎo)知識(shí)的復(fù)習(xí)和梳理。船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)主要內(nèi)容及其先導(dǎo)知識(shí)見表2。學(xué)生通過熟練掌握各門課程知識(shí)，形成完整知識(shí)體系，遇到問題能綜合分析，并給出分析結(jié)果和解決方案。

2.2.2? 增加文獻(xiàn)檢索、資料查詢基本方法教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自主分析工程問題

除了教材、教案、教學(xué)幻燈片，學(xué)生還可以通過文獻(xiàn)檢索和資料查詢獲取船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，拓展知識(shí)寬度和深度。在自主查閱資料的過程中，對復(fù)雜工程問題進(jìn)行解構(gòu)和分析，并得出有效結(jié)論。

3? 使用現(xiàn)代工具能力

工程教育認(rèn)證要求畢業(yè)生能夠針對復(fù)雜工程問題，使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)和現(xiàn)代工程工具，對復(fù)雜工程問題進(jìn)行預(yù)測與模擬。船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)為結(jié)構(gòu)校核和設(shè)計(jì)提供了力學(xué)理論基礎(chǔ)，但如果局限于理論教學(xué)，不引導(dǎo)學(xué)生了解掌握不斷更新?lián)Q代的現(xiàn)代工具，會(huì)使學(xué)生的課堂知識(shí)和工作時(shí)的技術(shù)手段割裂開來。

3.1? 使用現(xiàn)代工具能力培養(yǎng)存在的問題

船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在傳統(tǒng)理論分析過程中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象簡化[3]，通過靜態(tài)的結(jié)構(gòu)簡圖進(jìn)行分析，船體結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布基本靠想象，需要學(xué)生具備一定的空間想象力和力學(xué)思維。課程擁有大量的計(jì)算公式和力學(xué)推導(dǎo)過程，機(jī)械記憶難以消化和掌握其應(yīng)用方法，達(dá)不到學(xué)以致用的效果。單純的理論學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)對快速迭代的結(jié)構(gòu)分析軟件視而不見，以致無法滿足培養(yǎng)優(yōu)秀工程人才的要求。

3.2? 針對使用現(xiàn)代工具能力培養(yǎng)的改革方案

船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)課程包含矩陣法和平面應(yīng)力問題有限元法等內(nèi)容，這些內(nèi)容是結(jié)構(gòu)有限元分析的理論基礎(chǔ)。為提高學(xué)生使用現(xiàn)代工程工具解決船舶結(jié)構(gòu)校核和設(shè)計(jì)問題，現(xiàn)對船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)改革提出以下方案。

3.2.1? 將結(jié)構(gòu)有限元分析軟件引入課堂教學(xué)

ANSYS和ABAQUS等有限元軟件擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力和后處理能力，能夠直觀地反映船舶結(jié)構(gòu)在特定外力作用下的變形和應(yīng)力分布[4]。在使用有限元軟件過程中，結(jié)構(gòu)建模要求學(xué)生熟知船體結(jié)構(gòu)，賦材料和截面屬性幫助學(xué)生理解掌握材料力學(xué)特性對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的影響，定義載荷幫助學(xué)生具象化外力的作用方式和影響，劃分網(wǎng)格幫助學(xué)生更好地理解結(jié)構(gòu)離散化的概念，定義約束幫助學(xué)生理解和掌握不同約束形式及其邊界條件，求解后進(jìn)行后處理，通過應(yīng)力分布云圖和位移矢量圖，直觀地反映船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及變形情況。

3.2.2? 將有限元分析案例作為課后作業(yè)，并引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)編程

教師在課堂上只能對有限元軟件進(jìn)行簡要的介紹，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，真正熟練使用要依靠學(xué)生課后不斷摸索和試錯(cuò)?？梢韵韧ㄟ^布置一些簡單的如單跨梁彎曲的力學(xué)問題，讓學(xué)生通過手算和軟件計(jì)算對比分析，更好地掌握理論知識(shí)和熟悉軟件分析流程，然后通過案例進(jìn)一步嘗試分析一些典型的船體結(jié)構(gòu)。在學(xué)習(xí)船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過程序設(shè)計(jì)語言課程，可引導(dǎo)學(xué)生針對船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)里的內(nèi)容進(jìn)行編程，如矩陣法本就是計(jì)算機(jī)計(jì)算方法，通過編程能讓學(xué)生更好地理解其原理和掌握分析思路。通過不斷的訓(xùn)練，鍛煉學(xué)生的分析和糾錯(cuò)能力，提高工程意識(shí)，增強(qiáng)競爭力。

4? 結(jié)束語

《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》以學(xué)生為中心，學(xué)生的要求及其培養(yǎng)目標(biāo)占據(jù)重要位置。為達(dá)成培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)深化課堂教學(xué)改革，不斷提高教學(xué)質(zhì)量。船舶與海洋工程專業(yè)是北部灣大學(xué)重點(diǎn)發(fā)展的專業(yè)，為促進(jìn)學(xué)科發(fā)展，增強(qiáng)學(xué)生競爭力，須及早為工程教育認(rèn)證做準(zhǔn)備。船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)作為專業(yè)必修課，應(yīng)參照工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的要求，做好相關(guān)課程改革。

5? 參考文獻(xiàn)

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