船舶推進(jìn)課程的“一融四合”教學(xué)模式研究

李家盛　楊丹　張正藝　解德

摘? 要：針對當(dāng)今主動學(xué)習(xí)大勢所趨，互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)快速發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)知識缺乏更新，工科人才人文素養(yǎng)急需建設(shè)，物理實驗教學(xué)常常受限的時代特點，結(jié)合船舶推進(jìn)課程內(nèi)容，探索形成“一融四合”教學(xué)模式。在“啟發(fā)、探究、討論、參與”教學(xué)方法融入傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)線上/線下學(xué)習(xí)相配合，前沿/基礎(chǔ)學(xué)習(xí)相結(jié)合，專業(yè)/素養(yǎng)學(xué)習(xí)相融合，虛擬/真實實驗相聯(lián)合。以期為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)體驗。

關(guān)鍵詞：船舶推進(jìn)；海洋戰(zhàn)略；教學(xué)模式；改革與實踐；學(xué)習(xí)體驗

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）26-0098-04

Abstract： In view of the trend of active learning， the rapid development of the internet study， the lack of updating of traditional industrial knowledge， the urgent need for the humanistic quality construction of engineering students， and the difficulty of teaching physics experiments， combined with the content of the course of Ship Propulsion， a "four-in-one" teaching mode has been explored. On the basis of integrating the teaching methods of "inspiration， inquiry， discussion， and participation" into traditional teaching， the combination methods of online/offline learning， frontier/basic knowledge learning， professional/quality learning， and virtual/real experiment study are realized. It can provide students with a high-quality studying experience.

Keywords： ship propulsion; maritime power; teaching mode; reform and experience; learing experience

我國將在21世紀(jì)中葉建成社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國。海洋強(qiáng)國則是構(gòu)建社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的關(guān)鍵組成部分。船舶與海洋工程領(lǐng)域人才是使我國能實現(xiàn)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵推動力量。為達(dá)成這一宏偉目標(biāo)，對船舶與海洋工程專業(yè)（以下簡稱“船海專業(yè)”）學(xué)生的教育與培養(yǎng)是關(guān)鍵。要實現(xiàn)對船海專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，上好船海專業(yè)基礎(chǔ)課程又是重要的一環(huán)。在船海專業(yè)課程體系中，船舶原理類課程具有奠基地位。船舶推進(jìn)是船舶原理類課程中實現(xiàn)船舶快速性繞不開的學(xué)問，如圖1所示。船舶推進(jìn)課程教學(xué)，對于建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國意義重大。

教學(xué)是一門十分深奧的學(xué)問，強(qiáng)調(diào)應(yīng)機(jī)施教。這里的“機(jī)”是指教學(xué)機(jī)緣與條件。由于時代的不斷更替，教學(xué)機(jī)緣與條件也發(fā)生著深刻變化，以至于舊有的教學(xué)模式會逐漸不適應(yīng)新時代的發(fā)展。因此對教學(xué)模式進(jìn)行研究與改革是十分必要的[1]。船舶推進(jìn)教學(xué)模式研究在這一客觀需求下應(yīng)運(yùn)而生。

本文將依據(jù)課題組多年教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合船舶推進(jìn)課程學(xué)情，提出“一融四合”教學(xué)方法，旨在更好地實現(xiàn)船海專業(yè)人才的培養(yǎng)。

一? 課程學(xué)情

船舶的全生命周期技術(shù)歷程包括船舶設(shè)計、建造、營運(yùn)和拆解。船舶推進(jìn)課程是從事船舶設(shè)計必備的專業(yè)知識，也是學(xué)習(xí)其他船舶專業(yè)課程的基礎(chǔ)。通過本課程的教學(xué)，幫助學(xué)生獲得包括螺旋槳幾何、工作原理、敞水實驗、船槳相互作用、空泡和強(qiáng)度等必要的船舶推進(jìn)基本知識，進(jìn)而掌握設(shè)計船舶推進(jìn)器的圖譜法。船舶推進(jìn)課程以盛振邦主編、上海交通大學(xué)出版社出版的《船舶原理（下冊）》[2]為參考教材，課程內(nèi)容豐富，知識點密集（圖2）。課堂教學(xué)32學(xué)時，實踐環(huán)節(jié)為一周。目前在船舶與海洋工程專業(yè)每學(xué)年有4個班，約120人，在大三開設(shè)本課程。

傳統(tǒng)教學(xué)方法以教師填鴨式教學(xué)呈現(xiàn)，學(xué)生參與度低[3]，線下課堂講授為主，教學(xué)方式單一[4]，教學(xué)內(nèi)容傳統(tǒng)，缺乏更新[5]，授課時僅注重專業(yè)教育，人文元素匱乏[6]，物理實驗教學(xué)常因經(jīng)費(fèi)場地受限，無法開展[7]，以致學(xué)生積極性不高。當(dāng)今時代，主動學(xué)習(xí)趨勢愈發(fā)顯著，互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)大量應(yīng)用，船舶工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展，工科人才人文素養(yǎng)急需建設(shè)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛使用，探索船舶推進(jìn)課程教學(xué)規(guī)律、進(jìn)行教學(xué)模式的改革是勢在必行的。

二? “一融四合”教學(xué)模式研究

課題組提出的“一融四合”教學(xué)模式如圖3所示，下面分別予以介紹。

（一）? “一融”——“啟發(fā)、探究、討論、參與”教學(xué)方法的融入思路

由于傳統(tǒng)教學(xué)多為以教師為主、學(xué)生被動學(xué)習(xí)的模式，以至學(xué)習(xí)效率不高，教育學(xué)家與一線教育工作者們，經(jīng)過多年探尋，總結(jié)性地歸納提出了“啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式”的“四式”教學(xué)方法。該方法自提出以來，各高校均在大膽嘗試、積極運(yùn)用，以克服傳統(tǒng)教學(xué)的弊端和缺陷，不少高校課程也取得了大小不等的教學(xué)改良效果。在“四式”教學(xué)法中，啟發(fā)式教學(xué)法指教師在教學(xué)活動中以設(shè)問的方式，逐步引導(dǎo)學(xué)生積極主動地掌握知識的教學(xué)方法。而探究式教學(xué)法，又稱“做中學(xué)”，意在讓學(xué)生自行探究，發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)知識。討論式教學(xué)法，則旨在構(gòu)建一種師生積極互動、暢所欲言的氛圍，對學(xué)生形成批判性思維與協(xié)作意識十分有益。參與式教學(xué)是通過教師設(shè)置教學(xué)情景，讓學(xué)生沉浸于教學(xué)活動各環(huán)節(jié)享受知識獲取過程的教學(xué)方法。以上四類教學(xué)方法均是通過提升學(xué)生在教學(xué)中不同層面的主體性進(jìn)而提高其學(xué)習(xí)獲得感的。然而，若教師讓學(xué)生完全掌控課堂，讓渡教學(xué)中的把控職能，則存在課堂主題不聚焦、學(xué)生風(fēng)氣散漫等風(fēng)險，學(xué)生學(xué)習(xí)的體驗感甚至還不如被動式學(xué)習(xí)，獲得感更低。因而如何引進(jìn)“四式”教學(xué)方法，將“四式”教學(xué)法融入船舶推進(jìn)課堂是十分關(guān)鍵的。

下面介紹課題組在船舶推進(jìn)課堂中引入“四式”教學(xué)法融入傳統(tǒng)教師主動式課堂的兩個實例。

例1，在緒論中，講解船舶推進(jìn)各章節(jié)簡介后，提出問題，啟發(fā)學(xué)生思考：①“你覺得這些章節(jié)之間是什么關(guān)聯(lián)？”；②“你覺得哪個章節(jié)或者哪幾個章節(jié)會更加重要？為什么？”；③“你覺得哪個章節(jié)或者哪幾個章節(jié)會更加困難？為什么？”要求學(xué)生進(jìn)行分組討論，并推薦代表同學(xué)進(jìn)行匯報。該討論的教學(xué)目的在于鍛煉學(xué)生掌控全局的意識，學(xué)習(xí)運(yùn)用習(xí)得知識與思維方式，進(jìn)行綜合思考的能力。

例2，在第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論——葉元體理論介紹完基本求解思路，也即讓學(xué)生初步了解“二維機(jī)翼理論求解葉元體升力和阻力；將求得的葉元體升力和阻力換算成其受到的推力和扭矩；對求得的推力和扭矩從葉根到葉梢積分，并累計多個葉片合力”三個步驟后，提出問題，啟發(fā)學(xué)生思考：①“你覺得相比理想推進(jìn)器理論和理想螺旋槳理論，葉元體理論的優(yōu)缺點可能在什么地方？為什么？”；②“在葉元體求解的這些步驟中，你覺得哪些步驟可能是求解過程中最大的障礙？ 為什么？”；③“碰到理論上難以越過的障礙時，你們一般如何解決的？”要求學(xué)生進(jìn)行分組討論，并推薦代表同學(xué)進(jìn)行匯報。該討論的教學(xué)目的是讓學(xué)生主動比較所學(xué)知識并進(jìn)行思考，培養(yǎng)感知新理論的敏銳觸覺，總結(jié)與分享遇到困難如何克服的方式方法。

課題組在進(jìn)行完教學(xué)活動后，也對如何更有效運(yùn)用“四式”教學(xué)法進(jìn)行了總結(jié)，研究表明：①引入討論的問題應(yīng)難易適中，太難，學(xué)生不會，容易產(chǎn)生排斥及畏難情緒；太易，學(xué)生容易陷入既定思維，缺乏創(chuàng)造性。②啟發(fā)時，要由淺入深，循循漸進(jìn)。③可增加鼓勵措施，讓學(xué)生更好融入討論。④要鼓勵答案的非唯一性，學(xué)生的理解即使與老師自己理解不一致，但言之有理即可。⑤教師應(yīng)合理控制好時間與課堂節(jié)奏。

（二）? “四合”——“配合、結(jié)合、融合、聯(lián)合”教學(xué)方法的理念提出

1? 線上/線下學(xué)習(xí)相配合

船舶推進(jìn)課程線下教學(xué)是教師與學(xué)生處于同一時空中進(jìn)行的教學(xué)活動。優(yōu)點在于教師容易根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，應(yīng)機(jī)施教，給予學(xué)生及時反饋，方便他們理解。比如在講解螺旋槳工作原理這一教學(xué)重難點時，有的班級學(xué)生對伯努利方程的推導(dǎo)不熟悉，有的則對推進(jìn)器簡化假設(shè)感覺難以理解，此時可根據(jù)實際學(xué)情，有的放矢，靈活教學(xué)。另外，線下教學(xué)可更好在黑板上進(jìn)行公式推導(dǎo)，使得學(xué)生印象深刻。比如在講解螺旋槳敞水試驗相似準(zhǔn)則時，若沒有對量綱分析的一步步推導(dǎo)，學(xué)生很難真正理解決定螺旋槳敞水推力、扭矩及效率的影響因素是哪些變量。但是線下教學(xué)也有缺點：其一，學(xué)生如果走神，則可能出現(xiàn)一連串聽不懂現(xiàn)象；其二，不利于學(xué)生利用課后時間，反復(fù)研習(xí)課程知識點，根據(jù)自己實際掌握的情況，進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。以上傳統(tǒng)教學(xué)種種缺點，均由教學(xué)時空必須同一的限制導(dǎo)致。

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺飛速發(fā)展，船舶推進(jìn)可使用線上教學(xué)突破時空限制。教師可在愛課程、慕課、學(xué)堂在線與智慧樹等線上網(wǎng)絡(luò)平臺將教學(xué)大綱、教學(xué)視頻、課程PPT及相關(guān)試題等課程資源進(jìn)行上傳。學(xué)生可利用線上資源進(jìn)行課程預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)，在線下教學(xué)時，則把注意力集中在線上學(xué)習(xí)困難之處，課后也可進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)習(xí)主動性，鞏固學(xué)習(xí)到的知識。此外，在錄制線上教學(xué)視頻等過程中，教師也不得不更加凝練教學(xué)內(nèi)容，清晰教學(xué)表達(dá)，教師的教學(xué)水平也得到了提高。因此，線下教學(xué)配合線上教學(xué)會是更好的教學(xué)方式。

2? 前沿/基礎(chǔ)學(xué)習(xí)相結(jié)合

船舶推進(jìn)裝置的歷史與船舶的歷史同樣悠久。自誕生以來，已經(jīng)歷了從纖繩、篙、槳、櫓、帆、明輪到螺旋槳及基于螺旋槳的特種推進(jìn)器等演變。船舶推進(jìn)課程主要講授螺旋槳的初步知識，相對成熟，較少更新，無法適應(yīng)當(dāng)前業(yè)界的快速發(fā)展。課題組凝練當(dāng)前船舶推進(jìn)領(lǐng)域的重大進(jìn)展于教學(xué)相關(guān)章節(jié)，鼓勵學(xué)生查找資料并形成讀書報告。另一方面，課題組也深知教學(xué)要循序漸進(jìn)，不能揠苗助長，對于船舶推進(jìn)課程傳統(tǒng)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)在課堂上仍不可松懈，避免學(xué)生基礎(chǔ)不牢，地動山搖。

課題組要求學(xué)生在完成好基礎(chǔ)學(xué)習(xí)后，查找知網(wǎng)（國內(nèi)）及Scopus（國外）數(shù)據(jù)庫中螺旋槳各前沿問題。例如，講述螺旋槳基本原理時，布置查詢螺旋槳粘流理論相關(guān)關(guān)鍵詞；講述螺旋槳空泡時，布置查詢空泡成因相關(guān)關(guān)鍵詞；講述螺旋槳強(qiáng)度校核時，布置查詢復(fù)合材料螺旋槳相關(guān)關(guān)鍵詞等。課題組力求推動船舶推進(jìn)課程知識的更新，實現(xiàn)前沿與基礎(chǔ)學(xué)習(xí)相結(jié)合。

3? 專業(yè)/素養(yǎng)學(xué)習(xí)相融合

長期以來，船舶推進(jìn)課程教學(xué)更偏重知識的傳授，人文素養(yǎng)教育相對缺失，導(dǎo)致學(xué)生人文素養(yǎng)不夠。這主要是因為該課程的理論性較強(qiáng)，直接與人文素養(yǎng)結(jié)合，會顯得生硬和突兀，不便學(xué)生接納。課題組經(jīng)過學(xué)習(xí)，共識了人文素養(yǎng)的本質(zhì)是發(fā)展成為完全的人，應(yīng)不拘泥于固定的形式，只要是正能量的、對學(xué)生有益的均可提及。另一方面，若是離開專業(yè)知識傳授，僅有人文素養(yǎng)教育，則接近人文課程，不能發(fā)揮專業(yè)教師的專業(yè)背景在為國育人上的特殊作用。

課題組在講述船舶推進(jìn)專業(yè)內(nèi)容的同時，針對課程內(nèi)容與學(xué)生學(xué)情設(shè)計了貫穿唯物辯證法、科學(xué)素養(yǎng)、工匠精神與家國情懷多位一體的人文素養(yǎng)教育體系。例如，在唯物辯證法方面，講授螺旋槳縱斜角設(shè)計應(yīng)注重度的把握，不宜過大以至于應(yīng)力太大，或過小以至于船底板振動太大。在科學(xué)素養(yǎng)方面，講授理想螺旋槳理論各假設(shè)時，強(qiáng)調(diào)學(xué)生們面對科學(xué)問題要大膽猜測，小心求證。在工匠精神方面，講授螺旋槳圖譜設(shè)計時，注意培養(yǎng)學(xué)生們細(xì)心、耐心的優(yōu)秀工作習(xí)慣。在家國情懷方面，講授螺旋槳敞水試驗臨界雷諾數(shù)數(shù)值確定時，激勵學(xué)生們向上海交通大學(xué)流體力學(xué)研究室前輩學(xué)者學(xué)習(xí)，做有世界影響力的工作。課題組力求將豐富的人文教育元素融入課程學(xué)習(xí)中，實現(xiàn)專業(yè)與素養(yǎng)學(xué)習(xí)相融合。

4? 虛擬/真實實驗相聯(lián)合

通常，船舶推進(jìn)實驗教學(xué)應(yīng)在船模拖曳水池或空泡水筒中開展[8]。然而，由于經(jīng)費(fèi)與場地有限，該類實驗常常難以在教學(xué)中實施。另外，受限于實驗測試技術(shù)，在真實實驗環(huán)境下測得的數(shù)據(jù)，并非能全息顯現(xiàn)物理場，特別對于螺旋槳周圍流場結(jié)構(gòu)的顯示與測量。虛擬仿真技術(shù)是一項利用計算機(jī)系統(tǒng)模擬真實系統(tǒng)的技術(shù)。因不受場地和資金限制且能通過數(shù)值模擬全息呈現(xiàn)物理場的特點，該技術(shù)被引入眾多學(xué)科實驗教學(xué)改革中來。但是，虛擬仿真技術(shù)物理場數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，依賴于真實實驗測試或數(shù)值仿真，而數(shù)值仿真離不開物理假設(shè)。因此，虛擬仿真技術(shù)不可完全替代真實實驗技術(shù)。采用虛擬仿真實驗教學(xué)代替部分物理實驗，進(jìn)行虛擬/真實實驗相聯(lián)合的教學(xué)方式是更為明智的選擇。

課題組在學(xué)院現(xiàn)有船模拖曳水池的基礎(chǔ)上，開展了船舶螺旋槳虛擬仿真實驗項目的建設(shè)，如圖4所示，該項目及后續(xù)項目力求通過數(shù)值仿真/現(xiàn)場測試技術(shù)得到敞水、空泡、伴流、強(qiáng)度和振動性能預(yù)報。

具體包括：①敞水工況中的螺旋槳推力、扭矩及效率隨進(jìn)速系數(shù)變化曲線，以及定常壓力分布與流場分布全息圖；②敞水工況中的螺旋槳空泡產(chǎn)生、演化及對推力、扭矩和效率的影響曲線；③伴流中螺旋槳平均推力、扭矩和效率以及非定常軸承力與脈動壓力時空分布全息圖；④加載下螺旋槳應(yīng)力應(yīng)變分布全息圖；⑤螺旋槳空氣與水下振動固有頻率與振型圖。并在虛擬3D環(huán)境中顯示這五部分結(jié)果，以提升課堂教學(xué)中螺旋槳基礎(chǔ)理論、螺旋槳模型的敞水試驗、螺旋槳的空泡現(xiàn)象、螺旋槳的強(qiáng)度校核和螺旋槳激振力等相關(guān)章節(jié)的教學(xué)成效。

三? 結(jié)束語

綜上所述，本文分析了目前船舶推進(jìn)課程的教學(xué)學(xué)情，并通過提出的“一融四合”教學(xué)法，改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，以期使學(xué)生更好地接受船舶推進(jìn)理論知識，并將其靈活有效地應(yīng)用到實際船舶設(shè)計和建造中。本教學(xué)模式的改革與實踐，可使學(xué)生更加熱愛船舶專業(yè)，同時也能增強(qiáng)教師教學(xué)的激情。本教學(xué)方法也可為其他船舶類課程教學(xué)改革提供借鑒。

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基金項目：省級教改項目“船舶與海洋工程專業(yè)創(chuàng)新型專業(yè)人才的培養(yǎng)機(jī)制研究與實踐”（2012040）；華中科技大學(xué)研究生教學(xué)改革研究項目“面向新時代‘海洋強(qiáng)國的船舶與海洋工程專業(yè)研究生課程體系建設(shè)”（YY202015）；華中科技大學(xué)教學(xué)研究項目“《船舶靜力學(xué)》教學(xué)內(nèi)容及方法的改革與實踐”（2021077）；華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院教學(xué)研究項目“船舶螺旋槳敞水和空化虛擬仿真實驗”（無編號）

第一作者簡介：李家盛（1987-），男，漢族，湖北武漢人，工學(xué)博士，講師。研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。