基于工程教育认证的船舶结构力学课程教学改革探索.pdf

摘 要 工程教育认证是北部湾大学船舶与海洋工程专业发展的重要机遇，根据认证标准中的工程知识要求、问题分析能力和使用现代工具能力等分析船舶结构力学课程存在的问题，并就这些问题提出相关的教学改革建议。关键词 船舶结构力学；工程教育认证；教学改革中图分类号：G642.0 文献标识码：B文章编号：1671-489X(2023)11-0108-030 引言近年来，各个高校对工程教育专业认证表现出相当高的热情，以认证促进学科发展，提高人才培养质量，提高毕业生竞争力。工程教育专业认证与国际接轨，工作标准与国际等效，获得认证的专业的毕业生学历国际认可。工程教育以学生为中心，以成果为导向，持续改进，不断提升人才培养质量。专业认证是专业建设的重大发展机遇，为了达成培养目标，必须深化教学改革，提高教学质量。北部湾大学着力突出海洋性办学特色，船舶与海洋工程专业是学校重点支持和发展的专业。为了建设海洋特色鲜明的、具有一定国际影响力的高水平应用型大学，船舶与海洋工程专业的工程教育认证需及早推进。船舶结构力学是船舶与海洋工程专业一门重要的专业必修课，其教学质量直接影响学生的专业水平和工程能力。为通过工程教育专业认证，课程应对照标准进行相应的教学改革。船舶结构力学内容包括单跨梁的弯曲理论、杆件的扭转理论、力法、位移法、能量法、矩阵法、矩形板的弯曲理论、杆与板的稳定性，要求学生掌握结构力学的基本理论和概念以及船体结构的计算方法，具有校核船体结构强度、设计新的船体结构的能力。课程以课堂教育为主，教材采用上海交通大学出版社出版的船舶结构力学1。在教学过程中，常常出现过度依赖多媒体堆砌内容、教材老旧没有及时更新、缺少实践环节、学生有畏难心理学习兴趣不高等问题，造成学生不能很好地掌握船舶结构强度分析的技能，工程能力相对较弱。DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2023.11.108基于工程教育认证的船舶结构力学课程教学改革探索*符妃 冯志强 韩翔希北部湾大学 广西钦州 535011船舶结构力学课程在船舶专业人才培养课程体系中居于重要位置，针对现存问题对教学模式进行改革，以适应工程教育认证的要求，培养具有良好工程意识的高素质应用型人才。1 工程知识要求船舶与海洋工程专业毕业生要求具备必要的船舶与海洋工程专业基础知识，能系统掌握理论知识及实践技能，工程教育认证通用标准中明确要求毕业生能够将专业知识用于解决复杂工程问题。船舶结构力学的知识对船舶结构校核和设计有举足轻重的作用，必须重视课程的学习及应用。1.1 工程知识学习存在的问题1.1.1 教材陈旧，侧重方法介绍，未引导学生深入分析船舶典型结构的力学特性1该课程广泛使用的教材是上海交通大学出版社1991 年出版的船舶结构力学，书中阐明了结构力学的基本理论和基本方法，详尽地介绍了力法、位移法、能量法、矩阵法和有限元法的原理和应用。该教材被国内高校广泛使用，对船舶设计与制造人才的培养发挥了重要作用，但是该教材在要求学生掌握各种结构力学计算方法时，并没有有效引导学生深入分析船舶结构的力学特性，进而掌握船体的典型结构形式简化为计算模型、相对应的计算模型采用适当计算方法的能力，并熟知每种计算方法的基本原理。随着科技的发展，船体结构强度已普遍采用有限元分析的数值模拟计算，只简单介绍有限元法的原理已不合时宜，应引入典型的船舶结构案例，并介绍一些通用程序，为分析实际工程夯实基础。船舶结构力学常见教材及主要内容见表 1。1.1.2 重课堂轻实践，忽视专业知识的应用现有的船舶结构力学课程以课堂教学为主，缺少工程实践环节，教学方法单一，没有将理论知识与实际工程的力学模型结合，学生机械记忆相关公式和方法，以通过考试为单一目标，分析和解决实际工程的能力得不到有效培养。现有课堂教学往往局限于幻灯片加教材，教师可以提前制作幻灯片确*项目来源：广西研究生教育创新计划项目（JGY2022298），2018 年度钦州学院高等教育本科教学改革工程项目（18JGA013）作者：符妃，助理研究员；冯志强，教授，博士；韩翔希，副教授，博士。的作用，必须重视课程的学习及应用。1.1.1 教材陈旧，侧重方法介绍，未引导学生深1该课程广泛使用的教材是上海交通大学出版社1991 年出版的船舶结构力学，书中阐明了结构力学的基本理论和基本方法，详尽地介绍了力法、位移法、能量法、矩阵法和有限元法的原理和应用。该教材被国内高校广泛使用，对船舶设计与制造人才的培养发挥了重要作用，但是该教材在要求学生掌握各种结构力学计算方法时，并没有有效引导学生深入分析船舶结构的力学特性，进而掌握船体的典型结构形式简化为计算模型、相对应的计算模型采用适当计算方法的能力，并熟知每种计算方法的基本原理。随着科技的发展，船体结构强度已普遍采用有限元分析的数值模拟计算，只简单介绍有限元法的原理已不合时宜，应引入典型的船舶结构案课程整合-108-2023年6月上 第11期（总第557期）定好教学思路和内容，但一味追求内容堆砌，把控不好教学节奏，重点难点没有特殊指导，师生之间没有积极互动，造成课堂气氛沉闷，学生能动性较低，教学效果不理想2。1.1.3 学生普遍力学基础薄弱，学习兴趣不高船舶结构力学的学习需要将高等数学、线性代数、理论力学、材料力学等先导知识融会贯通，但学生能力参差不齐，基础普遍较为薄弱，遇到公式推导复杂的新课程容易产生抵触心理，学习积极性不高，逃避甚至放弃该课程的学习。1.2 适应工程知识要求的改革方案1.2.1 教学组织以学生为中心，激发学生学习兴趣，引导学生自主探讨工程问题，并形成工程方案学生应深度参与课堂教学过程，积极探讨，形成工程意识和批判性思维。如在学习力法和位移法后，组织学生讨论船体结构中哪些结构组成刚架，哪些组成板架，刚架和板架受到的载荷有什么特点，一个简单的刚架或板架分别采用力法和位移法计算，两种方法的优缺点在哪里。通过讨论，对比分析，更好地熟悉船体结构特征，掌握结构力学计算方法并将理论知识应用到工程分析中。课堂教学从单方面灌输模式转换为互相对话模式，从知识学习目标转换为能力培养目标。1.2.2 加强产教融合，增加实践环节北部湾大学一直坚持产教融合协同育人的教育方针，不断深化教育教学综合改革，与中船集团广西公司、中船集团第十一研究所、中船集团北部湾设计公司、北部湾港口集团等多家央企、省企建立联合培养基地，在这样的大环境之下，课程教学改革应抓住机遇，开展协同创新、协调育人，培养学生的创新精神和创新能力。教学与实践紧密结合，深入企业学习，在实践中消化应用理论知识。1.2.3 针对学生基础薄弱问题，适当增加先导课程的总结复习环节，对问题进行分解和简化，增加学生学习兴趣对以往知识进行总结再引入新知识，学生从熟悉的知识领域进行探索，从心理上更容易接受新内容。对复杂问题进行分解，简化推导及证明过程，强调结论及其应用。将新知识点应用在实际案例上，申明知识点的实用性，引导学生自主分析，增强学生学习的积极性。2 问题分析能力工程教育认证要求毕业生能够运用数学、自然科学和工程科学的基本原理识别和判断船舶与海洋工程领域复杂工程问题，通过设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论，从而具备技术开发能力。2.1 问题分析能力培养存在的问题工程问题的分析涉及多个课程知识，现有的课程设置或多或少照顾了教师想上什么课和能上什么课的情况，不同的课程在不同学期由不同教师授课，学生将考试过关作为课程结束的标志，各门课程人为割裂。现有教学模式过度依赖单一教材进行教学，教学思路和教学大纲也大多依托选用的教材，学生获取相关知识的渠道非常窄。2.2 针对问题分析能力培养的改革方案2.2.1 深化课程体系改革，按学生的毕业要求进行组织船舶结构力学的教学内容包括理论力学和材料力学的内容，同时涉及高等数学、大学物理、线性代数等。在课程安排上，应体现内容的递进和衔接，在课堂教学中，可适当增加先导知识的复习和梳理。船舶结构力学主要内容及其先导知识见表 2。学生通过熟练掌握各门课程知识，形成完整知识体系，遇到问题能综合分析，并给出分析结果和解决方案。2.2.2 增加文献检索、资料查询基本方法教学，引导学生自主分析工程问题表 1 船舶结构力学常见教材序号常见教材主要内容1陈铁云，陈伯真.船舶结构力学，上海交通大学出版社，1991主要叙述船体结构中杆及杆系的弯曲、扭转与稳定性以及板的弯曲与稳定性问题，阐明了结构力学的基本理论和方法经典的力法、位移法及能量法，介绍了杆系的矩阵法、弹性理论平面应力问题的有限元法和板弯曲的有限元法2吴梵.船舶结构力学，国防工业出版社，2016船舶结构力学计算模型的建立；单跨梁、连续梁、弹性基础梁、平面刚架、平面板架、薄板、圆柱形薄壳等结构的力学特性、弯曲和稳定性问题的计算方法；有限元法基础及应用；大开口船舶弯扭强度基础3刘虓.船舶结构力学，华南理工大学出版社，2010介绍力法、位移法、矩阵法、能量法等经典结构解析法，涉及船体结构包括单跨梁及梁系、平面应力板、矩形薄板，并对有限元法和结构稳定性进行了阐述4舒恒煜，谭林森.船舶结构力学，华中科技大学出版社，1993以杆件、杆系和板的弯曲及稳定性，薄壁杆件的扭转作为研究对象，介绍了力法、位移法及能量原理等基本理论与方法，用较大篇幅叙述了矩阵位移法和有限单元法及其在船体结构强度计算中的应用船舶结构力学的学习需要将高等数学、线性代数、理论力学、材料力学等先导知识融会贯通，但学生能力参差不齐，基础普遍较为薄弱，遇到公式推导复杂的新课程容易产生抵触心理，学习积极性不高，逃避甚至放弃该课程的学习。1.2 适应工程知识要求的改革方案1.2.1 教学组织以学生为中心，激发学生学习兴趣，引导学生自主探讨工程问题，并形成工程方案学生应深度参与课堂教学过程，积极探讨，形成工程意识和批判性思维。如在学习力法和位移法后，组织学生讨论船体结构中哪些结构组成刚架，哪些组成板架，刚架和板架受到的载荷有什么特点，一个简单的刚架或板架分别采用力法和位移法计算，两种方法的优缺点在哪里。通过讨论，对比分析，更好地熟悉船体结构特征，掌握结构力学计算方法并将理论知识应用到工程分析中。课堂教学从单方面灌输模式转换为互相对话模式，从知识学课程整合-109-2023年6月上 第11期（总第557期）除了教材、教案、教学幻灯片，学生还可以通过文献检索和资料查询获取船舶结构力学知识，拓展知识宽度和深度。在自主查阅资料的过程中，对复杂工程问题进行解构和分析，并得出有效结论。3 使用现代工具能力工程教育认证要求毕业生能够针对复杂工程问题，使用恰当的技术和现代工程工具，对复杂工程问题进行预测与模拟。船舶结构力学为结构校核和设计提供了力学理论基础，但如果局限于理论教学，不引导学生了解掌握不断更新换代的现代工具，会使学生的课堂知识和工作时的技术手段割裂开来。3.1 使用现代工具能力培养存在的问题船体结构复杂，在传统理论分析过程中对结构进行抽象简化3，通过静态的结构简图进行分析，船体结构的变形及应力分布基本靠想象，需要学生具备一定的空间想象力和力学思维。课程拥有大量的计算公式和力学推导过程，机械记忆难以消化和掌握其应用方法，达不到学以致用的效果。单纯的理论学习和课堂教学对快速迭代的结构分析软件视而不见，以致无法满足培养优秀工程人才的要求。3.2 针对使用现代工具能力培养的改革方案船舶结构力学课程包含矩阵法和平面应力问题有限元法等内容，这些内容是结构有限元分析的理论基础。为提高学生使用现代工程工具解决船舶结构校核和设计问题，现对船舶结构力学的教学改革提出以下方案。3.2.1 将结构有限元分析软件引入课堂教学ANSYS 和 ABAQUS 等有限元软件拥有强大的计算能力和后处理能力，能够直观地反映船舶结构在特定外力作用下的变形和应力分布4。在使用有限元软件过程中，结构建模要求学生熟知船体结构，赋材料和截面属性帮助学生理解掌握材料力学特性对结构强度、刚度及稳定性的影响，定义载荷帮助学生具象化外力的作用方式和影响，划分网格帮助学生更好地理解结构离散化的概念，定义约束帮助学生理解和掌握不同约束形式及其边界条件，求解后进行后处理，通过应力分布云图和位移矢量图，直观地反映船体结构的应力分布及变形情况。3.2.2 将有限元分析案例作为课后作业，并引导学生自主学习编程教师在课堂上只能对有限元软件进行简要的介绍，引导学生自主学习，真正熟练使用要依靠学生课后不断摸索和试错。可以先通过布置一些简单的如单跨梁弯曲的力学问题，让学生通过手算和软件计算对比分析，更好地掌握理论知识和熟悉软件分析流程，然后通过案例进一步尝试分析一些典型的船体结构。在学习船舶结构力学之前，学生已经学习过程序设计语言课程，可引导学生针对船舶结构力学里的内容进行编程，如矩阵法本就是计算机计算方法，通过编程能让学生更好地理解其原理和掌握分析思路。通过不断的训练，锻炼学生的分析和纠错能力，提高工程意识，增强竞争力。4 结束语 工程教育认证标准以学生为中心，学生的要求及其培养目标占据重要位置。为达成培养目标，应深化课堂教学改革，不断提高教学质量。船舶与海洋工程专业是北部湾大学重点发展的专业，为促进学科发展，增强学生竞争力，须及早为工程教育认证做准备。船舶结构力学作为专业必修课，应参照工程教育认证标准中的要求，做好相关课程改革。5 参考文献1 郭日修.关于船舶结构力学的思考:改革船舶结 构力学教科书 J.力学与实践,2011,33(2):80-81.2 罗广恩.“船舶结构力学”教学改革探讨 J.中外企业 家,2013(30):240-241.3 杜帅.有限元软件在结构力学教学改革中的应用分析 J.居舍,2019(6):161.4 李丹,吕婧.有限元软件在船舶结构力学课程教学中的 应用 J.船舶职业教育,2018,6(5):18-20.表 2 船舶结构力学主要内容及其先导知识序号 船舶结构力学主要内容先导知识1单跨梁的弯曲理论材料力学弯曲内力、弯曲应力、弯曲变形相关内容2杆件的扭转理论材料力学扭转相关内容3力法理论力学静力学内容；材料力学弯曲应力、弯曲变形相关内容4位移法理论力学静力学内容；材料力学弯曲应力、弯曲变形相关内容5能量法理论力学动力学内容6矩阵法材料力学拉压、扭转、弯曲等相关内容7矩形板的弯曲理论材料力学应力和应变分析和强度理论8杆及板的稳定性材料力学压杆稳定课后不断摸索和试错。可以先通过布置一些简单的如单跨梁弯曲的力学问题，让学生通过手算和软件计算对比分析，更好地掌握理论知识和熟悉软件分析流程，然后通过案例进一步尝试分析一些典型的船体结构。在学习船舶结构力学之前，学生已经学习过程序设计语言课程，可引导学生针对船舶结构力学里的内容进行编程，如矩阵法本就是计算机计算方法，通过编程能让学生更好地理解其原理和掌握分析思路。通过不断的训练，锻炼学生的分析和纠错能力，提高工程意识，增强竞争力。工程教育认证标准以学生为中心，学生的要求及其培养目标占据重要位置。为达成培养目标，应深化课堂教学改革，不断提高教学质量。船舶与海洋工程专业是北部湾大学重点发展的专业，为促进学科发展，增强学生竞争力，须及早为工程教育课程整合-110-2023年6月上 第11期（总第557期）