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摘要
基于對船舶靜力學課程設置教學實驗主要障礙的分析，探索了該課程開展教學實驗的實現途徑;針對船舶靜力學課程特點，系統研究了課程實驗內容選取和實驗設計應把握的原則，提出了以船舶穩性為中心知識點的基本型實驗和綜合設計型實驗設計方案，在課程教學中取得了良好的實踐效果。
關鍵詞
教學實驗，實驗設計，船舶靜力學，船舶穩性
船舶靜力學課程是一門以船舶浮性、穩性、不沉性等靜力性能為核心內容的課程，講授的是與船舶航行安全密切相關的基礎航海性能方面的知識，是船舶工程專業的必修專業基礎課程。該門課程自上世紀50年代在海軍工程學院開設以來，經過幾十年的積累沉淀和數代人的薪火傳承，不斷發展完善。特別是2000年以來，根據人才培養形勢的需求，重新編寫了課程教材，重新制訂了課程標準和課程實施方案，調整充實了部分內容，更好地適應了船舶工程專業人才培養任務的轉型。然而，一直以來，船舶靜力學課程都沒有設置課程教學實驗環節，這對于一門工程背景濃厚的力學課程而言，是有所缺憾的，并且在教學過程中也不利于學員實踐能力的培養、專業技術應用能力的訓練。本文圍繞船舶靜力學課程實驗教學問題，進行了系統的調查研究，分析了該課程沒有設置課程教學實驗環節的原因，結合艦船工程實驗室現有的軟硬件條件，設計了船舶靜力學課程的基本型教學實驗和綜合設計型教學實驗，在兩個教學班次的船舶靜力學課程授課中進行了實踐，取得了較好的教學效果。
1教學實驗設計應把握的原則
教學理論中對于課程實驗的界定為［1］:運用實驗的方法，在課程實踐中用以探索課程規律、促進課程理論和實踐發展的教育活動。課程教學實驗主要功能［2］是幫助學生理解、鞏固和掌握課程的理論知識，提高知識運用和理論聯系實際的能力，引導學生自覺將所學理論知識應用于實踐活動。許多理工科院校都有注重開展實驗教學的傳統，在培養學員動手能力、科學素養和創新精神方面起到了理論教學無法替代的作用［3－5］。海軍工程大學船舶靜力學課程幾十年來一直未設置教學實驗的原因主要在于:該課程的全部知識內容都是圍繞船舶這個具體的對象而展開的，同時靜力學的含義也已經是十分明確地特指船舶的浮性、穩性和不沉性，因而要設置該門課程的教學實驗必然是以船舶為實驗對象，以浮性、穩性、不沉性知識為實驗內容，而不能機械地為了設置實驗的方便而其分割截取為某一種脫離船舶這個實際對象的一般靜力學實驗，否則就失去了該課程教學實驗的意義;但是在本科課程的教學中將實物船作為實驗對象開展總體性能的實驗是不現實的。這是在船舶靜力學課程中設置教學實驗的最大障礙。船舶的靜力性能反映的是船舶主船體與海水的相互作用規律，船體形狀特征決定了船舶靜力性能的表現。因此實驗教學最重要的是要體現船舶平臺的形狀特征。如果按照實際船舶的船體主尺度和線型，制造一定縮尺比的船體模型，以該船體模型為對象設計靜力學實驗，該實驗結果也必然可以反映實尺度船舶的靜力性能指標。因此，船舶靜力學課程實驗的對象可以從實際船舶轉換為縮尺船模，從而具備了課程實驗的可設計性和可操作性。另外，對于船舶靜力學這類以理論講解為主、實驗教學為輔的課程，課程實驗要把握兩點:一是實驗內容的選取需要和理論授課內容相配合，尤其應著重反映重點知識與難點知識，力圖使其通過實驗表現得更形象具體，有利于學員對知識點的理解并加深印象;二是實驗過程設計要有一定的延展性，即實驗實施步驟應當圍繞實驗關注的中心知識點，將本課程相關的其他知識內容乃至本專業其它課程知識進行生動地融合，使學員在進行實驗過程中，不僅能鍛煉動手能力，而且能夠主動體會和理解實驗實施步驟所包含的知識點，從而在實驗實施過程中體現出較為完整的知識體系。
2船舶靜力學課程教學實驗的設計
2.1以船舶初穩性為中心知識點
根據對船舶靜力學課程知識內容的梳理和分析，結合課程實驗的要點，基于恰當的試驗設計原則［6－7］，選定船舶初穩性作為課程實驗的中心知識點，有以下3個方面的原因。
1)在課程知識體系上，初穩性是船舶靜力學3個主要知識內容浮性、穩性、不沉性中的重點和難點內容，初穩性知識的學習占到該課程總課時數的35，并且船舶穩性的概念比浮性和不沉性都更為抽象，學員要透徹地理解這部分知識比較困難，通過課程實驗可以將知識具體化形象化，有助于學員理解掌握。
2)在船舶工程實際中，穩性的知識外延到船舶的日常裝載方法、燃油淡水使用規定和航行安全注意事項的各個方面，有廣泛而具體的應用性和重要性。
3)從知識的關聯性上，穩性涉及船舶靜水力要素計算、船舶浮態調整、船舶上載荷移動和增減對初穩性影響、船舶上自由液面對初穩性影響等多個知識點，具有較強的代表性。
2.2課程教學實驗設計
船舶在有風浪的水域上航行，風在船體上產生使船體傾斜的傾斜力矩，船體發生傾斜后，由于浮心位置的變化，船舶的重力和浮力會產生抵抗傾斜力矩的復原力矩，如果在傾斜過程中復原力矩能夠大于最大的風致傾斜力矩，則船舶不會發生傾覆翻沉。風致傾斜力矩的大小與風在船體上的側向風力大小直接相關，而側向風力正比于船舶水面以上部分側向投影面積和風速度的平方，因此風致傾斜力矩是可以定量計算的。復原力矩的大小是由船舶的狀態和形狀特點決定的，涉及的因素復雜，在船舶靜力學研究領域，小角度傾斜條件下，將其寫成船舶重量、船舶傾斜角度以及初穩性高這3個特征量乘積的關系，其中初穩性高的概念掌握起來較為困難，且確定初穩性高的數值大小也相對復雜。若能確定初穩性高數值，可以計算出復原力矩的大小并與風致傾斜力矩的大小，從而初步評估船舶的抗風浪能力和穩定能力。因此圍繞船舶初穩性知識內容，設計了船舶初穩性高測量實驗和自由液面對初穩性高影響實驗兩項課程教學實驗。
2.2.1基本實驗
船舶初穩性高測量實驗定位為基本實驗，實驗原理為船舶上載荷水平橫向移動對浮態影響規律方面的知識，即處于正浮狀態的船舶，如果將其上一定重量的載荷水平橫向移動距離，則會形成一個橫傾力矩，船舶在這個橫傾力矩的作用下發生橫向傾斜，橫傾角的大小等于所移動載荷重量與移動距離的乘積除以船舶的重量排水量與船舶初穩性高度的乘積，根據這一原理，設計了通過在船模上水平橫向移動載荷使船模產生傾斜從而測量船模初穩性高的教學實驗，實驗分為船模狀態調整檢查、載荷移動及船模傾斜角測量、船模初穩性高計算與誤差分析、實驗結果討論4個主要的模塊進行。
2.2.2綜合設計實驗
自由液面對初穩性高影響實驗定位為綜合設計實驗。要求學員在教員給出的課程內容中自行擬定實驗題目并自行組合若干實驗小組，以小組為單位根據實驗內容，設計實驗方案，教員配合每一實驗小組完成實驗。各小組完成實驗后，教員組織全體學員參加實驗答辯研討會，小組代表對本小組實驗方案從設計、過程和結果進行匯報，學員自由發言進行質疑和解答。最后由教員對每一小組實驗任務完成情況進行總結，給出評價。
3課程實驗的實踐效果
在2013年、2014年船舶工程專業本科學員船舶靜力學的教學過程中，對所設計的船舶初穩性高測量實驗、自由液面對初穩性高影響實驗進行了具體的實踐，取得了很好的教學效果，主要表現在以下4點。
1)學員對船舶的靜力學性能有了直觀的認識，對船舶的浮性、浮態、穩性等概念的理解更為具體。
2)學員的專業實踐能力得到鍛煉。從實驗準備開始，學員普遍對實驗的每一步驟、每一細節都產生濃厚的興趣，并且，在船模吊放進入水池、移動壓鐵調整船模浮態、橫傾角測量等實驗進行的各個環節中，學員都是根據所學到的課程知識來指導實踐動作，動手能力和專業知識應用能力得到鍛煉。
3)經過船模初穩性高測量實驗，學員對本課程的重點與難點知識———穩性的理解更為透徹，具體表現在綜合設計實驗自由液面對初穩性高影響的實驗方案自主設計中，提出了多種新方案，展現了一定的創新性。
4)啟發了學員開展專業問題研究的思維。在綜合設計實驗中，學員們經歷了分析問題、提出解決方案、方案實施與結果分析、總結答辯、接受質疑與解釋、綜合評價這樣一個較為完整的過程，對專業問題研究過程有了初步了解。同時，以小組為單位開展實驗的方式也鍛煉了學員的團隊協作能力。
作者：劉志華 熊鷹 葉金銘 單位：海軍工程大學艦船工程系
參考文獻
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