面向卓越工程師的船舶有限元課程教學改革

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(上海海事大學 海洋科學與工程學院,上海 201306)

1 船舶有限元課程的背景和重要性

2010年，由教育部牽頭，啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”(簡稱“卓越計劃”)。該計劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經濟社會發(fā)展需要的高質量各類型工程技術人才[1-2]。學校的船舶與海洋工程入選“卓越計劃”后，通過加強與行業(yè)企業(yè)深度參與的培養(yǎng)過程，與技術領先的滬東造船集團合作，研究制定專業(yè)理論+工程實踐的“3+1”模式[3]。按照工業(yè)通用標準和船舶行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才，不斷強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力。

近年來，隨著電子計算機技術的飛速發(fā)展和計算軟件技術的不斷更新成熟，計算結構力學這一學科在工程領域得到了廣泛的應用。目前在船舶領域，全船有限元、艙段分析及局部結構有限元分析已越來越普遍被船東及船級社在設計中所采用，尤其是由新材料建造的船舶及新型結構的船舶設計，有限元分析更是設計者的重要依據之一。以中國船級社的入級規(guī)范為例，2000年以前的船舶結構計算絕大部分是基于傳統(tǒng)的結構力學理論形成的半經驗半理論的方法。2000年以后的做法，則是在具體規(guī)范中增加了很多涉及有限元計算的指導篇幅，更有頒布的《油船結構直接計算分析》[4]等關于有限元方法用于船舶結構計算的專門規(guī)范。無論是2006年國際船級社協(xié)會頒布的油船和散貨船共同結構規(guī)范(CSR)還是正在推進中的協(xié)調共同規(guī)范(HCSR)，有限元理論的應用越來越廣泛。

根據船舶與海洋工程專業(yè)領域知識和能力要求，工程師必須具備船舶與海洋工程項目所必需的工程素質和工程實踐能力[5]。課程的目的側重為各大造船企業(yè)和地方船廠培養(yǎng)基礎扎實、專業(yè)知識廣泛，動手能力強，具有創(chuàng)新精神和實踐能力的復合型、應用型船舶與海洋工程高級技術人才。面對船舶工業(yè)高速發(fā)展的需求，圍繞船舶行業(yè)技術標準的更新和調整，必須進一步提高工程人才的培養(yǎng)質量，增加學生的專業(yè)就業(yè)適應性。為此，船舶有限元課程的改革勢在必行。

2 課程改革的必要性

2.1 過于重理論輕實踐的教學模式

由于有限元理論的復雜性，傳統(tǒng)的教學模式一般會占用大量篇幅來講解這個理論的基礎知識。因此，有些船舶專業(yè)院校只對專業(yè)的高年級研究生進行授課。授課總學時有限，在理論教學比重較大時，課程的實踐環(huán)節(jié)將被大幅度精簡，最終的實踐環(huán)節(jié)以計算機仿真建模為主，只能進行桿、梁等簡單結構的建模分析計算，不利于體現(xiàn)有限元方法的優(yōu)越性及在船舶領域的應用性。同時，長時間的理論實習，也不利于提高學生的積極性。根據學生的反饋意見，發(fā)現(xiàn)很多學生在課程結束后，仍然對有限元理論一知半解，對上機的操作仍顯生疏，對理論在船舶結構的應用更是無從下手。

2.2 教學資源的匱乏

教學資源的匱乏主要體現(xiàn)兩個方面。

一是教材的缺乏，國內外關于有限元方法的理論和通用軟件的書籍很多，但是面向船舶，與船舶設計相關的有限元方法應用的教材并不多見，且一般是偏理論性的[6-7]，沒有相關的工程實例，與實際工程應用的聯(lián)系并不緊密。對于應屆大學生而言，以上的知識體系的學習可以讓他們了解和掌握相關的理論知識，但是由于缺乏直接面向船舶結構的應用講解和工程實例講解，對實際應用的針對性不強，學生難以適應有限元分析工作。

二是工程案例的缺乏。工程項目的教學首先需要有實際的項目，再進行工程項目的教學案例設計。工程項目一般來源于企業(yè)，屬于學校與企業(yè)的合作項目，一般在簽訂之初就附有保密協(xié)議等限制條件，工程案例難以流入正常的教學環(huán)節(jié)，使得當前適用于教學的工程實例比較匱乏。

2.3 學生與老師的互動不足

有限元理論是內容體系涉及到多學科的理論，具有較強的數學知識背景，結構力學的理論性、邏輯性和學科交叉性，是學生在掌握高等數學、線性代數、船舶結構力學、彈性力學等重點復雜學科基礎上的后續(xù)課程。多年來，其教學過于偏向學術化，而大多數學生的前期基礎知識并非扎實可靠。且課程大量課時用于理論講解，學生的實踐能力不強，制約卓越工程師的培養(yǎng)。由于理論的復雜難懂，加之有限元矩陣表達的枯燥，導致學生難以在課堂上與老師緊密互動。更多的學生自己也知道有問題存在，卻不知如何提問求教。長此下去，學生會失去信心，難以提升對課程的興趣。

3 課程改革的構想與實踐

3.1 教學理念的轉變

隨著計算機及應用軟件的高速發(fā)展，有限元知識在船舶設計中的應用必將越來越廣泛，勢必需要更多的工程人員參與進來，實現(xiàn)相關船舶力學的直接計算。以往適用于研究生階段的船舶有限元課程，需要作進一步的調整，將其教學范圍擴大至本科及大專院校的專業(yè)高年級學生。這是順應船舶工業(yè)及企業(yè)發(fā)展需求、培養(yǎng)卓越工程師的改革之路。目前，船舶設計建造規(guī)范已經對船舶有限元分析的內容、原則做了詳細的規(guī)定，這為正確建立模型提供了保證。因此，一般的船舶設計人員都需要掌握這門技術。

3.2 教學改革

1)加強教師工程背景的培養(yǎng)，提高教師的綜合能力。定期組織教師加入企業(yè)進行考察、調研和實踐鍛煉，讓授課老師熟悉企業(yè)的工作流程和工作模式，了解生產實際，實現(xiàn)理論與實踐的互補，為后續(xù)的學生培養(yǎng)更具針對性。

2)加大與企業(yè)合作的力度，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。幫助企業(yè)實現(xiàn)有限元方面的計算工作，積極爭取橫向項目，并讓學生參與進來，零距離接觸教學案例。部分項目也可以作為學生的畢業(yè)設計案例，既幫助企業(yè)完成計算工作，又讓學生得到了鍛煉。

3)完成實用性強的講義和教材編寫。在前面兩條的基礎上，面向船舶行業(yè)規(guī)范，撰寫面向工程應用的船舶有限元建模與分析教材，并加入大量工程實例說明。該類教材工程實踐性高，適用性強。

3.3 教學方法的調整

打破傳統(tǒng)的以教師為中心，重理論輕實踐的教學模式，借助計算機軟件，以學生為主體進行教學。對于卓越工程師培養(yǎng)，最有效的培養(yǎng)方式莫過于直接采用船廠或船舶設計單位、船舶研究所的原始資料，引導學生進行讀圖，讓他們了解他們將來的工作。這有利于激發(fā)學生的學習熱情，也為他們將來的就業(yè)和適應工作崗位提供有力的支持。在學習的過程中，還可以復習船體制圖的相關內容，幫助學生夯實專業(yè)基礎。同時，設計優(yōu)化結構板塊，注重學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在船舶有限元案例教學中，還可以將整船分成若干模塊，每個模塊根據工作量大小，指定一組同學，最后的計算分析又提交另一個小組負責，對于計算結果正確與否的分析，可以讓大家都參與進來，進行小組分析與討論。這些舉措，有利于加強學生的團隊合作精神建設，培養(yǎng)他們的團隊意識。由船舶項目為目標，調整的船舶有限元課程教學模式見圖1。

圖1 以教學案例為中心的教學流程

3.4 考核體系的完善

考核體系不是傳統(tǒng)的筆試定成績，而是將考核體系納入課程學習的全過程，側重考核學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，兼顧團隊合作能力的培養(yǎng)，課程考核細則見表1。

表1 船舶有限元課程考核的設計 %

4 結論

船舶有限元課程是面向船舶工業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)船舶工程師的重要課程。在平時的教學及學習過程中，一些專業(yè)課程要緊緊圍繞卓越工程師的培養(yǎng)為目標，以工程案例為導向，激發(fā)學生的學習興趣和學習熱情，讓學生主動參與進來，以培養(yǎng)學生的實際能力和工程意識為基礎，直接與企業(yè)所需的人才接軌，實現(xiàn)無縫對接，讓學生能迅速適應工作角色。船舶有限元課程經過近兩屆畢業(yè)生的培養(yǎng)證明，畢業(yè)學生能較好實現(xiàn)理論知識到工程實際的轉換，并能快速的進入設計角色，得到用人單位的好評。

[1] 教育部高等教育司.最新高校卓越工程師教育培養(yǎng)計劃實施探索與國家創(chuàng)新工程技術人才培養(yǎng)方案指導全書[M].北京：高等教育出版社,2011.

[2] 錢作勤，賀玉海，李煜輝.工科能源動力類工業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計劃構想[J].船海工程，2011，40(4)：39-42.

[3] 劉英學，劉文白，張寶吉.船舶與海洋工程專業(yè)培養(yǎng)模式研究[J].船海工程，2012，41(6):134-127.

[4] 中國船級社.油船結構直接計算分析指南[M].北京：人民交通出版社，2003.

[5] 張會霞，郭廷良.船舶與海洋工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式[J].船海工程，2011(4):46-47.

[6] 聶 武，孫麗萍.船舶計算結構力學[M].北京：人民交通出版社，2003.

[7] 孫麗萍.船舶結構有限元分析[M].北京：人民交通出版社，2004.