海洋平臺設(shè)計(jì)原理課程改革研究與實(shí)踐

黃 威，劉加一，殷彩玉

（華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

專業(yè)課程是課程思政建設(shè)的基本載體，專業(yè)知識體系是提高學(xué)生正確認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力的重要內(nèi)容，對大學(xué)生思維方法和價(jià)值理念的建立具有重要意義，是大學(xué)教育中立德樹人的關(guān)鍵步驟。深入落實(shí)專業(yè)課程思政建設(shè)，加強(qiáng)專業(yè)課程教育的基礎(chǔ)強(qiáng)化和與時(shí)俱進(jìn)，是推進(jìn)建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)的強(qiáng)動力源。

華中科技大學(xué)緊密圍繞海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略需求，為船舶與海洋工程一流專業(yè)創(chuàng)建，積極構(gòu)建基于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主體的本科培養(yǎng)新體系。為了培養(yǎng)具有優(yōu)秀創(chuàng)新實(shí)踐能力的船舶與海洋工程專業(yè)卓越人才，設(shè)立了一系列理論與實(shí)踐相結(jié)合的專業(yè)課程[1]。隨著世界各國逐漸將發(fā)展目光投向深藍(lán)，廣袤海域中所蘊(yùn)含的礦產(chǎn)資源和生物資源等不斷被發(fā)掘。

本項(xiàng)研究目標(biāo)旨在調(diào)整海洋平臺設(shè)計(jì)原理所涉及的相關(guān)專業(yè)知識內(nèi)容，參考最新海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)規(guī)范和指南，吸收國內(nèi)外有關(guān)海洋平臺設(shè)計(jì)相關(guān)研究與教材最新內(nèi)容。強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)鞏固、加強(qiáng)相關(guān)原理與方法的學(xué)習(xí)；重視理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化，增加教學(xué)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)；基于教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的改變，增加學(xué)生課程參與度與積極性，改進(jìn)考核方式，進(jìn)而形成一套實(shí)踐性強(qiáng)的、較為系統(tǒng)的海洋平臺設(shè)計(jì)原理新講義與課程大綱。

一、教學(xué)大綱的修訂

結(jié)合立德樹人的根本目標(biāo)，經(jīng)過多年教學(xué)與科研工作實(shí)踐，海洋平臺設(shè)計(jì)原理課題組經(jīng)過不斷的研討、協(xié)調(diào)分工與課程教學(xué)磨合，從教學(xué)內(nèi)容的完整性和實(shí)用性對早期課程教學(xué)大綱的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容均作出了相應(yīng)的修訂，并在教學(xué)過程中重視專業(yè)課程思政點(diǎn)的具體落實(shí)，為深入推進(jìn)專業(yè)課程思政提供有力支撐。

經(jīng)過修訂，海洋平臺設(shè)計(jì)原理課程學(xué)時(shí)由24 學(xué)時(shí)增加到32 學(xué)時(shí)，增加了《大型集中ProjectⅢ海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化》為期3 周的大型課程設(shè)計(jì)。教學(xué)目標(biāo)從原來的對深水平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和方法的掌握，注重基礎(chǔ)鞏固和創(chuàng)新實(shí)踐，重點(diǎn)強(qiáng)化了學(xué)生利用所學(xué)知識解決簡單的海洋平臺設(shè)計(jì)和相關(guān)性能分析的綜合能力培養(yǎng)，并促進(jìn)專業(yè)和思政教育的協(xié)同共行，達(dá)到全方位落實(shí)立德樹人的育人目的。在教學(xué)方法上，為了面向疫情期間教學(xué)和教學(xué)深度的加強(qiáng)，在原本理論教學(xué)基礎(chǔ)上，強(qiáng)化了線上與線下的結(jié)合，利用“超星”課堂平臺實(shí)現(xiàn)隨堂測試、討論以及課下的反饋等，利用課上的案例教學(xué)和課下的數(shù)值模擬實(shí)踐，達(dá)到翻轉(zhuǎn)課堂的效果。并強(qiáng)調(diào)了對海洋平臺設(shè)計(jì)以及深海資源開發(fā)技術(shù)的發(fā)展前沿跟蹤探索的線上學(xué)習(xí)方式的獲取，如圖1 所示。教學(xué)內(nèi)容上，經(jīng)過初步修正的內(nèi)容包含24 課時(shí)的海洋平臺主體尺度規(guī)劃原則和方法、總體性能分析與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的相關(guān)內(nèi)容和8 課時(shí)的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。經(jīng)過數(shù)年教學(xué)實(shí)踐和對最新海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)教學(xué)的參考，為了進(jìn)一步提升教學(xué)內(nèi)容的完整和統(tǒng)一性，強(qiáng)化面向創(chuàng)新實(shí)踐的教學(xué)目的，新的教學(xué)大綱進(jìn)一步強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)和模型試驗(yàn)內(nèi)容，適當(dāng)減少了定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的講解。對海洋平臺設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行更新和刪減，形成最終修訂的新教學(xué)大綱，更有利于強(qiáng)化學(xué)生利用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的綜合能力培養(yǎng)。

圖1 海洋平臺設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)方法

二、教學(xué)講義與內(nèi)容

依托《海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術(shù)》[2]的主體，原講義主要內(nèi)容分為兩個(gè)部分，第一部分為海洋平臺總體設(shè)計(jì)，第二部分為深水平臺定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第一部分包含七章內(nèi)容：第一章緒論，主要介紹了海洋平臺類型、發(fā)展歷程和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等；第二章介紹了海洋工程環(huán)境與載荷，包含有風(fēng)、浪、海流、海冰與地震，其中重點(diǎn)通過波浪理論和莫里森方程對海洋平臺主要受到的海浪開展了相關(guān)的講解與實(shí)例分析；第三章為深水平臺設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，介紹了浮式結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)基本過程及其特點(diǎn)、浮式平臺設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和要求；第四章為深水平臺總體尺度與結(jié)構(gòu)規(guī)劃，重點(diǎn)根據(jù)幾種典型的深邃平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹了半潛式平臺、張力腿平臺和深吃水立柱平臺的主體尺度規(guī)劃及結(jié)構(gòu)形式對不同規(guī)劃的影響；第五章以半潛式平臺為主，進(jìn)一步考察主尺度規(guī)劃的合理性，通過計(jì)算平臺運(yùn)動特征和各自由度上的響應(yīng)周期和設(shè)計(jì)波確定來完成平臺的總體性能分析；第六章對平臺組合載荷工況的介紹，分析了不同形式平臺的強(qiáng)度分析特點(diǎn)；第七章是深水平臺的主體安裝，介紹了不同結(jié)構(gòu)形式平臺安裝方法的差異和相關(guān)的工程結(jié)構(gòu)介紹。第二部分基于《浮式結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析》[3]，通過四章內(nèi)容對系泊系統(tǒng)特點(diǎn)、材料、受力及強(qiáng)度和系泊設(shè)計(jì)做出介紹，結(jié)合最后一章動力定位系統(tǒng)完成了浮式結(jié)構(gòu)物定位系統(tǒng)的介紹。講義在內(nèi)容上包含了海洋平臺總體設(shè)計(jì)過程相關(guān)的內(nèi)容。但是兩部分內(nèi)容在邏輯性上并不太連貫，分別開展主體結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中涉及的大量設(shè)計(jì)規(guī)范，對課堂教學(xué)的講授和學(xué)生積極性是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。在主體的第一部分中，對過程、規(guī)范等內(nèi)容的側(cè)重較強(qiáng)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及創(chuàng)新實(shí)踐性的教學(xué)內(nèi)容缺少足夠的探索。

結(jié)合新教學(xué)大綱提出的新的教學(xué)目標(biāo)，在原講義基礎(chǔ)上，研究和分析國內(nèi)高校在海洋平臺設(shè)計(jì)相關(guān)課程中教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，基于《Handbook of Offshore Engineering》《Dynamic Analysis and Design of Offshore Structures》《Springer Handbook of Ocean Engineering》和《海洋結(jié)構(gòu)工程》完成對新講義主要內(nèi)容的梳理與整合，對定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡化，最終形成了基本符合雙語教學(xué)的海洋平臺設(shè)計(jì)原理課程的新講義與教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃。

新講義共包含有八章主要內(nèi)容。第一章內(nèi)容為海洋平臺概述，在原基礎(chǔ)上增加了對深海油氣開采的介紹，增強(qiáng)專業(yè)背景知識的掌握。另一方面，對典型深水平臺特點(diǎn)的介紹過程中，將平臺安裝涉及的初步內(nèi)容添加到第一章，進(jìn)而刪除原講義中的第七章。第二章主要介紹幾種典型的海洋環(huán)境及載荷，突出波浪載荷的重要性，添加了波浪譜相關(guān)直接介紹與運(yùn)用講解。結(jié)合課題組經(jīng)驗(yàn)，介紹了使用規(guī)范進(jìn)行平臺結(jié)構(gòu)抗地震分析的實(shí)例，達(dá)到基礎(chǔ)強(qiáng)化與運(yùn)用能力的培養(yǎng)。第三章為海洋平臺載荷與響應(yīng)。重點(diǎn)介紹波浪載荷及設(shè)計(jì)波的確定，以及針對波浪載荷作用下在平臺和結(jié)構(gòu)物上載荷的計(jì)算和結(jié)構(gòu)物運(yùn)動響應(yīng)的簡化計(jì)算分析。在本章內(nèi)容中，針對結(jié)構(gòu)響應(yīng)內(nèi)容，演示使用ANSYS/AQWA 進(jìn)行有限元分析的方法，強(qiáng)調(diào)理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)換。第四章從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法引入，主要針對海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)和疲勞極限狀態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行講解，貫通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)，注重海洋結(jié)構(gòu)物特殊海洋環(huán)境下極限狀態(tài)的特點(diǎn)。并強(qiáng)調(diào)了作為一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，海洋平臺結(jié)構(gòu)可靠性與風(fēng)險(xiǎn)評估的重要性和基本方法。第五章將海洋平臺主尺度的規(guī)劃和總體性能分析進(jìn)行整合，針對典型平臺結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行邏輯性連貫性更好的介紹。并將平臺安裝涉及的總體性能分析部分內(nèi)容納入到此章。第六章主要介紹深水平臺的定位系統(tǒng)，將原講義中約占8 學(xué)時(shí)的內(nèi)容進(jìn)行縮減，主要針對系泊系統(tǒng)靜力計(jì)算、系泊系統(tǒng)動力分析以及使用時(shí)域和頻域方法開展系泊系統(tǒng)強(qiáng)度分析進(jìn)行講解，將動力定位基本原理和發(fā)展現(xiàn)狀部分融入該章，形成完整的內(nèi)容。在完成海洋平臺結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計(jì)相關(guān)理論知識介紹后，第七章重點(diǎn)包含有浮式平臺模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，針對實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)所涉及的相似律等基本理論，深水模擬實(shí)驗(yàn)平臺發(fā)展和相關(guān)技術(shù)，并結(jié)合小型的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_展深水模擬實(shí)驗(yàn)的簡單實(shí)際操作演示結(jié)合課堂講解，強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過文獻(xiàn)調(diào)研對當(dāng)前在深水試驗(yàn)?zāi)M平臺的最新研究進(jìn)展進(jìn)行跟蹤和分析，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生學(xué)以致用，增強(qiáng)專業(yè)理論和專業(yè)技能。第八章從結(jié)構(gòu)層面轉(zhuǎn)換到材料層面，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對所學(xué)的材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的專業(yè)實(shí)踐認(rèn)知，對傳統(tǒng)材料性能和當(dāng)前新材料（如纖維增強(qiáng)材料）在水下和特殊環(huán)境（高/低溫、高壓）條件下的特性和應(yīng)用前景有充分的認(rèn)知。

對比修訂前的海洋平臺設(shè)計(jì)原理課程講義及內(nèi)容，新講義所包含的內(nèi)容具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：（1）內(nèi)容邏輯性強(qiáng)。新講義調(diào)整了舊有內(nèi)容安排上的扁平性，以深水平臺設(shè)計(jì)所包含的主要內(nèi)容為主線，將材料特性、典型深水平臺特性及其尺度規(guī)劃和總體性能分析、風(fēng)險(xiǎn)和可靠性評估進(jìn)行串并聯(lián)，形成了一種思路清晰邏輯性更強(qiáng)的教學(xué)思路，如圖2 所示；（2）強(qiáng)化基礎(chǔ)知識。講義在保留原有的平臺設(shè)計(jì)所包含的基本理論，如強(qiáng)度校核、波浪理論、平臺特征載荷下的分離和扭轉(zhuǎn)和剪切計(jì)算等，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極限狀態(tài)設(shè)計(jì)、可靠性和風(fēng)險(xiǎn)評估知識，有助于學(xué)生對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類專業(yè)課程的整體思路的整理和掌握；（3）突出創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)。新講義在強(qiáng)化基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)上，通過增加實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)知識和數(shù)值模擬實(shí)踐的海洋結(jié)構(gòu)物課程設(shè)計(jì)，利用翻轉(zhuǎn)課堂形式，促進(jìn)學(xué)生將專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為專業(yè)技能的能力培養(yǎng)，突出利用綜合的專業(yè)知識解決實(shí)際工程問題的能力培養(yǎng)；（4）先進(jìn)性。新講義更新和增加了海洋工程結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和方法，引入線上線下相互促進(jìn)的教學(xué)方法，提升學(xué)生對專業(yè)知識新進(jìn)展和新成果的自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)；（5）深入落實(shí)專業(yè)課程思政。為了促進(jìn)一流專業(yè)建設(shè)，課程組在制定新大綱和講義過程中強(qiáng)調(diào)了專業(yè)課程思政的深入落實(shí)。在新講義中，每章內(nèi)容均有一個(gè)課程思政要點(diǎn)來進(jìn)行課堂內(nèi)容的串聯(lián)，寓價(jià)值觀引導(dǎo)于潛移默化的知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀。

圖2 海洋平臺設(shè)計(jì)思路

三、海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化課程設(shè)計(jì)

海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化課程設(shè)計(jì)是學(xué)生基礎(chǔ)鞏固和創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要一環(huán)，對于培養(yǎng)卓越海洋結(jié)構(gòu)工程師具有重要的意義。

在學(xué)生已完成的專業(yè)課的學(xué)習(xí)中，理論和大型課程設(shè)計(jì)以船體結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，學(xué)生對給定的母型船結(jié)構(gòu)下根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，掌握了對船體結(jié)構(gòu)穩(wěn)性、強(qiáng)度等計(jì)算與分析，具有一定的實(shí)踐能力。為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識的能力，海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化課程設(shè)計(jì)作出了適當(dāng)?shù)男薷模海?）在課程設(shè)計(jì)形式上，不再提供母型船結(jié)構(gòu)相關(guān)信息，而是以海洋結(jié)構(gòu)物所要滿足的功能需求為給定條件，進(jìn)一步貼合實(shí)際工程需求。促使學(xué)生通過文獻(xiàn)調(diào)研的形式，獲取海洋平臺要滿足功能需求需要設(shè)計(jì)的具體形式以及所工作海域的環(huán)境條件。在這種條件下，滿足海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的一個(gè)閉環(huán)；（2）設(shè)計(jì)內(nèi)容除了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)強(qiáng)度以及穩(wěn)性等計(jì)算分析外，強(qiáng)調(diào)了深水環(huán)境工作條件下的海洋平臺載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算分析，充分考慮結(jié)構(gòu)定位方式對海洋平臺結(jié)構(gòu)性能的影響。重要的是，該課程設(shè)計(jì)的啟動時(shí)間與課程啟動時(shí)間一致，貫穿在海洋平臺設(shè)計(jì)原理理論教學(xué)和海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化課程設(shè)計(jì)的教學(xué)過程中，便于學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)到工程實(shí)踐的摸索與探討；（3）在考核形式上，以4 人為一小組的形式展開，在設(shè)計(jì)初期完成工作協(xié)調(diào)分工，最后根據(jù)設(shè)計(jì)和答辯結(jié)果對每個(gè)小組中的每個(gè)成員進(jìn)行考評，考評內(nèi)容同組相互交叉，以促進(jìn)項(xiàng)目開展過程中學(xué)生的參與度。

通過近幾年的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對課程設(shè)計(jì)具有較高的投入程度，能夠根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)出基本符合要求的一般形式的海洋平臺結(jié)構(gòu)形式，并完成相關(guān)的計(jì)算分析。但是，由于未給定母型船體結(jié)構(gòu)信息，在平臺結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)較多的不合理情況，以至于在后續(xù)結(jié)構(gòu)性能分析時(shí)出現(xiàn)較大偏差。這需要課程組在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步具體化地讓學(xué)生對典型海洋平臺結(jié)構(gòu)有清晰的認(rèn)知。

四、結(jié)束語

創(chuàng)新實(shí)踐型人才培養(yǎng)是研究型大學(xué)專業(yè)課程教學(xué)的重要目標(biāo)，是深入落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的基礎(chǔ)。鑒于對深海資源開發(fā)、利用和保護(hù)的需求，深水海洋平臺的發(fā)展對國家建設(shè)海洋強(qiáng)國具有重大意義。結(jié)合當(dāng)前快速的技術(shù)發(fā)展和對學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的要求，海洋平臺設(shè)計(jì)原理課程在初步的教學(xué)大綱和講義基礎(chǔ)上，從強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的邏輯連貫性、鞏固專業(yè)知識基礎(chǔ)、重視理論到實(shí)踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)，新的海洋平臺設(shè)計(jì)原理教學(xué)大綱和內(nèi)容完成了修訂和初步實(shí)踐。新的教學(xué)內(nèi)容具有更好的科學(xué)性和工程實(shí)踐性，有力地強(qiáng)化了學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)技能的培養(yǎng)。使學(xué)生能夠在自主學(xué)習(xí)和研究的過程中，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，促進(jìn)學(xué)生綜合能力和協(xié)同組織能力的提高，為海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略培養(yǎng)具有較高綜合素養(yǎng)的復(fù)合型人才提供有力支撐。