新工科背景下《船舶建造理論與工藝》多種教學策略探索

□蘇紹娟 于鵬垚 趙 勇

一、引言

《船舶建造理論與工藝》課程是大連海事大學船舶與海洋工程專業必修主干課程，講述船舶建造工藝的相關理論與方法，主要包括船體工藝、舾裝工藝和涂裝工藝。通過該課程的學習，學生能夠掌握船舶建造的基本理論、建造流程、工藝方法、工藝裝備；了解國內外造船發展趨勢及先進的造船工藝，使學生初步具備從事船舶建造及解決生產實際問題的能力。客觀上來說，船舶建造理論與工藝是一門實踐性非常強的課程，涉及到船廠生產的各個部門，如果僅僅依靠課本來講述的話，教師很難描述出船廠生產實際情況，學生也難以明白，有一種“紙上談兵”的感覺，不免讓學生感覺枯燥乏味，這也是該課程教學存在的難點所在。

新工科專業除了指新興產業的專業，如與大數據、人工智能、虛擬現實、智能科學與技術等相關的專業還包括將智能技術用于傳統工科專業升級改造的專業。與傳統工科人才培養相比，新工科專業培養的是實踐能力強、創新能力強，同時具有國際競爭力的高素質復合型人才。船舶與海洋工程專業是行業特色很鮮明的傳統專業，同時又融合了機械、力學、材料、智能、控制等多個學科[1]，屬于新工科建設范疇。《船舶建造理論與工藝》課程如果僅僅講述傳統的制造方法，顯然不符合新工科人才的培養要求，因此本文在分析船舶建造工藝課程教學現狀的基礎上，針對存在的不足，在新工科背景下，整合教學資源，通過多媒體課件、立體分段結構實體、三維船體虛擬仿真結構模型、利用虛擬仿真技術模擬建造流程等多種教學手段，采用雨課堂教學工具，使學生從立體角度掌握船舶建造理論與工藝流程，為虛擬造船打下良好的基礎[2]。

二、課程內容概述

船體建造工藝流程是指船體構件加工，船體部件、分段、總段裝焊工藝，船臺(船塢)總裝，直至完成整個船體的工藝過程。主要包括船體放樣、鋼材預處理、號料與下料、構件邊緣加工、構件成形加工、部件裝焊、分段裝焊、大型分段及總段組裝、船臺總裝、船舶舾裝、船舶涂裝、船舶焊接、密性試驗和船舶下水等，其造船工藝流程如圖1所示[3]。

圖1 造船工藝流程

可見現代造船模式并非一個簡單的串聯過程，而是一個不斷往復的復雜過程。隨著制造技術和管理技術不斷進步、船體分道建造技術、區域舾裝技術和區域涂裝技術不斷完善，造船生產達到了船體建造、舾裝和涂裝三種不同類型的作業在空間和時間上相互協調和有機結合，形成了殼、舾、涂一體化的按“區域/類型/階段”組織生產的造船模式。

三、發揮多媒體教學的優越性

多媒體教學系統根據設計者的思路想法，從整體上對課程內容進行分類，把文字、突破、視頻、動畫等多種素材在時間上和空間上進行集成，從而極大地豐富了教學內容，提高了學習的興趣和求知的欲望，變被動學習為主動學習，發揮課程教學學生主體的作用[4]。

《船舶建造理論與工藝》課程涉及面很廣且內容豐富凌亂，鋼質船舶的船體由成千上萬個零部件經過成形加工、裝配、焊接而成，讓沒有任何建造經驗的學生單純從書本上理論上短時間內掌握種類繁多、內容復雜的船舶建造理論與方法是有一定難度的[5]。因此，需要借助多媒體和網絡技術，以圖片、動畫、視頻等多種資源相結合的方式在課堂上充分展示復雜全面的船體構件和生產加工流程，讓學生從視覺、聽覺、立體等多方面增強對船舶建造理論與方法的認識，使原本復雜抽象的知識瞬間變得簡單明了、通俗易懂。同時也活躍了課堂的氣氛，提高了學生的興趣。

有些工藝到現場看到就會理解，但是如果單純理論講解，不但學生感到抽象難以理解，教師表述也不太容易，但是通過圖片視頻就能一目了然，比如在船體鋼料加工階段實現機械化自動化，采用的是流水線作業形式，包括鋼材的送進、矯平、預熱、拋丸除銹、噴漆、烘干、送出過程，如圖2所示，如果教師僅憑一般性的講解，不會給學生留下任何印象，學生也不會理解，但是通過視頻資料，一下子就能吸引學生的注意力，達到非常好的教學效果。同樣由于篇幅和學時的限制，在教材和課堂上很少描述船舶建造的工藝準備，學生也沒有見過，所以建造的理論講解總會是空中樓閣、紙上談兵的感覺，通過在網上搜索大量的圖片，如圖3所示，可以很好地增強學生的感官認識，從而對造船理論和方法有更深入的理解，使課堂不再枯燥無味。

圖2 鋼材預處理流水線

(a)數控肋骨冷彎機 (b)三輥卷板機

四、結合立體結構實體模型

船舶建造工藝對學生的立體感要求很高，在講述分段建造時，僅從理論出發或者結合二維結構圖學生很難想象其裝配順序[6]，針對此問題，教師整合現有資源，結合學校現有的立體分段實體，如圖4所示，對船體結構進行剖析，使學生從立體角度加深對船體結構形式的理解，進而讓學生掌握建造工藝流程，為虛擬造船打下良好的基礎。

(a)艙壁結構 (b)球鼻艏結構圖4 船體結構模型

五、船舶制造流程虛擬仿真教學策略

船體分段裝配虛擬仿真是一項綜合性的訓練，是學生在學習完成相關專業知識后進行的。依托仿真技術、多媒體技術、人機交互、數據庫和網絡技術，構建仿真環境及實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的效果。

(一)虛擬仿真的目的及方法。虛擬仿真的目的是堅持虛實結合、相互補充的原則，體現“新工科”理念，以培養學生解決復雜工程問題能力為導向，著重提升學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力。

1.模擬現場教學+討論法。指導教師以仿真實驗裝置為對象，現場指導和講解，要求學生參考結構工藝圖紙，對裝配方法、裝備設備、裝配焊接順序等內容進行討論；并現場給出幾種不同的裝配流程，同學討論其裝配流程的優缺點，從而確立正確的裝配順序。

2.教學法+互動法。學生按照典型分段的生產流程完成各個階段裝配順序，進而從整體上把握工藝流程。同學也可以形成小組與其他同學研討確定最優的裝配方案，實現“生生互動”；教師現場指導，實現“師生互動”；學生通過工藝仿真操作練習，掌握船體分段裝配焊接的順序和方法。

圖5 船底分段裝配仿真流程圖

(二)仿真流程。首先學生通過用戶名和密碼登錄系統；仿真開始前可對工藝流程進行選擇編輯；操作過程中對于施工過程中各知識點附有解析與知識拓展說明性提示，幫助學生自學；資料庫功能，項目實施過程中所涉及到的工藝圖紙、施工方案其它文件資料；學生根據所學裝配理論在可視化環境下完成典型分段裝配流程。以船底結構裝配為例完成的實驗流程如圖5所示。

總之通過虛擬仿真實驗，結合理論教學，學生能夠掌握船體典型分段：船底、舷側、甲板、艙壁等分段的裝配流程[7]。把理論課中難以用語言表達的難點、重點表示出來，使學生通過該虛擬仿真掌握船體典型分段的制造過程，從而能加深了解，增強學生的動手能力，也能提高學生的創造性思維。

六、結語

綜上所述，在新工科人才培養大背景下，《船舶建造理論與工藝》教學手段和教學方式不應僅限于傳統的教學方式，應該與三維建模、智能制造、虛擬現實等新興技術結合，既要充分利用多媒體課件、網絡資源，還應與虛擬仿真制造相結合，通過船體分段裝配流程仿真，對船廠裝配車間情景再現，任課教師通過教材、動畫模擬、實物模型、船廠實習等方式將理論知識傳授給學生，學生以小組討論的方式確定船體裝配方案，實現“生生互動”；教師現場指導，實現“師生互動”。通過互動教學，學生不但能夠掌握船體典型分段的裝配流程，培養解決復雜工程的能力，同時也培養了學生團隊合作意識。