基于問題式學習的船海工程疲勞課程教學改革

張 崎，董磊磊，楊宏啟，陳景杰

（大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116023）

引言

疲勞損傷是船海工程領域中的常見問題，也是該領域中業界重點關注的問題。疲勞分析相關課程是船舶與海洋工程專業中非常有特色的專業課程之一，其主要內容為船舶與海洋工程結構的疲勞與斷裂損傷的基本理論、基本概念等相關知識；同時面向船海領域的實際工程問題，學習掌握疲勞、斷裂破壞分析的工程化方法。該課程在培養本科生特別是高年級本科生的分析問題、解決問題能力和工程概念等方面有著重要的作用。

目前國內很多知名高校都在工科專業的本科階段開設了疲勞分析的相關課程［1］，但是由于各高校開設此課程的專業不同，因此在培養目標與課程設置等方面的側重點各不相同，由此產生的教育教學問題主要體現在以下幾個方面：一是在授課內容方面偏重機理的學習，弱化了疲勞問題的工程化應用。雖然在培養目標中均強調提升學生在專業領域中的應用能力，但是在課程體系中較少設置與工程問題銜接緊密的學習內容。二是在課堂教學的教學目標上偏重知識的講授，弱化了學生的參與和互動。由于學生的參與度不夠直接影響學生的學習興趣和對專業知識的投入程度，學生一直處于以教材為中心的應試學習狀態中，難以提高學生的動手能力和解決實際問題的能力。此外，調研發現與該課程相關的教學培養模式、教學內容改革的相關研究卻很少，且相對集中于航空航天及機械等其他專業方向［2-3］；相關的教學改革工作僅對課程教材適用性、教學實驗設置等部分進行研討［4］。由于該課程中的疲勞和斷裂力學涉及面廣且實用性很強，因此在教學中如何讓學生在牢固掌握基本概念、基本方法、基本理論的基礎上，盡可能地建立較為系統的學科知識體系和結構，是一個比較困難的問題。

通過前期調研發現，在國外高校中，很多學校同樣開設了疲勞與斷裂相關的課程，其中包括美國麻省理工學院、挪威科技大學、英國西英格蘭大學、荷蘭代爾夫特理工大學等知名學府。麻省理工學院在材料科學與工程專業開設的課程明顯針對材料及其相關專業，其授課內容偏重機理、過于理論化，并不適用于船海專業；英國西英格蘭大學、荷蘭代爾夫特理工大學的課程設置雖偏向于土木工程專業及航空航天專業，但就授課基本內容而言，都是面向工程問題的課程教學。在國外眾多高校中，疲勞與斷裂相關課程設置最為完善和系統的是挪威科技大學，該校也是船海行業的頂級院校。挪威科技大學依次開設了“疲勞設計”“海洋結構的疲勞和斷裂”和“疲勞分析”三門課程，其中前兩門課程是針對高年級本科生或研究生開設的，第三門課程是針對博士生開設的。挪威科技大學的“疲勞設計”主要涉及與設計和維護抵抗疲勞失效相關的基本問題，同時介紹疲勞設計在工業界的關鍵應用，授課基本內容與國內現有課程基本相同；但挪威科技大學在課程中設置12個作業，其中10個旨在解決工程問題，其余2個是基于給定主題的自主論文。挪威科技大學的“海洋結構的疲勞和斷裂”是在“疲勞設計”的基礎上，重點講解挪威國家石油標準協會（NORSOK）、挪威船級社（DNV）、英國標準協會（BSI）和美國材料與測試協會（ASTM）等行業權威機構所給出的疲勞和斷裂設計規范與指南中規定的設計原則等知識，其教學大綱中明確規定了“理解并使用BS 7910給出的斷裂設計指南”的課程目標；其目標為完成課程學習后，學生將對疲勞和斷裂的物理現象有較為透徹的了解，能夠建立海洋工程結構中疲勞和斷裂的簡單計算模型，并依據規范予以校核評估。

綜上可以看出，國內高校在課程教學中十分重視理論和機理的學習，但缺乏針對海洋工程問題的教學；學生即使在課堂上學習、掌握了大量的基本知識、基本方法，但是仍然缺乏解決實際問題的經驗；遇到實際工程問題，很難理清頭緒，對于工程問題的原委與性質缺乏認識或是認識得不深刻、不徹底，無法獨立地分析、解決問題。而挪威科技大學的課程設置思想十分值得我們學習，通過設置與專業內容相關的“問題”，并結合行業規范進行細致講解和學習，這將起到事半功倍的作用，有效地解決課堂教學與學生在未來工作中所面臨的真實、復雜情況相脫節的問題。因此，本文針對以上問題，結合我國船海專業的學科特點，提出了面向工程實踐的疲勞損傷分析課程的問題式教學改革方案。

一、問題式學習

問題式學習的教學方法在教育教學領域已被公認為是能夠幫助本科生系統地建立學科知識體系的方法，該方法源于20世紀60年代美國針對醫學教學領域而設計的特定教學模式［5］，其主要宗旨在于解決醫學領域中課堂教學與實際情況相脫節的問題。問題式學習模式的顯著特點是以解決問題為核心，教學行為的整個過程是圍繞一系列的問題而展開的，是以弄清楚問題的來龍去脈、前因后果為目標導向的，教學的過程同時也是問題探究解決的過程。問題式學習主要具有以下幾個特征［6］：首先，以工程中的科學問題為學習出發點。其次，在解決問題的過程中需要以適當人數的學習小組為單位來解決問題，學習過程中要強調學生共同承擔責任、共同學習。再次，學習體系中要以學生為中心，強調學生是問題的解決者，是負有責任的自我發展的學習主體；而教師的作用是促進者或指導者，并不以講授者的身份出現在學生面前。最后，學習的目標是在學習過程中，使學生獲得新的知識或者對已有知識有新的理解，同時獲得團隊合作能力和創新能力等。

在“基于問題式學習”教學法中問題的設計極為重要，要重點關注問題的針對性和結構性［7］。針對性不強的問題會導致學生對所傳授的知識點不易產生共鳴，進而導致課堂知識傳授效率降低；若問題的結構性過于良好則會導致該問題也許只有一個確定的答案，從而顯得問題過于容易，導致學生只關注問題的解決，而放棄了對問題本質的探究。因此，在運用問題式學習教學方式時，教師必須根據課程設置的教學目標提出相應有針對性的問題，這個問題必須能夠覆蓋相關課程的主要內容，即通過問題設置和引導學習，才能夠達到課程關鍵內容的教學目標。問題的設置中存在著“大而全”和“小而精”兩種模式，兩種模式并無優劣之分；針對不同的課程內容，應有目標、有針對性地設置問題，以是否能夠涵蓋所有關鍵教學內容為評判問題優劣的依據。

二、問題式學習在船海領域疲勞課程中的應用

結合疲勞與斷裂損傷分析的授課內容，通過對船舶與海洋工程案例的深入分析及船舶海洋結構物設計規范的詳細解讀和整理，開展了相應的課程問題設計研究；并以工程案例和工程規范相結合的演示教學引導“基于問題式學習”教學方法的逐步深入，同時建立與問題相對應的測試問題題庫，改變現有的課堂教學模式，培養船舶專業高年級本科生的研究型學習能力。通過多年的教學積累，作者建立了以工程問題為引導、理論分析為基礎、規范講解為重點、關鍵點詳解為核心、匯報講評為目標的授課方式。教學過程的基本步驟如下。

（一）工程問題的設置

為了強化學生的工程意識和工程概念，結合疲勞課程各個知識點的難易程度，依次設置了“海洋工程中S-N曲線及應用對比”“平板對接結構疲勞分析——基于名義應力的疲勞分析”“管節點的應力集中與疲勞分析——基于熱點應力的疲勞分析”“半潛式平臺立柱結構疲勞強度的簡化分析方法”和“甲板結構疲勞裂紋擴展分析及剩余壽命評估”這五個工程問題，其中既包含疲勞分析的基本知識點，又涉及規范中的核心內容，并以工程實用問題的形式呈現出來。

以“海洋工程中S-N曲線及應用對比”部分為例，在了解S-N曲線基本知識的基礎上，對比DNV、ABS、CCS等各大船級社規范及美國焊接協會（AWS）、美國石油協會（API）等行業協會所提供的S-N曲線，著重闡述海洋工程結構中應用的S-N曲線特點、適用范圍和差異。對其中差異較大的內容進行詳解，如規范中疲勞載荷的概率水平問題、雙斜率和單斜率曲線問題等；并設置簡單疲勞分析問題，讓學生采用不同的S-N曲線進行計算分析，并對比在相同載荷條件下，疲勞損傷結果的差異，以此加深學生對各種S-N曲線的理解。

（二）理論知識講解

在上述五個工程問題的引導下，結合傳統的課堂教學方式對該門課程中的基本知識點做講解，其中包含疲勞的定義與特征、S-N曲線、等壽命變換、斷裂韌性、裂紋擴展等核心理論知識。

（三）疲勞規范講解

五個工程問題的設置均與規范中的關鍵部分一一對應，課堂中對規范的講解不求大而全，其目的是讓學生建立理論知識與工程規范的對應聯系，學以致用。作者是基于中國船級社《海洋工程結構物疲勞強度評估指南》中關鍵章節的核心內容開展教學的，其中包括“通則”“基于S-N曲線的疲勞分析”“應力集中系數和熱點應力計算”“簡化疲勞分析方法”和“基于斷裂力學的疲勞分析方法”五大部分。

以“基于斷裂力學的疲勞分析方法”部分為例，對應理論知識，講解基于斷裂力學的疲勞分析方法的應用條件，加深學生對疲勞和斷裂問題的認識；特別是關于工程初始裂紋的定義及其影響因素，由于此部分內容在通用疲勞斷裂教材中很少涉及，因此需格外強調并關注。對于疲勞裂紋擴展模型參數確定問題，在規范和教材中的講解和處理方法均存在差異，此處更加強調工程化方法的應用，并以真實試驗數據為例，設置研究問題，讓學生通過實操訓練加深理解。

（四）關鍵知識的重點解讀

針對學生初次接觸疲勞問題，不容易抓住學習重點的問題，在課堂教學中對關鍵的知識點做多次、重點的解讀，其中包括疲勞分析中S的含義、等壽命變換的含義、斷裂韌性與裂紋擴展的關系等。讓學生重點掌握課程中“S-N曲線的測定”“斷裂韌性的測定”及“疲勞裂紋擴展速率的測定”三個關鍵試驗的關聯與區別。

由于課時及試驗條件的限制，三個關鍵試驗測試只能以多媒體形式展現；在教學過程中，以過往科研活動中的相關試驗視頻資料為載體，以實測數據為依托設置工程問題，讓學生在數據回歸分析的過程中，提高對三個關鍵試驗關聯與區別的認知，其中包含加載條件、試件形式、數據分析方法等。

（五）分組研討與匯報講評

針對五個工程問題，分別設置與之對應的1～2個測試問題，讓學生在課后分組完成，并用1個學時在課堂上進行匯報（每次僅1個小組匯報，輪流執行）和討論。通過測試問題，有意識地激勵學生去思考、提問、分析，進而得出結論；在對學生進行成績評定時，不以成敗論高低，以此激發學生自主思考的積極性。

結語

通過多年來的教學經驗，以及對船海工程案例的深入分析和設計規范的詳細解讀，開展課程問題設計研究，以船舶與海洋工程實際案例為引導，以規范設計分析為目標，構建了針對船海結構疲勞分析的問題式教學專業知識體系；建立了“海洋工程中S-N曲線及應用對比”“平板對接結構疲勞分析——基于名義應力的疲勞分析”“管節點的應力集中與疲勞分析——基于熱點應力的疲勞分析”“半潛式平臺立柱結構疲勞強度的簡化分析方法”和“甲板結構疲勞裂紋擴展分析及剩余壽命評估”五個問題的工程案例庫及六個相應的測試問題題庫；整個教學活動將基礎理論知識、專業規范和工程問題融會貫通，形成了一個工程問題體系，極大地增強了學生的學習熱情，并有效地提升了教學效果和質量。相關教學成果可以推廣至船舶與海洋工程結構相關專業的其他課程教學活動中，如“船舶結構強度分析”“船舶結構有限元分析”等。

同時，基于問題式學習的教學方法能夠更好地培養學生良好的綜合素質和學習能力，尤其是針對高年級的本科生，可以使其在初步掌握基本專業知識的基礎上，增強其解決實際工程問題的能力；在開闊視野的同時，深入地鞏固基本專業知識，提高綜合專業能力。與傳統課堂講授相比，在船海工程疲勞分析課程中引入基于問題式學習的方法具有很大的優勢，具體表現為：一是大大激發了學生的學習興趣，學生在每一個知識點的學習之前就明確了其工程對象和目標，在理論知識學習的同時將工程問題、規范要求有效地結合起來，形成了知識體系。二是極大地提高了學生學習的參與性，把課程學習的部分權利交給學生，讓學生主動思考、分析問題并解決問題，推動了課堂進程。學生在思考和處理工程問題的過程中，歷練了工程師思維，收獲的不僅是結論，更是獨立的思想和創新的能力。