面向創新能力培養的海洋工程研究生課程教學改革與實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）20-0077-04

Abstract：Thecultivationofpostgraduatestudents‘inovationabilityisanimportantpartofbuildingatalenthighlandin thenewengineeringdiscipline.Withtherapiddevelopmentofthemarineenginering fieldin China，therequirementsfor postgraduatestudents‘inovationabilityareincreasingdaybyday.Conductingteachingreformofpostgraduateprofssional coursesandenhancingpostgraduatestudents'innovationabilityareofgreatsignificanceforrealizingthegoalofamaritime power.This paperanalyzestheproblemsexistinginthecurrntteachingof marineenginering postgraduatecourses，proposesa teachingreformideaandimplementationmethodcenteredonthecultivationofinnovationability，andformsanewtypeof scienceandeducationintegrationpostgraduatetrainingmodelof\"nowledgestructureoptimization-practicalabilitystrengthening -comprehensivequalityimprovement\"thre-dimensionallinkage.Thereformeffcthasbeenverifiedthroughpractice，layinga good foundation for further enhancing postgraduate students‘innovation ability.

Keywords： cultivationof innovationability;postgraduateeducation;marineenginering;teachingreform; ComputationalFluid Dynamics

研究生培養肩負著為國家發展培養德才兼備高層次人才的使命，科教融合是提升研究生創新能力的必要途徑-2。如何在教學過程中開展科教融合，讓課堂教學在研究生創新能力培養中發揮重要作用，是從事一線教學的高校教師需要思考和探索的重要問題。深入開展教學方法改革，用適應當前新工科發展需求的教學方法來切實提高研究生的創新能力，對于實現研究生教育的目標具有重要的現實意義47。

隨著國際競爭的加劇和國家海洋強國戰略的實施，探索創新型研究生培養模式已成為當前高等教育改革的重點方向8。黨的十九大報告將海洋強國目標聚焦到“加快海洋科技創新步伐”，高端涉海人才成為海洋科技創新的第一戰略資源。海洋工程是一個多學科交叉的前沿領域，需要應用科學與工程技術來解決深海油井、海底隧道、海上風電場、海洋牧場等面對的各種問題，其研究生教育的自標不僅是傳授專業知識，更要培養學生的創新能力[。伴隨著高性能云計算的普及，使用計算機仿真技術求解復雜的流體力學問題成為當前海洋工程領域發展最快、最為活躍的技術領域之一。海洋資源開發、海洋裝備研制、海洋工程設施建設等具有投資大、工程復雜、挑戰性大的特點，使用先進的計算機仿真與數值模擬手段指導研發設計、計算海洋極端環境荷載、評估工程設施對海洋環境的影響等，不僅可突破時空條件的約束，而且具有應用場景廣泛、節約時效等特點，可以通過數值試驗得到許多在常規實驗室試驗中難以觀測的重要信息。因此，培養能熟練運用數字仿真技術解決復雜海洋工程問題的創新性人才已成為推動行業智能綠色發展的重要手段之一[I-12]。

新工科背景下，高校需加大力度培養具有工匠精神的復合型人才來應對加速進行的科技革命和產業變革。

隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，深化信息技術與傳統工科的交叉融合刻不容緩，13]。然而，目前大學生在本科階段往往只掌握了理論知識和相關原理，對于數字仿真技術缺乏專業認知和實踐經驗。因此，急需在研究生教育階段實現從學科導向轉為以行業需求為導向，培養和提升學生的數字仿真技術，從工程應用與科技創新的實際需求出發，切實提高研究生的培養質量和創新能力，以滿足新型人才戰略性培養的實際要求。

一 當前教學中存在的問題

（一） 教學內容滯后于行業需求

目前的海洋工程研究生課程內容相對陳舊，缺乏與前沿技術和實際工程需求的緊密結合。尤其是在數字仿真與高性能計算等關鍵領域，課程內容較少涵蓋最新算法（如云計算、并行算法、大數據、機器學習等）以及復雜工程問題的求解方法，導致學生對實際問題的處理能力不足，難以有效應對實際工作中的挑戰。例如，深海環境荷載條件下水下錨系結構的穩定性分析需要海洋環境數值模型與流固耦合模型協同處理，涉及多個環節的仿真技術；此外，當前行業內利用數字仿真技術開展海洋工程方案論證、設計分析、風險預測等任務時基本依賴于國外的工程軟件，學生對海洋環境水力動力學模型和海洋工程裝備運動模型的基礎構架與關鍵求解技術缺乏認知，不利于研發具有自主知識產權的海洋工程仿真軟件，也不利于搭建高端的數字化仿真平臺。

（二） 教學融合度不夠

課堂教學模式普遍以教師講授教材內容為主，科教融合度不夠，理論與實踐融合度不夠。課堂討論不足，學生的參與度較低，忽視了對學生創新思維和實踐能力的培養。學生獲取了較多的理論知識，但走出課堂面對科研任務時仍感到力不從心，缺乏實際應用能力。海洋工程領域具有很強的實踐性，但現有教學模式下實踐教學比例偏低，尤其是數值模擬實驗和工程仿真實踐的機會有限，制約了學生對真實工程問題的理解和解決能力，與當前新型的海洋工程應用需求脫節嚴重。以船舶與海洋工程專業學生的必修課程計算流體力學為例，如果只講授傳統的計算流體力學內容，即從復雜非線性流動問題的求解公式推演到老舊算例結果展示，這一方面導致了學生學習熱情不高，面對教材中龐大的力學、數學公式推導和求解方案產生畏難情緒；另一方面是學生修完了學分卻在課題研究階段表現出數值仿真基礎薄弱、實際操作動手能力差等現象，往往花費大量時間精力才能掌握軟件操作和數值仿真方法。這嚴重制約了研究課題的推進速度，也影響了研究生學位論文的完成質量。這些歸根結底是由于缺乏基于行業實際問題導向和項目驅動的教學設計，特別是在復雜數值模型構建和模擬結果分析方面，學生將理論知識應用于工程實際的能力有所欠缺，自主學習能力難以得到充分培養。此外，海洋工程作為人類開發利用海洋資源的重要領域，一直面臨著復雜海洋環境的不確定性、結構的復雜性以及資源管理和設備運維等挑戰，具有顯著的多學科交叉特點，但現有課程在數字仿真與相關學科（如虛擬仿真、材料力學、熱流體力學、生物工程、海洋環境動力學等）之間的融合度較低，限制了學生的知識廣度和創新能力[13]。

二 教學改革思路與舉措

（一） 總體思路

研究生階段學習與本科生階段有很大區別，既要兼顧知識面的廣度，又要兼顧學習的深度，并且在課題研究階段還要取得創新性科研成果。為實現這一目標，研究生教學需要以創新能力為核心，圍繞海洋工程領域的實際需求，優化課程體系，注重培養學生的創新思維、實踐能力和綜合素養；從教材體系向教學體系轉化，將本領域的前沿及發展趨勢納入課堂教學內容，緊扣學科和行業實際需求，建設新型的“科教融合\"研究生培養模式；推動多學科融合，整合海洋工程相關學科知識，構建系統化的課程體系；加強實踐與理論結合，通過實驗、案例分析和項目驅動教學，提升學生解決復雜工程問題的能力；深化校企合作，通過聯合實驗室、企業導師指導等方式，為學生提供真實的工程實踐機會。

（二）具體舉措

1優化課程體系

首先，提高教學內容的新穎性。教學過程本質上是一個信息傳遞與吸收內化的過程，新穎的教學內容能夠讓課堂教學緊貼學科和行業實際需求、行業前沿和研究熱點；其次，還需要強化海洋工程特色，在計算流體力學課程中增加海洋環境相關內容，如波浪、潮流、海流等流體運動過程對海洋結構物的影響，強化課程的專業性；最后，增加前沿知識點，將高性能計算、大數據、人工智能等技術在海洋工程領域中的應用融入課程教學內容，與時俱進，適應行業發展新需求。這些內容將在繁復的數學公式與算法面前搭建橋梁，讓知識點有適當的現實場景，將教學活動從“怎樣學\"推進到“怎樣用”，挖掘教材內容與現實應用的聯系，促進新舊知識的融合和認知結構的重組，實現基礎知識向實際應用的遷移。

2改進教學方法

首先，在設計教學任務中將學生創新能力的培養作為核心內容，實現“科教融合\"課堂。形成滿足研究生培養需要的講座式、案例式、研討式、實踐型教學等教學模式，培養研究生的創新思維、科研實踐能力，促進研究生個性發展。在課堂教學中融入科研任務導向，將科研任務分解為幾個小自標，由簡單到復雜，學生不能只是單純地被動學習，而是需要進行自主探究，培養學生的創新能力。鼓勵學生的個性化設計，設置多元的成績評價環節，消除學生的畏難情緒，讓學生樂于去嘗試，敢于去創新。其次，引入真實案例（如海洋平臺設計、海洋極端環境荷載、海洋污染治理等），通過項目式學習，讓學生以團隊形式完成從方案設計到實施的全過程，培養學生解決復雜問題的能力與團隊合作能力。最后，支持學生利用開放源碼軟件和商業軟件進行計算流體力學數值模擬實踐，增強數值仿真應用的開放性。學生還可以結合自己的研究方向或導師科研項目初步開展與計算流體力學相關的案例分析，完成從數值建模到結果分析的基礎流程訓練，實現科教融合。

3強化實踐環節

從兩個方面強化實踐環節。第一，加強校企合作，建立聯合實驗室和研究中心，合作開發教學案例，為學生提供實習與研究平臺，培訓學生參與實際項目，邀請校外專家講座進課堂，通過引入具體的工程應用案例，在實踐教學過程中增強課程的科研導向，設置依托實際項目需求的數值仿真算例教學環節。例如，將流-固耦合的求解難點遷移到海洋工程案例的施工具體需求中，讓學生在具體情境中學習固體結構物在海洋中的載荷力如何處理，從而明白所學內容的重要性和關鍵處理方法。第二，鼓勵學生參加數值仿真大賽、專利申請、論文合作等科創活動，在實際應用中提升創新能力與競賽競爭力。通過整合行業研究前沿熱點內容進入實踐課堂，貼合日常生活與實際工程應用，讓學生消除“學了也不一定有用”“隨便聽聽就行\"的輕視心理。幫助學生關聯具體的應用場景，體會蓬勃發展的行業實際需求，讓學生認識到掌握專業知識的必要性，把課程中的知識點“變現”，讓走出課堂、走出校園的研究生能夠肩負起科技強國的使命，樹立科技報國的價值觀，實現課程思政與課堂教學高度融合。

4完善評價體系

完善評價體系的目的在于推動學生動手進行實踐，保持一定量的自學訓練和自我探索空間。在教學過程中從實際工程需求出發，從已有的知識經驗出發，設計出難度適中的數值仿真題目，將復雜流體力學問題的數值算法設計、程序開發、計算結果可視化處理、小組研討、課程論文匯報等作為學生作業和課程論文的主要評價指標，在每個階段性任務布置下去的時候同時公布成績評價細節，并納入期末成績管理制度。評價體系的不斷完善將推動學生的主觀能動性，避免了“說教式\"學習氛圍下的惰性和被動學習，學生在學習過程中不斷自我訓練和探索，自主設計開源代碼，體驗完成仿真任務的趣味性，收獲積極主動學習的態度，實現自身綜合素質的提升。

三 教學方法實踐

教學改革的實施方案遵循教學能力提升和課程建設的需求，已經通過實際檢驗和逐年調整。計算流體力學作為海洋工程多元數值仿真技術的核心工具之一，具有廣闊的應用領域（圖1）。在課程教學中，通過以下具體方式提升學生的創新能力。

案例驅動教學：引人真實的海洋工程案例（如將波動方程數值求解與不同岸堤結構相結合，分析不同岸堤結構對波動傳播的作用等），讓學生從實際需求出發，設計仿真方案并優化結果。

多學科交叉融合：結合結構力學、材料科學和海洋環境學等多學科知識，讓學生在仿真中探索多物理場耦合問題。例如，模擬海底管道在復雜流場中的應力分布，并提出抗疲勞設計的創新思路。

開放式課題研究：鼓勵學生自主選擇研究方向，如新型波浪能裝置的流場優化或水下機器人的水動力性能改進，通過計算流體動力學仿真驗證其創新設計的可行性。

團隊協作與競賽：組織學生以小組形式完成計算流體力學仿真項目，并通過競賽形式評選最優方案。這種模式不僅培養了學生的團隊協作能力，還激發了他們的競爭意識和創新動力。

這些舉措讓學生掌握了從問題建模、網格劃分、求解器設置到結果分析的全流程技能。在課堂上，新的教學手段顯著提升了學生的計算流體力學方法應用能力和自主學習的積極性，課程教學目標的達成度顯著提高；在課堂外，學生在課題研究中多人熟練掌握了數字仿真技術，能夠很快適應科研項目和研究生課題的研究，取得了一系列重要科研成果。例如，在模擬海上風機基礎周圍的流場分布時，學生需要綜合考慮波浪、海流和風機運行的多物理場耦合效應，這種復雜問題的求解過程能夠激發學生的創新思維和問題解決能力。通過課程教學團隊堅持不懈的優化和改進，在教學一線完成了“知識結構優化-動手能力強化-綜合素質提升”的教學改革舉措。課程兼具廣度與深度，讓不同學科背景的同學能夠通過任務驅動、案例教學完善相關知識體系與框架，不同教學方法與考核方法結合，鍛煉了學生的數值建模、可視化分析、歸納討論的能力，教學效果得到了學生與老師的廣泛認可和支持。

此外，在開發自主教材與案例體系方面，教學團隊聯合課程教學目標與研究生培養體系，精準解決研究生教學過程中的主要問題，重點提升研究生的科學思維能力與科研實踐能力。同時，聯合課程思政與教學方法改革，逐年優化完善，分階段實現創新能力培養的目標。本專業的研究生能夠更快適應研究生階段的課題和科研項目研究，發表論文和獲專利授權學生人數逐年上升；研究生中多人次在全國船舶工業CAE軟件數值水池應用大賽中獲得一、二等獎；在“互聯網 + \"大學生創新創業大賽中獲銅獎，在全國海洋航行器設計與制作大賽中獲得二等獎；在獎學金方面，獲得國家獎學金、校長獎學金的研究生人數比例大幅提升。

四 創新能力培養與教學改革的關系

教學改革旨在為研究生創新能力的培養提供強有力的支持，其主要體現在四個方面。第一，提升創新思維，即通過開放性問題和跨學科知識的引入，激發學生對未知領域的探索興趣；第二，培養實踐能力，即利用真實工程案例和自主設計實驗環節，提升學生的動手能力和工程經驗；第三，增強團隊協作能力，即通過項目驅動教學和校企合作，培養學生在團隊中解決復雜問題的能力；第四，拓展學術視野，即通過引入前沿技術和多學科內容，幫助學生掌握解決實際問題所需的全局視角。通過教學改革舉措，讓學生樹立科技報國的核心價值觀，認識到掌握專業知識技能的必要性。研究生培養需要緊扣學科和行業實際需求，建設新型的“科教融合\"研究生培養模式。

海洋工程數字仿真技術作為現代海洋工程研究與設計的重要工具，在教學過程中的具體應用案例不僅能夠幫助學生深入理解復雜的海洋環境與工程問題，還能有效提升研究生的創新能力。通過將多元數值仿真技術引入教學，學生能夠在虛擬環境中模擬真實海洋工程場景，從而培養其解決實際工程問題的能力。這種教學方式不僅突破了傳統理論教學的局限，還通過案例驅動的教學模式，激發學生的創新思維與實踐能力，為研究生創新能力培養提供了重要平臺。教學改革的核心在于將前沿技術與工程實踐緊密結合。通過引入前沿技術、案例驅動和團隊協作等方式，不僅提升了學生的專業技能，還為其未來在海洋工程領域的創新研究與實踐奠定了堅實基礎。這種教學模式充分體現了“以學生為中心”的教育理念，推動了海洋工程領域高層次人才培養的可持續發展。

五 結束語

通過面向創新能力培養的研究生課程教學改革，能夠顯著提升研究生解決復雜海洋工程問題的能力，培養高端涉海人才。課程教學改革不僅優化了課程內容和教學方法，還注重培養學生的創新思維、實踐能力和綜合素養，為學生提供了更加豐富的學習體驗。未來將進一步加強科研導向，設置依托實際項目需求的數字仿真算例教學環節，持續改進課程教學設計，為海洋工程領域培養更多具有創新能力的高層次人才。

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