面向卓越工程师的船舶有限元课程教学改革

，

(上海海事大学 海洋科学与工程学院,上海 201306)

1 船舶有限元课程的背景和重要性

2010年，由教育部牵头，启动“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)。该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才[1-2]。学校的船舶与海洋工程入选“卓越计划”后，通过加强与行业企业深度参与的培养过程，与技术领先的沪东造船集团合作，研究制定专业理论+工程实践的“3+1”模式[3]。按照工业通用标准和船舶行业标准培养工程人才，不断强化培养学生的工程能力和创新能力。

近年来，随着电子计算机技术的飞速发展和计算软件技术的不断更新成熟，计算结构力学这一学科在工程领域得到了广泛的应用。目前在船舶领域，全船有限元、舱段分析及局部结构有限元分析已越来越普遍被船东及船级社在设计中所采用，尤其是由新材料建造的船舶及新型结构的船舶设计，有限元分析更是设计者的重要依据之一。以中国船级社的入级规范为例，2000年以前的船舶结构计算绝大部分是基于传统的结构力学理论形成的半经验半理论的方法。2000年以后的做法，则是在具体规范中增加了很多涉及有限元计算的指导篇幅，更有颁布的《油船结构直接计算分析》[4]等关于有限元方法用于船舶结构计算的专门规范。无论是2006年国际船级社协会颁布的油船和散货船共同结构规范(CSR)还是正在推进中的协调共同规范(HCSR)，有限元理论的应用越来越广泛。

根据船舶与海洋工程专业领域知识和能力要求，工程师必须具备船舶与海洋工程项目所必需的工程素质和工程实践能力[5]。课程的目的侧重为各大造船企业和地方船厂培养基础扎实、专业知识广泛，动手能力强，具有创新精神和实践能力的复合型、应用型船舶与海洋工程高级技术人才。面对船舶工业高速发展的需求，围绕船舶行业技术标准的更新和调整，必须进一步提高工程人才的培养质量，增加学生的专业就业适应性。为此，船舶有限元课程的改革势在必行。

2 课程改革的必要性

2.1 过于重理论轻实践的教学模式

由于有限元理论的复杂性，传统的教学模式一般会占用大量篇幅来讲解这个理论的基础知识。因此，有些船舶专业院校只对专业的高年级研究生进行授课。授课总学时有限，在理论教学比重较大时，课程的实践环节将被大幅度精简，最终的实践环节以计算机仿真建模为主，只能进行杆、梁等简单结构的建模分析计算，不利于体现有限元方法的优越性及在船舶领域的应用性。同时，长时间的理论实习，也不利于提高学生的积极性。根据学生的反馈意见，发现很多学生在课程结束后，仍然对有限元理论一知半解，对上机的操作仍显生疏，对理论在船舶结构的应用更是无从下手。

2.2 教学资源的匮乏

教学资源的匮乏主要体现两个方面。

一是教材的缺乏，国内外关于有限元方法的理论和通用软件的书籍很多，但是面向船舶，与船舶设计相关的有限元方法应用的教材并不多见，且一般是偏理论性的[6-7]，没有相关的工程实例，与实际工程应用的联系并不紧密。对于应届大学生而言，以上的知识体系的学习可以让他们了解和掌握相关的理论知识，但是由于缺乏直接面向船舶结构的应用讲解和工程实例讲解，对实际应用的针对性不强，学生难以适应有限元分析工作。

二是工程案例的缺乏。工程项目的教学首先需要有实际的项目，再进行工程项目的教学案例设计。工程项目一般来源于企业，属于学校与企业的合作项目，一般在签订之初就附有保密协议等限制条件，工程案例难以流入正常的教学环节，使得当前适用于教学的工程实例比较匮乏。

2.3 学生与老师的互动不足

有限元理论是内容体系涉及到多学科的理论，具有较强的数学知识背景，结构力学的理论性、逻辑性和学科交叉性，是学生在掌握高等数学、线性代数、船舶结构力学、弹性力学等重点复杂学科基础上的后续课程。多年来，其教学过于偏向学术化，而大多数学生的前期基础知识并非扎实可靠。且课程大量课时用于理论讲解，学生的实践能力不强，制约卓越工程师的培养。由于理论的复杂难懂，加之有限元矩阵表达的枯燥，导致学生难以在课堂上与老师紧密互动。更多的学生自己也知道有问题存在，却不知如何提问求教。长此下去，学生会失去信心，难以提升对课程的兴趣。

3 课程改革的构想与实践

3.1 教学理念的转变

随着计算机及应用软件的高速发展，有限元知识在船舶设计中的应用必将越来越广泛，势必需要更多的工程人员参与进来，实现相关船舶力学的直接计算。以往适用于研究生阶段的船舶有限元课程，需要作进一步的调整，将其教学范围扩大至本科及大专院校的专业高年级学生。这是顺应船舶工业及企业发展需求、培养卓越工程师的改革之路。目前，船舶设计建造规范已经对船舶有限元分析的内容、原则做了详细的规定，这为正确建立模型提供了保证。因此，一般的船舶设计人员都需要掌握这门技术。

3.2 教学改革

1)加强教师工程背景的培养，提高教师的综合能力。定期组织教师加入企业进行考察、调研和实践锻炼，让授课老师熟悉企业的工作流程和工作模式，了解生产实际，实现理论与实践的互补，为后续的学生培养更具针对性。

2)加大与企业合作的力度，实现优势互补。帮助企业实现有限元方面的计算工作，积极争取横向项目，并让学生参与进来，零距离接触教学案例。部分项目也可以作为学生的毕业设计案例，既帮助企业完成计算工作，又让学生得到了锻炼。

3)完成实用性强的讲义和教材编写。在前面两条的基础上，面向船舶行业规范，撰写面向工程应用的船舶有限元建模与分析教材，并加入大量工程实例说明。该类教材工程实践性高，适用性强。

3.3 教学方法的调整

打破传统的以教师为中心，重理论轻实践的教学模式，借助计算机软件，以学生为主体进行教学。对于卓越工程师培养，最有效的培养方式莫过于直接采用船厂或船舶设计单位、船舶研究所的原始资料，引导学生进行读图，让他们了解他们将来的工作。这有利于激发学生的学习热情，也为他们将来的就业和适应工作岗位提供有力的支持。在学习的过程中，还可以复习船体制图的相关内容，帮助学生夯实专业基础。同时，设计优化结构板块，注重学生创新能力的培养。在船舶有限元案例教学中，还可以将整船分成若干模块，每个模块根据工作量大小，指定一组同学，最后的计算分析又提交另一个小组负责，对于计算结果正确与否的分析，可以让大家都参与进来，进行小组分析与讨论。这些举措，有利于加强学生的团队合作精神建设，培养他们的团队意识。由船舶项目为目标，调整的船舶有限元课程教学模式见图1。

图1 以教学案例为中心的教学流程

3.4 考核体系的完善

考核体系不是传统的笔试定成绩，而是将考核体系纳入课程学习的全过程，侧重考核学生的实践能力和创新能力，兼顾团队合作能力的培养，课程考核细则见表1。

表1 船舶有限元课程考核的设计 %

4 结论

船舶有限元课程是面向船舶工业发展，培养船舶工程师的重要课程。在平时的教学及学习过程中，一些专业课程要紧紧围绕卓越工程师的培养为目标，以工程案例为导向，激发学生的学习兴趣和学习热情，让学生主动参与进来，以培养学生的实际能力和工程意识为基础，直接与企业所需的人才接轨，实现无缝对接，让学生能迅速适应工作角色。船舶有限元课程经过近两届毕业生的培养证明，毕业学生能较好实现理论知识到工程实际的转换，并能快速的进入设计角色，得到用人单位的好评。

[1] 教育部高等教育司.最新高校卓越工程师教育培养计划实施探索与国家创新工程技术人才培养方案指导全书[M].北京：高等教育出版社,2011.

[2] 钱作勤，贺玉海，李煜辉.工科能源动力类工业卓越工程师培养计划构想[J].船海工程，2011，40(4)：39-42.

[3] 刘英学，刘文白，张宝吉.船舶与海洋工程专业培养模式研究[J].船海工程，2012，41(6):134-127.

[4] 中国船级社.油船结构直接计算分析指南[M].北京：人民交通出版社，2003.

[5] 张会霞，郭廷良.船舶与海洋工程专业人才培养模式[J].船海工程，2011(4):46-47.

[6] 聂 武，孙丽萍.船舶计算结构力学[M].北京：人民交通出版社，2003.

[7] 孙丽萍.船舶结构有限元分析[M].北京：人民交通出版社，2004.