船舶静力学课程教学实验设计

刘志华，熊　鹰，叶金铭

(海军工程大学　舰船工程系，武汉　430033)



船舶静力学课程教学实验设计

刘志华，熊鹰，叶金铭

(海军工程大学舰船工程系，武汉430033)

摘要基于对船舶静力学课程设置教学实验主要障碍的分析，探索了该课程开展教学实验的实现途径；针对船舶静力学课程特点，系统研究了课程实验内容选取和实验设计应把握的原则，提出了以船舶稳性为中心知识点的基本型实验和综合设计型实验设计方案，在课程教学中取得了良好的实践效果。

关键词教学实验，实验设计，船舶静力学，船舶稳性

船舶静力学课程是一门以船舶浮性、稳性、不沉性等静力性能为核心内容的课程，讲授的是与船舶航行安全密切相关的基础航海性能方面的知识，是船舶工程专业的必修专业基础课程。该门课程自上世纪50年代在海军工程学院开设以来，经过几十年的积累沉淀和数代人的薪火传承，不断发展完善。特别是2000年以来，根据人才培养形势的需求，重新编写了课程教材，重新制订了课程标准和课程实施方案，调整充实了部分内容，更好地适应了船舶工程专业人才培养任务的转型。

然而，一直以来，船舶静力学课程都没有设置课程教学实验环节，这对于一门工程背景浓厚的力学课程而言，是有所缺憾的，并且在教学过程中也不利于学员实践能力的培养、专业技术应用能力的训练。本文围绕船舶静力学课程实验教学问题，进行了系统的调查研究，分析了该课程没有设置课程教学实验环节的原因，结合舰船工程实验室现有的软硬件条件，设计了船舶静力学课程的基本型教学实验和综合设计型教学实验，在两个教学班次的船舶静力学课程授课中进行了实践，取得了较好的教学效果。

1教学实验设计应把握的原则

教学理论中对于课程实验的界定为[1]：运用实验的方法，在课程实践中用以探索课程规律、促进课程理论和实践发展的教育活动。课程教学实验主要功能[2]是帮助学生理解、巩固和掌握课程的理论知识，提高知识运用和理论联系实际的能力，引导学生自觉将所学理论知识应用于实践活动。许多理工科院校都有注重开展实验教学的传统，在培养学员动手能力、科学素养和创新精神方面起到了理论教学无法替代的作用[3-5]。

海军工程大学船舶静力学课程几十年来一直未设置教学实验的原因主要在于：该课程的全部知识内容都是围绕船舶这个具体的对象而展开的，同时静力学的含义也已经是十分明确地特指船舶的浮性、稳性和不沉性，因而要设置该门课程的教学实验必然是以船舶为实验对象，以浮性、稳性、不沉性知识为实验内容，而不能机械地为了设置实验的方便而其分割截取为某一种脱离船舶这个实际对象的一般静力学实验，否则就失去了该课程教学实验的意义；但是在本科课程的教学中将实物船作为实验对象开展总体性能的实验是不现实的。这是在船舶静力学课程中设置教学实验的最大障碍。

船舶的静力性能反映的是船舶主船体与海水的相互作用规律，船体形状特征决定了船舶静力性能的表现。因此实验教学最重要的是要体现船舶平台的形状特征。如果按照实际船舶的船体主尺度和线型，制造一定缩尺比的船体模型，以该船体模型为对象设计静力学实验，该实验结果也必然可以反映实尺度船舶的静力性能指标。因此，船舶静力学课程实验的对象可以从实际船舶转换为缩尺船模，从而具备了课程实验的可设计性和可操作性。

另外,对于船舶静力学这类以理论讲解为主、实验教学为辅的课程，课程实验要把握两点：一是实验内容的选取需要和理论授课内容相配合，尤其应着重反映重点知识与难点知识，力图使其通过实验表现得更形象具体，有利于学员对知识点的理解并加深印象；二是实验过程设计要有一定的延展性，即实验实施步骤应当围绕实验关注的中心知识点，将本课程相关的其他知识内容乃至本专业其它课程知识进行生动地融合，使学员在进行实验过程中，不仅能锻炼动手能力，而且能够主动体会和理解实验实施步骤所包含的知识点，从而在实验实施过程中体现出较为完整的知识体系。

2船舶静力学课程教学实验的设计

2.1以船舶初稳性为中心知识点

根据对船舶静力学课程知识内容的梳理和分析，结合课程实验的要点，基于恰当的试验设计原则[6-7]，选定船舶初稳性作为课程实验的中心知识点，有以下3个方面的原因。

2)在船舶工程实际中，稳性的知识外延到船舶的日常装载方法、燃油淡水使用规定和航行安全注意事项的各个方面，有广泛而具体的应用性和重要性。

3)从知识的关联性上，稳性涉及船舶静水力要素计算、船舶浮态调整、船舶上载荷移动和增减对初稳性影响、船舶上自由液面对初稳性影响等多个知识点，具有较强的代表性。

2.2课程教学实验设计

船舶在有风浪的水域上航行，风在船体上产生使船体倾斜的倾斜力矩，船体发生倾斜后，由于浮心位置的变化，船舶的重力和浮力会产生抵抗倾斜力矩的复原力矩，如果在倾斜过程中复原力矩能够大于最大的风致倾斜力矩，则船舶不会发生倾覆翻沉。风致倾斜力矩的大小与风在船体上的侧向风力大小直接相关，而侧向风力正比于船舶水面以上部分侧向投影面积和风速度的平方，因此风致倾斜力矩是可以定量计算的。复原力矩的大小是由船舶的状态和形状特点决定的，涉及的因素复杂，在船舶静力学研究领域，小角度倾斜条件下，将其写成船舶重量、船舶倾斜角度以及初稳性高这3个特征量乘积的关系，其中初稳性高的概念掌握起来较为困难，且确定初稳性高的数值大小也相对复杂。若能确定初稳性高数值，可以计算出复原力矩的大小并与风致倾斜力矩的大小，从而初步评估船舶的抗风浪能力和稳定能力。因此围绕船舶初稳性知识内容，设计了船舶初稳性高测量实验和自由液面对初稳性高影响实验两项课程教学实验。

2.2.1基本实验

船舶初稳性高测量实验定位为基本实验，实验原理为船舶上载荷水平横向移动对浮态影响规律方面的知识，即处于正浮状态的船舶，如果将其上一定重量的载荷水平横向移动距离，则会形成一个横倾力矩，船舶在这个横倾力矩的作用下发生横向倾斜，横倾角的大小等于所移动载荷重量与移动距离的乘积除以船舶的重量排水量与船舶初稳性高度的乘积，根据这一原理，设计了通过在船模上水平横向移动载荷使船模产生倾斜从而测量船模初稳性高的教学实验，实验分为船模状态调整检查、载荷移动及船模倾斜角测量、船模初稳性高计算与误差分析、实验结果讨论4个主要的模块进行。实验设计如图1所示。

图1　船舶初稳性高测量基本型实验设计

2.2.2综合设计实验

图2　自由液面对初稳性高影响综合设计型实验设计

自由液面对初稳性高影响实验定位为综合设计实验。要求学员在教员给出的课程内容中自行拟定实验题目并自行组合若干实验小组，以小组为单位根据实验内容，设计实验方案，教员配合每一实验小组完成实验。各小组完成实验后，教员组织全体学员参加实验答辩研讨会，小组代表对本小组实验方案从设计、过程和结果进行汇报，学员自由发言进行质疑和解答。最后由教员对每一小组实验任务完成情况进行总结，给出评价。实验设计如图2所示。

3课程实验的实践效果

在2013年、2014年船舶工程专业本科学员船舶静力学的教学过程中，对所设计的船舶初稳性高测量实验、自由液面对初稳性高影响实验进行了具体的实践，取得了很好的教学效果，主要表现在以下4点。

1)学员对船舶的静力学性能有了直观的认识，对船舶的浮性、浮态、稳性等概念的理解更为具体。

2)学员的专业实践能力得到锻炼。从实验准备开始，学员普遍对实验的每一步骤、每一细节都产生浓厚的兴趣，并且，在船模吊放进入水池、移动压铁调整船模浮态、横倾角测量等实验进行的各个环节中，学员都是根据所学到的课程知识来指导实践动作，动手能力和专业知识应用能力得到锻炼。

3)经过船模初稳性高测量实验，学员对本课程的重点与难点知识——稳性的理解更为透彻，具体表现在综合设计实验自由液面对初稳性高影响的

实验方案自主设计中，提出了多种新方案，展现了一定的创新性。

4)启发了学员开展专业问题研究的思维。在综合设计实验中，学员们经历了分析问题、提出解决方案、方案实施与结果分析、总结答辩、接受质疑与解释、综合评价这样一个较为完整的过程，对专业问题研究过程有了初步了解。同时，以小组为单位开展实验的方式也锻炼了学员的团队协作能力。

参 考 文 献

[1]和学新，吴杰. 课程实验论[M]. 桂林：广西师范大学出版社，2008.

[2]王晓萍，刘向东，刘旭. 课程实验在工程创新人才培养中的作用及实践[J]. 中国大学教育，2012，25(1)：21-27.

[3] 魏志渊，孙健，毛一平. 实验教学环节对提高实验教学质量的探索[J]. 实验技术与管理，2005，22(9)：97-99.

[4]刘国买，罗意平. 加强实验教学改革培养创新应用人才[J]. 中国大学教育，2002，15(7)：19-20.

[5]李海军. 以实验牵引理论教学的课堂教学改革研究[J]. 中国大学教育，2012，25(1)：21-27.

[6] 金文，许雪莹，张慧群. 改进实验教学装置提高实验教学效果[J]. 实验室科学，2013，16(6)：84-86.

[7] 田为军，丛茜，任露泉. 广义试验设计方法在试验设计课程教学中的实践[J]. 教学研究，2013，36 (3)：68-71.

Teaching Experiment Design about Ship Statics Course

LIU Zhihua，XIONG Ying，YE Jinming

(DepartmentofShipEngineering，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China)

AbstractBased on the analysis of the difficulty on the arrangement of teaching experiment in ship statics course，the method to carry out the teaching experiment is studied.The way to select the content of teaching experiment and the principle in the teaching experiment design are investigated.The basic experiment and comprehensive experiment are designed about the knowledge of ship stability. Well teaching effect is gained in the course teaching.

Key wordsteaching experiment; experiment design; ship statics; ship stability

收稿日期:2015-06-08；修改日期: 2015-07-14

基金项目：海军工程大学重点教育科研项目——任务驱动型专业课程教学模式研究(NEU20150017)。

作者简介：刘志华(1981-)，男，工学博士，讲师，主要从事船舶与海洋工程专业的教学和研究工作。

中图分类号G642.423

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.028

·实 验 教 学·