“船舶静力学”课程教学内容的分析与思考

张正艺 解德 袁华 孙江龙

摘要“船舶静力学”课程是“船舶与海洋工程（081901）”专业本科教学的基础性专业核心课程。课程目的是培养学生完成船舶在静力载荷或等效静力载荷作用下的浮性与稳性的分析能力，其内容涉及流体静力学、理论力学、微积分、数值方法等多个方面。为了建设新时代“船舶与海洋工程（081901）”专业的课程体系，作者对国内设置船舶与海洋工程类高校课程教材内容进行了对比和聚类分析，并据此确定了“船舶静力学”课程的基本共性内容。这些共性内容主要包括船体几何描述、流体静力学、船舶浮性、船舶稳性、船舶静水力资料、重物的状态改变、自由液面、进水与破舱等八个方面。在上述分析的基础之上编写的课程讲义或教材，有望取得更好的教学效果。

关键词 船舶静力学 课程体系建设 教学改革

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.16.028

Content System Analysis for the Course of Ship Hydrostatics and Stability

ZHANG Zhengyi[1][2][3]， XIE De[1][2][3]， YUAN Hua[1][2][3]， SUN Jianglong[1][2][3]

（[1]School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan， Hubei 430074；

[2]Hubei Provincial Engineering Research Center of Data Techniques and Supporting Software for Ships（DTSSS）， Wuhan， Hubei 430074

[3]CollaborationInnovationCenterforAdvancedShipandDeep-SeaExploration（CISSE），Shanghai200240）

AbstractThe course of ship hydrostatics and stability is a basic and core course of undergraduate program of Naval ArchitectureandOceanEngineering（081901）.Theaimofthiscourseistotraintheundergraduatestudentstohavethecapability to accomplish the hydrostatic analysis of ship under static or equivalent static loads， which mainly involves the knowledge of hydrostatics， theoretical mechanics， calculus， andnumerical methods， andso on. Inordertoconstructthe curriculum system in thenewerafortheundergraduateprogram of“Naval ArchitectureandOcean Engineering（081901）”，the authorscompare the textbooks adopted by the domestic universities， and make a cluster analysis to determine the basic common contents of this course.Thesecommoncontentsmainlyincludedescriptionofhullgeometry，basichydrostatics，shiphydrostatics，intactstability， hydrostaticdata， changes ofmass loads， free surface of water， and floodingand damage condition.The textbookwritten based ontheabove analysisisexpectedtohaveapositiveimpacton theteaching effectivenessofthecourse.

KeywordsShip Hydrostatics and Stability； construction of the curriculum system； teaching reform

1课程的基本特征

毋庸置疑，“船舶与海洋工程（081901）”本科专业的人才培养是实现“海洋强国”战略目标的重要支撑力量。[1]

在船舶与海洋本科教学中，“船舶静力学”课程具有“承前启后”的基本特征。所谓“承前”，就是“船舶静力学”是流体力学、理论力学、微积分、数值方法等工科类本科通识类知识在解决船舶与海洋工程专业类问题时的首次应用。展开“船舶静力学”的教学工作，是学生理论知识与实践有利于学生掌握船舶在静止时的基本规律。所谓“启后”，就是“船舶静力学”不可避免的引入了大量表征船舶几何特征和状态特征的专业术语和专業概念，例如船体的主尺度、船形系数、尺度比、干舷、横倾和纵倾、破舱等。这些专业术语和概念是后续“船舶阻力”“船舶推进”“船舶操纵性”“船舶耐波性”等船舶与海洋工程专业课程的重要学习基础。因此，设置船舶与海洋工程本科专业的高等院校，通常会把“船舶静力学”作为基础性的专业核心课程。

“船舶静力学”课程教学内容的设置，应当有助于学生掌握船舶静力学的基本内涵，培养学生以流体静力学为基础、以静置状态下的船舶刚体为分析对象、完成船舶在静力载荷或等效静力载荷（包括内/外表面的静水压力、重力，风载荷等载荷）作用下的受力状态分析和静平衡/动平衡状态分析的能力，从而使得所设计的船舶有较为可靠的静水力性能，满足最基本的安全性要求，可为学生进一步学习其他专业课程奠定基础。

本文在分析国内已有教材内容的基础上，提出了“船舶静力学”课程所涉及的基本共性内容及其相应的知识点，从而形成“船舶静力学”课程的基本知识架构。

2课程的内容分析

我国出版的《船舶静力学》教材最早可以追溯到20世纪五六十年代。典型代表有刘雍编著的《船舶原理及构造浅说》（1957年出版）[2]、杨槱、刘静编著的《船舶静力学》[3]（1963年出版）。从此开始，形成了船舶静力学课程教材的两种编写模式。一是将船舶静力学的内容作为《船舶原理》教材中的一部分，二是独立编写成《船舶静力学》教材。

基于以下两点选择有关船舶静力学课程教材作为分析对象：（1）2000年以后正式出版，（2）本科生为教学对象。

表1给出了基于上述原则所选择的与“船舶静力学”课程有关的主要教材的基本信息及其内容设置。这些教材都是以水面船舶为主要分析对象。作者的单位来自上海交通大学、海军工程大学、大连海事大学、上海海事大学、广州航海学院。这些高等院校是目前我国“船舶与海洋工程”本科生培养的重要力量。因此，所列出的教材具有代表性。

在静力载荷或等效静力载荷的作用下，漂浮于静水中的静置船舶会呈现出一系列内在的特征和规律。基于流体静力学，可以将这些内在特征和规律进行归纳、总结，从而形成一系列船舶设计、建造和营运过程中所关注的与船舶静力学相关的基本共性问题。因此，“船舶静力学”课程也应当具有其内在的共性内容，参见表2。

表2是在对表1进行聚类分析的基础上得到的。

表2清晰的表明：船舶静力学的共性内容有五个，即船体的几何描述、船舶浮性、船舶初稳性、船舶大倾角稳性、船舶抗沉性。

其中，船体的几何描述，对描述船体的基本术语和定义船体形状的基本方法作出介绍，显然是必要的；船舶浮性，基于船体漂浮于水面时的平衡条件，分析船舶在一定装载情况下是否具备漂浮于一定水面位置的能力；船舶初稳性，基于小倾角假设，分析船舶在小倾角时回复到初始位置的能力；船舶大倾角稳性，分析船舶在大倾角时回复到初始位置的能力；船舶抗沉性，分析船舶在给定破损条件下的浮性与稳性，以及如何划分船舶舱室使得船舶能够在典型破舱进水时仍然具备足够的浮性与稳性。

表2还表明：船舶类型、船体计算的近似方法、吃水差、潜艇浮性与稳性、船舶/舰船下水计算等特色内容在各本教材中有不同程度的体现。其中，有关船舶类型方面的内容，在有关船舶与海洋工程导论的课程中有详细的介绍，可在船体的几何描述中作简要介绍；有关船体计算的近似方法，实际上就是一重或多重积分的数值计算方法，可在附录中进行介绍，也可直接参考相关的数值方法课程，而不必作为船舶静力学的共性问题之一来进行讲解；有关吃水差的内容是对给定装载情况下船舶浮态的求解，可作为船舶浮性的一部分来进行讲解；有关潜艇浮性与稳性，应当开设专门的课程予以讲授；有关船舶/舰船下水计算，在有关船舶建造工艺的课程中有详细的介绍，也可以结合具体的教学内容作为专题予以讲解。

3课程的架构思考

在表2分析得出五个共性内容的基础上，对其包含的知识点进行梳理，得到共计36个知识点。基于这些知识点的内在联系和区别，通过进一步的聚类分析对其进行分类，得到8类共性内容，从而形成“船舶静力学”课程的基本知识架构，见表3。

在船体几何描述方面，设置了5个知识点，着重介绍船舶主尺度、船舶尺度比、船型系数、船舶坐标系、型线图，等。

在流体静力学方面，设置了4个知识点，着重介绍流体静力学基础、阿基米德原理、浮体在静水中的平衡条件、浮体的稳定性模型，等。

在船舶浮性方面，设置了6个知识点，着重介绍船舶的浮性、船舶重量与重心的计算方法、船舶正浮时的排水量与浮心位置的计算方法、船舶纵倾时的排水量与浮心位置的计算方法、船舶浮态的计算方法、法规与规范对船舶浮性的基本要求，等。

在船舶稳性方面，设置了6个知识点，着重介绍船舶的稳性、船舶倾覆力矩的计算方法、船舶小倾角时的稳性高的计算方法、船舶大倾角时的稳性横截曲线的计算方法、船舶大倾角时的静稳性曲线的计算方法、法规与规范对船舶稳性的基本要求，等。

在船舶静水力资料方面，设置了5个知识点，着重介绍船舶静水力曲线、船舶静稳性曲线、邦金曲线、船体外水密度改变、倾斜试验，等。

在重物的状态改变方面，设置了3个知识点，着重介绍移动重物的影响、装卸重物的影响、悬挂重物的影响，等。

在自由液面方面，设置了2个知识点，着重介绍自由液面对初稳性的影响、自由液面对大倾角稳性的影响，等。

在进水与破舱方面，设置了5个知识点，着重介绍破舱分类及渗透率、破舱稳性的两种计算方法、可浸长度的计算、船舶抗沉性的校核方法、典型破舱稳性法规与规范，等。

4结语

“船舶静力学”课程，是人们对船舶在静水中的浮性与稳性问题进行科学分析的成果总结。本文通过分析表明，船体几何描述、流体静力学、船舶浮性、船舶稳性、船舶靜水力资料、重物的状态改变、自由液面、进水与破舱，构成了“船舶静力学”课程的主要共性内容，并明确了其包含的36个知识点。作者认为，“船舶静力学”课程的共性内容将会长期保持稳定，而知识点的内容将会随着科学研究的进步而与时俱进。

本文的工作获得了华中科技大学教学研究项目专项项目《新时代“船舶与海洋工程”专业本科课程体系研究》（项目编号2019006）资助，特此致谢

参考文献

[1]解德，袁华，孙江龙，等.教学和科研是一流高校学科建设的两项根本任务.产业与科技论坛，2021，20（6）：271-272.

[2]刘墉.船舶原理及构造浅说[M].上海：科学技术出版社，1957.

[3]杨槱，刘静.船舶静力学[M].北京：北京科学教育出版社，1963.

[4]朱军.舰船静力学[M].长沙：国防科技大学出版社，2002.

[5]杜嘉立.船舶原理[M].大连：大连海事大学出版社，2016.

[6]张吉宝.船舶静力学[M].上海：上海交通大学出版社，2016.

[7]盛振邦.船舶原理（第二版）[M].上海：上海交通大学出版社，2017.

[8]陈建平，雷虎，唐伟炜.船舶原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2017.

[9]刘志华，霍聪，黄政.舰艇静力学与快速性[M].武汉：华中科技大学出版社，2019.

[10]刘红，郑剑.船舶原理（第二版）[M].上海：上海交通大学出版社，2020.