海洋平台设计原理课程改革研究与实践

黄 威，刘加一，殷彩玉

（华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074）

专业课程是课程思政建设的基本载体，专业知识体系是提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力的重要内容，对大学生思维方法和价值理念的建立具有重要意义，是大学教育中立德树人的关键步骤。深入落实专业课程思政建设，加强专业课程教育的基础强化和与时俱进，是推进建设世界一流大学和一流学科建设的强动力源。

华中科技大学紧密围绕海洋强国战略需求，为船舶与海洋工程一流专业创建，积极构建基于船舶与海洋工程结构设计为主体的本科培养新体系。为了培养具有优秀创新实践能力的船舶与海洋工程专业卓越人才，设立了一系列理论与实践相结合的专业课程[1]。随着世界各国逐渐将发展目光投向深蓝，广袤海域中所蕴含的矿产资源和生物资源等不断被发掘。

本项研究目标旨在调整海洋平台设计原理所涉及的相关专业知识内容，参考最新海洋结构物设计规范和指南，吸收国内外有关海洋平台设计相关研究与教材最新内容。强调基础巩固、加强相关原理与方法的学习；重视理论到实践的转化，增加教学课程实践环节；基于教学内容、教学模式的改变，增加学生课程参与度与积极性，改进考核方式，进而形成一套实践性强的、较为系统的海洋平台设计原理新讲义与课程大纲。

一、教学大纲的修订

结合立德树人的根本目标，经过多年教学与科研工作实践，海洋平台设计原理课题组经过不断的研讨、协调分工与课程教学磨合，从教学内容的完整性和实用性对早期课程教学大纲的教学目标、教学方法和教学内容均作出了相应的修订，并在教学过程中重视专业课程思政点的具体落实，为深入推进专业课程思政提供有力支撑。

经过修订，海洋平台设计原理课程学时由24 学时增加到32 学时，增加了《大型集中ProjectⅢ海洋结构物总体设计与优化》为期3 周的大型课程设计。教学目标从原来的对深水平台结构设计原理和方法的掌握，注重基础巩固和创新实践，重点强化了学生利用所学知识解决简单的海洋平台设计和相关性能分析的综合能力培养，并促进专业和思政教育的协同共行，达到全方位落实立德树人的育人目的。在教学方法上，为了面向疫情期间教学和教学深度的加强，在原本理论教学基础上，强化了线上与线下的结合，利用“超星”课堂平台实现随堂测试、讨论以及课下的反馈等，利用课上的案例教学和课下的数值模拟实践，达到翻转课堂的效果。并强调了对海洋平台设计以及深海资源开发技术的发展前沿跟踪探索的线上学习方式的获取，如图1 所示。教学内容上，经过初步修正的内容包含24 课时的海洋平台主体尺度规划原则和方法、总体性能分析与结构强度的相关内容和8 课时的系泊系统设计内容。经过数年教学实践和对最新海洋结构物设计教学的参考，为了进一步提升教学内容的完整和统一性，强化面向创新实践的教学目的，新的教学大纲进一步强化了结构设计基础、载荷与结构响应和模型试验内容，适当减少了定位系统设计的讲解。对海洋平台设计规范进行更新和删减，形成最终修订的新教学大纲，更有利于强化学生利用所学知识解决实际工程问题的综合能力培养。

图1 海洋平台设计原理课程教学方法

二、教学讲义与内容

依托《海洋石油工程深水油气田开发技术》[2]的主体，原讲义主要内容分为两个部分，第一部分为海洋平台总体设计，第二部分为深水平台定位系统设计。第一部分包含七章内容：第一章绪论，主要介绍了海洋平台类型、发展历程和结构特点等；第二章介绍了海洋工程环境与载荷，包含有风、浪、海流、海冰与地震，其中重点通过波浪理论和莫里森方程对海洋平台主要受到的海浪开展了相关的讲解与实例分析；第三章为深水平台设计基础，介绍了浮式结构物设计基本过程及其特点、浮式平台设计基础和要求；第四章为深水平台总体尺度与结构规划，重点根据几种典型的深邃平台结构特点介绍了半潜式平台、张力腿平台和深吃水立柱平台的主体尺度规划及结构形式对不同规划的影响；第五章以半潜式平台为主，进一步考察主尺度规划的合理性，通过计算平台运动特征和各自由度上的响应周期和设计波确定来完成平台的总体性能分析；第六章对平台组合载荷工况的介绍，分析了不同形式平台的强度分析特点；第七章是深水平台的主体安装，介绍了不同结构形式平台安装方法的差异和相关的工程结构介绍。第二部分基于《浮式结构定位系统设计与分析》[3]，通过四章内容对系泊系统特点、材料、受力及强度和系泊设计做出介绍，结合最后一章动力定位系统完成了浮式结构物定位系统的介绍。讲义在内容上包含了海洋平台总体设计过程相关的内容。但是两部分内容在逻辑性上并不太连贯，分别开展主体结构和系泊系统设计过程中涉及的大量设计规范，对课堂教学的讲授和学生积极性是一个较大的挑战。在主体的第一部分中，对过程、规范等内容的侧重较强，对结构设计基础及创新实践性的教学内容缺少足够的探索。

结合新教学大纲提出的新的教学目标，在原讲义基础上，研究和分析国内高校在海洋平台设计相关课程中教学内容设计，基于《Handbook of Offshore Engineering》《Dynamic Analysis and Design of Offshore Structures》《Springer Handbook of Ocean Engineering》和《海洋结构工程》完成对新讲义主要内容的梳理与整合，对定位系统设计相关内容进行简化，最终形成了基本符合双语教学的海洋平台设计原理课程的新讲义与教学内容规划。

新讲义共包含有八章主要内容。第一章内容为海洋平台概述，在原基础上增加了对深海油气开采的介绍，增强专业背景知识的掌握。另一方面，对典型深水平台特点的介绍过程中，将平台安装涉及的初步内容添加到第一章，进而删除原讲义中的第七章。第二章主要介绍几种典型的海洋环境及载荷，突出波浪载荷的重要性，添加了波浪谱相关直接介绍与运用讲解。结合课题组经验，介绍了使用规范进行平台结构抗地震分析的实例，达到基础强化与运用能力的培养。第三章为海洋平台载荷与响应。重点介绍波浪载荷及设计波的确定，以及针对波浪载荷作用下在平台和结构物上载荷的计算和结构物运动响应的简化计算分析。在本章内容中，针对结构响应内容，演示使用ANSYS/AQWA 进行有限元分析的方法，强调理论到实践的转换。第四章从结构设计原理与方法引入，主要针对海洋平台结构设计所涉及的极限状态设计和疲劳极限状态设计进行讲解，贯通结构设计到海洋结构物设计，注重海洋结构物特殊海洋环境下极限状态的特点。并强调了作为一种结构设计，海洋平台结构可靠性与风险评估的重要性和基本方法。第五章将海洋平台主尺度的规划和总体性能分析进行整合，针对典型平台结构的总体设计进行逻辑性连贯性更好的介绍。并将平台安装涉及的总体性能分析部分内容纳入到此章。第六章主要介绍深水平台的定位系统，将原讲义中约占8 学时的内容进行缩减，主要针对系泊系统静力计算、系泊系统动力分析以及使用时域和频域方法开展系泊系统强度分析进行讲解，将动力定位基本原理和发展现状部分融入该章，形成完整的内容。在完成海洋平台结构和总体设计相关理论知识介绍后，第七章重点包含有浮式平台模拟实验技术，针对实验模拟技术所涉及的相似律等基本理论，深水模拟实验平台发展和相关技术，并结合小型的实验模型开展深水模拟实验的简单实际操作演示结合课堂讲解，强调学生通过文献调研对当前在深水试验模拟平台的最新研究进展进行跟踪和分析，进一步强化学生学以致用，增强专业理论和专业技能。第八章从结构层面转换到材料层面，强调学生对所学的材料力学和结构力学知识的专业实践认知，对传统材料性能和当前新材料（如纤维增强材料）在水下和特殊环境（高/低温、高压）条件下的特性和应用前景有充分的认知。

对比修订前的海洋平台设计原理课程讲义及内容，新讲义所包含的内容具有以下几个主要特点：（1）内容逻辑性强。新讲义调整了旧有内容安排上的扁平性，以深水平台设计所包含的主要内容为主线，将材料特性、典型深水平台特性及其尺度规划和总体性能分析、风险和可靠性评估进行串并联，形成了一种思路清晰逻辑性更强的教学思路，如图2 所示；（2）强化基础知识。讲义在保留原有的平台设计所包含的基本理论，如强度校核、波浪理论、平台特征载荷下的分离和扭转和剪切计算等，增加了结构设计中极限状态设计、可靠性和风险评估知识，有助于学生对结构设计类专业课程的整体思路的整理和掌握；（3）突出创新实践能力培养。新讲义在强化基础理论基础上，通过增加实验模拟技术知识和数值模拟实践的海洋结构物课程设计，利用翻转课堂形式，促进学生将专业知识转化为专业技能的能力培养，突出利用综合的专业知识解决实际工程问题的能力培养；（4）先进性。新讲义更新和增加了海洋工程结构相关的设计规范和方法，引入线上线下相互促进的教学方法，提升学生对专业知识新进展和新成果的自主学习能力培养；（5）深入落实专业课程思政。为了促进一流专业建设，课程组在制定新大纲和讲义过程中强调了专业课程思政的深入落实。在新讲义中，每章内容均有一个课程思政要点来进行课堂内容的串联，寓价值观引导于潜移默化的知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观和价值观。

图2 海洋平台设计思路

三、海洋结构物总体设计与优化课程设计

海洋结构物总体设计与优化课程设计是学生基础巩固和创新实践能力培养的重要一环，对于培养卓越海洋结构工程师具有重要的意义。

在学生已完成的专业课的学习中，理论和大型课程设计以船体结构与强度设计为主，学生对给定的母型船结构下根据设计规范，掌握了对船体结构稳性、强度等计算与分析，具有一定的实践能力。为进一步培养学生综合运用所学专业知识的能力，海洋结构物总体设计与优化课程设计作出了适当的修改：（1）在课程设计形式上，不再提供母型船结构相关信息，而是以海洋结构物所要满足的功能需求为给定条件，进一步贴合实际工程需求。促使学生通过文献调研的形式，获取海洋平台要满足功能需求需要设计的具体形式以及所工作海域的环境条件。在这种条件下，满足海洋结构物设计的一个闭环；（2）设计内容除了传统的结构静力学强度以及稳性等计算分析外，强调了深水环境工作条件下的海洋平台载荷与结构响应计算分析，充分考虑结构定位方式对海洋平台结构性能的影响。重要的是，该课程设计的启动时间与课程启动时间一致，贯穿在海洋平台设计原理理论教学和海洋结构物总体设计与优化课程设计的教学过程中，便于学生实现理论学习到工程实践的摸索与探讨；（3）在考核形式上，以4 人为一小组的形式展开，在设计初期完成工作协调分工，最后根据设计和答辩结果对每个小组中的每个成员进行考评，考评内容同组相互交叉，以促进项目开展过程中学生的参与度。

通过近几年的课程设计实践可以发现，学生对课程设计具有较高的投入程度，能够根据功能需求设计出基本符合要求的一般形式的海洋平台结构形式，并完成相关的计算分析。但是，由于未给定母型船体结构信息，在平台结构细节设计中容易出现较多的不合理情况，以至于在后续结构性能分析时出现较大偏差。这需要课程组在教学实践中进一步具体化地让学生对典型海洋平台结构有清晰的认知。

四、结束语

创新实践型人才培养是研究型大学专业课程教学的重要目标，是深入落实立德树人根本任务的基础。鉴于对深海资源开发、利用和保护的需求，深水海洋平台的发展对国家建设海洋强国具有重大意义。结合当前快速的技术发展和对学生自主创新实践能力培养的要求，海洋平台设计原理课程在初步的教学大纲和讲义基础上，从强化教学内容的逻辑连贯性、巩固专业知识基础、重视理论到实践能力培养的目标，新的海洋平台设计原理教学大纲和内容完成了修订和初步实践。新的教学内容具有更好的科学性和工程实践性，有力地强化了学生专业基础和专业技能的培养。使学生能够在自主学习和研究的过程中，注重理论与实践相结合，发现问题、解决问题，促进学生综合能力和协同组织能力的提高，为海洋强国战略培养具有较高综合素养的复合型人才提供有力支撑。