“船舶流体力学”课程教学内容的分析与思考

刘 曾，孙江龙，袁 华，解 德

（1.华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074；2.船舶数据技术与支撑软件湖北省工程研究中心，湖北 武汉 430074；3.船舶和海洋水动力湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074）

1 课程的基本特征

习近平同志在党的十九大报告中指出：“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国。”在我国从高速发展至高质量发展的关键转型期，上至党中央、各部委领导，下至高校教务管理人员及授课教师，均意识到专业教材在人才培养质量上起着举足轻重的作用。高等学校本科专业教材是高校教师授课的“剧本”，专业教材的好坏直接影响教师的课堂效果和学生的学习效果，对学生夯实专业基础知识、培养专业思维能力起着至关重要的作用。

“船舶流体力学”是流体力学基础知识与船舶与海洋工程领域流体力学问题的有机结合，是船舶与海洋工程专业重要的专业基础课程，在专业课程体系中有着举足轻重的地位。设置船舶与海洋工程本科专业的高等院校，通常会在第5 学期开设“船舶流体力学”课程。对船舶与海洋工程专业的学生来说，“船舶流体力学”是一门重要的专业基础课程，几乎所有与船舶原理及海洋工程结构动力性能有关的后续课程，都是以它作为基础知识的。在这门课程的教学过程中，学生普遍反映涉及的内容较为抽象且公式推导较多，不易学习。

本文将面向船舶与海洋工程行业需求，结合所在教学团队本科课程教学实践，针对船舶与海洋工程专业基础课程“船舶流体力学”，在分析国内现有主要教材内容的基础上，从专业需求角度提出“船舶流体力学”课程教学所需解决的核心问题，给出“船舶流体力学”课程的基本知识构架，供后续编写教材参考。

2 现有教材主要内容分析

表1列出了国内船舶与海洋工程专业开设“船舶流体力学”课程所主要采用教材的基本信息。这七本教材的编者来自上海交通大学、江苏科技大学、华中科技大学、中国石油大学、华南理工大学、哈尔滨工程大学和武汉理工大学。这些高等院校是目前我国“船舶与海洋工程”专业本科生培养的中坚力量（除华南理工大学外，其余六所高等院校的船舶与海洋工程专业均入选首批国家一流本科建设点）。因此，表1 所列出的教材可认为代表了船舶与海洋工程专业“船舶流体力学”课程教材的整体情况。

表1中所列教材均以不可压缩流体为主线，讲述流体力学在船舶领域的应用。在对具体章节内容进行分析后，发现现有“船舶流体力学”教材的内容可细分为流体力学基础知识和船海专业特色知识两类。表2 和表3 分别给出了这七本教材在流体力学基础知识和船海专业知识的章节分布。可以发现，现有教材中的流体力学基础知识主要包括：流体的性质、流体静力学、流体运动学、理想流体动力学、旋涡理论和圆管流动，这部分内容主要为后续内容的教学打基础。后续章节均为船海专业知识，包括：势流理论、粘性流体动力学、边界层理论、机翼理论、水波理论和相似理论，这部分内容与船舶与海洋工程水动力问题紧密相关。

表1 国内现有“船舶流体力学”教材基本信息

表2 国内现有“船舶流体力学”教材中包含流体力学基础知识的章节分布

表3 国内现有“船舶流体力学”教材中包含船海专业知识的章节分布

以国内早期出版的两本教材（刘岳元、冯铁城、刘应中，许维德）为例，现有教材主要从流体力学知识的内在逻辑出发，将船海专业特色知识划分为势流理论及其应用与粘性流体动力学两大部分，其中势流理论及其应用部分包括旋涡理论、势流理论、机翼理论和水波理论，粘性流体动力学部分包括N-S 方程介绍、相似理论、边界层理论和湍流等。这种内容划分方法从流体力学知识体系的逻辑结构出发，相应知识结构层次清晰，内容循序渐进。

船舶流体力学主要描述当水中的浮体与水发生相对运动时受到的作用力，以及水与浮体间的相互作用。具体来说，船舶流体力学从力学的角度来阐释船舶在航行时所受到的阻力、螺旋桨旋转时所产生的推力、船舶或海洋平台等浮式结构在波浪中的运动与受力以及船舶或潜水器在航向改变时的受力。从船舶与海洋工程需求的角度出发，可发现船舶阻力的分析由势流理论、粘性流体动力学、边界层理论和水波理论支撑，螺旋桨推进性能的分析依赖于旋涡理论和机翼理论，船舶或海洋平台等浮式结构在波浪中的运动与受力由水波理论支撑，船舶或潜水器在航向改变时的受力与势流理论中附件质量等内容相关，不同尺度间物理关系的换算则由相似理论支撑。

现有教材所普遍采用的内容划分方法，将船舶与海洋工程水动力分析的需求割裂，仅有较少章节提到船舶与海洋工程专业的实际水动力学问题，与专业需求联系不紧密，不利于培养学生利用所学流体力学知识解决船舶与海洋工程水动力问题的意识。此外，现有“船舶流体力学”教材与后续“船舶原理”等课程内容衔接不顺畅，通过现有教材的教学，学生对船舶流体力学与船舶原理之间的联系体会不深，也影响了学生对专业的兴趣。

3 课程教学内容编排的思考

在分析现有教材优缺点的基础上，结合本科课题教学实践，发现“船舶流体力学”教学需要解决的核心问题是：建立流体力学的一般理论与方法和船舶与海洋结构所面临的流体力学工程问题之间的联系。“船舶流体力学”课程是“船舶原理”课程的先导课程，通过这门课程的教学，教师须传授学生船舶与海洋工程流体力学理论的基本知识要素，并培养学生分析解决船舶与海洋工程流体力学问题的基本能力。

围绕教学需解决的核心问题，在教材内容编写过程中需妥善解决如下三方面问题：

第一，处理好“船舶流体力学”与“流体力学”间的关系。船舶流体力学是流体力学的一个分支，主要关注不可压缩流体—水与物体之间的运动和相互作用。“船舶流体力学”宜从专业需求出发，从“流体力学”中提取与专业问题匹配的流体力学基础知识，按照专业问题自身的逻辑次序进行编排，强化专业问题与流体力学基础知识的联系，弱化流体力学中数学公式的推导，为学生学习后续课程埋下清晰、高效的伏笔。

第二，处理好“船舶流体力学”与“船舶原理”间的关系。作为“船舶原理”课程的先导课程，“船舶流体力学”宜从流体力学角度对专业问题进行描述与讲解，使流体力学基础知识与专业问题有机结合，使学生在学习“船舶原理”课程前，对专业问题有一定的认知，方便在“船舶原理”课程上进行更深入的教学。

第三，处理好“船舶流体力学”与“计算流体力学”等的关系。计算流体力学提供了一个方便的手段来解决船舶与海洋工程专业的流体力学问题，也是船舶与海洋工程专业目前非常活跃的一个研究领域。在编写“船舶流体力学”教材过程中，可以对计算流体力学的发展进行扼要介绍，可以借助计算流体力学对一些常见专业问题进行分析，但不宜对计算流体力学进行过多篇幅的介绍。计算流体力学是手段，“船舶流体力学”的编写围绕教材需解决的核心问题开展。为提升“船舶原理”课程教学中部分实验内容的教学效果，华中科技大学单独开设了“船舶与海洋工程实验流体力学”这门课程。“船舶流体力学”可在相似理论一章中，简要介绍实验流体力学的重要性和“船舶与海洋工程实验流体力学”的主要内容。

简而言之，“船舶流体力学”教材大纲的编写，宜以行业工程问题需求为牵引，寻找能解决这些工程问题的流体力学知识与方法。表4 给出了“船舶流体力学”课程大纲的初步架构。大纲共包含八章内容，其中前四章围绕势流理论讲述流体力学基础知识：第一章介绍船舶流体力学关键问题，第二章介绍流体力学基本概念、流体力学基本方程、流体力学基本解法，第三章介绍相似理论，第四章介绍波浪理论。后四章围绕船舶工程需求讲述船舶专业知识：第五章介绍船舶快速性，主要包括船舶阻力划分、理想流体阻力、粘性流体阻力、自由面兴波阻力和螺旋桨基础理论；第六章介绍船舶耐波性，主要包括无界流场中运动物体受力分析、船体波浪载荷和船体响应；第七章介绍船舶操作运动方程，主要包括线性运动方程的推导与非线性运动方程的介绍；第八章介绍船舶流体实验，主要包括常规排水型船舶的阻力预报与水翼受力分析。按华中科技大学船舶与海洋工程专业本科生培养计划，设置课程总学时36 学时，各章节课时在综合考虑各章节教学任务量与学生学习接受程度的基础上进行分配。

表4 “船舶流体力学”课程大纲初步架构

4 结语

本文首先对国内“船舶流体力学”教材的主要内容进行了分析，发现现有教材侧重从流体力学知识的内在逻辑出发，和本专业流体力学工程问题的联系有待进一步加强。接着，从行业工程需求出发，提出了“船舶流体力学”教材在编写中需解决的核心问题。在此基础上，对“船舶流体力学”与“流体力学”“船舶原理”“计算流体力学”等课程间的关系给出了初步的思考，并对“船舶流体力学”教材大纲提出了新的构想。本文的工作明确了“船舶流体力学”在专业教学中的定位，为出版一本反映船舶与海洋工程发展、满足船舶与海洋工程专业需求的“船舶流体力学”教材打下了良好的基础。