新工科背景下《船舶建造理论与工艺》多种教学策略探索

□苏绍娟 于鹏垚 赵 勇

一、引言

《船舶建造理论与工艺》课程是大连海事大学船舶与海洋工程专业必修主干课程，讲述船舶建造工艺的相关理论与方法，主要包括船体工艺、舾装工艺和涂装工艺。通过该课程的学习，学生能够掌握船舶建造的基本理论、建造流程、工艺方法、工艺装备；了解国内外造船发展趋势及先进的造船工艺，使学生初步具备从事船舶建造及解决生产实际问题的能力。客观上来说，船舶建造理论与工艺是一门实践性非常强的课程，涉及到船厂生产的各个部门，如果仅仅依靠课本来讲述的话，教师很难描述出船厂生产实际情况，学生也难以明白，有一种“纸上谈兵”的感觉，不免让学生感觉枯燥乏味，这也是该课程教学存在的难点所在。

新工科专业除了指新兴产业的专业，如与大数据、人工智能、虚拟现实、智能科学与技术等相关的专业还包括将智能技术用于传统工科专业升级改造的专业。与传统工科人才培养相比，新工科专业培养的是实践能力强、创新能力强，同时具有国际竞争力的高素质复合型人才。船舶与海洋工程专业是行业特色很鲜明的传统专业，同时又融合了机械、力学、材料、智能、控制等多个学科[1]，属于新工科建设范畴。《船舶建造理论与工艺》课程如果仅仅讲述传统的制造方法，显然不符合新工科人才的培养要求，因此本文在分析船舶建造工艺课程教学现状的基础上，针对存在的不足，在新工科背景下，整合教学资源，通过多媒体课件、立体分段结构实体、三维船体虚拟仿真结构模型、利用虚拟仿真技术模拟建造流程等多种教学手段，采用雨课堂教学工具，使学生从立体角度掌握船舶建造理论与工艺流程，为虚拟造船打下良好的基础[2]。

二、课程内容概述

船体建造工艺流程是指船体构件加工，船体部件、分段、总段装焊工艺，船台(船坞)总装，直至完成整个船体的工艺过程。主要包括船体放样、钢材预处理、号料与下料、构件边缘加工、构件成形加工、部件装焊、分段装焊、大型分段及总段组装、船台总装、船舶舾装、船舶涂装、船舶焊接、密性试验和船舶下水等，其造船工艺流程如图1所示[3]。

图1 造船工艺流程

可见现代造船模式并非一个简单的串联过程，而是一个不断往复的复杂过程。随着制造技术和管理技术不断进步、船体分道建造技术、区域舾装技术和区域涂装技术不断完善，造船生产达到了船体建造、舾装和涂装三种不同类型的作业在空间和时间上相互协调和有机结合，形成了壳、舾、涂一体化的按“区域/类型/阶段”组织生产的造船模式。

三、发挥多媒体教学的优越性

多媒体教学系统根据设计者的思路想法，从整体上对课程内容进行分类，把文字、突破、视频、动画等多种素材在时间上和空间上进行集成，从而极大地丰富了教学内容，提高了学习的兴趣和求知的欲望，变被动学习为主动学习，发挥课程教学学生主体的作用[4]。

《船舶建造理论与工艺》课程涉及面很广且内容丰富凌乱，钢质船舶的船体由成千上万个零部件经过成形加工、装配、焊接而成，让没有任何建造经验的学生单纯从书本上理论上短时间内掌握种类繁多、内容复杂的船舶建造理论与方法是有一定难度的[5]。因此，需要借助多媒体和网络技术，以图片、动画、视频等多种资源相结合的方式在课堂上充分展示复杂全面的船体构件和生产加工流程，让学生从视觉、听觉、立体等多方面增强对船舶建造理论与方法的认识，使原本复杂抽象的知识瞬间变得简单明了、通俗易懂。同时也活跃了课堂的气氛，提高了学生的兴趣。

有些工艺到现场看到就会理解，但是如果单纯理论讲解，不但学生感到抽象难以理解，教师表述也不太容易，但是通过图片视频就能一目了然，比如在船体钢料加工阶段实现机械化自动化，采用的是流水线作业形式，包括钢材的送进、矫平、预热、抛丸除锈、喷漆、烘干、送出过程，如图2所示，如果教师仅凭一般性的讲解，不会给学生留下任何印象，学生也不会理解，但是通过视频资料，一下子就能吸引学生的注意力，达到非常好的教学效果。同样由于篇幅和学时的限制，在教材和课堂上很少描述船舶建造的工艺准备，学生也没有见过，所以建造的理论讲解总会是空中楼阁、纸上谈兵的感觉，通过在网上搜索大量的图片，如图3所示，可以很好地增强学生的感官认识，从而对造船理论和方法有更深入的理解，使课堂不再枯燥无味。

图2 钢材预处理流水线

(a)数控肋骨冷弯机 (b)三辊卷板机

四、结合立体结构实体模型

船舶建造工艺对学生的立体感要求很高，在讲述分段建造时，仅从理论出发或者结合二维结构图学生很难想象其装配顺序[6]，针对此问题，教师整合现有资源，结合学校现有的立体分段实体，如图4所示，对船体结构进行剖析，使学生从立体角度加深对船体结构形式的理解，进而让学生掌握建造工艺流程，为虚拟造船打下良好的基础。

(a)舱壁结构 (b)球鼻艏结构图4 船体结构模型

五、船舶制造流程虚拟仿真教学策略

船体分段装配虚拟仿真是一项综合性的训练，是学生在学习完成相关专业知识后进行的。依托仿真技术、多媒体技术、人机交互、数据库和网络技术，构建仿真环境及实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的效果。

(一)虚拟仿真的目的及方法。虚拟仿真的目的是坚持虚实结合、相互补充的原则，体现“新工科”理念，以培养学生解决复杂工程问题能力为导向，着重提升学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。

1.模拟现场教学+讨论法。指导教师以仿真实验装置为对象，现场指导和讲解，要求学生参考结构工艺图纸，对装配方法、装备设备、装配焊接顺序等内容进行讨论；并现场给出几种不同的装配流程，同学讨论其装配流程的优缺点，从而确立正确的装配顺序。

2.教学法+互动法。学生按照典型分段的生产流程完成各个阶段装配顺序，进而从整体上把握工艺流程。同学也可以形成小组与其他同学研讨确定最优的装配方案，实现“生生互动”；教师现场指导，实现“师生互动”；学生通过工艺仿真操作练习，掌握船体分段装配焊接的顺序和方法。

图5 船底分段装配仿真流程图

(二)仿真流程。首先学生通过用户名和密码登录系统；仿真开始前可对工艺流程进行选择编辑；操作过程中对于施工过程中各知识点附有解析与知识拓展说明性提示，帮助学生自学；资料库功能，项目实施过程中所涉及到的工艺图纸、施工方案其它文件资料；学生根据所学装配理论在可视化环境下完成典型分段装配流程。以船底结构装配为例完成的实验流程如图5所示。

总之通过虚拟仿真实验，结合理论教学，学生能够掌握船体典型分段：船底、舷侧、甲板、舱壁等分段的装配流程[7]。把理论课中难以用语言表达的难点、重点表示出来，使学生通过该虚拟仿真掌握船体典型分段的制造过程，从而能加深了解，增强学生的动手能力，也能提高学生的创造性思维。

六、结语

综上所述，在新工科人才培养大背景下，《船舶建造理论与工艺》教学手段和教学方式不应仅限于传统的教学方式，应该与三维建模、智能制造、虚拟现实等新兴技术结合，既要充分利用多媒体课件、网络资源，还应与虚拟仿真制造相结合，通过船体分段装配流程仿真，对船厂装配车间情景再现，任课教师通过教材、动画模拟、实物模型、船厂实习等方式将理论知识传授给学生，学生以小组讨论的方式确定船体装配方案，实现“生生互动”；教师现场指导，实现“师生互动”。通过互动教学，学生不但能够掌握船体典型分段的装配流程，培养解决复杂工程的能力，同时也培养了学生团队合作意识。