海洋资源开发技术专业工程力学教学改革探索

谢武德 梁振林 姜昭阳

摘  要：开发海洋生物资源，建设海洋牧场不仅能够促进我国海洋经济的发展，而且能够为我国粮食安全提供保障。为了培养海洋资源开发技术领域的高技术人才，需要夯实基础理论知识。工程力学是海洋资源开发技术专业的基础理论课程，将传统的工程力学教学内容与新兴的海洋牧场建设相结合，在课程中注入新工科的发展理念，以深远海养殖网箱为教学背景，将理论计算与数值仿真相结合，以期通过多项教学内容和教学方法的改革，全面提升课程的授课水平，扩充学生的知识储备，进一步培养学生的创新能力和研究性思维。

关键词：海洋资源开发技术；工程力学；教学改革；海洋牧场

中图分类号：G642.0    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）05-0176-04

一、课程改革背景

我国海域辽阔，总面积超400万平方公里，“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”已经成为我国海洋发展的重要战略方向。开发海洋资源，发展海洋经济是建设海洋强国的重要举措。海洋资源主要包括空间资源、物质资源和海洋能源等［1］。空间资源主要有水面、水体和海底等空间。物质资源主要涉及生物资源、油气资源、矿产资源等，开发海洋物质资源能够为人类的生存和发展提供物质支持和能源支持。海洋能源主要包括海洋风能、波浪能、海流能、光伏能、温差能和盐差能等，这些可再生清洁能源能够为人类的发展和进步提供支持，并且更有益于环境的改善，是实现“碳达峰”“碳中和”的重要途径［2］。

为进一步增强我国海洋资源的开发能力，培育该领域的高技术人才，教育部于2011年增设了海洋资源开发技术专业，该专业归属于海洋工程类，属于国家战略性新兴产业相关专业。近十几年来，国内多所高校开设了该专业，对本科生进行了教学和培养，比如大连理工大学、河海大学、中国海洋大学、南京师范大学、天津科技大学、江苏海洋大学和山东大学（威海）等［1］。这些高校根据自身传统优势开设海洋资源开发技术专业，故而他们的侧重点有所不同。有些学校侧重海洋生物资源的开发和利用，有些学校侧重海洋矿产资源、海洋空间资源的开发。山东大学（威海）海洋学院开设的海洋资源开发技术专业主要面向海洋生物资源的开发和利用，面向我国海洋牧场的建设，为我国“蓝色粮仓”的建设培育人才［2-5］。

海洋牧场一般是指在特定的海域，有计划地培育和管理渔业资源而设置的人工渔场［2］。2018年6月，习近平总书记在山东考察时就指出：“海洋牧场是发展趋势，山东可以搞试点。”在我国的“十四五”规划和2035年远景目标纲要中也明确表示：“优化近海养殖布局，建设海洋牧场，发展可持续远洋渔业。”为了加快我国海洋牧场的建设，截至2021年底，农业农村部已经在我国设立了153个国家级海洋牧场示范区域，分布在渤海、黃海、东海和南海四大海域。在海洋牧场的建设过程中，往往会遇到一些新问题，比如海洋牧场区域的规划和管理问题、海洋牧场生物生长繁殖问题、深远海养殖网箱的安全问题、养殖网箱的监控、管理及供能问题、海洋牧场的生态环境效应等等［6-7］。这些问题亟须解决，以保障海洋牧场的健康发展。

二、课程建设现状

为了培养海洋牧场建设领域的高技术人才，需夯实基础理论知识，山东大学（威海）海洋学院海洋资源开发技术专业设置了工程力学这门专业基础理论课程。该课程涵盖了理论力学的静力学部分和材料力学的全部内容，主要包括：力与力系、力偶与力偶系、力系的简化、杆件的轴向拉伸与压缩、圆轴的扭转等基础理论知识［8］，旨在培养学生的力学思维、工程计算能力和工程结构设计能力等。

工程力学的教学内容概念多、公式多，侧重于基础理论。学生在学习的过程中对一些基础概念难以理解，难以将基础理论与专业领域的应用相结合。为了改善课程教学内容，提升课程教学水平，本研究提出了多项教学改革措施，以进一步加深学生对工程力学基础理论知识的理解，提高学生对专业领域的认识。

三、课程改革措施

（一）注入新工科的发展理念

科技创新是提高综合国力的重要途径。为了培养具有更高创新创业能力和跨界整合能力的高技术人才，我国教育部于2017年2月在复旦大学召开了综合性高校会议，发布了“新工科”的建设共识。同年4月和6月，教育部进一步发布了新工科建设行动计划和《新工科研究与实践项目指南》。一系列方案的出台，旨在加快推进我国新工科的建设，进一步增强我国在新一轮科技革命和产业变革中的竞争力，提升我国的综合国力［9］。开发海洋生物资源，建设“蓝色粮仓”能够弥补我国内陆耕地的不足，为我国粮食安全提供可靠的保障。建设海洋牧场是开发海洋生物资源的主要途径之一。海洋牧场涉及多个学科的交叉融合，十分复杂，主要有生物学、化学、流体力学、结构力学和环境工程等。

在海洋牧场的建设过程中也常常应用到新工科的研究成果，比如海洋牧场结构物（人工鱼礁、养殖网箱等）的智能制造，海洋牧场区域监控和管理的人工智能系统，海洋牧场水产品快速高效运输的互联网和物联网技术等。工程力学是一门基础理论课程，可以在授课的过程中，不断注入新工科的发展理念，引入新工科新技术的应用实施案例，比如5G通信技术在深远海牧场实时监控中的应用，海上风机、波浪发电机对深远海牧场的供能等。在工程力学中注入新工科的发展理念，能够拓展课程的授课范围，培养学生的创新能力和跨界整合能力。

（二）以深远海养殖网箱为背景

深远海养殖网箱是建设深远海牧场的主要装备，至今，国内外已经建造了多个深远海养殖网箱，比如Ocean Farm 1号半潜式养殖网箱、Jostein Albert号船型养殖网箱、深蓝1号全潜式养殖网箱、长鲸1号座底式养殖网箱和德海1号船型桁架式养殖网箱等［7，10］。在授课的过程中，可以详细介绍不同类型养殖网箱的主要特性。比如Ocean Farm1号养殖网箱是全球首座深远海钢结构半潜式养殖网箱，其为圆桶形，直径达到110 m，高度达到69 m，一次可养殖150万尾三文鱼。该网箱采用潜浮式设计，当台风、风暴潮等恶劣天气来临时，可以往网箱底部的浮箱内注入海水，增加网箱的整体重量，使其沉入海底，规避台风、风暴潮等恶劣天气。

这些养殖网箱各有特色，都是设计师和工程师智慧的结晶。以深远海养殖网箱为背景，引入工程力学的基础理论知识，可使学生明白学习工程力学可用于深远海养殖网箱的设计和制造，提高其学习兴趣。

1. 静力学平衡问题

在静力学平衡问题的授课中，可以选取某个深远海养殖网箱为例，分析其受到的流场载荷、系泊载荷、重力和浮力等，建立网箱静态平衡的三维方程。在此基础上，改变网箱的空间结构，探讨不同结构形式的平衡状态，进而优化网箱的结构设计。引领学生积极探索，积极思考，初步设计自己的深远海养殖网箱，培养学生的创新能力和设计能力。

2. 材料力学问题

对于杆件的轴向拉伸与压缩、圆轴的扭转、梁的弯曲与弯曲应力等材料力学问题，都可以从养殖网箱上选取对应构件进行授课。首先，介绍养殖网箱上对应构件所处的位置及其主要作用，比如锚泊绳索主要承受拉力，发生轴向拉伸变形；在海流的作用下，网箱框架钢结构主要承受横向载荷，发生弯曲变形。随后引入工程力学的理论知识，采用理论知识计算构件内部的应力，对构件的强度进行校核。如果强度不够，则对构件进行重新设计，比如锚泊绳索承受的拉力过大时，将会发生断裂，为了确保绳索的安全，应增加锚泊绳索的许用应力或者横截面面积，即采用高强度的锚泊绳索或者更粗的锚泊绳索。将工程力学的基础理论知识与深远海养殖网箱的设计相结合，理论联系实际，不仅能够加深学生对理论知识的理解，还能够提升学生的应用能力。

（三）与编程软件相结合

工程力学中的理论公式较多，计算量较大，一般需要采用计算器进行求解，可以在授课的过程中引入Matlab编程软件。Matlab软件是由美国MathWorks公司研发的一种高级计算机语言，具备良好的交互界面，可用于算法开发、数据可视化和数值计算等多个领域。利用Matlab软件，可以对构件的受力和变形进行编程计算，比如在计算梁弯曲所产生的弯矩时，有一道题学生难以理解。如图1a所示，工字形钢梁承受横向均布载荷q，已知梁横截面中性轴的惯性矩为Iz=1184cm4，材料的许用应力为［σ］=170MPa，梁长6m，支座B的位置可以左右调节，试求：最大许可载荷q及支座B的位置［8］。学生难以理解，为什么当梁中的最大负弯矩和最大正弯矩数值相等时，梁上的弯矩最小，梁能承受最大的外力。为了解答学生的困惑，可以采用Matlab软件编写程序，绘制梁横截面上的弯矩与支座B位置相关的图形，如图1b所示。从图中可以得知，随着支座B向左移动，BC段的弯矩M一直为负值，其绝对值逐渐增大，而AB段的弯矩M先为正直，后逐渐转变为负值，其绝对值的最大值先减小，后增大。因而，可以得知，当梁BC段的最大负弯矩与AB段的最大正弯矩相等时，梁上的弯矩最小，梁能够承受最大的外力载荷。

将工程力学的教学内容与编程软件相结合，可以更加快速地获得计算结果，还能够在程序中改变某些因素，比如构件的几何尺寸，外力的大小、作用点和作用方向，约束的种类和位置等，进一步分析构件的变形和内部应力的变化。

（四）与数值分析软件相结合

在工程力学中校核梁弯曲的刚度和强度时，一般只计算危险截面上的最大变形和最大应力，对于整个梁的变形和内部应力的分析较少。为了更全面地展示梁的变形和应力变化，可以利用数值分析软件，比如Ansys和Abaqus等。Ansys和Abaqus为大型有限元数值分析软件，在机械制造、航空航天、桥梁设计、船舶设计、房屋建造等领域应用十分广泛。

1. 梁变形和应力的有限元数值模拟

利用Ansys或者Abaqus数值分析软件，建立梁的有限元模型，在梁上施加载荷和约束条件，计算梁的弯曲变形和应力，并将计算結果与理论结果进行对比。在此基础上，进一步分析梁的变形和内部应力在不同截面上的变化规律。采用数值分析软件，还可以更加详细地分析复杂载荷作用下构件内部的变形和应力，比如偏心拉伸和横向载荷共同作用下杆件的变形和应力，拉伸、弯曲和扭转组合作用下杆件的变形和应力等。

2. 超静定问题的有限元数值模拟

在分析超静定问题时，通常假定构件的变形为小变形，进而确定变形协调条件，即相连构件之间变形的几何关系。联合变形协调条件、力的平衡方程和材料物理方程，可求解构件受到的约束力、内力、应力、位移和变形等未知量。但是大变形问题一般难以采用理论方法进行求解。为了提升课程的内涵，可以采用Ansys软件建立某个超静定问题的有限元模型，如图2所示。该结构由OA、OB和OC三根杆件相连，杆端点A、B和C处于铰接状态，在O点施加竖直向下的力F。当力F较小时，从图2（a）中可以得知，杆件的变形较小，满足小变形条件。然而，当力F较大时，图2（b）显示杆件的变形较大，不再满足小变形条件。如果采用理论方法进行求解，将会产生较大的误差，可以选用有限元方法进行非线性迭代计算求解。

引入Ansys和Abaqus等数值仿真软件，能够更全面、更详细地阐述构件的变形和内部应力的变化，也能够进一步分析不同因素对构件变形和内部应力的影响规律。将理论计算与数值仿真软件相结合，能够提升课堂的授课效果，也能够引导学生去学习这些先进的软件，进一步增加他们的技能。

四、结语

工程力学是海洋资源开发技术专业的基础理论课程，将传统的工程力学教学内容与新兴的海洋牧场建设相结合，注入新工科的发展理念，以深远海养殖网箱为背景，详细阐述基础理论知识的原理和应用，利用Matlab、Ansys和Abaqus等软件进一步推广基础理论知识的应用范畴，培养学生的研究性思维，增强学生的探索能力和创新能力。在后期的教学过程中，工程力学还需不断关注海洋牧场建设领域的新动态和新方向，不断更新课程的教学体系和教学内容，进一步提高教学质量。

参考文献：

［1］ 陈君. 建设海洋强国背景下海洋资源开发技术本科专业设置思考［J］. 教育现代化，2020，7（01）：95-97.

［2］ 杨红生，丁德文. 海洋牧场3.0：历程、现状与展望［J］. 中国科学院院刊，2022，37（06）：832-839.

［3］ Jiang Z，Liang Z，Zhu L，et al. Effect of hole diameter of rotary-shaped artificial reef on flow field［J］. Ocean Engineering，2020（01）：106917.1-106917.7.

［4］ 姜昭阳，郭战胜，朱立新，等. 人工鱼礁结构设计原理与研究进展［J］. 水产学报，2019，43（09）：1881-1889.

［5］ 梁振林，郭战胜，姜昭阳，等. “鱼类全生活史”型海洋牧场构建理念与技术［J］. 水产学报， 2020，44（07）：1211-1222.

［6］ Chu Y I，Wang C M，Park J C，et al. Review of cage and containment tank designs for offshore fish farming［J］. Aquaculture，2020（30）：734928.

［7］ Guo Y C，Mohapatra S C，Guedes Soares C. Review of developments in porous membranes and net-type structures for breakwaters and fish cages［J］. Ocean Engineering，2020（15）：107027.

［8］ 唐静静，范钦珊. 工程力学（静力学和材料力学）［M］. 北京：高等教育出版社，2017.

［9］ 钟登华. 新工科建设的内涵与行动［J］. 高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

［10］ 黄小华，庞国良，袁太平，等. 我国深远海网箱养殖工程与装备技术研究综述［J］. 渔业科学进展，2022（43）：1-12.

（责任编辑：淳洁）