船舶推进课程的“一融四合”教学模式研究

李家盛　杨丹　张正艺　解德

摘  要：针对当今主动学习大势所趋，互联网教学快速发展，传统工业知识缺乏更新，工科人才人文素养急需建设，物理实验教学常常受限的时代特点，结合船舶推进课程内容，探索形成“一融四合”教学模式。在“启发、探究、讨论、参与”教学方法融入传统教学的基础上，实现线上/线下学习相配合，前沿/基础学习相结合，专业/素养学习相融合，虚拟/真实实验相联合。以期为学生提供优质的教学体验。

关键词：船舶推进；海洋战略；教学模式；改革与实践；学习体验

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）26-0098-04

Abstract： In view of the trend of active learning， the rapid development of the internet study， the lack of updating of traditional industrial knowledge， the urgent need for the humanistic quality construction of engineering students， and the difficulty of teaching physics experiments， combined with the content of the course of Ship Propulsion， a "four-in-one" teaching mode has been explored. On the basis of integrating the teaching methods of "inspiration， inquiry， discussion， and participation" into traditional teaching， the combination methods of online/offline learning， frontier/basic knowledge learning， professional/quality learning， and virtual/real experiment study are realized. It can provide students with a high-quality studying experience.

Keywords： ship propulsion; maritime power; teaching mode; reform and experience; learing experience

我国将在21世纪中叶建成社会主义现代化强国。海洋强国则是构建社会主义现代化强国的关键组成部分。船舶与海洋工程领域人才是使我国能实现海洋强国战略目标的关键推动力量。为达成这一宏伟目标，对船舶与海洋工程专業（以下简称“船海专业”）学生的教育与培养是关键。要实现对船海专业学生的培养，上好船海专业基础课程又是重要的一环。在船海专业课程体系中，船舶原理类课程具有奠基地位。船舶推进是船舶原理类课程中实现船舶快速性绕不开的学问，如图1所示。船舶推进课程教学，对于建设社会主义现代化强国意义重大。

教学是一门十分深奥的学问，强调应机施教。这里的“机”是指教学机缘与条件。由于时代的不断更替，教学机缘与条件也发生着深刻变化，以至于旧有的教学模式会逐渐不适应新时代的发展。因此对教学模式进行研究与改革是十分必要的[1]。船舶推进教学模式研究在这一客观需求下应运而生。

本文将依据课题组多年教学经验，结合船舶推进课程学情，提出“一融四合”教学方法，旨在更好地实现船海专业人才的培养。

一  课程学情

船舶的全生命周期技术历程包括船舶设计、建造、营运和拆解。船舶推进课程是从事船舶设计必备的专业知识，也是学习其他船舶专业课程的基础。通过本课程的教学，帮助学生获得包括螺旋桨几何、工作原理、敞水实验、船桨相互作用、空泡和强度等必要的船舶推进基本知识，进而掌握设计船舶推进器的图谱法。船舶推进课程以盛振邦主编、上海交通大学出版社出版的《船舶原理（下册）》[2]为参考教材，课程内容丰富，知识点密集（图2）。课堂教学32学时，实践环节为一周。目前在船舶与海洋工程专业每学年有4个班，约120人，在大三开设本课程。

传统教学方法以教师填鸭式教学呈现，学生参与度低[3]，线下课堂讲授为主，教学方式单一[4]，教学内容传统，缺乏更新[5]，授课时仅注重专业教育，人文元素匮乏[6]，物理实验教学常因经费场地受限，无法开展[7]，以致学生积极性不高。当今时代，主动学习趋势愈发显著，互联网教学大量应用，船舶工业技术飞速发展，工科人才人文素养急需建设，虚拟现实技术已广泛使用，探索船舶推进课程教学规律、进行教学模式的改革是势在必行的。

二  “一融四合”教学模式研究

课题组提出的“一融四合”教学模式如图3所示，下面分别予以介绍。

（一）  “一融”——“启发、探究、讨论、参与”教学方法的融入思路

由于传统教学多为以教师为主、学生被动学习的模式，以至学习效率不高，教育学家与一线教育工作者们，经过多年探寻，总结性地归纳提出了“启发式、探究式、讨论式、参与式”的“四式”教学方法。该方法自提出以来，各高校均在大胆尝试、积极运用，以克服传统教学的弊端和缺陷，不少高校课程也取得了大小不等的教学改良效果。在“四式”教学法中，启发式教学法指教师在教学活动中以设问的方式，逐步引导学生积极主动地掌握知识的教学方法。而探究式教学法，又称“做中学”，意在让学生自行探究，发现并掌握相应知识。讨论式教学法，则旨在构建一种师生积极互动、畅所欲言的氛围，对学生形成批判性思维与协作意识十分有益。参与式教学是通过教师设置教学情景，让学生沉浸于教学活动各环节享受知识获取过程的教学方法。以上四类教学方法均是通过提升学生在教学中不同层面的主体性进而提高其学习获得感的。然而，若教师让学生完全掌控课堂，让渡教学中的把控职能，则存在课堂主题不聚焦、学生风气散漫等风险，学生学习的体验感甚至还不如被动式学习，获得感更低。因而如何引进“四式”教学方法，将“四式”教学法融入船舶推进课堂是十分关键的。

下面介绍课题组在船舶推进课堂中引入“四式”教学法融入传统教师主动式课堂的两个实例。

例1，在绪论中，讲解船舶推进各章节简介后，提出问题，启发学生思考：①“你觉得这些章节之间是什么关联？”；②“你觉得哪个章节或者哪几个章节会更加重要？为什么？”；③“你觉得哪个章节或者哪几个章节会更加困难？为什么？”要求学生进行分组讨论，并推荐代表同学进行汇报。该讨论的教学目的在于锻炼学生掌控全局的意识，学习运用习得知识与思维方式，进行综合思考的能力。

例2，在第三章 螺旋桨基础理论——叶元体理论介绍完基本求解思路，也即让学生初步了解“二维机翼理论求解叶元体升力和阻力；将求得的叶元体升力和阻力换算成其受到的推力和扭矩；对求得的推力和扭矩从叶根到叶梢积分，并累计多个叶片合力”三个步骤后，提出问题，启发学生思考：①“你觉得相比理想推进器理论和理想螺旋桨理论，叶元体理论的优缺点可能在什么地方？为什么？”；②“在叶元体求解的这些步骤中，你觉得哪些步骤可能是求解过程中最大的障碍？ 为什么？”；③“碰到理论上难以越过的障碍时，你们一般如何解决的？”要求学生进行分组讨论，并推荐代表同学进行汇报。该讨论的教学目的是让学生主动比较所学知识并进行思考，培养感知新理论的敏锐触觉，总结与分享遇到困难如何克服的方式方法。

课题组在进行完教学活动后，也对如何更有效运用“四式”教学法进行了总结，研究表明：①引入讨论的问题应难易适中，太难，学生不会，容易产生排斥及畏难情绪；太易，学生容易陷入既定思维，缺乏创造性。②启发时，要由浅入深，循循渐进。③可增加鼓励措施，让学生更好融入讨论。④要鼓励答案的非唯一性，学生的理解即使与老师自己理解不一致，但言之有理即可。⑤教师应合理控制好时间与课堂节奏。

（二）  “四合”——“配合、结合、融合、联合”教学方法的理念提出

1  线上/线下学习相配合

船舶推进课程线下教学是教师与学生处于同一时空中进行的教学活动。优点在于教师容易根据学生学习情况，应机施教，给予学生及时反馈，方便他们理解。比如在讲解螺旋桨工作原理这一教学重难点时，有的班级学生对伯努利方程的推导不熟悉，有的则对推进器简化假设感觉难以理解，此时可根据实际学情，有的放矢，灵活教学。另外，线下教学可更好在黑板上进行公式推导，使得学生印象深刻。比如在讲解螺旋桨敞水试验相似准则时，若没有对量纲分析的一步步推导，学生很难真正理解决定螺旋桨敞水推力、扭矩及效率的影响因素是哪些变量。但是线下教学也有缺点：其一，学生如果走神，则可能出现一连串听不懂现象；其二，不利于学生利用课后时间，反复研习课程知识点，根据自己实际掌握的情况，进行查漏补缺。以上传统教学种种缺点，均由教学时空必须同一的限制导致。

当前，互联网教学平台飞速发展，船舶推进可使用线上教学突破时空限制。教师可在爱课程、慕课、学堂在线与智慧树等线上网络平台将教学大纲、教学视频、课程PPT及相关试题等课程资源进行上传。学生可利用线上资源进行课程预习与复习，在线下教学时，则把注意力集中在線上学习困难之处，课后也可进一步发挥学习主动性，巩固学习到的知识。此外，在录制线上教学视频等过程中，教师也不得不更加凝练教学内容，清晰教学表达，教师的教学水平也得到了提高。因此，线下教学配合线上教学会是更好的教学方式。

2  前沿/基础学习相结合

船舶推进装置的历史与船舶的历史同样悠久。自诞生以来，已经历了从纤绳、篙、桨、橹、帆、明轮到螺旋桨及基于螺旋桨的特种推进器等演变。船舶推进课程主要讲授螺旋桨的初步知识，相对成熟，较少更新，无法适应当前业界的快速发展。课题组凝练当前船舶推进领域的重大进展于教学相关章节，鼓励学生查找资料并形成读书报告。另一方面，课题组也深知教学要循序渐进，不能揠苗助长，对于船舶推进课程传统基础知识的学习在课堂上仍不可松懈，避免学生基础不牢，地动山摇。

课题组要求学生在完成好基础学习后，查找知网（国内）及Scopus（国外）数据库中螺旋桨各前沿问题。例如，讲述螺旋桨基本原理时，布置查询螺旋桨粘流理论相关关键词；讲述螺旋桨空泡时，布置查询空泡成因相关关键词；讲述螺旋桨强度校核时，布置查询复合材料螺旋桨相关关键词等。课题组力求推动船舶推进课程知识的更新，实现前沿与基础学习相结合。

3  专业/素养学习相融合

长期以来，船舶推进课程教学更偏重知识的传授，人文素养教育相对缺失，导致学生人文素养不够。这主要是因为该课程的理论性较强，直接与人文素养结合，会显得生硬和突兀，不便学生接纳。课题组经过学习，共识了人文素养的本质是发展成为完全的人，应不拘泥于固定的形式，只要是正能量的、对学生有益的均可提及。另一方面，若是离开专业知识传授，仅有人文素养教育，则接近人文课程，不能发挥专业教师的专业背景在为国育人上的特殊作用。

课题组在讲述船舶推进专业内容的同时，针对课程内容与学生学情设计了贯穿唯物辩证法、科学素养、工匠精神与家国情怀多位一体的人文素养教育体系。例如，在唯物辩证法方面，讲授螺旋桨纵斜角设计应注重度的把握，不宜过大以至于应力太大，或过小以至于船底板振动太大。在科学素养方面，讲授理想螺旋桨理论各假设时，强调学生们面对科学问题要大胆猜测，小心求证。在工匠精神方面，讲授螺旋桨图谱设计时，注意培养学生们细心、耐心的优秀工作习惯。在家国情怀方面，讲授螺旋桨敞水试验临界雷诺数数值确定时，激励学生们向上海交通大学流体力学研究室前辈学者学习，做有世界影响力的工作。课题组力求将丰富的人文教育元素融入课程学习中，实现专业与素养学习相融合。

4  虚拟/真实实验相联合

通常，船舶推进实验教学应在船模拖曳水池或空泡水筒中开展[8]。然而，由于经费与场地有限，该类实验常常难以在教学中实施。另外，受限于实验测试技术，在真实实验环境下测得的数据，并非能全息显现物理场，特别对于螺旋桨周围流场结构的显示与测量。虚拟仿真技术是一项利用计算机系统模拟真实系统的技术。因不受场地和资金限制且能通过数值模拟全息呈现物理场的特点，该技术被引入众多学科实验教学改革中来。但是，虚拟仿真技术物理场数据的产生，依赖于真实实验测试或数值仿真，而数值仿真离不开物理假设。因此，虚拟仿真技术不可完全替代真实实验技术。采用虚拟仿真实验教学代替部分物理实验，进行虚拟/真实实验相联合的教学方式是更为明智的选择。

课题组在学院现有船模拖曳水池的基础上，开展了船舶螺旋桨虚拟仿真实验项目的建设，如图4所示，该项目及后续项目力求通过数值仿真/现场测试技术得到敞水、空泡、伴流、强度和振动性能预报。

具体包括：①敞水工况中的螺旋桨推力、扭矩及效率随进速系数变化曲线，以及定常压力分布与流场分布全息图；②敞水工况中的螺旋桨空泡产生、演化及对推力、扭矩和效率的影响曲线；③伴流中螺旋桨平均推力、扭矩和效率以及非定常轴承力与脉动压力时空分布全息图；④加载下螺旋桨应力应变分布全息图；⑤螺旋桨空气与水下振动固有频率与振型图。并在虚拟3D环境中显示这五部分结果，以提升课堂教学中螺旋桨基础理论、螺旋桨模型的敞水试验、螺旋桨的空泡现象、螺旋桨的强度校核和螺旋桨激振力等相关章节的教学成效。

三  结束语

综上所述，本文分析了目前船舶推进课程的教学学情，并通过提出的“一融四合”教学法，改革传统的教学模式，以期使学生更好地接受船舶推进理论知识，并将其灵活有效地应用到实际船舶设计和建造中。本教学模式的改革与实践，可使学生更加热爱船舶专业，同时也能增强教师教学的激情。本教学方法也可为其他船舶类课程教学改革提供借鉴。

参考文献：

[1] 李天匀，李维嘉，朱翔，等.研究型大学构建省级实习实训基地的实践研究[J].大学教育，2019（10）：30-33.

[2] 盛振邦.船舶原理（下册）[M].上海：上海交通大学出版社，2019.

[3] 唐海珊，王毅，李文艺，等.融入启发式、探究式、讨论式、参与式教学方法的药用医用材料课堂教学改革的研究与实践[J].广东化工，2017，44（19）：197-198.

[4] 杜家政，杨庆生，叶红玲，等.基于慕课的工程力学翻转课堂教学实践[J].高教学刊，2022，8（2）：84-87.

[5] 王伟，李江昊，吴国庆，等.创新创业基地在高校工程技术人才培养中的作用分析[J].教育教学论坛，2019（52）：35-36.

[6] 蔡云晨，劉雨龙.工科院校学生人文素养问题研究[J].产业与科技论坛，2022，21（3）：246-247.

[7] 孙聪，郭春雨，冯峰，等.船海虚拟仿真国家级实验教学中心建设浅谈[J].实验室研究与探索，2018，37（8）：167-170.

[8] 李广年，李家旺，杜林，等.船模拖曳水池教学实验室测试平台设计[J].实验技术与管理，2020，37（5）：234-237.

基金项目：省级教改项目“船舶与海洋工程专业创新型专业人才的培养机制研究与实践”（2012040）；华中科技大学研究生教学改革研究项目“面向新时代‘海洋强国的船舶与海洋工程专业研究生课程体系建设”（YY202015）；华中科技大学教学研究项目“《船舶静力学》教学内容及方法的改革与实践”（2021077）；华中科技大学船舶与海洋工程学院教学研究项目“船舶螺旋桨敞水和空化虚拟仿真实验”（无编号）

第一作者简介：李家盛（1987-），男，汉族，湖北武汉人，工学博士，讲师。研究方向为船舶与海洋结构物设计制造。