《艦船結構力學》課程實驗教學的改革與實踐

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(海軍工程大學 船舶與海洋工程系，武漢 430033)

1 課程歷史沿革和實驗教學現狀

“艦船結構力學”課程是我校艦船與海洋工程專業的一門必修課，是重要的學科基礎核心課程，始建于1951年。海軍工程大學前身大連海軍學校第二分校在造船系教育計劃中設置了《艦船結構力學》課程，并在造船系組建了《艦船結構力學》學科組，聘請蘇聯專家來校指導這門課程的教學。學科組和專家首先研究確定在《艦船結構力學》這門大課程下設置《桿與桿系的彎曲》、《板的彎曲和結構穩定性》、《水面艦船結構力學》、《潛艇結構力學》、《艦船振動》五門課。其中《桿與桿系的彎曲》、《板的彎曲和結構穩定性》就是本課程的前身[1-3]。

海軍工程大學是國內最早開設船舶結構力學課程的學校。為支援兄弟高校講授《船舶結構力學》課程，分別向他們輸送了師資，或為他們培訓了師資。經過幾代教員幾十年的建設與改革，使課程獲得了不斷的發展與完善，積累了豐富的資料和寶貴的經驗，已形成為一門海軍特色十分鮮明的課程， 1991年該課程被評為海軍院校首批優秀合格課程。

隨著培養計劃調整和教學改革的進展，課程由90學時(1992年以前)逐漸減少到70學時(2000年以后)，課程標準和教學計劃作了相應調整，課程教學實驗課時壓縮到僅2學時。此外，由于實驗室搬遷、課程實驗設備和模型老化，1996年以后停開了學生自主教學實驗，僅保留了一個教學演示實驗。

2 課程實驗教學改革與教學實驗設計

在力學理論的發展中，力學實驗是檢驗理論正確性的最重要的手段，結構力學實驗曾為結構力學理論的驗證和發展作出了重要貢獻[4]。對于新型或復雜結構形式、采用新材料的結構以及復雜工作條件下的力學問題，理論分析和數值計算所引入的假設和簡化的合理性需要用實驗的結果進行校核和驗證[5〗。因此，學校和系領導以軍隊院校本科教學評價為契機，加強實驗教學，利用“2110”工程建設資助，建造了100 t靜/動液壓加載結構試驗平臺，安裝了10 t電伺服萬能材料試驗機，為加強和改革本課程實驗教學打下了基礎。

為滿足軍隊院校本科教學評價要求，適應大學訓練任務轉型及培養高素質新型軍事人才需要，課程組開展了《艦船結構力學》課程建設和改革。在實驗教學方面，首先從學時上加強，將課程教學實驗課時由2學時增加到8學時，并對教學實驗進行了精心設計。

艦船與海洋工程專業是一個知識面廣、系統性與實踐性強的工程應用及研究型的專業，部隊對學員的綜合素質要求高。針對這一特點，課程組確定教學實驗設計原則和理念為：著眼培養目標，立足基礎訓練，體現專業內涵，反映科學規律。既體現學科專業的整體性，又突出專業基礎訓練，在進行專業基本能力培訓、專業實踐訓練基礎上，培養學員的專業思維與專業技術應用能力，以及獨立進行科學研究與實踐的能力。為此，課程組設計了3個有代表性教學實驗。

1)典型船體梁彎曲變形和應力分布規律測量實驗。這是基礎性實驗，實驗目的是使學員了解典型船體梁的彎曲變形和應力分布規律，掌握電測法基本原理，學會應變測量方法和應變片粘貼技術，學會實驗數據處理。圖1為典型船體梁彎曲實驗裝置。

圖1 船體梁彎曲實驗裝置

2)板架彎曲試驗。這是綜合性實驗，學員通過編制艦船板架模型的試驗方案、測試板架的彎曲應力以及結果分析，提高通過試驗解決實際問題的能力和技能，具體達到：①熟悉艦船結構測試過程和主要環節；②熟悉試驗方案的編制、測點的選擇及測試結果分析；③掌握應變測試技術，提高應變片的選擇，貼片、防護、連線和應變儀的使用技能；④驗證板架彎曲理論，鞏固理論知識。圖2為板架彎曲試驗裝置。

圖2 板架彎曲實驗裝置

3)板的筒形彎曲實驗。這是綜合性實驗。矩形薄板彎曲時，一般在板面的兩個相互垂直的方向發生彎曲。但在特定條件下(板的長邊遠大于板的短邊)，矩形板的大部分區域只在一個方向發生彎曲，形成一個筒形面，這種彎曲稱為板的筒形彎曲，此時，板的彎曲問題可簡化為板條梁的彎曲。這是學員在本課程學習中比較難以理解的知識點之一。為使學員理解并掌握板的筒形彎曲問題，課程組設計了板的筒形彎曲實驗，主要目的就是演示板的筒形彎曲現象，驗證有限剛性板的筒形彎曲理論，通過實驗使學員深刻理解板的筒形彎曲的特點，理解力在結構中的傳遞。圖3為板的筒形彎曲實驗裝置示意。

圖3 板的筒形彎曲實驗裝置示意

3 實驗教學實踐與效果

實驗教學在艦船結構力學實驗室進行。為了保證實驗教學效果，真正做到團隊協作、人人參與、個個受益，對不同類型的實驗采取不同的方法。

船體梁彎曲實驗屬基礎性、技能性實驗，采用開放式教學方法。首先由教員集中介紹實驗的目的、原理、操作步驟和注意事項，然后學員2-3人為1組分組進行實驗。教學計劃安排本次實驗的時數為兩學時，為了使學員有較充足的時間掌握實驗方法和應變片粘貼技術，在兩周內每個下午實驗室都對學員開放，學員按組預約進行實驗，實驗教員全程陪同指導解惑。每個小組實驗的加載次序和載荷值都不相同，避免了實驗報告千篇一律和抄襲現象。

板架彎曲實驗屬綜合性實驗，計劃學時為4學時。首先由教員在課堂布置實驗任務；然后學員根據所給板架圖紙，進行理論計算，畫出彎矩圖，作出應力分布規律和危險應力點的分析；根據計算分析結果，編制本組的試驗方案。明確試驗所要達到的目的，測點位置選取及應變片布置的方向，加載方案等。試驗方案確定后，學員在實驗室按要求篩選足夠的應變片，按試驗方案進行貼片，布線。試驗準備工作完成后，按預定加載程序加載并進行應變測量。最后，將測量結果與理論計算結果進行分析比較，誤差分析并撰寫實驗報告。

板的筒形彎曲實驗屬綜合性、驗證性實驗，計劃學時為2學時，涉及的儀器設備較多，需要多人協作。將學員分為6人一組，每人一個崗位，團結協作共同完成實驗。

通過2005～2008級4期學員的教學實踐，實驗教學收到了很好的教學效果。學員們普遍反映，實驗教學使他們提高了學習“艦船結構力學”課程的興趣，在課堂上覺得枯燥、難懂的內容在實驗中變得生動起來，也容易理解了。特別是兩個綜合性實驗，使他們對艦船結構力學的基本理論和研究方法有了更深認識，提高了今后從事專業工作的興趣，鍛煉了實際動手能力，培養了管理能力和協作精神。大學教學督導組專家對課程實驗教學評價為“實驗前講解清晰，實驗目的要求明確，步驟清楚，學員現場實作熱情高、認真。久違的實驗教學，好！”。

[1] 郭日修.《船舶結構力學》在中國開始傳播紀實[J].力學與實踐，2006，28(2)：91-92.

[2] 郭日修.船舶結構力學在中國的傳播和發展[J].力學與實踐，2007，29(5)：88-91.

[3] 郭日修.紀念船舶結構力學學科創建100周年[J].力學與實踐，2009，31(6)：87-90.

[4] 劉禮華,歐珠光，張宏志，等.以基本內容為核心創建結構力學實驗體系[J].理工高教研究，2007，26(1)：116-117.

[5] 倪少玲,宗 智,李海濤,等.重視實驗教學提升學生創新能力[J].船海工程，2011(4)：78-81.