船舶與海洋工程國家級實驗教學示范中心實驗教學方法的改革與創(chuàng)新

孫 聰， 郭春雨， 馮 峰

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院船舶與海洋工程國家級實驗教學示范中心， 哈爾濱 150001)

0 引 言

實驗教學在高校創(chuàng)新性人才培養(yǎng)中有著舉足輕重的地位[1-3]。教育部《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》指出，應(yīng)“創(chuàng)新教育教學方法，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學”[4]。為了提高教學質(zhì)量，在進行教學內(nèi)容和教學體系改革的同時，探索行之有效的實驗教學方法也是必不可少的[5-8]。

船舶與海洋工程實驗教學中心2009年被評為國家級實驗教學示范中心。中心地處哈爾濱，遠離船廠以及船舶設(shè)計單位，實習效果差；實驗室大型設(shè)備與特種設(shè)備多，開展多班次大批量的本科實驗教學極為不便；實驗室科研項目多，科研任務(wù)重，科學研究與實驗教學之間的關(guān)系難以平衡。因此，開展實驗教學方法的改革與創(chuàng)新，已成為中心發(fā)展的必然選擇。自成立以來，中心不斷嘗試實驗教學新手段與新方法，經(jīng)過多年的研究與探索，初步建立了較完善的實驗教學體系，在實驗教學方法的改革與創(chuàng)新上取得了顯著的成效。

1 指導(dǎo)思想

中心按照“以通識教育為起點，以科學素質(zhì)的培養(yǎng)為實驗教學的主體內(nèi)容，建立以學生為主體、以創(chuàng)新精神培養(yǎng)為核心”的實驗教學模式，形成以自主式、合作式、研究式為主的學習方式；運用現(xiàn)代技術(shù)及先進的實驗教學手段，提高教學效果；重視教學與科研相結(jié)合，有效地將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容；在教學中因材施教，鼓勵個性化發(fā)展，有利于拔尖學生脫穎而出；充分調(diào)動學生學習的主動性和積極性，把研究型教學的思想貫穿實驗教學的始終。實驗技術(shù)、教學方法和教學手段的改革都以此為指導(dǎo)而開展。

2 實驗教學方法改革與創(chuàng)新

2.1 注重專業(yè)引導(dǎo)，拓展專業(yè)興趣激發(fā)平臺

我校有著悠久的歷史，豐富的底蘊。中心通過組織學生參觀“陳賡大將生平事跡展” “校史展廳”“大學生文化素質(zhì)教育基地的愛國主義教育(海權(quán)、海上戰(zhàn)爭史)”“軍工紀念館”等激發(fā)學生的愛國主義以及對學校的熱愛。

中心具有船舶和海洋工程專業(yè)特點，中心通過組織學生參觀“十大名船展”“數(shù)字船舶博物館”等，激發(fā)學生對船舶與海洋專業(yè)的熱愛。

為了解決中心地處內(nèi)陸，遠離造船基地的實際難題，中心與國內(nèi)外主要造船企業(yè)建立了人才培養(yǎng)及本科生參觀實習協(xié)議，目前已經(jīng)在大連船舶重工集團、滬東中華造船、上海外高橋造船有限公司、旅順海軍基地等建立24家實習實踐培訓參觀基地，為學生到船廠、艦隊的實習提供了條件保障(見圖1)。

圖1 船廠實習

2.2 自主開發(fā)實驗教學裝置

船舶與海洋工程科技水平的發(fā)展，對實驗技術(shù)提出更高要求，中心致力于實驗技術(shù)和實驗方法的研究，開發(fā)新的實驗教學設(shè)備與教學系統(tǒng)[9-10]。船模拖曳水池教師總結(jié)多年實驗教學經(jīng)驗，自行研制了“纜拖式船模阻力試驗方法研究”。該方法不依賴于大型水池拖車的船模阻力實驗方法，可使這一傳統(tǒng)實驗大為簡化，同時該實驗方法的研制也增加了船模拖曳水池在船模阻力實驗方法選擇上的多樣性(見圖2)。

圖2 自研實驗教學裝置

中心教師借助于多種手段開發(fā)試驗結(jié)果顯示系統(tǒng)，不僅更形象直觀的顯示了實驗結(jié)果，更加深了學生對理論的理解。如中心在試驗前通過ANSYS軟件仿真方法給出結(jié)構(gòu)整體的變形和應(yīng)力云圖，試驗后讓學生自行分析仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的差異及原因等；循環(huán)水槽在開展螺旋槳尾流場試驗時，通過添加染料的方法顯示螺旋槳周圍流場，收到較好的效果(見圖3)。

圖3 螺旋槳尾流場效果

船模拖曳水池自行研制的直葉推進器水動力試驗平臺，利用伺服電機分別驅(qū)動葉片，程序閉環(huán)控制，實現(xiàn)變攻角的擺線運動。此項機構(gòu)獲國家發(fā)明專利。有2名學生利用直葉推進器水動力試驗平臺分別完成了各自的研究題目。另有1名學生利用此工作原理設(shè)計制作了連桿控制機構(gòu)的水輪機，在“五四杯競賽”中獲校二等獎。

2.3 采用現(xiàn)代化技術(shù)，開展網(wǎng)絡(luò)教學

船舶與海洋工程實驗教學中心注重現(xiàn)代化教學技術(shù)在實驗教學中的應(yīng)用[11-12]，建設(shè)遠程教學教室、視景仿真系統(tǒng)等現(xiàn)代化教學設(shè)施(見圖4)。

利用教育部批復(fù)的“111創(chuàng)新引智基地”，中心建設(shè)了遠程教學教室，美國休斯敦“能源谷”和遠程教學教室德州農(nóng)工大學的專家可以通過網(wǎng)絡(luò)給學生上課，指導(dǎo)學生進行課題設(shè)計等。

圖4 遠程網(wǎng)絡(luò)教室

數(shù)字化造船實驗室教師經(jīng)過多年研究，將虛擬仿真技術(shù)引入實驗教學，自主開發(fā)了虛擬船廠仿真實驗系統(tǒng)[13](見圖5)，將船廠映射到計算機中，沒有空間和時間的限制，可以任意到達復(fù)雜、危險的生產(chǎn)環(huán)境中進行參觀和學習，解決了日常教學中缺少整體感官體驗、船廠現(xiàn)場教學環(huán)境復(fù)雜危險、費用大成效低等問題，同時可大大提高學生的學習興趣。

圖5 虛擬船廠系統(tǒng)

2.4 發(fā)揮科研優(yōu)勢，科研成果反哺實驗教學

近5年，中心承擔包括國家自然科學基金、國家“863”、國家“973”、工信部高技術(shù)船舶、國防預(yù)研等國家重大課題及相關(guān)實驗200余項，科研經(jīng)費達2億余元。在課堂教學中，中心教師注重將最新、最前沿的科研成果引入課堂，使得承擔科研項目的教授能將科研的最新動向和發(fā)展引入到課堂教學中，同時也使學生增強對所學知識實際應(yīng)用的理解。如基于“水兵模擬訓練系統(tǒng)研制”科研項目的艦船操控模擬系統(tǒng)，可以開展水動力環(huán)境下船舶運動數(shù)學模型研究，對船舶操縱性能、船載設(shè)備性能等進行驗證與分析，被應(yīng)用于船舶與海洋工程虛擬仿真技術(shù)、船舶操縱與耐波性等課程，對學生了解船舶流體性能有很大幫助(見圖6)。

圖6 艦船操控模擬系統(tǒng)

中心教師充分發(fā)揮科研優(yōu)勢，開展研究型實驗教學，充分調(diào)動學生的積極性，引導(dǎo)學生由被動接受走向主動學習，把研究型教學的思想貫穿各級實驗教學的始終。例如中心在“基于MR的抗沖擊隔離器研究”項目科研完成后，對原科研實驗臺稍加更改就變成了既完成沖擊實驗又可開展振動實驗的綜合實驗平臺，向本科生開放。這一措施就是將單臺套大型設(shè)備以多個科研實驗為載體轉(zhuǎn)換成為本科教學服務(wù)(見圖7)。

圖7 平臺加載系統(tǒng)

3 建設(shè)成效

中心通過不斷總結(jié)教學方法與各類實驗教學設(shè)備特點，自行研制了波流水槽、靜力學水槽、三自由度適航儀、四自由度適航儀、重量重心調(diào)配器、天平標定架、船型檢測平臺、螺旋槳幾何尺度檢測儀、直葉推進器水動力試驗平臺、水輪機水動力試驗平臺、基于MR減振抗沖基座樣機、大尺度船模遙控遙測試驗平臺等各類實驗教學儀器設(shè)備，拓展實驗教學方法，提高實驗教學效率。

中心教師將先進科研成果與教學手段引入實驗教學[14]，近年來，依托科研項目逐步研發(fā)了虛擬船廠仿真系統(tǒng)、艦船操控模擬系統(tǒng)、流體力學實驗仿真系統(tǒng)、艦船艙室環(huán)境模擬系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗仿真系統(tǒng)、半潛平臺動力定位仿真系統(tǒng)等一系列虛擬仿真教學系統(tǒng)，豐富實驗教學內(nèi)容，提高學生學習興趣。2016年，中心被評為國家級虛擬仿真實驗教學中心。

中心教師注重研究型實驗教學[15]，引導(dǎo)學生參與科研實驗項目，并將科研成果轉(zhuǎn)化為學生科技創(chuàng)新作品，近5年，學生通過參與科研實驗項目獲科技創(chuàng)新國家級獎項110余項(見圖8)。

圖8 本科生參與中心的科研項目

4 結(jié) 語

實驗教學方法必須與時俱進，不斷創(chuàng)新，才能有效激發(fā)學生學習的積極性，提升教學效果，提高教學質(zhì)量。船舶與海洋工程國家級實驗教學示范中心將繼續(xù)圍繞學校“培養(yǎng)具有堅定信念與創(chuàng)新精神，視野寬、基礎(chǔ)厚、能力強、素質(zhì)優(yōu)的可靠有用之才”的培養(yǎng)目標[16]，依托船舶與海洋工程優(yōu)勢學科，不斷探索與創(chuàng)新，開辟新的實驗教學方法與教學手段，為我國國防工業(yè)、船舶工業(yè)和海洋開發(fā)等領(lǐng)域培養(yǎng)優(yōu)秀拔尖的創(chuàng)新型可靠頂用人才。

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