“船舶穩性”定義的預備知識及教學

鄒忠勝 三亞航空旅游職業學院

1.引言

在《海船船員培訓大綱(2016版)》中，明確了穩性的學習要求。對于營運船舶來說，船舶穩性是至關重要的。如果穩性過小，船舶將不能抵御惡劣天氣和較大的風浪而導致沉沒；如果穩性過大，船舶結構和設備受力過大容易損壞，同時船上人員也會感覺不舒服；如果穩性喪失，很小的外力矩就會導致船舶傾覆。因此，對于航海技術的學生來說，掌握船舶穩性是必要而且是重要的。

以三亞航空旅游職業學院的學生為例，他們普遍對“船舶穩性”相關知識的掌握較差，主要表現：定義是船舶穩性的理論基礎，學生對此一知半解，影響后續知識的學習，如大傾角靜穩性、船舶動穩性、船舶吃水差和船舶強度；對初穩性影響的計算未能深刻理解其物理意義，不能靈活應用和解決實際問題。因此，深刻領會其定義是學習“船舶穩性”的關鍵。

教材指出：船舶穩性是指船舶在外力矩作用下偏離其初始平衡位置而傾斜，當外力矩消失后船舶能自行恢復到初始平衡狀態的能力。目前筆者所在學校所用的教材為《船舶結構與貨運》，用于海船船員適任考試培訓，受學制為專科所限，其先修課程沒有安排《船舶原理》作為鋪墊。而教材中關于“船舶穩性”的預備知識較為分散，如船舶結構、船舶重力/重心、船舶浮力/浮心、船舶坐標系、穩心等分散在教材的不同章節，學生不能系統應用相關知識理解“船舶穩性”定義；力矩/力偶的相關內容雖為高中物理知識，但部分學生限于學習基礎，不能很好理解，這些原因導致定義理解起來無從著手。因此，學習“船舶穩性”前，學生系統學習相關的預備知識是很有必要的。

2.預備知識的相關內容

根據船舶穩性形成的物理過程，如圖1，所涉及的知識點，預備知識應包括以下內容。

2.1 船舶結構

通過船舶結構的學習，學生了解船舶主船體由船底結構、舷側結構、甲板結構、艙壁結構和首尾結構等組成。只有以上的知識足夠扎實，才能更好理解圖1中的框形為船底、舷側和甲板結構的橫剖面，不再是抽象的一張圖。

2.2 船用坐標系與船舶尺度

圖1 船舶穩性

我國船用坐標系的原點：中線面、中站面和基平面的交點。X軸、Y軸和Z軸分別為沿船長、船寬和深度的坐標軸。船舶貨運所用的尺度一般為型尺度。應用所學知識，可知圖1中的k為平板龍骨，Y軸表示討論的穩性是船舶的橫穩性。

2.3 重力與重心

船舶是非均質的。重力G由船舶本身的重量和船上重物的總和，即船舶排水量Δ=空船排水量+凈載重量（貨重）+航次儲備量+船舶常數。重心則是合力的作用點。

如果沒有提到重物移動，都是假定在船舶橫傾時，重心是不變的。如圖1中的G是表示重心所在的高度，KG為重心到平板龍骨上緣的高度，所對應的箭頭為重力的方向。

2.4 浮力、浮心及浮態

浮力是船體排開水的重量。浮心是船體排水體積的幾何中心，與船舶的排水形狀有關。如果排水形狀發生變化，那么浮心位置也會跟隨變化。船舶浮態為：正浮、橫傾、縱傾和任意傾斜。

如圖1，原始狀態為正浮，對應的水線為WL，浮心為B點；在外力矩的作用下，船體發生橫傾，此時的水線為W1L1，同時排水形狀改變，此時的浮心為B1點。正浮與傾斜后的浮力作用線交點為穩心M點。

2.5 力矩/力偶矩、外力矩

力矩定義：力和力臂的乘積，計算公式：M=F＊L,作用：使船舶繞X軸、Y軸轉動，表現為船舶發生橫傾、縱傾。力偶定義：大小相等、方向相反、不共線的兩個平行力組成的系統，對于穩性的形成來說，正浮時，重力與浮力是一對平衡力；橫傾后，重力和浮力不再共線，構成力偶。力偶矩定義：力與力偶臂的乘積。

由以上知識可知，圖1中，重力G和浮力B構成力偶。重力G或浮力B乘以力偶臂GZ為力偶矩，其中GZ為G點到傾斜后浮力作用線B1M的垂直距離，稱為復原力矩MR，作用：一旦外力消失,它能使船舶回復到原來正浮的平衡位置。

圖中的Mh為外力矩，作用是使船舶偏離其初始平衡位置，產生的原因：風、浪的作用，用舵轉向，拖輪頂推。

3 “.船舶穩性”定義的教學過程

根據課程涉及的知識點多、邏輯性強的特點，教學過程設計如下。

3.1 課前預習

提前在“云班課”上傳預備知識的資料，設置投票問卷和相應的測試題，摸清學生對相關知識的掌握情況，并就反饋情況做好充分備課。

在“云班課”上傳相關視頻，提出思考問題：船舶下水時，橫傾如此大角度，為什么不會傾覆？

3.2 課堂教學

講解預備知識，著重講解學生掌握較差部分；提問部分學生課前問題，并引導學生轉入本節課的內容。

借助課件動畫演示，講解船舶穩性形成的過程。在講解過程中，通過“云班課”的“舉手/搶答/選人”等功能與學生進行互動。

（1）假若初始船舶處于正浮狀態，根據船舶平衡條件，重力G與浮力B大小相等，方向相反并作用于同一垂線上。

（2）受外力矩的作用，船舶橫傾，水線位置發生變化，水線由WL變為W1L1。

（3）如果沒有說明重物移動，重心高度不變，重力方向向下并垂直于新水線W1L1；排水體積不變，但船舶的水下形狀變化，浮心位置隨之變化，由正浮時的浮心B變為新的浮心B1，浮力方向向上并垂直于新水線W1L1，形成新的浮力作用線，傾斜前后浮力作用線的交點為穩心M。

（4）重力與浮力大小相等，方向相反，但重心和浮心不再位于同一鉛垂線上，形成一個力偶；重心G到傾斜后浮力作用線的距離為力偶臂GZ，形成了力偶矩（復原力矩），與外力矩的方向相反。

（5）隨著橫傾角度越來越大，力偶臂/矩也隨之增大，外力矩與力偶矩最終達到平衡。當外力矩消失后，在力偶矩的作用下，船舶將回搖，當回搖到原來位置時，力偶臂GZ為零，力偶矩也為零。該力偶矩也稱為復原力矩MR。

3.3 課堂檢驗

通過“云班課”的“頭腦風暴”和“測試活動”活動，快速反饋學生的學習情況，教師可以針對學生掌握較差的部分知識進行著重講解。

3.4 課堂小結

疏理預備知識和船舶穩性的形成過程，有助于學生理清本節課的知識結構，掌握知識點的內在聯系。

3.5 課后復習并布置下節課的預習任務

選取實際工作中涉及該知識點的習題和配套輔導教材的相關習題作為課后測試題，檢驗學生的實際解決問題的能力。

4.結語

“船舶穩性”定義的理論是學習船舶穩性、吃水差和強度的基礎，涉及多個基礎知識點的綜合應用，如何讓學生有效地領會、掌握，一直是困擾專業教師的難題之一。為了提高學生的學習成效，在講解“船舶穩性”定義前梳理了預備知識，實現基礎知識的遷移，為學習新知識作好了鋪墊。形象講授“船舶穩性”的形成過程，使學生能深刻理解其發生的物理過程，提高解決實際問題的能力。同時利用“云班課”協助，快速反饋學習情況，教師能有的放矢解決學生遇到的問題。提高了教學質量，取得較好的教學效果。