海洋平臺設(shè)計原理課程改革研究與實踐

黃 威，劉加一，殷彩玉

（華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

專業(yè)課程是課程思政建設(shè)的基本載體，專業(yè)知識體系是提高學(xué)生正確認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力的重要內(nèi)容，對大學(xué)生思維方法和價值理念的建立具有重要意義，是大學(xué)教育中立德樹人的關(guān)鍵步驟。深入落實專業(yè)課程思政建設(shè)，加強專業(yè)課程教育的基礎(chǔ)強化和與時俱進，是推進建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)的強動力源。

華中科技大學(xué)緊密圍繞海洋強國戰(zhàn)略需求，為船舶與海洋工程一流專業(yè)創(chuàng)建，積極構(gòu)建基于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計為主體的本科培養(yǎng)新體系。為了培養(yǎng)具有優(yōu)秀創(chuàng)新實踐能力的船舶與海洋工程專業(yè)卓越人才，設(shè)立了一系列理論與實踐相結(jié)合的專業(yè)課程[1]。隨著世界各國逐漸將發(fā)展目光投向深藍，廣袤海域中所蘊含的礦產(chǎn)資源和生物資源等不斷被發(fā)掘。

本項研究目標(biāo)旨在調(diào)整海洋平臺設(shè)計原理所涉及的相關(guān)專業(yè)知識內(nèi)容，參考最新海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計規(guī)范和指南，吸收國內(nèi)外有關(guān)海洋平臺設(shè)計相關(guān)研究與教材最新內(nèi)容。強調(diào)基礎(chǔ)鞏固、加強相關(guān)原理與方法的學(xué)習(xí)；重視理論到實踐的轉(zhuǎn)化，增加教學(xué)課程實踐環(huán)節(jié)；基于教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的改變，增加學(xué)生課程參與度與積極性，改進考核方式，進而形成一套實踐性強的、較為系統(tǒng)的海洋平臺設(shè)計原理新講義與課程大綱。

一、教學(xué)大綱的修訂

結(jié)合立德樹人的根本目標(biāo)，經(jīng)過多年教學(xué)與科研工作實踐，海洋平臺設(shè)計原理課題組經(jīng)過不斷的研討、協(xié)調(diào)分工與課程教學(xué)磨合，從教學(xué)內(nèi)容的完整性和實用性對早期課程教學(xué)大綱的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容均作出了相應(yīng)的修訂，并在教學(xué)過程中重視專業(yè)課程思政點的具體落實，為深入推進專業(yè)課程思政提供有力支撐。

經(jīng)過修訂，海洋平臺設(shè)計原理課程學(xué)時由24 學(xué)時增加到32 學(xué)時，增加了《大型集中ProjectⅢ海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計與優(yōu)化》為期3 周的大型課程設(shè)計。教學(xué)目標(biāo)從原來的對深水平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和方法的掌握，注重基礎(chǔ)鞏固和創(chuàng)新實踐，重點強化了學(xué)生利用所學(xué)知識解決簡單的海洋平臺設(shè)計和相關(guān)性能分析的綜合能力培養(yǎng)，并促進專業(yè)和思政教育的協(xié)同共行，達到全方位落實立德樹人的育人目的。在教學(xué)方法上，為了面向疫情期間教學(xué)和教學(xué)深度的加強，在原本理論教學(xué)基礎(chǔ)上，強化了線上與線下的結(jié)合，利用“超星”課堂平臺實現(xiàn)隨堂測試、討論以及課下的反饋等，利用課上的案例教學(xué)和課下的數(shù)值模擬實踐，達到翻轉(zhuǎn)課堂的效果。并強調(diào)了對海洋平臺設(shè)計以及深海資源開發(fā)技術(shù)的發(fā)展前沿跟蹤探索的線上學(xué)習(xí)方式的獲取，如圖1 所示。教學(xué)內(nèi)容上，經(jīng)過初步修正的內(nèi)容包含24 課時的海洋平臺主體尺度規(guī)劃原則和方法、總體性能分析與結(jié)構(gòu)強度的相關(guān)內(nèi)容和8 課時的系泊系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容。經(jīng)過數(shù)年教學(xué)實踐和對最新海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計教學(xué)的參考，為了進一步提升教學(xué)內(nèi)容的完整和統(tǒng)一性，強化面向創(chuàng)新實踐的教學(xué)目的，新的教學(xué)大綱進一步強化了結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)、載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)和模型試驗內(nèi)容，適當(dāng)減少了定位系統(tǒng)設(shè)計的講解。對海洋平臺設(shè)計規(guī)范進行更新和刪減，形成最終修訂的新教學(xué)大綱，更有利于強化學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際工程問題的綜合能力培養(yǎng)。

圖1 海洋平臺設(shè)計原理課程教學(xué)方法

二、教學(xué)講義與內(nèi)容

依托《海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術(shù)》[2]的主體，原講義主要內(nèi)容分為兩個部分，第一部分為海洋平臺總體設(shè)計，第二部分為深水平臺定位系統(tǒng)設(shè)計。第一部分包含七章內(nèi)容：第一章緒論，主要介紹了海洋平臺類型、發(fā)展歷程和結(jié)構(gòu)特點等；第二章介紹了海洋工程環(huán)境與載荷，包含有風(fēng)、浪、海流、海冰與地震，其中重點通過波浪理論和莫里森方程對海洋平臺主要受到的海浪開展了相關(guān)的講解與實例分析；第三章為深水平臺設(shè)計基礎(chǔ)，介紹了浮式結(jié)構(gòu)物設(shè)計基本過程及其特點、浮式平臺設(shè)計基礎(chǔ)和要求；第四章為深水平臺總體尺度與結(jié)構(gòu)規(guī)劃，重點根據(jù)幾種典型的深邃平臺結(jié)構(gòu)特點介紹了半潛式平臺、張力腿平臺和深吃水立柱平臺的主體尺度規(guī)劃及結(jié)構(gòu)形式對不同規(guī)劃的影響；第五章以半潛式平臺為主，進一步考察主尺度規(guī)劃的合理性，通過計算平臺運動特征和各自由度上的響應(yīng)周期和設(shè)計波確定來完成平臺的總體性能分析；第六章對平臺組合載荷工況的介紹，分析了不同形式平臺的強度分析特點；第七章是深水平臺的主體安裝，介紹了不同結(jié)構(gòu)形式平臺安裝方法的差異和相關(guān)的工程結(jié)構(gòu)介紹。第二部分基于《浮式結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng)設(shè)計與分析》[3]，通過四章內(nèi)容對系泊系統(tǒng)特點、材料、受力及強度和系泊設(shè)計做出介紹，結(jié)合最后一章動力定位系統(tǒng)完成了浮式結(jié)構(gòu)物定位系統(tǒng)的介紹。講義在內(nèi)容上包含了海洋平臺總體設(shè)計過程相關(guān)的內(nèi)容。但是兩部分內(nèi)容在邏輯性上并不太連貫，分別開展主體結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)設(shè)計過程中涉及的大量設(shè)計規(guī)范，對課堂教學(xué)的講授和學(xué)生積極性是一個較大的挑戰(zhàn)。在主體的第一部分中，對過程、規(guī)范等內(nèi)容的側(cè)重較強，對結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)及創(chuàng)新實踐性的教學(xué)內(nèi)容缺少足夠的探索。

結(jié)合新教學(xué)大綱提出的新的教學(xué)目標(biāo)，在原講義基礎(chǔ)上，研究和分析國內(nèi)高校在海洋平臺設(shè)計相關(guān)課程中教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，基于《Handbook of Offshore Engineering》《Dynamic Analysis and Design of Offshore Structures》《Springer Handbook of Ocean Engineering》和《海洋結(jié)構(gòu)工程》完成對新講義主要內(nèi)容的梳理與整合，對定位系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)內(nèi)容進行簡化，最終形成了基本符合雙語教學(xué)的海洋平臺設(shè)計原理課程的新講義與教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃。

新講義共包含有八章主要內(nèi)容。第一章內(nèi)容為海洋平臺概述，在原基礎(chǔ)上增加了對深海油氣開采的介紹，增強專業(yè)背景知識的掌握。另一方面，對典型深水平臺特點的介紹過程中，將平臺安裝涉及的初步內(nèi)容添加到第一章，進而刪除原講義中的第七章。第二章主要介紹幾種典型的海洋環(huán)境及載荷，突出波浪載荷的重要性，添加了波浪譜相關(guān)直接介紹與運用講解。結(jié)合課題組經(jīng)驗，介紹了使用規(guī)范進行平臺結(jié)構(gòu)抗地震分析的實例，達到基礎(chǔ)強化與運用能力的培養(yǎng)。第三章為海洋平臺載荷與響應(yīng)。重點介紹波浪載荷及設(shè)計波的確定，以及針對波浪載荷作用下在平臺和結(jié)構(gòu)物上載荷的計算和結(jié)構(gòu)物運動響應(yīng)的簡化計算分析。在本章內(nèi)容中，針對結(jié)構(gòu)響應(yīng)內(nèi)容，演示使用ANSYS/AQWA 進行有限元分析的方法，強調(diào)理論到實踐的轉(zhuǎn)換。第四章從結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法引入，主要針對海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計所涉及的極限狀態(tài)設(shè)計和疲勞極限狀態(tài)設(shè)計進行講解，貫通結(jié)構(gòu)設(shè)計到海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計，注重海洋結(jié)構(gòu)物特殊海洋環(huán)境下極限狀態(tài)的特點。并強調(diào)了作為一種結(jié)構(gòu)設(shè)計，海洋平臺結(jié)構(gòu)可靠性與風(fēng)險評估的重要性和基本方法。第五章將海洋平臺主尺度的規(guī)劃和總體性能分析進行整合，針對典型平臺結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計進行邏輯性連貫性更好的介紹。并將平臺安裝涉及的總體性能分析部分內(nèi)容納入到此章。第六章主要介紹深水平臺的定位系統(tǒng)，將原講義中約占8 學(xué)時的內(nèi)容進行縮減，主要針對系泊系統(tǒng)靜力計算、系泊系統(tǒng)動力分析以及使用時域和頻域方法開展系泊系統(tǒng)強度分析進行講解，將動力定位基本原理和發(fā)展現(xiàn)狀部分融入該章，形成完整的內(nèi)容。在完成海洋平臺結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計相關(guān)理論知識介紹后，第七章重點包含有浮式平臺模擬實驗技術(shù)，針對實驗?zāi)M技術(shù)所涉及的相似律等基本理論，深水模擬實驗平臺發(fā)展和相關(guān)技術(shù)，并結(jié)合小型的實驗?zāi)Ｐ烷_展深水模擬實驗的簡單實際操作演示結(jié)合課堂講解，強調(diào)學(xué)生通過文獻調(diào)研對當(dāng)前在深水試驗?zāi)M平臺的最新研究進展進行跟蹤和分析，進一步強化學(xué)生學(xué)以致用，增強專業(yè)理論和專業(yè)技能。第八章從結(jié)構(gòu)層面轉(zhuǎn)換到材料層面，強調(diào)學(xué)生對所學(xué)的材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的專業(yè)實踐認(rèn)知，對傳統(tǒng)材料性能和當(dāng)前新材料（如纖維增強材料）在水下和特殊環(huán)境（高/低溫、高壓）條件下的特性和應(yīng)用前景有充分的認(rèn)知。

對比修訂前的海洋平臺設(shè)計原理課程講義及內(nèi)容，新講義所包含的內(nèi)容具有以下幾個主要特點：（1）內(nèi)容邏輯性強。新講義調(diào)整了舊有內(nèi)容安排上的扁平性，以深水平臺設(shè)計所包含的主要內(nèi)容為主線，將材料特性、典型深水平臺特性及其尺度規(guī)劃和總體性能分析、風(fēng)險和可靠性評估進行串并聯(lián)，形成了一種思路清晰邏輯性更強的教學(xué)思路，如圖2 所示；（2）強化基礎(chǔ)知識。講義在保留原有的平臺設(shè)計所包含的基本理論，如強度校核、波浪理論、平臺特征載荷下的分離和扭轉(zhuǎn)和剪切計算等，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計中極限狀態(tài)設(shè)計、可靠性和風(fēng)險評估知識，有助于學(xué)生對結(jié)構(gòu)設(shè)計類專業(yè)課程的整體思路的整理和掌握；（3）突出創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。新講義在強化基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)上，通過增加實驗?zāi)M技術(shù)知識和數(shù)值模擬實踐的海洋結(jié)構(gòu)物課程設(shè)計，利用翻轉(zhuǎn)課堂形式，促進學(xué)生將專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為專業(yè)技能的能力培養(yǎng)，突出利用綜合的專業(yè)知識解決實際工程問題的能力培養(yǎng)；（4）先進性。新講義更新和增加了海洋工程結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范和方法，引入線上線下相互促進的教學(xué)方法，提升學(xué)生對專業(yè)知識新進展和新成果的自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)；（5）深入落實專業(yè)課程思政。為了促進一流專業(yè)建設(shè)，課程組在制定新大綱和講義過程中強調(diào)了專業(yè)課程思政的深入落實。在新講義中，每章內(nèi)容均有一個課程思政要點來進行課堂內(nèi)容的串聯(lián)，寓價值觀引導(dǎo)于潛移默化的知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀。

圖2 海洋平臺設(shè)計思路

三、海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計與優(yōu)化課程設(shè)計

海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計與優(yōu)化課程設(shè)計是學(xué)生基礎(chǔ)鞏固和創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的重要一環(huán)，對于培養(yǎng)卓越海洋結(jié)構(gòu)工程師具有重要的意義。

在學(xué)生已完成的專業(yè)課的學(xué)習(xí)中，理論和大型課程設(shè)計以船體結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計為主，學(xué)生對給定的母型船結(jié)構(gòu)下根據(jù)設(shè)計規(guī)范，掌握了對船體結(jié)構(gòu)穩(wěn)性、強度等計算與分析，具有一定的實踐能力。為進一步培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識的能力，海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計與優(yōu)化課程設(shè)計作出了適當(dāng)?shù)男薷模海?）在課程設(shè)計形式上，不再提供母型船結(jié)構(gòu)相關(guān)信息，而是以海洋結(jié)構(gòu)物所要滿足的功能需求為給定條件，進一步貼合實際工程需求。促使學(xué)生通過文獻調(diào)研的形式，獲取海洋平臺要滿足功能需求需要設(shè)計的具體形式以及所工作海域的環(huán)境條件。在這種條件下，滿足海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計的一個閉環(huán)；（2）設(shè)計內(nèi)容除了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)強度以及穩(wěn)性等計算分析外，強調(diào)了深水環(huán)境工作條件下的海洋平臺載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算分析，充分考慮結(jié)構(gòu)定位方式對海洋平臺結(jié)構(gòu)性能的影響。重要的是，該課程設(shè)計的啟動時間與課程啟動時間一致，貫穿在海洋平臺設(shè)計原理理論教學(xué)和海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計與優(yōu)化課程設(shè)計的教學(xué)過程中，便于學(xué)生實現(xiàn)理論學(xué)習(xí)到工程實踐的摸索與探討；（3）在考核形式上，以4 人為一小組的形式展開，在設(shè)計初期完成工作協(xié)調(diào)分工，最后根據(jù)設(shè)計和答辯結(jié)果對每個小組中的每個成員進行考評，考評內(nèi)容同組相互交叉，以促進項目開展過程中學(xué)生的參與度。

通過近幾年的課程設(shè)計實踐可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對課程設(shè)計具有較高的投入程度，能夠根據(jù)功能需求設(shè)計出基本符合要求的一般形式的海洋平臺結(jié)構(gòu)形式，并完成相關(guān)的計算分析。但是，由于未給定母型船體結(jié)構(gòu)信息，在平臺結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計中容易出現(xiàn)較多的不合理情況，以至于在后續(xù)結(jié)構(gòu)性能分析時出現(xiàn)較大偏差。這需要課程組在教學(xué)實踐中進一步具體化地讓學(xué)生對典型海洋平臺結(jié)構(gòu)有清晰的認(rèn)知。

四、結(jié)束語

創(chuàng)新實踐型人才培養(yǎng)是研究型大學(xué)專業(yè)課程教學(xué)的重要目標(biāo)，是深入落實立德樹人根本任務(wù)的基礎(chǔ)。鑒于對深海資源開發(fā)、利用和保護的需求，深水海洋平臺的發(fā)展對國家建設(shè)海洋強國具有重大意義。結(jié)合當(dāng)前快速的技術(shù)發(fā)展和對學(xué)生自主創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的要求，海洋平臺設(shè)計原理課程在初步的教學(xué)大綱和講義基礎(chǔ)上，從強化教學(xué)內(nèi)容的邏輯連貫性、鞏固專業(yè)知識基礎(chǔ)、重視理論到實踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)，新的海洋平臺設(shè)計原理教學(xué)大綱和內(nèi)容完成了修訂和初步實踐。新的教學(xué)內(nèi)容具有更好的科學(xué)性和工程實踐性，有力地強化了學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)技能的培養(yǎng)。使學(xué)生能夠在自主學(xué)習(xí)和研究的過程中，注重理論與實踐相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，促進學(xué)生綜合能力和協(xié)同組織能力的提高，為海洋強國戰(zhàn)略培養(yǎng)具有較高綜合素養(yǎng)的復(fù)合型人才提供有力支撐。