“船舶流體力學”課程教學內容的分析與思考

劉 曾，孫江龍，袁 華，解 德

（1.華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2.船舶數據技術與支撐軟件湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430074；3.船舶和海洋水動力湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074）

1 課程的基本特征

習近平同志在黨的十九大報告中指出：“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國?！痹谖覈鴱母咚侔l展至高質量發展的關鍵轉型期，上至黨中央、各部委領導，下至高校教務管理人員及授課教師，均意識到專業教材在人才培養質量上起著舉足輕重的作用。高等學校本科專業教材是高校教師授課的“劇本”，專業教材的好壞直接影響教師的課堂效果和學生的學習效果，對學生夯實專業基礎知識、培養專業思維能力起著至關重要的作用。

“船舶流體力學”是流體力學基礎知識與船舶與海洋工程領域流體力學問題的有機結合，是船舶與海洋工程專業重要的專業基礎課程，在專業課程體系中有著舉足輕重的地位。設置船舶與海洋工程本科專業的高等院校，通常會在第5 學期開設“船舶流體力學”課程。對船舶與海洋工程專業的學生來說，“船舶流體力學”是一門重要的專業基礎課程，幾乎所有與船舶原理及海洋工程結構動力性能有關的后續課程，都是以它作為基礎知識的。在這門課程的教學過程中，學生普遍反映涉及的內容較為抽象且公式推導較多，不易學習。

本文將面向船舶與海洋工程行業需求，結合所在教學團隊本科課程教學實踐，針對船舶與海洋工程專業基礎課程“船舶流體力學”，在分析國內現有主要教材內容的基礎上，從專業需求角度提出“船舶流體力學”課程教學所需解決的核心問題，給出“船舶流體力學”課程的基本知識構架，供后續編寫教材參考。

2 現有教材主要內容分析

表1列出了國內船舶與海洋工程專業開設“船舶流體力學”課程所主要采用教材的基本信息。這七本教材的編者來自上海交通大學、江蘇科技大學、華中科技大學、中國石油大學、華南理工大學、哈爾濱工程大學和武漢理工大學。這些高等院校是目前我國“船舶與海洋工程”專業本科生培養的中堅力量（除華南理工大學外，其余六所高等院校的船舶與海洋工程專業均入選首批國家一流本科建設點）。因此，表1 所列出的教材可認為代表了船舶與海洋工程專業“船舶流體力學”課程教材的整體情況。

表1中所列教材均以不可壓縮流體為主線，講述流體力學在船舶領域的應用。在對具體章節內容進行分析后，發現現有“船舶流體力學”教材的內容可細分為流體力學基礎知識和船海專業特色知識兩類。表2 和表3 分別給出了這七本教材在流體力學基礎知識和船海專業知識的章節分布?？梢园l現，現有教材中的流體力學基礎知識主要包括：流體的性質、流體靜力學、流體運動學、理想流體動力學、旋渦理論和圓管流動，這部分內容主要為后續內容的教學打基礎。后續章節均為船海專業知識，包括：勢流理論、粘性流體動力學、邊界層理論、機翼理論、水波理論和相似理論，這部分內容與船舶與海洋工程水動力問題緊密相關。

表1 國內現有“船舶流體力學”教材基本信息

表2 國內現有“船舶流體力學”教材中包含流體力學基礎知識的章節分布

表3 國內現有“船舶流體力學”教材中包含船海專業知識的章節分布

以國內早期出版的兩本教材（劉岳元、馮鐵城、劉應中，許維德）為例，現有教材主要從流體力學知識的內在邏輯出發，將船海專業特色知識劃分為勢流理論及其應用與粘性流體動力學兩大部分，其中勢流理論及其應用部分包括旋渦理論、勢流理論、機翼理論和水波理論，粘性流體動力學部分包括N-S 方程介紹、相似理論、邊界層理論和湍流等。這種內容劃分方法從流體力學知識體系的邏輯結構出發，相應知識結構層次清晰，內容循序漸進。

船舶流體力學主要描述當水中的浮體與水發生相對運動時受到的作用力，以及水與浮體間的相互作用。具體來說，船舶流體力學從力學的角度來闡釋船舶在航行時所受到的阻力、螺旋槳旋轉時所產生的推力、船舶或海洋平臺等浮式結構在波浪中的運動與受力以及船舶或潛水器在航向改變時的受力。從船舶與海洋工程需求的角度出發，可發現船舶阻力的分析由勢流理論、粘性流體動力學、邊界層理論和水波理論支撐，螺旋槳推進性能的分析依賴于旋渦理論和機翼理論，船舶或海洋平臺等浮式結構在波浪中的運動與受力由水波理論支撐，船舶或潛水器在航向改變時的受力與勢流理論中附件質量等內容相關，不同尺度間物理關系的換算則由相似理論支撐。

現有教材所普遍采用的內容劃分方法，將船舶與海洋工程水動力分析的需求割裂，僅有較少章節提到船舶與海洋工程專業的實際水動力學問題，與專業需求聯系不緊密，不利于培養學生利用所學流體力學知識解決船舶與海洋工程水動力問題的意識。此外，現有“船舶流體力學”教材與后續“船舶原理”等課程內容銜接不順暢，通過現有教材的教學，學生對船舶流體力學與船舶原理之間的聯系體會不深，也影響了學生對專業的興趣。

3 課程教學內容編排的思考

在分析現有教材優缺點的基礎上，結合本科課題教學實踐，發現“船舶流體力學”教學需要解決的核心問題是：建立流體力學的一般理論與方法和船舶與海洋結構所面臨的流體力學工程問題之間的聯系。“船舶流體力學”課程是“船舶原理”課程的先導課程，通過這門課程的教學，教師須傳授學生船舶與海洋工程流體力學理論的基本知識要素，并培養學生分析解決船舶與海洋工程流體力學問題的基本能力。

圍繞教學需解決的核心問題，在教材內容編寫過程中需妥善解決如下三方面問題：

第一，處理好“船舶流體力學”與“流體力學”間的關系。船舶流體力學是流體力學的一個分支，主要關注不可壓縮流體—水與物體之間的運動和相互作用?！按傲黧w力學”宜從專業需求出發，從“流體力學”中提取與專業問題匹配的流體力學基礎知識，按照專業問題自身的邏輯次序進行編排，強化專業問題與流體力學基礎知識的聯系，弱化流體力學中數學公式的推導，為學生學習后續課程埋下清晰、高效的伏筆。

第二，處理好“船舶流體力學”與“船舶原理”間的關系。作為“船舶原理”課程的先導課程，“船舶流體力學”宜從流體力學角度對專業問題進行描述與講解，使流體力學基礎知識與專業問題有機結合，使學生在學習“船舶原理”課程前，對專業問題有一定的認知，方便在“船舶原理”課程上進行更深入的教學。

第三，處理好“船舶流體力學”與“計算流體力學”等的關系。計算流體力學提供了一個方便的手段來解決船舶與海洋工程專業的流體力學問題，也是船舶與海洋工程專業目前非?；钴S的一個研究領域。在編寫“船舶流體力學”教材過程中，可以對計算流體力學的發展進行扼要介紹，可以借助計算流體力學對一些常見專業問題進行分析，但不宜對計算流體力學進行過多篇幅的介紹。計算流體力學是手段，“船舶流體力學”的編寫圍繞教材需解決的核心問題開展。為提升“船舶原理”課程教學中部分實驗內容的教學效果，華中科技大學單獨開設了“船舶與海洋工程實驗流體力學”這門課程?！按傲黧w力學”可在相似理論一章中，簡要介紹實驗流體力學的重要性和“船舶與海洋工程實驗流體力學”的主要內容。

簡而言之，“船舶流體力學”教材大綱的編寫，宜以行業工程問題需求為牽引，尋找能解決這些工程問題的流體力學知識與方法。表4 給出了“船舶流體力學”課程大綱的初步架構。大綱共包含八章內容，其中前四章圍繞勢流理論講述流體力學基礎知識：第一章介紹船舶流體力學關鍵問題，第二章介紹流體力學基本概念、流體力學基本方程、流體力學基本解法，第三章介紹相似理論，第四章介紹波浪理論。后四章圍繞船舶工程需求講述船舶專業知識：第五章介紹船舶快速性，主要包括船舶阻力劃分、理想流體阻力、粘性流體阻力、自由面興波阻力和螺旋槳基礎理論；第六章介紹船舶耐波性，主要包括無界流場中運動物體受力分析、船體波浪載荷和船體響應；第七章介紹船舶操作運動方程，主要包括線性運動方程的推導與非線性運動方程的介紹；第八章介紹船舶流體實驗，主要包括常規排水型船舶的阻力預報與水翼受力分析。按華中科技大學船舶與海洋工程專業本科生培養計劃，設置課程總學時36 學時，各章節課時在綜合考慮各章節教學任務量與學生學習接受程度的基礎上進行分配。

表4 “船舶流體力學”課程大綱初步架構

4 結語

本文首先對國內“船舶流體力學”教材的主要內容進行了分析，發現現有教材側重從流體力學知識的內在邏輯出發，和本專業流體力學工程問題的聯系有待進一步加強。接著，從行業工程需求出發，提出了“船舶流體力學”教材在編寫中需解決的核心問題。在此基礎上，對“船舶流體力學”與“流體力學”“船舶原理”“計算流體力學”等課程間的關系給出了初步的思考，并對“船舶流體力學”教材大綱提出了新的構想。本文的工作明確了“船舶流體力學”在專業教學中的定位，為出版一本反映船舶與海洋工程發展、滿足船舶與海洋工程專業需求的“船舶流體力學”教材打下了良好的基礎。