結合船舶與海洋工程專業特點的“材料力學”課程教學

張大朋 嚴 謹 羅楊陽

（廣東海洋大學 海洋工程學院，湛江 524088）

“材料力學”是傳統工科生必選的課程，也是一門應用面十分廣的適用性課程[1-3]。正因為其應用面較廣，導致它的一些工程情景在傳統力學、材料、金屬、鑄造和機械設計等學科方面具有代表性但沒有對于特殊專業的針對性，如船舶與海洋工程專業。船舶與海洋工程中涉及大量的系泊纜索、水下拖纜、深海網箱、海洋管線與海洋平臺和船體梁等，與《材料力學》課本中實際提到的土木、機械方面的工程情景相差較遠[4]，因此有必要將船舶與海洋工程專業的實際工程情形和“材料力學”課程中的相關內容進行深度結合，從專業背景出發，展現材料力學在船舶與海洋工程專業中的實際應用，提高學生學以致用的能力和創新能力。

1 《材料力學》教材的特點與教學現狀

1.1 《材料力學》教材的特點

“材料力學”課程本身涉及大量較為抽象的概念，如連續性假設、均勻性假設和各向同性假設等[5]。它的很多概念、定義的導入是從材料科學和機械結構方面入手的，如氣缸、活塞、導軌、機床、齒輪、飛輪以及氣錘等，導致“材料力學”課程的內容范圍較廣，相關知識點的布局比較分散[6]。當前的《材料力學》教材偏重于專業基礎知識和基本理論的通識性介紹，缺乏針對特定專業的材料力學最新研究前言和研究成果相關的內容。不區分專業和方向的授課講解方法，很容易降低學生的課堂學習興趣，使學生陷入枯燥的學習狀態，對于相關知識點的掌握僅限于死記硬背，教學效果欠佳。

1.2 廣東海洋大學船舶與海洋工程專業“材料力學”課程的教學現狀

廣東海洋大學船舶與海洋工程專業的學生機械設計課程開設的時間晚于“材料力學”課程開設的時間。《材料力學》教材中為了引入某個概念或是某個定義而借用機械方面的工程情景或機械構件，學生并不了解，很難引起船舶與海洋工程專業學生的共鳴，難以有效調動學生的積極性，最終難以達到提高學生的理解能力、加深學生對知識掌握熟練程度的目的。這一系列后果導致船舶與海洋工程專業的學生對后續課程學習困難，也不利于提高學生的專業競爭力。為了改變這種現狀，需要從多方面入手，充分分析“材料力學”課程與船舶與海洋工程專業的結合點。

2 “材料力學”課程與船舶與海洋工程專業的結合點

2.1 船舶與海洋工程專業中涉及的材料力學知識概念與融合

不管是對船舶船體結構還是海洋工程中的輔助構件來說，船舶與海洋工程專業中涉及的材料力學知識概念非常多。例如，在“材料力學”課程中提到的桿件、平板、殼體、簡支梁等，都是船體結構和大型海洋平臺的主要組成部分。在提到這些專業術語和概念時，如果單純摳字眼和利用課本上自帶的圖片導入，效果普遍較差。在提到這些名詞時，如果能選取一個具體的船體剖面結構圖，帶著學生一起從圖中將這些結構一一找出，并分別總結這些結構的特點與力學特性，最后回到《材料力學》教材中關于專業術語的定義，幫助學生掌握專業術語和概念，同時有助于理解材料力學在船舶與海洋工程中的重要性[7]。

通過這種立體式交叉教學方式可以實現船舶與海洋工程專業中材料力學知識與概念的深度融合，達到“潤物細無聲”的教學效果。這種教學方式可以讓學生在專業背景和專業氣氛較為濃厚的情況下掌握“材料力學”課程中的基礎知識和基本概念，實現專業與力學理論的融會貫通。

2.2 材料力學在船舶與海洋工程中的具體應用

“材料力學”課程中針對細長構件的拉伸與壓縮理論，在船舶海洋工程中同樣有著非常重要的實際意義。例如，系泊結構是大型海上浮式結構物在海上錨泊定位的重要裝置。該系統中系泊纜索的最大系泊張力和破斷力與“材料力學”課程中桿件受到拉伸載荷時發生的情形基本一致，而關于破斷強度的計算與“材料力學”課程中規定的軸向拉伸作用下桿件拉伸應力的計算方法也是一致的[8]。同時，系泊系統中系泊纜索預張力的計算也可以依據材料力學中的計算公式進行計算[9]。

“材料力學”課程中的圓軸、圓柱以及薄壁桿件的扭轉，與海洋工程專業中組成大型海洋平臺上的一些支撐柱發生扭轉時的原理一致[10]。因此，“材料力學”課程中關于這部分的相關理論可以用來校核海洋工程中相關桿件的強度與變形。課堂上可以通過典型的圖片來展示這些海工構件的結構與發生扭轉變形時的情況來加深學生的理解與記憶。

“材料力學”課程中提到的彎曲內力、彎曲應力、彎曲變形等概念，在研究海洋管線時經常用到。因此，在實際課堂上可以通過一個典型的海洋管線力學特性的計算案例分析將以上“材料力學”課程的知識點貫穿起來，從而從專業角度加深學生對力學術語的理解。

“材料力學”課程中提到了壓桿穩定，而很多時候海洋平臺垮塌就是因為其樁腿發生了壓桿失穩導致樁腿局部屈曲，從而引起海洋平臺整體發生傾覆[11]。可以通過查找典型海洋平臺樁腿失穩的案例圖片，在講解壓桿穩定時適時插入，實現相關知識向專業背景的自然過渡。

“材料力學”課程中關于單跨梁的一系列假設和規定，與船舶與海洋工程專業中“船舶結構力學”課程的相關規定有著緊密聯系。從本質上來說，基于單跨梁理論的求解方法也基本相同[12]。由于“材料力學”課程安排在大二下學期，“船舶結構力學”課程安排在大三下學期，因此在講授這一部分內容時，可以提前引入船體梁等相關理論，通過“材料力學”課程的學習為船舶與海洋工程專業的學生初步打下“船舶結構力學”課程學習的基礎。

3 教學調整及進一步的改革構想

3.1 教學調整

以工程認證為依托，深化課程體系改革。廣東海洋大學的船舶與海洋工程專業經過若干年的發展，已經取得了一定的專業基礎和業內口碑，同時已經具有了船舶與海洋工程一級學位碩士點和土木水利方向的船舶與海洋工程專業碩士點。站在新的起點，廣東海洋大學要優化課程體系，按照該專業的特點和該專業學生的認知，合理調整相關大類工科課程與專業課程的順序，盡量使大類工科課程起到為專業課打基礎的作用。同時，要結合工程認證的相關要求，合理調整包括“材料力學”課程在內的工科大類課程的實驗課時與理論課時的學時分配，做到理論與實踐過程并重[13]。

3.2 進一步的改革構想

積極探索新的課程課堂模式，探索多種教學方法教學。例如，通過布置科研小課題的形式，將教材中的相關章節內容與船舶與海洋工程專業的相關知識點相結合，學生以小組為單位進行自主探索，并將研究成果在課堂上進行匯報展示，使學生收獲知識，同時學會團隊合作[14]。此外，需集中優勢資源，整合團隊師資，打造面向船舶與海洋工程專業的特色“材料力學”課程。這對于建設專業團隊和船海學科的發展具有重要意義。

4 結語

“材料力學”課程是工科類院校的必備基礎課程，也是集專業性與通識性于一體的力學基礎課程。該課程對于科研創新、工程勘探以及基建的作用不可忽視。針對不同專業方向的差異性進行針對性教學，才能取到事半功倍的效果。鑒于此，本文針對船舶與海洋工程專業的特點，結合“材料力學”教材的章節內容，從培養船舶與海洋工程專業人才的角度出發，提出了若干針對性建議，對于提高相關涉海高校的專業人才培養水平有一定的借鑒參考價值。