船舶推進課程的“一融四合”教學模式研究

李家盛　楊丹　張正藝　解德

摘? 要：針對當今主動學習大勢所趨，互聯(lián)網(wǎng)教學快速發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)知識缺乏更新，工科人才人文素養(yǎng)急需建設，物理實驗教學常常受限的時代特點，結合船舶推進課程內(nèi)容，探索形成“一融四合”教學模式。在“啟發(fā)、探究、討論、參與”教學方法融入傳統(tǒng)教學的基礎上，實現(xiàn)線上/線下學習相配合，前沿/基礎學習相結合，專業(yè)/素養(yǎng)學習相融合，虛擬/真實實驗相聯(lián)合。以期為學生提供優(yōu)質的教學體驗。

關鍵詞：船舶推進；海洋戰(zhàn)略；教學模式；改革與實踐；學習體驗

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）26-0098-04

Abstract： In view of the trend of active learning， the rapid development of the internet study， the lack of updating of traditional industrial knowledge， the urgent need for the humanistic quality construction of engineering students， and the difficulty of teaching physics experiments， combined with the content of the course of Ship Propulsion， a "four-in-one" teaching mode has been explored. On the basis of integrating the teaching methods of "inspiration， inquiry， discussion， and participation" into traditional teaching， the combination methods of online/offline learning， frontier/basic knowledge learning， professional/quality learning， and virtual/real experiment study are realized. It can provide students with a high-quality studying experience.

Keywords： ship propulsion; maritime power; teaching mode; reform and experience; learing experience

我國將在21世紀中葉建成社會主義現(xiàn)代化強國。海洋強國則是構建社會主義現(xiàn)代化強國的關鍵組成部分。船舶與海洋工程領域人才是使我國能實現(xiàn)海洋強國戰(zhàn)略目標的關鍵推動力量。為達成這一宏偉目標，對船舶與海洋工程專業(yè)（以下簡稱“船海專業(yè)”）學生的教育與培養(yǎng)是關鍵。要實現(xiàn)對船海專業(yè)學生的培養(yǎng)，上好船海專業(yè)基礎課程又是重要的一環(huán)。在船海專業(yè)課程體系中，船舶原理類課程具有奠基地位。船舶推進是船舶原理類課程中實現(xiàn)船舶快速性繞不開的學問，如圖1所示。船舶推進課程教學，對于建設社會主義現(xiàn)代化強國意義重大。

教學是一門十分深奧的學問，強調應機施教。這里的“機”是指教學機緣與條件。由于時代的不斷更替，教學機緣與條件也發(fā)生著深刻變化，以至于舊有的教學模式會逐漸不適應新時代的發(fā)展。因此對教學模式進行研究與改革是十分必要的[1]。船舶推進教學模式研究在這一客觀需求下應運而生。

本文將依據(jù)課題組多年教學經(jīng)驗，結合船舶推進課程學情，提出“一融四合”教學方法，旨在更好地實現(xiàn)船海專業(yè)人才的培養(yǎng)。

一? 課程學情

船舶的全生命周期技術歷程包括船舶設計、建造、營運和拆解。船舶推進課程是從事船舶設計必備的專業(yè)知識，也是學習其他船舶專業(yè)課程的基礎。通過本課程的教學，幫助學生獲得包括螺旋槳幾何、工作原理、敞水實驗、船槳相互作用、空泡和強度等必要的船舶推進基本知識，進而掌握設計船舶推進器的圖譜法。船舶推進課程以盛振邦主編、上海交通大學出版社出版的《船舶原理（下冊）》[2]為參考教材，課程內(nèi)容豐富，知識點密集（圖2）。課堂教學32學時，實踐環(huán)節(jié)為一周。目前在船舶與海洋工程專業(yè)每學年有4個班，約120人，在大三開設本課程。

傳統(tǒng)教學方法以教師填鴨式教學呈現(xiàn)，學生參與度低[3]，線下課堂講授為主，教學方式單一[4]，教學內(nèi)容傳統(tǒng)，缺乏更新[5]，授課時僅注重專業(yè)教育，人文元素匱乏[6]，物理實驗教學常因經(jīng)費場地受限，無法開展[7]，以致學生積極性不高。當今時代，主動學習趨勢愈發(fā)顯著，互聯(lián)網(wǎng)教學大量應用，船舶工業(yè)技術飛速發(fā)展，工科人才人文素養(yǎng)急需建設，虛擬現(xiàn)實技術已廣泛使用，探索船舶推進課程教學規(guī)律、進行教學模式的改革是勢在必行的。

二? “一融四合”教學模式研究

課題組提出的“一融四合”教學模式如圖3所示，下面分別予以介紹。

（一）? “一融”——“啟發(fā)、探究、討論、參與”教學方法的融入思路

由于傳統(tǒng)教學多為以教師為主、學生被動學習的模式，以至學習效率不高，教育學家與一線教育工作者們，經(jīng)過多年探尋，總結性地歸納提出了“啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式”的“四式”教學方法。該方法自提出以來，各高校均在大膽嘗試、積極運用，以克服傳統(tǒng)教學的弊端和缺陷，不少高校課程也取得了大小不等的教學改良效果。在“四式”教學法中，啟發(fā)式教學法指教師在教學活動中以設問的方式，逐步引導學生積極主動地掌握知識的教學方法。而探究式教學法，又稱“做中學”，意在讓學生自行探究，發(fā)現(xiàn)并掌握相應知識。討論式教學法，則旨在構建一種師生積極互動、暢所欲言的氛圍，對學生形成批判性思維與協(xié)作意識十分有益。參與式教學是通過教師設置教學情景，讓學生沉浸于教學活動各環(huán)節(jié)享受知識獲取過程的教學方法。以上四類教學方法均是通過提升學生在教學中不同層面的主體性進而提高其學習獲得感的。然而，若教師讓學生完全掌控課堂，讓渡教學中的把控職能，則存在課堂主題不聚焦、學生風氣散漫等風險，學生學習的體驗感甚至還不如被動式學習，獲得感更低。因而如何引進“四式”教學方法，將“四式”教學法融入船舶推進課堂是十分關鍵的。

下面介紹課題組在船舶推進課堂中引入“四式”教學法融入傳統(tǒng)教師主動式課堂的兩個實例。

例1，在緒論中，講解船舶推進各章節(jié)簡介后，提出問題，啟發(fā)學生思考：①“你覺得這些章節(jié)之間是什么關聯(lián)？”；②“你覺得哪個章節(jié)或者哪幾個章節(jié)會更加重要？為什么？”；③“你覺得哪個章節(jié)或者哪幾個章節(jié)會更加困難？為什么？”要求學生進行分組討論，并推薦代表同學進行匯報。該討論的教學目的在于鍛煉學生掌控全局的意識，學習運用習得知識與思維方式，進行綜合思考的能力。

例2，在第三章 螺旋槳基礎理論——葉元體理論介紹完基本求解思路，也即讓學生初步了解“二維機翼理論求解葉元體升力和阻力；將求得的葉元體升力和阻力換算成其受到的推力和扭矩；對求得的推力和扭矩從葉根到葉梢積分，并累計多個葉片合力”三個步驟后，提出問題，啟發(fā)學生思考：①“你覺得相比理想推進器理論和理想螺旋槳理論，葉元體理論的優(yōu)缺點可能在什么地方？為什么？”；②“在葉元體求解的這些步驟中，你覺得哪些步驟可能是求解過程中最大的障礙？ 為什么？”；③“碰到理論上難以越過的障礙時，你們一般如何解決的？”要求學生進行分組討論，并推薦代表同學進行匯報。該討論的教學目的是讓學生主動比較所學知識并進行思考，培養(yǎng)感知新理論的敏銳觸覺，總結與分享遇到困難如何克服的方式方法。

課題組在進行完教學活動后，也對如何更有效運用“四式”教學法進行了總結，研究表明：①引入討論的問題應難易適中，太難，學生不會，容易產(chǎn)生排斥及畏難情緒；太易，學生容易陷入既定思維，缺乏創(chuàng)造性。②啟發(fā)時，要由淺入深，循循漸進。③可增加鼓勵措施，讓學生更好融入討論。④要鼓勵答案的非唯一性，學生的理解即使與老師自己理解不一致，但言之有理即可。⑤教師應合理控制好時間與課堂節(jié)奏。

（二）? “四合”——“配合、結合、融合、聯(lián)合”教學方法的理念提出

1? 線上/線下學習相配合

船舶推進課程線下教學是教師與學生處于同一時空中進行的教學活動。優(yōu)點在于教師容易根據(jù)學生學習情況，應機施教，給予學生及時反饋，方便他們理解。比如在講解螺旋槳工作原理這一教學重難點時，有的班級學生對伯努利方程的推導不熟悉，有的則對推進器簡化假設感覺難以理解，此時可根據(jù)實際學情，有的放矢，靈活教學。另外，線下教學可更好在黑板上進行公式推導，使得學生印象深刻。比如在講解螺旋槳敞水試驗相似準則時，若沒有對量綱分析的一步步推導，學生很難真正理解決定螺旋槳敞水推力、扭矩及效率的影響因素是哪些變量。但是線下教學也有缺點：其一，學生如果走神，則可能出現(xiàn)一連串聽不懂現(xiàn)象；其二，不利于學生利用課后時間，反復研習課程知識點，根據(jù)自己實際掌握的情況，進行查漏補缺。以上傳統(tǒng)教學種種缺點，均由教學時空必須同一的限制導致。

當前，互聯(lián)網(wǎng)教學平臺飛速發(fā)展，船舶推進可使用線上教學突破時空限制。教師可在愛課程、慕課、學堂在線與智慧樹等線上網(wǎng)絡平臺將教學大綱、教學視頻、課程PPT及相關試題等課程資源進行上傳。學生可利用線上資源進行課程預習與復習，在線下教學時，則把注意力集中在線上學習困難之處，課后也可進一步發(fā)揮學習主動性，鞏固學習到的知識。此外，在錄制線上教學視頻等過程中，教師也不得不更加凝練教學內(nèi)容，清晰教學表達，教師的教學水平也得到了提高。因此，線下教學配合線上教學會是更好的教學方式。

2? 前沿/基礎學習相結合

船舶推進裝置的歷史與船舶的歷史同樣悠久。自誕生以來，已經(jīng)歷了從纖繩、篙、槳、櫓、帆、明輪到螺旋槳及基于螺旋槳的特種推進器等演變。船舶推進課程主要講授螺旋槳的初步知識，相對成熟，較少更新，無法適應當前業(yè)界的快速發(fā)展。課題組凝練當前船舶推進領域的重大進展于教學相關章節(jié)，鼓勵學生查找資料并形成讀書報告。另一方面，課題組也深知教學要循序漸進，不能揠苗助長，對于船舶推進課程傳統(tǒng)基礎知識的學習在課堂上仍不可松懈，避免學生基礎不牢，地動山搖。

課題組要求學生在完成好基礎學習后，查找知網(wǎng)（國內(nèi)）及Scopus（國外）數(shù)據(jù)庫中螺旋槳各前沿問題。例如，講述螺旋槳基本原理時，布置查詢螺旋槳粘流理論相關關鍵詞；講述螺旋槳空泡時，布置查詢空泡成因相關關鍵詞；講述螺旋槳強度校核時，布置查詢復合材料螺旋槳相關關鍵詞等。課題組力求推動船舶推進課程知識的更新，實現(xiàn)前沿與基礎學習相結合。

3? 專業(yè)/素養(yǎng)學習相融合

長期以來，船舶推進課程教學更偏重知識的傳授，人文素養(yǎng)教育相對缺失，導致學生人文素養(yǎng)不夠。這主要是因為該課程的理論性較強，直接與人文素養(yǎng)結合，會顯得生硬和突兀，不便學生接納。課題組經(jīng)過學習，共識了人文素養(yǎng)的本質是發(fā)展成為完全的人，應不拘泥于固定的形式，只要是正能量的、對學生有益的均可提及。另一方面，若是離開專業(yè)知識傳授，僅有人文素養(yǎng)教育，則接近人文課程，不能發(fā)揮專業(yè)教師的專業(yè)背景在為國育人上的特殊作用。

課題組在講述船舶推進專業(yè)內(nèi)容的同時，針對課程內(nèi)容與學生學情設計了貫穿唯物辯證法、科學素養(yǎng)、工匠精神與家國情懷多位一體的人文素養(yǎng)教育體系。例如，在唯物辯證法方面，講授螺旋槳縱斜角設計應注重度的把握，不宜過大以至于應力太大，或過小以至于船底板振動太大。在科學素養(yǎng)方面，講授理想螺旋槳理論各假設時，強調學生們面對科學問題要大膽猜測，小心求證。在工匠精神方面，講授螺旋槳圖譜設計時，注意培養(yǎng)學生們細心、耐心的優(yōu)秀工作習慣。在家國情懷方面，講授螺旋槳敞水試驗臨界雷諾數(shù)數(shù)值確定時，激勵學生們向上海交通大學流體力學研究室前輩學者學習，做有世界影響力的工作。課題組力求將豐富的人文教育元素融入課程學習中，實現(xiàn)專業(yè)與素養(yǎng)學習相融合。

4? 虛擬/真實實驗相聯(lián)合

通常，船舶推進實驗教學應在船模拖曳水池或空泡水筒中開展[8]。然而，由于經(jīng)費與場地有限，該類實驗常常難以在教學中實施。另外，受限于實驗測試技術，在真實實驗環(huán)境下測得的數(shù)據(jù)，并非能全息顯現(xiàn)物理場，特別對于螺旋槳周圍流場結構的顯示與測量。虛擬仿真技術是一項利用計算機系統(tǒng)模擬真實系統(tǒng)的技術。因不受場地和資金限制且能通過數(shù)值模擬全息呈現(xiàn)物理場的特點，該技術被引入眾多學科實驗教學改革中來。但是，虛擬仿真技術物理場數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，依賴于真實實驗測試或數(shù)值仿真，而數(shù)值仿真離不開物理假設。因此，虛擬仿真技術不可完全替代真實實驗技術。采用虛擬仿真實驗教學代替部分物理實驗，進行虛擬/真實實驗相聯(lián)合的教學方式是更為明智的選擇。

課題組在學院現(xiàn)有船模拖曳水池的基礎上，開展了船舶螺旋槳虛擬仿真實驗項目的建設，如圖4所示，該項目及后續(xù)項目力求通過數(shù)值仿真/現(xiàn)場測試技術得到敞水、空泡、伴流、強度和振動性能預報。

具體包括：①敞水工況中的螺旋槳推力、扭矩及效率隨進速系數(shù)變化曲線，以及定常壓力分布與流場分布全息圖；②敞水工況中的螺旋槳空泡產(chǎn)生、演化及對推力、扭矩和效率的影響曲線；③伴流中螺旋槳平均推力、扭矩和效率以及非定常軸承力與脈動壓力時空分布全息圖；④加載下螺旋槳應力應變分布全息圖；⑤螺旋槳空氣與水下振動固有頻率與振型圖。并在虛擬3D環(huán)境中顯示這五部分結果，以提升課堂教學中螺旋槳基礎理論、螺旋槳模型的敞水試驗、螺旋槳的空泡現(xiàn)象、螺旋槳的強度校核和螺旋槳激振力等相關章節(jié)的教學成效。

三? 結束語

綜上所述，本文分析了目前船舶推進課程的教學學情，并通過提出的“一融四合”教學法，改革傳統(tǒng)的教學模式，以期使學生更好地接受船舶推進理論知識，并將其靈活有效地應用到實際船舶設計和建造中。本教學模式的改革與實踐，可使學生更加熱愛船舶專業(yè)，同時也能增強教師教學的激情。本教學方法也可為其他船舶類課程教學改革提供借鑒。

參考文獻：

[1] 李天勻，李維嘉，朱翔，等.研究型大學構建省級實習實訓基地的實踐研究[J].大學教育，2019（10）：30-33.

[2] 盛振邦.船舶原理（下冊）[M].上海：上海交通大學出版社，2019.

[3] 唐海珊，王毅，李文藝，等.融入啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學方法的藥用醫(yī)用材料課堂教學改革的研究與實踐[J].廣東化工，2017，44（19）：197-198.

[4] 杜家政，楊慶生，葉紅玲，等.基于慕課的工程力學翻轉課堂教學實踐[J].高教學刊，2022，8（2）：84-87.

[5] 王偉，李江昊，吳國慶，等.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地在高校工程技術人才培養(yǎng)中的作用分析[J].教育教學論壇，2019（52）：35-36.

[6] 蔡云晨，劉雨龍.工科院校學生人文素養(yǎng)問題研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2022，21（3）：246-247.

[7] 孫聰，郭春雨，馮峰，等.船海虛擬仿真國家級實驗教學中心建設淺談[J].實驗室研究與探索，2018，37（8）：167-170.

[8] 李廣年，李家旺，杜林，等.船模拖曳水池教學實驗室測試平臺設計[J].實驗技術與管理，2020，37（5）：234-237.

基金項目：省級教改項目“船舶與海洋工程專業(yè)創(chuàng)新型專業(yè)人才的培養(yǎng)機制研究與實踐”（2012040）；華中科技大學研究生教學改革研究項目“面向新時代‘海洋強國的船舶與海洋工程專業(yè)研究生課程體系建設”（YY202015）；華中科技大學教學研究項目“《船舶靜力學》教學內(nèi)容及方法的改革與實踐”（2021077）；華中科技大學船舶與海洋工程學院教學研究項目“船舶螺旋槳敞水和空化虛擬仿真實驗”（無編號）

第一作者簡介：李家盛（1987-），男，漢族，湖北武漢人，工學博士，講師。研究方向為船舶與海洋結構物設計制造。