面向新工科的水動力噪聲特性及控制課程改革研究

2024-09-14 00:00:00劉永偉商德江

高教學刊 2024年24期

摘要：為滿足新工科建設需要，對水動力噪聲特性及控制課程進行教學改革。首先，以制作電子資源的方法對培養模式進行改革，促使學生主動學習；其次，提高水動力噪聲控制技術內容所占課程的比例以及采用中船研究所的反饋對課程內容進行動態更新迭代，促進課程知識與工程實踐的結合；再次，以英文課程輔修、小論文撰寫和線上講座的形式拓寬學生國際化的視野；最后，以分享邏輯性強的視頻加強人文素養與課程中專業技能之間的結合，以時政新聞制作成思政教育案例。分析和評價教學改革的效果，研究結果可為水下噪聲控制類課程的教學改革奠定基礎。

關鍵詞：水聲工程；水動力噪聲特性；水動力噪聲控制；教學改革；新工科建設

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）24-0148-04

Abstract： In order to meet the requirements of the emerging engineering education construction， teaching reforms had been carried out on the course of Hydrodynamic Noise Characteristics and Control. Firstly， the training mode was reformed by the creation of electronic resources to encourage students to study actively. Secondly， the proportion related to hydrodynamic noise control content was increased in the course， and dynamic iterative updates to the course content is provided based on the feedback from China Shipbuilding Research Institute to combine the content knowledge with the practical engineering. Thirdly， the internationalization view of the students was broadened through English language minor courses， essay writing， and online lectures. Finally， the integration of humanistic literacy and professional skills was enforced in the course by the internet videos of strong logical analysis abilities， the ideological and political education cases were built up by current affairs. The teaching reform effects were analyzed and evaluated. The results can lay the foundation for the teaching reform of underwater noise control courses.

Keywords： underwater acoustic engineering; hydrodynamic noise characteristics; hydrodynamic noise control; teaching reform; construction of emerging engineering education

目前，機電控制理論[1]、海洋信息工程[2]、輪機工程[3]、流體力學[4]、船舶與海洋工程[5]、海洋技術[6]已開展了新工科背景下的教學改革。水動力噪聲特性及控制是面向水聲工程和海洋信息科學與工程兩個交叉學科開設的一門專業課程，教學目標是向學生傳授艦船及水下航行器水動力噪聲產生機理與水動力噪聲抑制技術的知識，為艦船及水下航行器的減振降噪和聲隱身性能研究培養專業型人才。在新工科建設的背景下，專業課程的人才培養模式[7-8]、知識內容設置[9]、國際化方面和人文素養塑造必須適應新時代的發展要求。按照《普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案》的相關要求，借鑒混合式教學[10]和產教融合[11]的經驗，對水動力噪聲特性及控制課程進行全要素升級改革，優化課程的基礎和結構，以提高立德樹人的成效。

一課程教學大綱的基本概況

水動力噪聲特性及控制課程的教學大綱及培養方案中涵蓋的人才培養模式、知識內容設置、國際化方面和人文素養塑造等基本情況如下。

（一）人才培養模式

課程教學大綱規定的人才培養模式，還是以教師講授和研討為主，但研討學時與講授學時的比例為1∶6，即使學生能夠發言，也不能使得每個學生都暢所欲言。因此，在教學過程中，大多數學生還是作為被動的聽眾，與教師的互動性差，缺乏促使學生主動學習以及自覺學習等方面的措施。

（二）知識內容設置

課程的參考教材以科學出版社的《水動力噪聲理論》為主，該書從水動力噪聲的來源開始介紹，直到湍流邊界層壓力起伏激勵航行器產生的輻射噪聲特性，側重的是從聲學角度闡述水動力噪聲的產生機理；對于水動力噪聲控制的知識內容設置約占課程學時數的20%。通過對中船系統內研究所進行的調研發現，目前對于艦船及水下航行器的低噪聲性能設計需求很強烈，尤其是在中高航速條件下的水動力噪聲控制技術需求更為迫切，急需將這方面的知識傳授給學生們，為日后學生在船舶系統行業就業打下堅實的基礎。

（三）國際化方面

在教學大綱和培養方案中對國際化方面考慮得較少，課程以多年前的國外期刊作為參考資料，還屬于閉門造車型的課程。隨著國際上對海洋環境和海洋生物的保護性要求，艦船等大型船舶必須降低水下噪聲，例如韓國船級社（URN-T20）規定：船舶在20節速度航行時需符合水下輻射噪聲標準。因此，在教學過程中，需要提高學生們的國際化水平，時刻跟蹤國際上對船舶水下噪聲的研究需求，與國外大學的知名學者同頻共振，開闊學生們的視野。

（四）人文素養塑造

課程內容的設置考慮了思政元素，但是對人文素養的塑造方面考慮較少。人文素養不僅可以促進學生邏輯思維能力的培養[12]，還可以陶冶學生們的道德情操。因此，在工科類課程中增加人文素養教育，一方面可以提高授課效果，另一方面也可加強對學生們的思政教育，增強他們的底氣、志氣和骨氣。

二面向新工科建設的教學改革思路

課程的改革思路如圖1所示。

圖1 課程改革思路示意圖

（一）電子資源和難點匯總提高學習主動性

在上課之前，借助學校智慧課堂的硬件條件，教師將水動力噪聲特性及控制課程的教材上傳至學習通，制作成電子資源后，可以方便學生利用智能化的辦公設備（例如智能手機或平板電腦等）進行學習，一方面能夠色彩豐富地顯示相關的知識內容，另一方面也減少學生們利用智能設備玩游戲等不良現象；同時，將水動力噪聲特性及控制課程的PPT結合智慧樹課堂的錄音制作成有聲的電子讀物一并上傳至學習通，方便學生們在課前預習和課后自學；再者，通過微信群和釘釘文檔的方式收集學生們在預習或復習教材及課程PPT中碰到的知識難點，教師在匯總這些難點后，對教案及授課PPT等進行針對性的修改，壓縮非課程難點的授課時間，在上課時側重講授這些知識難點并與學生進行研討，掌握造成學生學習吃力的原因，探索提高學生們理解課程知識難點能力的方法，提供解決知識難點問題的思路，培養學生們發現問題和解決問題的能力。

（二）增加噪聲控制知識占比和動態設置知識內容

通過修訂教學大綱和培養方案，將課程知識內容分為水動力噪聲特性和水動力噪聲控制技術兩部分。其中，水動力噪聲特性方面的參考教材為科學出版社的《水動力噪聲理論》，水動力噪聲控制技術方面的參考教材為科學出版社的《多種流動控制技術》和哈爾濱工程大學出版社的《水下航行器水動力噪聲的抑制方法》，這兩部分的教學內容在學時數上按照40%∶60%的比例進行分配，刪減了《水動力噪聲理論》教材中的“空化噪聲理論”，因為艦船及水下航行器發生空化之后，氣泡潰滅產生的沖擊波會對螺旋槳的表面造成嚴重損傷，使得艦船及水下航行器的噪聲急劇增加，聲隱身性能被嚴重破壞，因此，現代的艦船及水下航行器均需要避免發生空化，故舍去“空化噪聲理論”是合理的，將刪減的學時增加至水動力噪聲控制技術方面，突出水動力噪聲控制技術的重要性。同時，在水動力噪聲控制技術知識的編排，兼顧了兩個方面：一方面是高速的流動控制技術，另一方面是低噪聲的流動控制技術，這兩個方面的結合滿足了目前對中高航速條件下艦船及水下航行器減振降噪的需求。同時，將課程內容和教材轉發至中船第702研究所的船舶振動噪聲重點實驗室和中船第701研究所的聲隱身性能重點實驗室，請研究所內資深專家把關課程內容，并根據專家反饋意見對課程內容進行更新迭代，力爭使課程內容更加符合艦船及水下航行器減振降噪的實際工程應用，使水動力噪聲產生機理和水動力噪聲控制技術的知識能夠落地。在與專家進行溝通的過程中，也使教師了解艦船及水下航行器減振降噪的發展需求，有利于開展校企之間的相互合作，加快了科研反哺教學和科研成果融入教學的過程。

（三）課程輔修、小論文撰寫和講座提高國際化水平

目前，學校大力推廣國際化工程，由此設立的南安普頓海洋工程聯合學院中有很多振動與噪聲方面的專業課程。因此，對選擇水動力噪聲特性及控制課程的學生做出下面的要求。第一，需要在南安普頓海洋工程聯合學院選擇一門由英國籍教師授課的課程作為輔修，按照與課程內容的關聯性排列：①David Thompson教授，他講授噪聲控制工程以及列車的噪聲與振動等課程，主要開展鐵路的低噪聲設計以及高速列車的氣動噪聲等方面的研究；②Timothy Leighton教授，他講授海洋聲學和生物醫學超聲等課程，側重水聲測量和生物聲學方面的研究；③Paul White教授，他講授海洋生物噪聲等課程，側重噪聲對海洋生物的影響等方面的研究。通過讓學生任選其中一門英文課程進行輔修，可以提高學生們對專業詞匯的掌握能力，因為很多專業單詞都是相通的，便于學生們后期撰寫論文。第二，需要按照教材參考書中的外文期刊進行匯總撰寫一篇小論文，或者根據本課程涉及的研究方向撰寫一篇小論文，或者根據即將召開的國際會議要求撰寫一篇小論文，小論文的撰寫水平占課程綜合成績的20%，成績優秀的學生還需做口頭匯報，給其他同學傳授撰寫小論文的經驗，通過此舉訓練學生們的表達能力。第三，邀請國際上著名大學的學者及其團隊的成員采用視頻會議的形式介紹水動力噪聲特性與控制技術的發展趨勢，例如英國南安普頓大學的超聲學和水聲學研究團隊以及加拿大阿爾伯塔大學的流體與界面研究團隊，使學生們了解國際上水聲學的發展趨勢以及如何利用超疏水材料來控制水動力噪聲等，開闊學生們的視野。

（四）公眾號視頻塑造邏輯能力和時政進行思政教育

新工科專業要求學生具有較好的數理基礎、較強的邏輯思維能力，才能使學生將所學的課程知識轉化為工程實踐，而邏輯思維能力的培養則主要依賴于人文素養的塑造。雖然學生們已學過馬克思主義的基本原理，也深入學習了哲學的基本原理，但是對于如何將哲學中的邏輯思維能力與課程知識進行融合則缺乏相應的訓練。為此，通過將今日頭條中“靜思有我”等制作的視頻鏈接發至課程群，讓學生們利用上課途中步行或其他的閑暇時間收聽收看這些精選的視頻內容，例如俄烏沖突對中國的影響、沙特與伊朗復交對中東局勢的影響等，因為今日頭條公眾號里的很多文章已制作成音視頻文件便于播放和收聽，這些文章內容的論點很新穎，關鍵在于邏輯性強，有理有據有節，便于訓練學生們的邏輯思維能力，有利于培養他們后期撰寫科研論文的能力；同時，將時政新聞制作成思政案例嵌入至PPT中，例如2021年10月美國核潛艇在南海撞山被迫上浮的事件、2023年4月美國核潛艇在霍爾木茲海峽被伊朗海軍發現和浮出水面的事件等，通過在講授課程的過程中，以案例的形式展示這些真實發生的事件，啟發學生們認識艦船及水下航行器所輻射水動力噪聲進行控制的重要性，只有可靠地降低艦船及水下航行器導流罩透聲窗的自噪聲和螺旋槳產生的流激輻射噪聲等，才可以極大地降低在水下被聲探測的概率，因此，這些思政案例一方面能夠減少學生們聽課的疲勞感，另一方面也增強了學生們的民族自信心，實現了課程的思政教育。

三教學改革的效果

（一）學生學習的主動性變化效果

通過提前將教材及結合錄音授課PPT制作的電子讀物下發給學生們的方式，能夠較好地調動學生們學習的積極性，使得他們不再是填鴨式的觀眾，特別是提前匯總學生們遇到的知識難點，極大地改善了學生們上課研討的狀態，很多學生會就某些知識點發表自己的觀點，例如水聲學方程與聲波方程之間的差別、氣動噪聲測量與水動力噪聲測量的異同點、陷窩控制流動與降低噪聲的機理等，使得課堂氛圍不再是冷冰冰的，而是充滿了溫馨和活躍的氣氛，而且即使學生們在課堂上討論的不充分，不足的地方還可通過微信群或釘釘群進行交流，使學生由“要我學”變成“我要學”，提高了學生們學習的主觀能動性，達到使學生成為課堂主人的目標，符合新工科課程體系的建設要求。

（二）課程知識內容變革后的效果

將課程內容分為水動力噪聲特性和水動力噪聲控制技術兩部分，著重增加了水動力噪聲控制技術的內容，在很大程度上突出了課程的特色，更加符合降低艦船與航行器水下噪聲的需求，尤其是在航行狀態下的水動力噪聲控制。同時，課程的內容設置得到中船系統行業內研究所資深專家的反饋和評價，動態的調整使課程內容更加符合實際工程的需要。通過將研究所專家反饋的效果介紹給學生，也改變了他們以往對中船研究所的了解只是停留在招聘簡章上的現象，使學生們真正了解了中船研究所開展的研究工作及取得的成果，一方面很好地促進了學生的就業，提高了畢業生的就業率，另一方面也明確了課程需要進一步拓展和深化的方向，使課程能夠培養船舶工程行業的科技人才，實現了課程設置由學科導向轉變為船舶產業需求導向。同時，課程內容經中船研究所的資深專家把關后，也迫使教師需要時刻關注艦船水動力噪聲方面的最新研究進展，促使教師必須具備終身學習的理念。

（三）國際化水平的改善效果

通過讓學生選擇南安普頓海洋工程聯合學院的英文課程作為輔修，訓練了學生們對專業詞匯的掌握能力，特別有利于后續小論文的撰寫；同時，通過在課程考核方式中安排小論文的撰寫，增加了他們的學業壓力，開展稿件向國際會議投稿和優秀作者分享經驗等，則可以提高學生們撰寫小論文的質量，這也在一定程度上強化了學生們的動筆能力，進一步提高了畢業論文的撰寫水平。通過邀請國外知名大學的研究學者進行線上講座的形式開闊了學生們的視野，這樣做的好處是一方面鍛煉了學生們的英語表達能力，實時的錄屏和錄播便于學生隨時進行學習和溫習，另一方面也省去了研究學者進行線下交流所帶來的倒時差和舟車勞頓之苦，使得講座和討論的過程更為輕松，大大提高了國際交流的效率。

（四）人文素養的塑造效果

通過在微信群內推送今日頭條中一些較為知名公眾號的視頻和文章等鏈接，使他們了解事件的來龍去脈，在萬千思緒中見真章的同時，也培養了學生們的邏輯思維能力。而且今日頭條的審核機制非常嚴格，所以這些視頻和推送文章傳播的均是正能量，弘揚了中華優秀傳統文化，也增強了學生們的底氣、志氣和骨氣。采用將時政新聞精選制作成的課程思政案例講解，可以再次讓學生們復習事件中涉及的水動力噪聲知識，能夠加深學生們對水動力噪聲知識的理解，思政案例講解還緩解了學生們上課的疲勞感，在不知不覺間增強了民族自豪感，使他們自覺投入到實現中華民族偉大復興中國夢的行動之中。

四教學改革效果量化方面的表現

對水動力噪聲特性及控制課程的教學大綱及培養方案等進行改革后，其效果還表現在其他方面：

第一，學生們選課的熱情大幅提高，選課人數由規定的60人，提高到118人，選課人數增加了近一倍，而且很多落選的學生也經常來教室旁聽并索要課程的相關資料。

第二，學生們的綜合成績由平均70.2分提高到89.5分，這受益于課程改革的效果。

第三，通過開展小論文撰寫，增強了學生們撰寫科技論文的意識，特別是會議論文發表快，也為他們后續保研資格加分或讀研深造奠定了基礎。

第四，課題組指導學生畢業設計的立項率由原來的不足70%提高至130%，表明通過課程改革提高了學生選擇聲學研究方向的興趣。

五結束語

針對水動力噪聲特性及控制課程存在的人才培養模式、課程內容設置、國際化方面和人文素養塑造等存在的不足，以新工科建設需求為契機，采用制作有聲電子資源和匯總知識難點等促進學生學習的主動性；以增加水動力噪聲控制技術內容占比和中船研究所專家的反饋動態調整課程的知識內容，加強課程知識與艦船及水下航行器聲隱身性能工程應用之間的聯系；以英文課程輔修和小論文撰寫以及國外專家的線上講座提高學生們的國際化水平；以公眾號文章塑造人文素養培養學生們的邏輯思維能力、以時政新聞制作的思政案例激發學生們的愛國熱忱。采用上述的這些途徑對課程進行改革，取得了較好的效果，達到了教學與科研協調互動培養新型人才的目的，提升了學生們的表達能力和創新能力，為構建“產學研用”融合的新工科教育教學體系，加快培養技術創新型領軍人才、復合型應用人才等打下了良好的基礎，研究結果還可為水下振動與噪聲控制類課程的教學改革提供一定的借鑒，具有較好的參考價值。

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