前沿科研成果融入船舶快速性課程教學(xué)探索

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科研成果的產(chǎn)出使得傳統(tǒng)教學(xué)形式和教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生重要變革。該文結(jié)合新型船舶及新型推進(jìn)方式，將前沿科學(xué)技術(shù)進(jìn)步趨勢和研究成果融入船舶快速性課程教學(xué)，立足于海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略需求，緊跟船舶海洋領(lǐng)域前沿科研發(fā)展形勢，不斷充實(shí)和完善船舶快速性教學(xué)內(nèi)容，從而使教學(xué)內(nèi)容適應(yīng)船舶行業(yè)快速發(fā)展的變化形式，將最新科研成果融入教學(xué)，豐富教學(xué)內(nèi)容，開拓學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)船舶海洋領(lǐng)域國際前沿問題的敏感性和前瞻性。

關(guān)鍵詞：船舶快速性；科研教學(xué)；海洋強(qiáng)國；課程教學(xué)；船舶行業(yè)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2024）29-0011-04

Abstract： With the continuous development of science and technology， the output of scientific and technological achievements makes the traditional teaching form and teaching content produce important changes. Combining with new type of ship and new propulsion mode， the frontier technology progress of science and technology trends and research results into Ships Rapidity course teaching， based on the strategy of sea power demand， keep up with the ship sea area frontier science and technology development situation， constantly enrich and perfect Ships Rapidity of teaching content， to adapt the teaching content to change form of shipping industry rapid development. The recent scientific research results will be integrated into the teaching， enriching the teaching content， broadening students' vision， and cultivating students' sensitivity and foresight to international frontier issues in the field of shipping and ocean.

Keywords： Ships Rapidity; scientific research teaching; sea power parameter; course teaching; shipping industry

基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“《船舶快速性》課程的多維度教學(xué)模式探究與應(yīng)用”（SJGY20210212）

第一作者簡介：王超（1981-），男，漢族，安徽碭山人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榇巴七M(jìn)性能與節(jié)能技術(shù)、冰區(qū)船舶航行性能預(yù)報(bào)及分析技術(shù)。

*通信作者：孫聰（1988-），男，漢族，遼寧瓦房店人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榇巴七M(jìn)與節(jié)能、船舶推進(jìn)器水動(dòng)力力學(xué)。

為了提高教學(xué)質(zhì)量，目前不少高校陸續(xù)推出面向21世紀(jì)的教改方案。將科研成果引入教學(xué)，實(shí)現(xiàn)科技和教育一體化進(jìn)程，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是高校的重要職責(zé)和任務(wù)，科研促進(jìn)教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量儼然成為一種教學(xué)改革趨勢。

隨著新技術(shù)、新科學(xué)、新材料的不斷產(chǎn)生和應(yīng)用，為船海學(xué)科開拓了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，原有船舶快速性課程的教學(xué)內(nèi)容和方法已不能滿足最新科技發(fā)展的需求。目前，船舶快速性課程的教學(xué)多停留在理論研究方面，與實(shí)際工程問題結(jié)合較差，忽略了用原理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，致使學(xué)生雖耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，在后續(xù)的課程中對(duì)于相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用感到困難。通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選擇和補(bǔ)充的方式及時(shí)把最新的科研成果引入課堂教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生上課的積極性。科研成果不僅能促進(jìn)精品課程的建設(shè)、教學(xué)與科研的共同發(fā)展，而且還能為學(xué)生的個(gè)性發(fā)展提供空間，起到了很好的教學(xué)效果。但目前針對(duì)船舶快速性課程的相關(guān)改革研究較少。

目前，國內(nèi)眾多院校積極開展傳統(tǒng)課程教學(xué)改革，筆者從事船舶快速性相關(guān)研究及教學(xué)多年，針對(duì)相關(guān)前沿科技成果與船舶快速性教學(xué)內(nèi)容相融合，從以下幾個(gè)方面淺談教改探索經(jīng)驗(yàn)。

一 科學(xué)成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容

習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。[1]”“雙碳”目標(biāo)一經(jīng)提出，在國際國內(nèi)得到了強(qiáng)烈響應(yīng)。據(jù)國際能源署公布數(shù)據(jù)顯示，2020年交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放量占比全世界總量24%，國際航運(yùn)業(yè)每年排放近8億噸溫室氣體[2]。我國在致力于“雙碳”目標(biāo)達(dá)成的過程中也在積極改革、不斷探索，從國家對(duì)科研方面的投入可見一斑，這也給前沿科學(xué)研究提供了更多的機(jī)會(huì)和更廣闊的平臺(tái)，也為科研成果進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容提供了基礎(chǔ)。在國民經(jīng)濟(jì)122個(gè)產(chǎn)業(yè)部門中，船舶工業(yè)涉及98個(gè)部門。船舶碳中和是我國實(shí)現(xiàn)“碳中和”不可或缺的組成部分，船舶碳中和是我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要舉措。大力發(fā)展海洋事業(yè)，大力推進(jìn)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，將相關(guān)前沿科學(xué)引入到船舶快速性教學(xué)之中，加強(qiáng)專業(yè)特色的同時(shí)，也加強(qiáng)了新時(shí)代下船舶快速性課程教學(xué)的創(chuàng)新性和前沿性。

目前，哈爾濱工程大學(xué)多體船技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的雄厚師資力量和科研設(shè)備基礎(chǔ)，對(duì)船舶前沿科學(xué)研究不斷深入，為前沿科研成果轉(zhuǎn)化為船舶快速性教學(xué)改革探索奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校創(chuàng)新性人才培養(yǎng)中有著舉足輕重的地位[3]。其中，黃德波教授對(duì)于改進(jìn)的Noblesses新細(xì)長船理論的研究成果，將由Kochin自由波幅函數(shù)和Havelock波阻表達(dá)式得出行波阻力系數(shù)表達(dá)式

以及遠(yuǎn)場自由波系的波高程數(shù)學(xué)表達(dá)式

修正后得出興波阻力系數(shù)表達(dá)式

更準(zhǔn)確地對(duì)現(xiàn)有科學(xué)研究中興波阻力系數(shù)的表達(dá)，得出更精準(zhǔn)的反饋出契合多船型的興波阻力系數(shù)。將其引入到現(xiàn)有船舶快速性教學(xué)之中，在教學(xué)過程中使得同學(xué)可以直接地學(xué)習(xí)到最新船舶快速性科研成果，接受最先進(jìn)的快速性專業(yè)知識(shí)。

二 科研方法融入到教學(xué)過程

將科研過程中遇到的問題，對(duì)問題的分析、科研的思維方式、解決問題的思路融入到教學(xué)過程中，使抽象的問題具體化，增強(qiáng)教學(xué)的深度、拓展廣度，便于理論和實(shí)踐的結(jié)合，提高教學(xué)效果。

16世紀(jì)開始，西方國家開始了大航海時(shí)代，在全球建立了無數(shù)殖民地。19世紀(jì)，全球格局基本都被西方國家的海上探險(xiǎn)隊(duì)摸清楚了，只剩下了南極和北極區(qū)域，因此，出現(xiàn)了很多南極、北極探險(xiǎn)隊(duì)。1893年，挪威探險(xiǎn)家南森在北極探險(xiǎn)時(shí)遇到了很奇怪的事情，一開始他的船“弗雷姆”號(hào)很正常地行駛在北冰洋上，突然在行駛到一塊區(qū)域時(shí)，船員感覺到船在不停地減速，好像被什么拖住了，最終停了下來，船員找不到原因，以為遇到了海怪。但是過了一陣，船又可以正常航行，南森將這段經(jīng)歷記錄了下來，并把這種現(xiàn)象稱為“死水效應(yīng)”。后來經(jīng)過科學(xué)家的研究，發(fā)現(xiàn)這和海水的密度分層有關(guān)系[4]（圖1）。

海水的密度不是常數(shù)，它隨鹽度和溫度變化，特別是在垂直方向。一般情況下，溫度高和鹽度低的海水密度小，而溫度低和鹽度高的海水密度大。在熱帶和赤道區(qū)域，這種現(xiàn)象特別明顯。

如果有風(fēng)力或引潮力等外力作用在“密度躍層”的界面上，界面就會(huì)產(chǎn)生在海面上根本看不到的波浪，即內(nèi)波。當(dāng)船只行駛到存在“密度躍層”的海上時(shí)，如果船的吃水深度等于上層水的厚度，船槳的攪動(dòng)就會(huì)使“密度躍層”產(chǎn)生內(nèi)波，內(nèi)波的運(yùn)動(dòng)方向同船前進(jìn)的方向剛好相反。如果這時(shí)船速很低，船就會(huì)被“黏”住，寸步難行。

內(nèi)波[5]是水下武器裝備作戰(zhàn)效能與生存能力有著重要影響的一類重要的非聲水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。一方面，由于海洋密度分層產(chǎn)生的內(nèi)波這種特殊水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，會(huì)使水下武器裝備出現(xiàn)內(nèi)波增阻及航行性能發(fā)生突變等問題，影響作戰(zhàn)戰(zhàn)技術(shù)性能的發(fā)揮；另一方面，水下武器裝備在密度分層海洋中航行時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)波信號(hào)容易成為機(jī)載或星載雷達(dá)跟蹤監(jiān)測的目標(biāo)，從而暴露其行蹤，降低其隱蔽性。“密度躍層”的上下界都會(huì)使聲波產(chǎn)生反彈，可以作為良好的水下“聲道”，加快聲波的傳播速度，擴(kuò)大聲音傳播的距離。1960年，澳大利亞在西南海域投下了六枚深水炸彈，爆炸聲波恰巧在水下1 200 m處的“密度躍層”內(nèi)傳播，結(jié)果，連北半球都聽到了爆炸聲（圖2）。

在授課過程中，結(jié)合科研中所遇實(shí)際問題，將對(duì)問題的發(fā)掘、分析、對(duì)科研的思維方式，以及解決問題的思路融入到教學(xué)過程中，可以使抽象的問題具體化，已達(dá)到增強(qiáng)教學(xué)的深度、拓展廣度的目的，便于理論和實(shí)踐的結(jié)合，提高教學(xué)效果。

三 將前沿科研痛點(diǎn)植入課堂教學(xué)

隨著科學(xué)研究的不斷探索，外界對(duì)我們的打壓也在不斷加深。美國已經(jīng)禁止哈工大使用MATLAB，后續(xù)其他在實(shí)體清單中的公司陸續(xù)也會(huì)被禁止使用MATLAB，不僅是MATLAB，還有更多的美國開發(fā)的軟件或者含有美國技術(shù)的軟件會(huì)被添加到禁用目錄中，這就是美國對(duì)國內(nèi)大學(xué)科學(xué)技術(shù)的打壓。美國商務(wù)部宣布將新增33家中國公司及機(jī)構(gòu)列入“實(shí)體清單”，這些高校將被美國《出口管理?xiàng)l例》限制出口、進(jìn)口或轉(zhuǎn)口，無法和美國進(jìn)行任何商業(yè)交易，在獲得美國科技方面面臨新的限制。這些高校和被列入清單的華為、中興等中國企業(yè)一樣，和美國企業(yè)之間的進(jìn)、出口業(yè)務(wù)需要美國政府的批準(zhǔn)，也就是所謂的“技術(shù)制裁”。迫于政府的壓力，MATLAB所屬公司 MathWorks 被迫中止對(duì)這些國內(nèi)高校的正版授權(quán)。這意味著學(xué)校的人員再發(fā)表論文或者從事商業(yè)項(xiàng)目，其成果原則上就不應(yīng)包含任何基于MATLAB的內(nèi)容，這對(duì)國內(nèi)相關(guān)企業(yè)和研究學(xué)者帶來的影響不可忽視。

面對(duì)技術(shù)封鎖，面對(duì)新時(shí)代、新需求，在新形勢下的授課過程中，積極引導(dǎo)同學(xué)了解前沿技術(shù)，明確技術(shù)難點(diǎn)，激發(fā)同學(xué)熱情，勇于進(jìn)行探索至關(guān)重要。注重現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[6]，將前沿科研成果融入船舶快速性教學(xué)當(dāng)中，從物理水池的試驗(yàn)技術(shù)講授上引入前沿科研“數(shù)值水池”虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)[7-8]，從國家的戰(zhàn)略需求上講授螺旋槳空泡等前沿科研問題，從傳統(tǒng)走向前沿，激發(fā)同學(xué)獲取專業(yè)知識(shí)的熱情，以達(dá)到更優(yōu)的授課效果（圖3）。

四 將前沿科研成果嵌入實(shí)驗(yàn)教學(xué)

為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和提高技能水平，創(chuàng)造條件結(jié)合科研課題，通過事先認(rèn)真準(zhǔn)備，組織學(xué)生開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。教師注重研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)[9]，與課程配套的實(shí)驗(yàn)，即螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)、船模阻力實(shí)驗(yàn)融入前沿實(shí)驗(yàn)裝置及科研過程中產(chǎn)生的前沿模型成果，與前沿理論成果相互支撐，用真刀真槍的演練，以期培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力及創(chuàng)新能力。

依托工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目“三體船水動(dòng)力性能分析預(yù)報(bào)技術(shù)研究”中的三體船水動(dòng)力性能科研實(shí)驗(yàn)，將三體船船模與其水動(dòng)力性能測試分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法反哺本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供素材；利用船模水池實(shí)驗(yàn)室精細(xì)流場PIV測試系統(tǒng)[10]，將精細(xì)流場測量方法融入到船舶快速性實(shí)驗(yàn)技術(shù)課程教學(xué)中，開拓了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的視野。船舶與海洋工程科技水平的發(fā)展，對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出更高的要求，多年致力于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法的研究，開發(fā)新的科研、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備[11-12]。總結(jié)多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，自行研制了“纜拖式船模阻力實(shí)驗(yàn)方法研究”。該方法不依賴于大型水池拖車的船模阻力實(shí)驗(yàn)方法，可使這一傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大為簡化。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)方法的研制也增加了船模拖曳水池在船模阻力實(shí)驗(yàn)方法選擇上的多樣性，已應(yīng)用于船舶快速性課程中并取得了良好效果。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備模塊化可拆換單元也為教學(xué)提供優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)教具，提高學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)船舶工程測試領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的理解能力[12]（圖4、圖5）。

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中接受科研能力的培養(yǎng)，解決實(shí)際問題的能力得到提高。通過培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力，使學(xué)生有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的思維方法，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，通過實(shí)踐深化和鞏固所學(xué)知識(shí)，為后續(xù)更為深入的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)，獲得良好的教學(xué)效果。繼續(xù)圍繞學(xué)校“培養(yǎng)具有堅(jiān)定信念與創(chuàng)新精神，視野寬、基礎(chǔ)厚、能力強(qiáng)和素質(zhì)優(yōu)的可靠有用之才”的培養(yǎng)目標(biāo)[13]。教師在課堂上將科研問題簡化用于教學(xué)，拓展教學(xué)內(nèi)容，科研促進(jìn)教學(xué)，提高了教師的教學(xué)水平[14]。學(xué)生也能將所學(xué)理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力，提高培養(yǎng)質(zhì)量。科研內(nèi)容引入船舶快速性理論的學(xué)習(xí)為學(xué)生后續(xù)的科研工作打下良好的基礎(chǔ)，提高科研能力[15]。

五 結(jié)束語

在海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的大背景下，新型船舶與推進(jìn)方式不斷涌現(xiàn)。本文針對(duì)船舶快速性課程的改革進(jìn)行研究。把握前沿科技發(fā)展形勢，針對(duì)船舶快速性教學(xué)內(nèi)容傳統(tǒng)教學(xué)形式進(jìn)行不斷充實(shí)和完善，使教學(xué)內(nèi)容緊跟船舶行業(yè)的快速發(fā)展變化。為科研成果促進(jìn)船舶快速性課程教學(xué)，將前沿科研成果融入船舶快速性課程教學(xué)中，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，在科研中的心得體會(huì)使教師能更好地指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，具有積極的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上的講話[EB/OL].http：//jhsjk.people.cn/article/31871327.

[2] 王碩.關(guān)于“雙碳”我們能做些什么？[J].中國公路，2021（19）：18-23.

[3] 祖強(qiáng)，劉加彬，孫岳明，等.大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革初析[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015，13（3）：88-90.

[4] 胡木.揭開神秘的“死水效應(yīng)”[J].發(fā)明與創(chuàng)新（綜合版），2008（11）：52.

[5] 董國華，姚朝幫，馮大奎.密度分層流中潛艇阻力性能研究[J].中國造船，2022，63（3）：40-50.

[6] 寧更新，李建中，方學(xué)陽.DSP實(shí)驗(yàn)多元化教學(xué)方法的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（7）：121-122，168.

[7] 沈泓萃，趙峰.艦船綜合航行性能虛擬試驗(yàn)環(huán)境（數(shù)值水池）頂層研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2007（2）：17-21.

[8] 馮大奎，余嘉威，張志國，等.基于HUST-Ship的船舶操縱數(shù)值水池參數(shù)建模[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，48（10）：69-74.

[9] 崔學(xué)榮，曹愛請(qǐng)，李娟，等.研究性教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（1）：176-178.

[10] GAO Q， WANG H P， SHEN G X. Review on development of volumetric particle image velocimetry[J]. Chinese Science Bulletin， 2013，58（36）：4541-4556.

[11] 伍揚(yáng).高校實(shí)驗(yàn)室開放管理機(jī)制的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（8）：178-181.

[12] 孫聰，郭春雨，馮峰.船舶與海洋工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（4）：154-157.

[13] 郭春雨，馮峰，曲先強(qiáng)，等.船舶與海洋工程國家級(jí)示范中心建設(shè)思考[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（9）：141-144，153.

[14] 姜文安，宋向榮，谷家揚(yáng).面向船舶行業(yè)的工程力學(xué)專業(yè)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2018（13）：105-106.

[15] 楊文杰.發(fā)揮校企合作優(yōu)勢 優(yōu)化船舶專業(yè)課程設(shè)計(jì)教改[J].新課程研究（中旬刊），2017（11）：85-86.