仿真系統(tǒng)在“船舶靜力學”課程教學中的應用研究

［摘要］針對當前船舶與海洋工程專業(yè)本科教育“船舶靜力學”課程教學中存在的現(xiàn)實問題，探索將NAPA仿真系統(tǒng)全面融入課程教學的方法，充分利用NAPA仿真系統(tǒng)在流程化、可視化、智能化等方面的優(yōu)勢，輔助解決當前“船舶靜力學”課程教學中存在的問題，從三維仿真、流程仿真、數(shù)值仿真三個方面提出教學改進措施，為“船舶靜力學”及同類課程的建設提供參考價值。［關鍵詞］船舶靜力學；仿真系統(tǒng)；教學改進“船舶靜力學”課程是船舶與海洋工程專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎課程，課程依據(jù)船舶與海洋工程專業(yè)本科生能力、素質要求，突出船舶浮性、穩(wěn)性及抗沉性的基本理論、關鍵知識，注重船舶浮性、穩(wěn)性及抗沉性的工程應用，培養(yǎng)學生運用理論知識分析解決船舶與海洋工程實踐問題的思想和能力，是該專業(yè)學生認識艦船知識、獻身船海事業(yè)的重要一環(huán)，對學生科學素質及學習創(chuàng)新素質的養(yǎng)成意義重大[1]。當前，國內高校以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，大力推進教育教學改革，傳統(tǒng)的教學模式顯然已無法適應新時代、新階段提出的新要求。為更好地開展“船舶靜力學”課程教學，本文探索將NAPA仿真系統(tǒng)全面融入課程教學的方法，在分析“船舶靜力學”課程教學現(xiàn)狀的基礎上，基于對NAPA仿真系統(tǒng)的理解以及對課程內容的深入剖析，從三維仿真、流程仿真、數(shù)值仿真三個方面提出教學改進措施，為“船舶靜力學”及同類課程的建設提供參考。一、“船舶靜力學”課程教學現(xiàn)狀（一）傳統(tǒng)模式多，現(xiàn)代手段少，抽象問題難以形象化“船舶靜力學”課程作為船舶與海洋工程專業(yè)本科生較早接觸的船舶類專業(yè)課程，對學生“初識船舶”以及“船舶思維”的養(yǎng)成意義重大。在近兩年教學實踐中發(fā)現(xiàn)，學生在本課程開課時普遍沒有接觸過船舶，對船舶尚未建立起直觀的感受及基本的認識，這種“對船舶不了解”的現(xiàn)象直接增加了學生對“船舶靜力學”課程的接受難度，尤其體現(xiàn)在學生對抽象問題的理解上。由于船舶本身是一個龐大的三維系統(tǒng)工程，船體結構錯綜復雜，以二維平面為主的傳統(tǒng)教學模式難以對船舶特點進行直觀有效的表達。在以往的教學中，教師往往以一名有船上工作經歷的人員的視角審視教學內容及理論難度，忽視了學生對船舶的實際認知基礎，造成了教與學之間的矛盾，對教學效果產生了不良影響。據(jù)課后調查發(fā)現(xiàn)，學生普遍認為知識過于抽象、難以理解，迫切希望教師采用更為直觀、形象的教學方法。傳統(tǒng)的教學模式難以滿足學生的要求，因此，借助現(xiàn)代化手段改進教學方法迫在眉睫。（二）碎片知識多，全局串聯(lián)少，課程內容難以體系化“船舶靜力學”課程以船舶浮性、穩(wěn)性及抗沉性的基本理論、關鍵知識為主要研究內容，在船舶工程設計實踐中應用廣泛、地位顯著，浮性、穩(wěn)性及抗沉性等內容聯(lián)系緊密、循序漸進。然而，在目前的院校教學中，本課程在內容設置上存在知識體系碎片化的問題，與實際船舶工程設計實踐背道而馳。主要體現(xiàn)在：一是知識點之間的聯(lián)系缺少有效的闡述，學生疲于推導記憶各類公式、原理，卻對各知識點之間的邏輯關系缺乏認知，難以將零散的知識點串聯(lián)成完整的知識體系。二是各章節(jié)之間缺少必要的銜接，從整個課程的角度看，學生容易產生各章節(jié)各自為戰(zhàn)、另起爐灶的錯覺，由此導致學生無法從整個課程的視角出發(fā)去理解各章節(jié)的內容，自然無法準確理解各章節(jié)在整個課程中的定位和作用，一定程度上造成了“一葉障目，不見泰山”的后果。（三）教師講授多，學生實踐少，工程理論難以應用化“船舶靜力學”課程從本質上而言是一門工程實踐性較強的課程，課程中的船舶浮性、穩(wěn)性及抗沉性等知識與實際船舶設計任務緊密相關。然而，傳統(tǒng)的教學模式以教師講授、學生聽講為主，這種教學模式顯然與課程本身的實踐性特點背道而馳。通過課后調研發(fā)現(xiàn)，學生普遍存在以下兩個問題：一是機械性地記憶理論和公式，但不懂得理論和公式到底有什么用、怎么用。二是從整個課程的角度而言，學生無法真正領會學習本門課的目的，在課程學習結束后，大部分學生無法準確描述本課程在船舶工程實踐中的作用和意義。近些年，一些教師通過增加學生的實作環(huán)節(jié)，探索將課程內容實踐化的方法，但通過調查發(fā)現(xiàn)，大部分教師僅是指導學生利用EXCEL表格計算穩(wěn)性參數(shù)、利用CAD繪制靜水力圖等方式進行實作，上述方法在實際工程實踐中早已被船舶仿真系統(tǒng)所替代，學生掌握這種“過時”的方法顯然與現(xiàn)代高等教育理念相悖，因此，如何瞄準最新的理論成果組織實作教學，如何真正實現(xiàn)工程理論的應用化是目前“船舶靜力學”課程教學亟待解決的問題。二、NAPA仿真系統(tǒng)功能NAPA（theNavalArchitecturalPackage）是一款專用的船舶設計仿真系統(tǒng)，得益于其強大、可靠的仿真設計功能，目前已被全球廣大船舶研究所、設計院和船廠使用并作為穩(wěn)性計算與校核的主要工具。NAPA仿真系統(tǒng)由27個模塊組成，主要功能包括：（一）型線設計NAPA仿真系統(tǒng)的型線設計功能主要采用點點過線的形式，同時依靠角度和邊界條件對曲線進行控制，用戶首先通過特征點定義出特征線，繼而通過填充橫剖線、縱剖線及水線，得到初步的型線，最后依托hullsurfaceeditor模塊對型線進行調整以滿足設計要求。（二）船舶三維建模NAPA仿真系統(tǒng)的三維建模功能可通過主程序和NAPAdesigner兩種途徑實現(xiàn)。其中，NAPAdesigner依靠其更加優(yōu)秀的可視化功能得到越來越多用戶的青睞。在NAPAdesigner中，用戶可以進行艙室建模、剖面分析、總布置設計等。（三）裝載計算NAPA仿真系統(tǒng)的裝載計算功能通過ld命令完成。在裝載計算中，用戶需要首先定義空船重量，空船重量由各理論站間的各項重量累加得到，這也是繪制空船重量分布曲線的依據(jù)。在空船重量定義完畢后，可根據(jù)船舶特點及使用要求定義典型裝載工況，在此過程中需要注意調整船舶浮態(tài)以滿足相關要求，在裝載工況定義完畢后可導出各個工況下的裝載狀態(tài)。（四）完整穩(wěn)性計算NAPA仿真系統(tǒng)的完整穩(wěn)性計算功能是在裝載計算的基礎上完成的，在裝載工況定義完畢后，用戶需要定義船舶所需滿足的穩(wěn)性衡準，NAPA仿真系統(tǒng)已將常見的衡準內置到系統(tǒng)中，用戶只需要調用即可，但對于部分特殊衡準，則需要用戶自行定義。在完整穩(wěn)性計算完畢后，若結果不滿足相關要求，用戶需要根據(jù)計算結果對船舶設計方案進行調整，這種調整通常是裝載工況的調整，有時也可能是船舶主尺度及外形的調整，通常這個過程需要重復多次才能最終滿足要求。（五）破損穩(wěn)性計算NAPA仿真系統(tǒng)的破損穩(wěn)性計算功能同樣是在裝載計算的基礎上完成的，破損穩(wěn)性計算又可以分為確定法破損和概率法破損兩種。確定法破損穩(wěn)性計算要求用戶自行定義破損工況，即每種工況下發(fā)生破損的艙室情況，繼而計算所有工況是否滿足衡準要求，確定法破損穩(wěn)性計算規(guī)定必須所有工況都滿足要求才認為方案可行。概率法破損穩(wěn)性計算是內置在專門的模塊中，用戶不需要自行定義破損工況，只需根據(jù)要求定義一系列船舶特征，系統(tǒng)會根據(jù)這些特征值計算出船舶所能達到的分艙指數(shù)A，然后用A與規(guī)范要求的分艙指數(shù)R進行對比，當A≥R時，即認為船舶滿足要求。相比于確定法破損穩(wěn)性計算，概率法破損穩(wěn)性計算基于船舶破損事故統(tǒng)計，考慮了破損的不確定性，更加符合實際情況[2]。NAPA仿真系統(tǒng)完整地涵蓋了“船舶靜力學”課程的主要研究內容，系統(tǒng)功能與課程內容的一致性為系統(tǒng)在教學中的應用提供了必要的基礎。三、NAPA仿真系統(tǒng)融入“船舶靜力學”課程教學的方法（一）三維仿真：實現(xiàn)抽象問題形象化抽象問題形象化是目前廣泛被采用的行之有效的教學手段。船舶作為典型的三維系統(tǒng)工程，結構復雜，傳統(tǒng)的以二維平面為主的教學方法難以有效地對船舶特點進行表達，特別是對首次接觸船舶的學生而言，尚未形成對船舶基本概念及形式的正確認知，如果一味地采用二維方法解釋三維問題，那么“二維船舶”的思想就會在學生心里根深蒂固，從而嚴重影響學生對船舶的正確理解。為有效解決這個問題，將NAPA仿真系統(tǒng)的三維仿真功能充分引入課程教學中，主要在以下兩個方面發(fā)揮作用。1．在船體外形及特征參數(shù)的講授方面，傳統(tǒng)的教學模式通常采用二維平面圖、動圖為主的形式進行展示來輔助教學，這種形式往往需要學生具備一定的三維空間想象力，而且需要建立在對船舶有一定的基本認識的基礎上。隨著多媒體技術的發(fā)展，教師開始嘗試采用視頻展示的方式，取得了較好的效果，但通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，不管是二維平面圖、動圖還是視頻的方法，都無法實時根據(jù)學生的需求、問題進行有針對性的展示，將NAPA仿真系統(tǒng)的三維仿真功能引入課堂可以很好地解決這些問題。依托三維仿真功能，教師可以在課堂上實現(xiàn)對船舶三維模型的任意旋轉、剖切、投影等，學生在課堂上提出自己的問題，教師實時根據(jù)學生的問題進行相應的操作來輔助教學，使學生始終處于身臨其境的感覺下，從而顯著地提高課堂效率。從課程內容上，這種教學方法在船體主尺度、船型系數(shù)、幾何特征，尤其是在型線圖的教學中可以發(fā)揮顯著作用[3]。2．在船舶穩(wěn)性、抗沉性內容的講授方面，傳統(tǒng)的教學模式通常采用示意圖配合公式推導的形式進行講授，并不能直觀地反映船舶運動的完整過程，NAPA仿真系統(tǒng)的三維仿真功能可以實現(xiàn)對船舶往復運動、船舶進水后狀態(tài)的動態(tài)演示，教師在教學中可以根據(jù)課程需要，將重心、浮心等重要參數(shù)內置在三維模型中，船舶的運動可以帶動相關參數(shù)的運動，在這個過程中，教師有針對性地進行原理的講解，使抽象復雜問題形象化，學生不再是機械性地記憶各個公式，而是通過在腦海中復現(xiàn)整個動態(tài)運動過程，將文字、公式記憶轉化為圖像、動畫記憶，學生記憶起來不僅更加順暢，而且更加牢固，從而大大提高學生的學習效率。（二）流程仿真：實現(xiàn)課程內容體系化“船舶靜力學”課程以船舶浮性、穩(wěn)性及抗沉性為主要研究內容，在實際工程實踐中，船舶浮性、穩(wěn)性及抗沉性等內容彼此之間聯(lián)系緊密、循序漸進，共同構成船舶完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性校核體系。然而，目前“船舶靜力學”課程教學呈現(xiàn)出課程內容碎片化的顯著矛盾，學生無法正確理解整個課程的邏輯架構以及各章節(jié)之間的銜接關系，導致授課效果遠遠低于預期。為了有效解決這一問題，將NAPA仿真系統(tǒng)的流程仿真功能引入課堂，通過將“船舶靜力學”課程主要內容與仿真系統(tǒng)的流程仿真“對號入座”，使課程內容與工程實踐相對應，從而實現(xiàn)課程內容的體系化構建。具體而言，NAPA流程仿真主要包括五個階段，分別是三維模型構建、靜水力曲線及邦戎曲線計算、典型工況配載、完整穩(wěn)性計算、破損工況選取及破損穩(wěn)性計算。課程內容融入流程仿真的方法如下：1.三維模型構建。本流程主要涵蓋課程內容中船舶主尺度、船型系數(shù)、型線圖等。在這個過程中，學生通過經歷三維模型的構建過程，體會船舶主尺度、船型系數(shù)、型線圖的具體概念及內涵，有效地將上述知識點進行內部串聯(lián)。2.靜水力曲線及邦戎曲線計算。本流程主要涵蓋課程內容中船體計算的數(shù)值積分法、浮性、靜水力曲線等。在這個過程中，學生利用船體計算的數(shù)值積分法完成邦戎曲線及靜水力曲線的計算，經歷數(shù)值積分法的具體應用，實現(xiàn)與前序章節(jié)內容的銜接；通過經歷邦戎曲線及靜水力曲線計算過程，理解上述曲線在船舶穩(wěn)性計算中的作用，從而實現(xiàn)與后續(xù)章節(jié)內容的銜接。3.典型工況配載。本流程主要涵蓋課程內容中船舶重量和重心位置的計算、排水量和浮心位置的計算等。在這個過程中，學生通過經歷工況配載過程，理解艦船穩(wěn)性與裝載工況的對應關系，從而實現(xiàn)浮性章節(jié)與穩(wěn)性章節(jié)的銜接。4.完整穩(wěn)性計算。本流程主要涵蓋課程內容中初穩(wěn)性章節(jié)及大角穩(wěn)性章節(jié)。在這個過程中，學生通過經歷整個完整穩(wěn)性計算過程，體會工程實踐中完整穩(wěn)性的實際校核方法，通過對校核結果的對比分析，體會重量移動、自由液面對穩(wěn)性的影響，從而實現(xiàn)初穩(wěn)性章節(jié)與大角穩(wěn)性章節(jié)的銜接。5.破損工況選取及破損穩(wěn)性計算。本流程主要涵蓋課程內容中抗沉性章節(jié)。在這個過程中，學生通過經歷整個破損穩(wěn)性（抗沉性）計算過程，體會工程實踐中破損穩(wěn)性（抗沉性）的實際校核方法，理解破損穩(wěn)性（抗沉性）與工況配載、完整穩(wěn)性之間的關系，有效地將抗沉性章節(jié)與初穩(wěn)性、大角穩(wěn)性章節(jié)進行串聯(lián)。（三）數(shù)值仿真：實現(xiàn)工程理論應用化實踐是檢驗真理的唯一標準。高等教育不應該是閉門造車的教育，教育最終還要落實到實踐上?！按办o力學”課程本身是一門工程實踐性較強的課程，課程與實際工程實踐緊密相關，而目前的教學模式卻與課程本身的實踐性特點背道而馳。為了解決這一問題，將NAPA仿真系統(tǒng)的數(shù)值仿真功能引入課堂，課程整體采用任務驅動教學法[4]，具體實施過程如下：1.設置課程總任務?！袄肗APA仿真系統(tǒng)對X船舶進行完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性計算”。確定課程總組織形式：（1）學生分組協(xié)作。（2）教師課前布置學習任務、學生進行自學。（3）課堂上以問題答疑、分組交流及討論為主。2.在課程之初，教師首先講授“利用NAPA仿真系統(tǒng)進行完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性計算的具體過程”（即五個階段）。3.設置課程分任務1：“完成三維建模”。教師講授利用NAPA仿真系統(tǒng)進行三維建模的基本方法，學生根據(jù)要求進行三維模型的構建，在這個過程中，學生以小組為單位，自主安排分工協(xié)作方式，通過小組討論和研究的方式解決問題。在模型構建完成后，學生對照模型，準確識別出主尺度、船型系數(shù)，通過對模型進行三維剖切，直觀感受型線圖的生成過程及內涵，教師針對整個建模過程中學生的表現(xiàn)進行點評，在知識層面，教師主要對主尺度、船型系數(shù)、型線圖的具體工程應用進行講解。整個過程注意兩點：一是三維模型的選擇應該盡量簡單化，避免學生建?；ㄙM大量時間。二是教師應及時發(fā)現(xiàn)共性問題，進行統(tǒng)一講解，保證各小組能夠按計劃有序完成任務。4.設置課堂分任務2：“靜水力曲線及邦戎曲線計算”。在三維建模完成后，需要繪制靜水力曲線及邦戎曲線，本任務不需要學生進行太多系統(tǒng)操作，重點在于考察學生對靜水力曲線及邦戎曲線計算生成方式、概念形式以及使用方法的理解。課堂組織上采用小組匯報的方式，以小組為單位分別匯報本小組對曲線的理解，教師根據(jù)匯報情況進行必要的引導和補充。5.設置課堂分任務3：“典型工況配載”。工況配載是穩(wěn)性校核的基礎，在本任務執(zhí)行過程中，學生通過經歷工況配載過程，理解典型工況的含義。在具體組織形式上，為了提高課堂效率，每個小組分別完成一個工況，完成之后，每兩個小組對比討論不同工況之間的差別，總結規(guī)律，最后，所有小組將工況配載結果進行匯總，分析討論典型工況的設置原則及合理性，教師根據(jù)討論情況進行必要的引導和補充。6.設置課堂分任務4：“完整穩(wěn)性計算”。本任務中，涉及的要點主要包括工況的選取、穩(wěn)性