“船舶靜力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容的分析與思考

張正藝 解德 袁華 孫江龍

摘要“船舶靜力學(xué)”課程是“船舶與海洋工程（081901）”專業(yè)本科教學(xué)的基礎(chǔ)性專業(yè)核心課程。課程目的是培養(yǎng)學(xué)生完成船舶在靜力載荷或等效靜力載荷作用下的浮性與穩(wěn)性的分析能力，其內(nèi)容涉及流體靜力學(xué)、理論力學(xué)、微積分、數(shù)值方法等多個方面。為了建設(shè)新時代“船舶與海洋工程（081901）”專業(yè)的課程體系，作者對國內(nèi)設(shè)置船舶與海洋工程類高校課程教材內(nèi)容進行了對比和聚類分析，并據(jù)此確定了“船舶靜力學(xué)”課程的基本共性內(nèi)容。這些共性內(nèi)容主要包括船體幾何描述、流體靜力學(xué)、船舶浮性、船舶穩(wěn)性、船舶靜水力資料、重物的狀態(tài)改變、自由液面、進水與破艙等八個方面。在上述分析的基礎(chǔ)之上編寫的課程講義或教材，有望取得更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 船舶靜力學(xué) 課程體系建設(shè) 教學(xué)改革

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.16.028

Content System Analysis for the Course of Ship Hydrostatics and Stability

ZHANG Zhengyi[1][2][3]， XIE De[1][2][3]， YUAN Hua[1][2][3]， SUN Jianglong[1][2][3]

（[1]School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan， Hubei 430074；

[2]Hubei Provincial Engineering Research Center of Data Techniques and Supporting Software for Ships（DTSSS）， Wuhan， Hubei 430074

[3]CollaborationInnovationCenterforAdvancedShipandDeep-SeaExploration（CISSE），Shanghai200240）

AbstractThe course of ship hydrostatics and stability is a basic and core course of undergraduate program of Naval ArchitectureandOceanEngineering（081901）.Theaimofthiscourseistotraintheundergraduatestudentstohavethecapability to accomplish the hydrostatic analysis of ship under static or equivalent static loads， which mainly involves the knowledge of hydrostatics， theoretical mechanics， calculus， andnumerical methods， andso on. Inordertoconstructthe curriculum system in thenewerafortheundergraduateprogram of“Naval ArchitectureandOcean Engineering（081901）”，the authorscompare the textbooks adopted by the domestic universities， and make a cluster analysis to determine the basic common contents of this course.Thesecommoncontentsmainlyincludedescriptionofhullgeometry，basichydrostatics，shiphydrostatics，intactstability， hydrostaticdata， changes ofmass loads， free surface of water， and floodingand damage condition.The textbookwritten based ontheabove analysisisexpectedtohaveapositiveimpacton theteaching effectivenessofthecourse.

KeywordsShip Hydrostatics and Stability； construction of the curriculum system； teaching reform

1課程的基本特征

毋庸置疑，“船舶與海洋工程（081901）”本科專業(yè)的人才培養(yǎng)是實現(xiàn)“海洋強國”戰(zhàn)略目標的重要支撐力量。[1]

在船舶與海洋本科教學(xué)中，“船舶靜力學(xué)”課程具有“承前啟后”的基本特征。所謂“承前”，就是“船舶靜力學(xué)”是流體力學(xué)、理論力學(xué)、微積分、數(shù)值方法等工科類本科通識類知識在解決船舶與海洋工程專業(yè)類問題時的首次應(yīng)用。展開“船舶靜力學(xué)”的教學(xué)工作，是學(xué)生理論知識與實踐有利于學(xué)生掌握船舶在靜止時的基本規(guī)律。所謂“啟后”，就是“船舶靜力學(xué)”不可避免的引入了大量表征船舶幾何特征和狀態(tài)特征的專業(yè)術(shù)語和專業(yè)概念，例如船體的主尺度、船形系數(shù)、尺度比、干舷、橫傾和縱傾、破艙等。這些專業(yè)術(shù)語和概念是后續(xù)“船舶阻力”“船舶推進”“船舶操縱性”“船舶耐波性”等船舶與海洋工程專業(yè)課程的重要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。因此，設(shè)置船舶與海洋工程本科專業(yè)的高等院校，通常會把“船舶靜力學(xué)”作為基礎(chǔ)性的專業(yè)核心課程。

“船舶靜力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，應(yīng)當(dāng)有助于學(xué)生掌握船舶靜力學(xué)的基本內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)生以流體靜力學(xué)為基礎(chǔ)、以靜置狀態(tài)下的船舶剛體為分析對象、完成船舶在靜力載荷或等效靜力載荷（包括內(nèi)/外表面的靜水壓力、重力，風(fēng)載荷等載荷）作用下的受力狀態(tài)分析和靜平衡/動平衡狀態(tài)分析的能力，從而使得所設(shè)計的船舶有較為可靠的靜水力性能，滿足最基本的安全性要求，可為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。

本文在分析國內(nèi)已有教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出了“船舶靜力學(xué)”課程所涉及的基本共性內(nèi)容及其相應(yīng)的知識點，從而形成“船舶靜力學(xué)”課程的基本知識架構(gòu)。

2課程的內(nèi)容分析

我國出版的《船舶靜力學(xué)》教材最早可以追溯到20世紀五六十年代。典型代表有劉雍編著的《船舶原理及構(gòu)造淺說》（1957年出版）[2]、楊槱、劉靜編著的《船舶靜力學(xué)》[3]（1963年出版）。從此開始，形成了船舶靜力學(xué)課程教材的兩種編寫模式。一是將船舶靜力學(xué)的內(nèi)容作為《船舶原理》教材中的一部分，二是獨立編寫成《船舶靜力學(xué)》教材。

基于以下兩點選擇有關(guān)船舶靜力學(xué)課程教材作為分析對象：（1）2000年以后正式出版，（2）本科生為教學(xué)對象。

表1給出了基于上述原則所選擇的與“船舶靜力學(xué)”課程有關(guān)的主要教材的基本信息及其內(nèi)容設(shè)置。這些教材都是以水面船舶為主要分析對象。作者的單位來自上海交通大學(xué)、海軍工程大學(xué)、大連海事大學(xué)、上海海事大學(xué)、廣州航海學(xué)院。這些高等院校是目前我國“船舶與海洋工程”本科生培養(yǎng)的重要力量。因此，所列出的教材具有代表性。

在靜力載荷或等效靜力載荷的作用下，漂浮于靜水中的靜置船舶會呈現(xiàn)出一系列內(nèi)在的特征和規(guī)律?；诹黧w靜力學(xué)，可以將這些內(nèi)在特征和規(guī)律進行歸納、總結(jié)，從而形成一系列船舶設(shè)計、建造和營運過程中所關(guān)注的與船舶靜力學(xué)相關(guān)的基本共性問題。因此，“船舶靜力學(xué)”課程也應(yīng)當(dāng)具有其內(nèi)在的共性內(nèi)容，參見表2。

表2是在對表1進行聚類分析的基礎(chǔ)上得到的。

表2清晰的表明：船舶靜力學(xué)的共性內(nèi)容有五個，即船體的幾何描述、船舶浮性、船舶初穩(wěn)性、船舶大傾角穩(wěn)性、船舶抗沉性。

其中，船體的幾何描述，對描述船體的基本術(shù)語和定義船體形狀的基本方法作出介紹，顯然是必要的；船舶浮性，基于船體漂浮于水面時的平衡條件，分析船舶在一定裝載情況下是否具備漂浮于一定水面位置的能力；船舶初穩(wěn)性，基于小傾角假設(shè)，分析船舶在小傾角時回復(fù)到初始位置的能力；船舶大傾角穩(wěn)性，分析船舶在大傾角時回復(fù)到初始位置的能力；船舶抗沉性，分析船舶在給定破損條件下的浮性與穩(wěn)性，以及如何劃分船舶艙室使得船舶能夠在典型破艙進水時仍然具備足夠的浮性與穩(wěn)性。

表2還表明：船舶類型、船體計算的近似方法、吃水差、潛艇浮性與穩(wěn)性、船舶/艦船下水計算等特色內(nèi)容在各本教材中有不同程度的體現(xiàn)。其中，有關(guān)船舶類型方面的內(nèi)容，在有關(guān)船舶與海洋工程導(dǎo)論的課程中有詳細的介紹，可在船體的幾何描述中作簡要介紹；有關(guān)船體計算的近似方法，實際上就是一重或多重積分的數(shù)值計算方法，可在附錄中進行介紹，也可直接參考相關(guān)的數(shù)值方法課程，而不必作為船舶靜力學(xué)的共性問題之一來進行講解；有關(guān)吃水差的內(nèi)容是對給定裝載情況下船舶浮態(tài)的求解，可作為船舶浮性的一部分來進行講解；有關(guān)潛艇浮性與穩(wěn)性，應(yīng)當(dāng)開設(shè)專門的課程予以講授；有關(guān)船舶/艦船下水計算，在有關(guān)船舶建造工藝的課程中有詳細的介紹，也可以結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容作為專題予以講解。

3課程的架構(gòu)思考

在表2分析得出五個共性內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對其包含的知識點進行梳理，得到共計36個知識點?；谶@些知識點的內(nèi)在聯(lián)系和區(qū)別，通過進一步的聚類分析對其進行分類，得到8類共性內(nèi)容，從而形成“船舶靜力學(xué)”課程的基本知識架構(gòu)，見表3。

在船體幾何描述方面，設(shè)置了5個知識點，著重介紹船舶主尺度、船舶尺度比、船型系數(shù)、船舶坐標系、型線圖，等。

在流體靜力學(xué)方面，設(shè)置了4個知識點，著重介紹流體靜力學(xué)基礎(chǔ)、阿基米德原理、浮體在靜水中的平衡條件、浮體的穩(wěn)定性模型，等。

在船舶浮性方面，設(shè)置了6個知識點，著重介紹船舶的浮性、船舶重量與重心的計算方法、船舶正浮時的排水量與浮心位置的計算方法、船舶縱傾時的排水量與浮心位置的計算方法、船舶浮態(tài)的計算方法、法規(guī)與規(guī)范對船舶浮性的基本要求，等。

在船舶穩(wěn)性方面，設(shè)置了6個知識點，著重介紹船舶的穩(wěn)性、船舶傾覆力矩的計算方法、船舶小傾角時的穩(wěn)性高的計算方法、船舶大傾角時的穩(wěn)性橫截曲線的計算方法、船舶大傾角時的靜穩(wěn)性曲線的計算方法、法規(guī)與規(guī)范對船舶穩(wěn)性的基本要求，等。

在船舶靜水力資料方面，設(shè)置了5個知識點，著重介紹船舶靜水力曲線、船舶靜穩(wěn)性曲線、邦金曲線、船體外水密度改變、傾斜試驗，等。

在重物的狀態(tài)改變方面，設(shè)置了3個知識點，著重介紹移動重物的影響、裝卸重物的影響、懸掛重物的影響，等。

在自由液面方面，設(shè)置了2個知識點，著重介紹自由液面對初穩(wěn)性的影響、自由液面對大傾角穩(wěn)性的影響，等。

在進水與破艙方面，設(shè)置了5個知識點，著重介紹破艙分類及滲透率、破艙穩(wěn)性的兩種計算方法、可浸長度的計算、船舶抗沉性的校核方法、典型破艙穩(wěn)性法規(guī)與規(guī)范，等。

4結(jié)語

“船舶靜力學(xué)”課程，是人們對船舶在靜水中的浮性與穩(wěn)性問題進行科學(xué)分析的成果總結(jié)。本文通過分析表明，船體幾何描述、流體靜力學(xué)、船舶浮性、船舶穩(wěn)性、船舶靜水力資料、重物的狀態(tài)改變、自由液面、進水與破艙，構(gòu)成了“船舶靜力學(xué)”課程的主要共性內(nèi)容，并明確了其包含的36個知識點。作者認為，“船舶靜力學(xué)”課程的共性內(nèi)容將會長期保持穩(wěn)定，而知識點的內(nèi)容將會隨著科學(xué)研究的進步而與時俱進。

本文的工作獲得了華中科技大學(xué)教學(xué)研究項目專項項目《新時代“船舶與海洋工程”專業(yè)本科課程體系研究》（項目編號2019006）資助，特此致謝

參考文獻

[1]解德，袁華，孫江龍，等.教學(xué)和科研是一流高校學(xué)科建設(shè)的兩項根本任務(wù).產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2021，20（6）：271-272.

[2]劉墉.船舶原理及構(gòu)造淺說[M].上海：科學(xué)技術(shù)出版社，1957.

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