實(shí)海域船舶測試融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

趙大剛， 何 騫， 張佐天， 郭春雨

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

教學(xué)與科研是高校的兩項(xiàng)最重要的社會(huì)功能，提高質(zhì)量是其發(fā)展的核心任務(wù)［1-2］。然而高質(zhì)量人才的培養(yǎng)必須與高水平的科學(xué)研究緊密結(jié)合，因此如何正確地處理好科學(xué)研究與教學(xué)實(shí)踐的關(guān)系、構(gòu)建緊密型穩(wěn)定的教學(xué)和科研融合協(xié)調(diào)機(jī)制，對(duì)于高校教育顯得非常重要。教學(xué)中又分理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)側(cè)面，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)“21世紀(jì)創(chuàng)新人才”有著理論課不可代替的作用［3-5］。

船舶與海洋工程作為我校“三海一核”主干學(xué)科之一，船舶快速性實(shí)驗(yàn)課是船舶海洋工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課程，也是本科期間的第1門實(shí)踐性課程，對(duì)于培養(yǎng)大學(xué)生的思維及動(dòng)手能力有著極其重要的作用?，F(xiàn)有的船舶快速性實(shí)驗(yàn)課程包括船模靜水阻力實(shí)驗(yàn)和螺旋槳敞水試驗(yàn)，都是只單獨(dú)針對(duì)船體或螺旋槳進(jìn)行的，缺少針對(duì)船、槳整體的船模自航試驗(yàn)課程［6-8］。船模自航儀是船模自航實(shí)驗(yàn)中重要的測量儀器，對(duì)表征船舶快速性、研究船槳匹配有著至關(guān)重要的作用，而實(shí)際海域測試中所用自航儀又是其精髓，將其小型化后投入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有助于船舶快速性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)。實(shí)海域測試技術(shù)和當(dāng)前的拖曳水池船模實(shí)驗(yàn)大有不同，構(gòu)建實(shí)海域船舶航行性能測試技術(shù)知識(shí)體系，讓學(xué)生貼近實(shí)際海試已成為船舶快速性實(shí)驗(yàn)教學(xué)新趨勢(shì)。因此，構(gòu)建新型船舶性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將科研融入教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)船舶快速性這門課程有更全面的了解，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的理解與認(rèn)知，獲得更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，是培養(yǎng)新時(shí)代綜合性人才的新方向。

1 新型船舶性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的組成

新型船舶性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建包括斷軸式自航儀小型化，實(shí)海域船舶航行性能測試技術(shù)知識(shí)體系構(gòu)建研究和船舶快速性實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)體系重構(gòu)研究三方面的內(nèi)容。

1.1 斷軸式自航儀小型化

船模自航儀是船模自航實(shí)驗(yàn)中重要的測量儀器，用于測量船模自航實(shí)驗(yàn)時(shí)的螺旋槳推力和扭矩，對(duì)表征船舶快速性、研究船槳匹配有著至關(guān)重要的作用。圖1所示為實(shí)海域測試用自航儀三維圖。以往的自航試驗(yàn)中，測量螺旋槳的推力及扭矩所使用的都是傳統(tǒng)的“黑匣子”式螺旋槳自航儀。實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生只能連接其前后聯(lián)軸器，對(duì)設(shè)備內(nèi)測量結(jié)構(gòu)沒有直觀認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的自航儀采用集合式應(yīng)變結(jié)構(gòu)，推力、扭矩兩信號(hào)之間存在串?dāng)_，同時(shí)我國尚無矩陣標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)，因此該集合式應(yīng)變結(jié)構(gòu)暫無法準(zhǔn)確解構(gòu)螺旋槳的推力及扭矩。

圖1 實(shí)海域測試用自航儀三維圖

本研究將在實(shí)海域大尺度船模上使用的斷軸式自航儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)重構(gòu)，使其小型化（見圖2），應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室小尺度模型上實(shí)現(xiàn)螺旋槳推力和扭矩的高精度測量，然后投入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。有別于傳統(tǒng)的“黑匣子”式螺旋槳自航儀，模塊化可拆換單元可為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)教具，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力以及實(shí)驗(yàn)興趣的同時(shí)，既增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，又可提高學(xué)生的創(chuàng)新精神。這種分離式測量系統(tǒng)的采用將扭矩及推力拆分測量，解決了特定情況下此二維力傳感系統(tǒng)的串?dāng)_問題。

圖2 小型化斷軸式自航儀三維圖

1.2 實(shí)海域船舶航行性能測試技術(shù)知識(shí)體系構(gòu)建

實(shí)海域船舶航行性能測試技術(shù)知識(shí)體系構(gòu)建通過梳理、總結(jié)本校實(shí)海域大尺度船模航行性能測試科研項(xiàng)目的成果，包括大尺度模型加工設(shè)計(jì)、海試試驗(yàn)方案論證設(shè)計(jì)、設(shè)備集成控制、設(shè)備安裝調(diào)試、海試保障系統(tǒng)建立、海試突發(fā)情況處理、快速性、耐波性、操縱性的測量方法等，編寫教學(xué)案例，形成一套適合于本科實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的知識(shí)體系［9-11］。

在實(shí)海域中航行的船舶，其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)（6個(gè)自由度）、海洋環(huán)境（風(fēng)、浪、流、水的密度）、波浪形式等都較拖曳水池中的船模有很大不同。而拖曳水池中的船模試驗(yàn)是在較理想的狀態(tài)下進(jìn)行的，這其中還存在著由模型尺度引起的尺度效應(yīng)問題以及由水池池壁引起的阻塞效應(yīng)問題，這些問題都使模型試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)的船舶航行數(shù)據(jù)有一定出入［12-13］。因此，將實(shí)海域船舶航行性能測試這一科研案例融入本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為學(xué)生講授在真實(shí)的海洋環(huán)境中，如何有效地利用測試獲得船舶的航行性能數(shù)據(jù)，包括大尺度船模的加工設(shè)計(jì)、海試試驗(yàn)方案的論證設(shè)計(jì)、設(shè)備集成控制、設(shè)備安裝調(diào)試、海試保障系統(tǒng)建立、海試突發(fā)情況的處理等。這樣，讓學(xué)生接觸前沿科研內(nèi)容，拓展學(xué)生的專業(yè)知識(shí)面，使學(xué)生了解船舶在真實(shí)的海洋環(huán)境中的航行狀態(tài)及測試方法，幫助學(xué)生理解物理水池與真實(shí)海洋的異同，更深刻地理解尺度效應(yīng)問題［14-16］。

1.3 船舶快速性實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)體系的重構(gòu)

在船舶快速性現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，增加船模自航試驗(yàn)內(nèi)容，重新構(gòu)建滿足教學(xué)大綱要求，符合學(xué)生培養(yǎng)方案的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)知識(shí)體系。

2 新型船舶性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)與實(shí)施方案

為船舶與海洋工程專業(yè)的必修實(shí)驗(yàn)課提供服務(wù)，著重拓寬學(xué)生思路，開闊視野，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)踐操作能力，提高學(xué)生綜合專業(yè)素質(zhì)，將科學(xué)研究的優(yōu)勢(shì)資源融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)合課程實(shí)際，將科研案例、成果有效轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生進(jìn)行研究方法、研究習(xí)慣和研究能力的訓(xùn)練，提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的推廣也會(huì)拉動(dòng)新材料的制備，最終達(dá)到科研提升教學(xué)，教學(xué)促進(jìn)科研的目的［4］。

2.1 設(shè)計(jì)的途徑和方法

（1）通過對(duì)國內(nèi)具有先進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的學(xué)校調(diào)研及查閱資料，參考國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想，借鑒科研成果融入教學(xué)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，重構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)體系框架。

（2）參考相關(guān)書籍、文獻(xiàn)及邀請(qǐng)專業(yè)人士制定合理的調(diào)查問卷，調(diào)查船舶性能實(shí)驗(yàn)課程中教師和學(xué)生的問題，對(duì)重構(gòu)后的知識(shí)框架進(jìn)行研討，得出指導(dǎo)意見，完善知識(shí)框架。

（3）選擇合適的自航儀專用傳感器，保證設(shè)備無串?dāng)_，推力為動(dòng)態(tài)C6等級(jí)，扭矩為動(dòng)態(tài)C3等級(jí)，皆為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室單維力傳感器。安全過載1 500%FS。主要材質(zhì)為鋁合金/不銹鋼，防護(hù)等級(jí)為IP67。

（4）梳理實(shí)海域大尺度船模航行性能測試的方法，包括大尺度模型設(shè)計(jì)加工、海試試驗(yàn)方案論證設(shè)計(jì)、設(shè)備集成控制、設(shè)備安裝調(diào)試、海試保障系統(tǒng)建立、海試突發(fā)情況處理、耐波性及操縱性的具體測試步驟等，形成一套符合教學(xué)大綱要求、學(xué)生容易接受的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系。

（5）基于真實(shí)海洋中船舶航行性能測試的資料，結(jié)合船舶快速性實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需求，增加船模自航試驗(yàn)內(nèi)容，將斷軸式自航儀應(yīng)用到此教學(xué)試驗(yàn)中，進(jìn)行螺旋槳推力與扭矩的測量，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)授課的過程中，增加實(shí)海域大尺度船模航行性能測試案例的內(nèi)容。

2.2 實(shí)施方案

（1）斷軸式自航儀小型化。將在實(shí)海域大尺度船模航行性能測試中使用的斷軸式自航儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)重構(gòu)，使其小型化，應(yīng)用到本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。保證自航儀測量精度及結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，縮小其外形尺寸，使其適應(yīng)水池中的小比例船模的尺度，滿足實(shí)海域?qū)嶒?yàn)教學(xué)的要求。

（2）船舶快速性實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)體系結(jié)構(gòu)框架的重構(gòu)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，組織相關(guān)研究人員調(diào)研，解決本科生船舶快速性實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)體系結(jié)構(gòu)框架的重新建立問題，重點(diǎn)在于增加船模自航試驗(yàn)內(nèi)容，把實(shí)海域船舶航行性能測試的相關(guān)研究內(nèi)容融入此實(shí)驗(yàn)，將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效

設(shè)計(jì)的小型化斷軸式自航儀（見圖3）已經(jīng)經(jīng)過了實(shí)踐的考驗(yàn)，證實(shí)可行。該小型化斷軸式自航儀應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)后，充分發(fā)揮了科研成果在船舶與海洋工程專業(yè)本科教學(xué)工作中的重要作用，這種獨(dú)具特色的高水平船海實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，解決了在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高水平實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題，深化了教育教學(xué)改革和實(shí)踐育人工作，滿足學(xué)校培養(yǎng)具備設(shè)計(jì)和實(shí)施船舶與海洋工程相關(guān)綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的能力，滿足與工程有關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐方法的畢業(yè)生的目標(biāo)要求。

圖3 小型化斷軸式自航儀實(shí)物圖

實(shí)海域船舶測試技術(shù)的融入，豐富了船舶快速性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)成新型船舶性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的理論基礎(chǔ)，而從實(shí)海域測試自航儀改進(jìn)而來的小型化斷軸式自航儀為新型船舶性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。結(jié)合傳統(tǒng)船舶性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)和本校的相關(guān)研究，將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

4 結(jié) 語

在對(duì)實(shí)海域船舶航行性能測試成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與建設(shè)過程中，進(jìn)行了包括斷軸式自航儀小型化，實(shí)海域船舶航行性能測試技術(shù)知識(shí)體系構(gòu)建和船舶快速性實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)體系重新構(gòu)建的新型船舶性能測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在此過程中，科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系更深一步得到明確，科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念得到深層次貫徹，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，老師和學(xué)生們都積極致力于將科研成果轉(zhuǎn)化成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在科研成果的基礎(chǔ)上開發(fā)出了有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)新穎設(shè)備，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中更能深入理解，更全面地掌握教學(xué)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力［17］。

科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間達(dá)成互動(dòng)，不單單是科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在完成科研課題的同時(shí)，不斷創(chuàng)建新的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)以確保課題研究的完成。反過來，教學(xué)過程也會(huì)激發(fā)教師的科研靈感。如此循環(huán)，將對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作都大有裨益［18］。