結(jié)合船舶與海洋工程專業(yè)特點(diǎn)的“材料力學(xué)”課程教學(xué)

張大朋 嚴(yán) 謹(jǐn) 羅楊陽(yáng)

（廣東海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，湛江 524088）

“材料力學(xué)”是傳統(tǒng)工科生必選的課程，也是一門(mén)應(yīng)用面十分廣的適用性課程[1-3]。正因?yàn)槠鋺?yīng)用面較廣，導(dǎo)致它的一些工程情景在傳統(tǒng)力學(xué)、材料、金屬、鑄造和機(jī)械設(shè)計(jì)等學(xué)科方面具有代表性但沒(méi)有對(duì)于特殊專業(yè)的針對(duì)性，如船舶與海洋工程專業(yè)。船舶與海洋工程中涉及大量的系泊纜索、水下拖纜、深海網(wǎng)箱、海洋管線與海洋平臺(tái)和船體梁等，與《材料力學(xué)》課本中實(shí)際提到的土木、機(jī)械方面的工程情景相差較遠(yuǎn)[4]，因此有必要將船舶與海洋工程專業(yè)的實(shí)際工程情形和“材料力學(xué)”課程中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深度結(jié)合，從專業(yè)背景出發(fā)，展現(xiàn)材料力學(xué)在船舶與海洋工程專業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，提高學(xué)生學(xué)以致用的能力和創(chuàng)新能力。

1 《材料力學(xué)》教材的特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 《材料力學(xué)》教材的特點(diǎn)

“材料力學(xué)”課程本身涉及大量較為抽象的概念，如連續(xù)性假設(shè)、均勻性假設(shè)和各向同性假設(shè)等[5]。它的很多概念、定義的導(dǎo)入是從材料科學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)方面入手的，如氣缸、活塞、導(dǎo)軌、機(jī)床、齒輪、飛輪以及氣錘等，導(dǎo)致“材料力學(xué)”課程的內(nèi)容范圍較廣，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的布局比較分散[6]。當(dāng)前的《材料力學(xué)》教材偏重于專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論的通識(shí)性介紹，缺乏針對(duì)特定專業(yè)的材料力學(xué)最新研究前言和研究成果相關(guān)的內(nèi)容。不區(qū)分專業(yè)和方向的授課講解方法，很容易降低學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生陷入枯燥的學(xué)習(xí)狀態(tài)，對(duì)于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握僅限于死記硬背，教學(xué)效果欠佳。

1.2 廣東海洋大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)“材料力學(xué)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀

廣東海洋大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)的學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)課程開(kāi)設(shè)的時(shí)間晚于“材料力學(xué)”課程開(kāi)設(shè)的時(shí)間。《材料力學(xué)》教材中為了引入某個(gè)概念或是某個(gè)定義而借用機(jī)械方面的工程情景或機(jī)械構(gòu)件，學(xué)生并不了解，很難引起船舶與海洋工程專業(yè)學(xué)生的共鳴，難以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，最終難以達(dá)到提高學(xué)生的理解能力、加深學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握熟練程度的目的。這一系列后果導(dǎo)致船舶與海洋工程專業(yè)的學(xué)生對(duì)后續(xù)課程學(xué)習(xí)困難，也不利于提高學(xué)生的專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。為了改變這種現(xiàn)狀，需要從多方面入手，充分分析“材料力學(xué)”課程與船舶與海洋工程專業(yè)的結(jié)合點(diǎn)。

2 “材料力學(xué)”課程與船舶與海洋工程專業(yè)的結(jié)合點(diǎn)

2.1 船舶與海洋工程專業(yè)中涉及的材料力學(xué)知識(shí)概念與融合

不管是對(duì)船舶船體結(jié)構(gòu)還是海洋工程中的輔助構(gòu)件來(lái)說(shuō)，船舶與海洋工程專業(yè)中涉及的材料力學(xué)知識(shí)概念非常多。例如，在“材料力學(xué)”課程中提到的桿件、平板、殼體、簡(jiǎn)支梁等，都是船體結(jié)構(gòu)和大型海洋平臺(tái)的主要組成部分。在提到這些專業(yè)術(shù)語(yǔ)和概念時(shí)，如果單純摳字眼和利用課本上自帶的圖片導(dǎo)入，效果普遍較差。在提到這些名詞時(shí)，如果能選取一個(gè)具體的船體剖面結(jié)構(gòu)圖，帶著學(xué)生一起從圖中將這些結(jié)構(gòu)一一找出，并分別總結(jié)這些結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與力學(xué)特性，最后回到《材料力學(xué)》教材中關(guān)于專業(yè)術(shù)語(yǔ)的定義，幫助學(xué)生掌握專業(yè)術(shù)語(yǔ)和概念，同時(shí)有助于理解材料力學(xué)在船舶與海洋工程中的重要性[7]。

通過(guò)這種立體式交叉教學(xué)方式可以實(shí)現(xiàn)船舶與海洋工程專業(yè)中材料力學(xué)知識(shí)與概念的深度融合，達(dá)到“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的教學(xué)效果。這種教學(xué)方式可以讓學(xué)生在專業(yè)背景和專業(yè)氣氛較為濃厚的情況下掌握“材料力學(xué)”課程中的基礎(chǔ)知識(shí)和基本概念，實(shí)現(xiàn)專業(yè)與力學(xué)理論的融會(huì)貫通。

2.2 材料力學(xué)在船舶與海洋工程中的具體應(yīng)用

“材料力學(xué)”課程中針對(duì)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件的拉伸與壓縮理論，在船舶海洋工程中同樣有著非常重要的實(shí)際意義。例如，系泊結(jié)構(gòu)是大型海上浮式結(jié)構(gòu)物在海上錨泊定位的重要裝置。該系統(tǒng)中系泊纜索的最大系泊張力和破斷力與“材料力學(xué)”課程中桿件受到拉伸載荷時(shí)發(fā)生的情形基本一致，而關(guān)于破斷強(qiáng)度的計(jì)算與“材料力學(xué)”課程中規(guī)定的軸向拉伸作用下桿件拉伸應(yīng)力的計(jì)算方法也是一致的[8]。同時(shí)，系泊系統(tǒng)中系泊纜索預(yù)張力的計(jì)算也可以依據(jù)材料力學(xué)中的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算[9]。

“材料力學(xué)”課程中的圓軸、圓柱以及薄壁桿件的扭轉(zhuǎn)，與海洋工程專業(yè)中組成大型海洋平臺(tái)上的一些支撐柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)的原理一致[10]。因此，“材料力學(xué)”課程中關(guān)于這部分的相關(guān)理論可以用來(lái)校核海洋工程中相關(guān)桿件的強(qiáng)度與變形。課堂上可以通過(guò)典型的圖片來(lái)展示這些海工構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)的情況來(lái)加深學(xué)生的理解與記憶。

“材料力學(xué)”課程中提到的彎曲內(nèi)力、彎曲應(yīng)力、彎曲變形等概念，在研究海洋管線時(shí)經(jīng)常用到。因此，在實(shí)際課堂上可以通過(guò)一個(gè)典型的海洋管線力學(xué)特性的計(jì)算案例分析將以上“材料力學(xué)”課程的知識(shí)點(diǎn)貫穿起來(lái)，從而從專業(yè)角度加深學(xué)生對(duì)力學(xué)術(shù)語(yǔ)的理解。

“材料力學(xué)”課程中提到了壓桿穩(wěn)定，而很多時(shí)候海洋平臺(tái)垮塌就是因?yàn)槠錁锻劝l(fā)生了壓桿失穩(wěn)導(dǎo)致樁腿局部屈曲，從而引起海洋平臺(tái)整體發(fā)生傾覆[11]。可以通過(guò)查找典型海洋平臺(tái)樁腿失穩(wěn)的案例圖片，在講解壓桿穩(wěn)定時(shí)適時(shí)插入，實(shí)現(xiàn)相關(guān)知識(shí)向?qū)I(yè)背景的自然過(guò)渡。

“材料力學(xué)”課程中關(guān)于單跨梁的一系列假設(shè)和規(guī)定，與船舶與海洋工程專業(yè)中“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的相關(guān)規(guī)定有著緊密聯(lián)系。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，基于單跨梁理論的求解方法也基本相同[12]。由于“材料力學(xué)”課程安排在大二下學(xué)期，“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程安排在大三下學(xué)期，因此在講授這一部分內(nèi)容時(shí)，可以提前引入船體梁等相關(guān)理論，通過(guò)“材料力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)為船舶與海洋工程專業(yè)的學(xué)生初步打下“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

3 教學(xué)調(diào)整及進(jìn)一步的改革構(gòu)想

3.1 教學(xué)調(diào)整

以工程認(rèn)證為依托，深化課程體系改革。廣東海洋大學(xué)的船舶與海洋工程專業(yè)經(jīng)過(guò)若干年的發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的專業(yè)基礎(chǔ)和業(yè)內(nèi)口碑，同時(shí)已經(jīng)具有了船舶與海洋工程一級(jí)學(xué)位碩士點(diǎn)和土木水利方向的船舶與海洋工程專業(yè)碩士點(diǎn)。站在新的起點(diǎn)，廣東海洋大學(xué)要優(yōu)化課程體系，按照該專業(yè)的特點(diǎn)和該專業(yè)學(xué)生的認(rèn)知，合理調(diào)整相關(guān)大類工科課程與專業(yè)課程的順序，盡量使大類工科課程起到為專業(yè)課打基礎(chǔ)的作用。同時(shí)，要結(jié)合工程認(rèn)證的相關(guān)要求，合理調(diào)整包括“材料力學(xué)”課程在內(nèi)的工科大類課程的實(shí)驗(yàn)課時(shí)與理論課時(shí)的學(xué)時(shí)分配，做到理論與實(shí)踐過(guò)程并重[13]。

3.2 進(jìn)一步的改革構(gòu)想

積極探索新的課程課堂模式，探索多種教學(xué)方法教學(xué)。例如，通過(guò)布置科研小課題的形式，將教材中的相關(guān)章節(jié)內(nèi)容與船舶與海洋工程專業(yè)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行自主探索，并將研究成果在課堂上進(jìn)行匯報(bào)展示，使學(xué)生收獲知識(shí)，同時(shí)學(xué)會(huì)團(tuán)隊(duì)合作[14]。此外，需集中優(yōu)勢(shì)資源，整合團(tuán)隊(duì)師資，打造面向船舶與海洋工程專業(yè)的特色“材料力學(xué)”課程。這對(duì)于建設(shè)專業(yè)團(tuán)隊(duì)和船海學(xué)科的發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

“材料力學(xué)”課程是工科類院校的必備基礎(chǔ)課程，也是集專業(yè)性與通識(shí)性于一體的力學(xué)基礎(chǔ)課程。該課程對(duì)于科研創(chuàng)新、工程勘探以及基建的作用不可忽視。針對(duì)不同專業(yè)方向的差異性進(jìn)行針對(duì)性教學(xué)，才能取到事半功倍的效果。鑒于此，本文針對(duì)船舶與海洋工程專業(yè)的特點(diǎn)，結(jié)合“材料力學(xué)”教材的章節(jié)內(nèi)容，從培養(yǎng)船舶與海洋工程專業(yè)人才的角度出發(fā)，提出了若干針對(duì)性建議，對(duì)于提高相關(guān)涉海高校的專業(yè)人才培養(yǎng)水平有一定的借鑒參考價(jià)值。