海洋資源開發(fā)技術(shù)專業(yè)工程力學(xué)教學(xué)改革探索

謝武德 梁振林 姜昭陽(yáng)

摘? 要：開發(fā)海洋生物資源，建設(shè)海洋牧場(chǎng)不僅能夠促進(jìn)我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且能夠?yàn)槲覈?guó)糧食安全提供保障。為了培養(yǎng)海洋資源開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域的高技術(shù)人才，需要夯實(shí)基礎(chǔ)理論知識(shí)。工程力學(xué)是海洋資源開發(fā)技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)理論課程，將傳統(tǒng)的工程力學(xué)教學(xué)內(nèi)容與新興的海洋牧場(chǎng)建設(shè)相結(jié)合，在課程中注入新工科的發(fā)展理念，以深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱為教學(xué)背景，將理論計(jì)算與數(shù)值仿真相結(jié)合，以期通過(guò)多項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，全面提升課程的授課水平，擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和研究性思維。

關(guān)鍵詞：海洋資源開發(fā)技術(shù)；工程力學(xué)；教學(xué)改革；海洋牧場(chǎng)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1673-7164（2023）05-0176-04

一、課程改革背景

我國(guó)海域遼闊，總面積超400萬(wàn)平方公里，“堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”已經(jīng)成為我國(guó)海洋發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向。開發(fā)海洋資源，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重要舉措。海洋資源主要包括空間資源、物質(zhì)資源和海洋能源等［1］?？臻g資源主要有水面、水體和海底等空間。物質(zhì)資源主要涉及生物資源、油氣資源、礦產(chǎn)資源等，開發(fā)海洋物質(zhì)資源能夠?yàn)槿祟惖纳婧桶l(fā)展提供物質(zhì)支持和能源支持。海洋能源主要包括海洋風(fēng)能、波浪能、海流能、光伏能、溫差能和鹽差能等，這些可再生清潔能源能夠?yàn)槿祟惖陌l(fā)展和進(jìn)步提供支持，并且更有益于環(huán)境的改善，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的重要途徑［2］。

為進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)海洋資源的開發(fā)能力，培育該領(lǐng)域的高技術(shù)人才，教育部于2011年增設(shè)了海洋資源開發(fā)技術(shù)專業(yè)，該專業(yè)歸屬于海洋工程類，屬于國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)。近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)多所高校開設(shè)了該專業(yè)，對(duì)本科生進(jìn)行了教學(xué)和培養(yǎng)，比如大連理工大學(xué)、河海大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、南京師范大學(xué)、天津科技大學(xué)、江蘇海洋大學(xué)和山東大學(xué)（威海）等［1］。這些高校根據(jù)自身傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)開設(shè)海洋資源開發(fā)技術(shù)專業(yè)，故而他們的側(cè)重點(diǎn)有所不同。有些學(xué)校側(cè)重海洋生物資源的開發(fā)和利用，有些學(xué)校側(cè)重海洋礦產(chǎn)資源、海洋空間資源的開發(fā)。山東大學(xué)（威海）海洋學(xué)院開設(shè)的海洋資源開發(fā)技術(shù)專業(yè)主要面向海洋生物資源的開發(fā)和利用，面向我國(guó)海洋牧場(chǎng)的建設(shè)，為我國(guó)“藍(lán)色糧倉(cāng)”的建設(shè)培育人才［2-5］。

海洋牧場(chǎng)一般是指在特定的海域，有計(jì)劃地培育和管理漁業(yè)資源而設(shè)置的人工漁場(chǎng)［2］。2018年6月，習(xí)近平總書記在山東考察時(shí)就指出：“海洋牧場(chǎng)是發(fā)展趨勢(shì)，山東可以搞試點(diǎn)?！痹谖覈?guó)的“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中也明確表示：“優(yōu)化近海養(yǎng)殖布局，建設(shè)海洋牧場(chǎng)，發(fā)展可持續(xù)遠(yuǎn)洋漁業(yè)?！睘榱思涌煳覈?guó)海洋牧場(chǎng)的建設(shè)，截至2021年底，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部已經(jīng)在我國(guó)設(shè)立了153個(gè)國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)域，分布在渤海、黃海、東海和南海四大海域。在海洋牧場(chǎng)的建設(shè)過(guò)程中，往往會(huì)遇到一些新問(wèn)題，比如海洋牧場(chǎng)區(qū)域的規(guī)劃和管理問(wèn)題、海洋牧場(chǎng)生物生長(zhǎng)繁殖問(wèn)題、深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱的安全問(wèn)題、養(yǎng)殖網(wǎng)箱的監(jiān)控、管理及供能問(wèn)題、海洋牧場(chǎng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等等［6-7］。這些問(wèn)題亟須解決，以保障海洋牧場(chǎng)的健康發(fā)展。

二、課程建設(shè)現(xiàn)狀

為了培養(yǎng)海洋牧場(chǎng)建設(shè)領(lǐng)域的高技術(shù)人才，需夯實(shí)基礎(chǔ)理論知識(shí)，山東大學(xué)（威海）海洋學(xué)院海洋資源開發(fā)技術(shù)專業(yè)設(shè)置了工程力學(xué)這門專業(yè)基礎(chǔ)理論課程。該課程涵蓋了理論力學(xué)的靜力學(xué)部分和材料力學(xué)的全部?jī)?nèi)容，主要包括：力與力系、力偶與力偶系、力系的簡(jiǎn)化、桿件的軸向拉伸與壓縮、圓軸的扭轉(zhuǎn)等基礎(chǔ)理論知識(shí)［8］，旨在培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維、工程計(jì)算能力和工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力等。

工程力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容概念多、公式多，側(cè)重于基礎(chǔ)理論。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中對(duì)一些基礎(chǔ)概念難以理解，難以將基礎(chǔ)理論與專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用相結(jié)合。為了改善課程教學(xué)內(nèi)容，提升課程教學(xué)水平，本研究提出了多項(xiàng)教學(xué)改革措施，以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)工程力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)。

三、課程改革措施

（一）注入新工科的發(fā)展理念

科技創(chuàng)新是提高綜合國(guó)力的重要途徑。為了培養(yǎng)具有更高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的高技術(shù)人才，我國(guó)教育部于2017年2月在復(fù)旦大學(xué)召開了綜合性高校會(huì)議，發(fā)布了“新工科”的建設(shè)共識(shí)。同年4月和6月，教育部進(jìn)一步發(fā)布了新工科建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃和《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》。一系列方案的出臺(tái)，旨在加快推進(jìn)我國(guó)新工科的建設(shè)，進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中的競(jìng)爭(zhēng)力，提升我國(guó)的綜合國(guó)力［9］。開發(fā)海洋生物資源，建設(shè)“藍(lán)色糧倉(cāng)”能夠彌補(bǔ)我國(guó)內(nèi)陸耕地的不足，為我國(guó)糧食安全提供可靠的保障。建設(shè)海洋牧場(chǎng)是開發(fā)海洋生物資源的主要途徑之一。海洋牧場(chǎng)涉及多個(gè)學(xué)科的交叉融合，十分復(fù)雜，主要有生物學(xué)、化學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和環(huán)境工程等。

在海洋牧場(chǎng)的建設(shè)過(guò)程中也常常應(yīng)用到新工科的研究成果，比如海洋牧場(chǎng)結(jié)構(gòu)物（人工魚礁、養(yǎng)殖網(wǎng)箱等）的智能制造，海洋牧場(chǎng)區(qū)域監(jiān)控和管理的人工智能系統(tǒng)，海洋牧場(chǎng)水產(chǎn)品快速高效運(yùn)輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。工程力學(xué)是一門基礎(chǔ)理論課程，可以在授課的過(guò)程中，不斷注入新工科的發(fā)展理念，引入新工科新技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施案例，比如5G通信技術(shù)在深遠(yuǎn)海牧場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控中的應(yīng)用，海上風(fēng)機(jī)、波浪發(fā)電機(jī)對(duì)深遠(yuǎn)海牧場(chǎng)的供能等。在工程力學(xué)中注入新工科的發(fā)展理念，能夠拓展課程的授課范圍，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和跨界整合能力。

（二）以深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱為背景

深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱是建設(shè)深遠(yuǎn)海牧場(chǎng)的主要裝備，至今，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建造了多個(gè)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱，比如Ocean Farm 1號(hào)半潛式養(yǎng)殖網(wǎng)箱、Jostein Albert號(hào)船型養(yǎng)殖網(wǎng)箱、深藍(lán)1號(hào)全潛式養(yǎng)殖網(wǎng)箱、長(zhǎng)鯨1號(hào)座底式養(yǎng)殖網(wǎng)箱和德海1號(hào)船型桁架式養(yǎng)殖網(wǎng)箱等［7，10］。在授課的過(guò)程中，可以詳細(xì)介紹不同類型養(yǎng)殖網(wǎng)箱的主要特性。比如Ocean Farm1號(hào)養(yǎng)殖網(wǎng)箱是全球首座深遠(yuǎn)海鋼結(jié)構(gòu)半潛式養(yǎng)殖網(wǎng)箱，其為圓桶形，直徑達(dá)到110 m，高度達(dá)到69 m，一次可養(yǎng)殖150萬(wàn)尾三文魚。該網(wǎng)箱采用潛浮式設(shè)計(jì)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等惡劣天氣來(lái)臨時(shí)，可以往網(wǎng)箱底部的浮箱內(nèi)注入海水，增加網(wǎng)箱的整體重量，使其沉入海底，規(guī)避臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等惡劣天氣。

這些養(yǎng)殖網(wǎng)箱各有特色，都是設(shè)計(jì)師和工程師智慧的結(jié)晶。以深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱為背景，引入工程力學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，可使學(xué)生明白學(xué)習(xí)工程力學(xué)可用于深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)和制造，提高其學(xué)習(xí)興趣。

1. 靜力學(xué)平衡問(wèn)題

在靜力學(xué)平衡問(wèn)題的授課中，可以選取某個(gè)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱為例，分析其受到的流場(chǎng)載荷、系泊載荷、重力和浮力等，建立網(wǎng)箱靜態(tài)平衡的三維方程。在此基礎(chǔ)上，改變網(wǎng)箱的空間結(jié)構(gòu)，探討不同結(jié)構(gòu)形式的平衡狀態(tài)，進(jìn)而優(yōu)化網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。引領(lǐng)學(xué)生積極探索，積極思考，初步設(shè)計(jì)自己的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和設(shè)計(jì)能力。

2. 材料力學(xué)問(wèn)題

對(duì)于桿件的軸向拉伸與壓縮、圓軸的扭轉(zhuǎn)、梁的彎曲與彎曲應(yīng)力等材料力學(xué)問(wèn)題，都可以從養(yǎng)殖網(wǎng)箱上選取對(duì)應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行授課。首先，介紹養(yǎng)殖網(wǎng)箱上對(duì)應(yīng)構(gòu)件所處的位置及其主要作用，比如錨泊繩索主要承受拉力，發(fā)生軸向拉伸變形；在海流的作用下，網(wǎng)箱框架鋼結(jié)構(gòu)主要承受橫向載荷，發(fā)生彎曲變形。隨后引入工程力學(xué)的理論知識(shí)，采用理論知識(shí)計(jì)算構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力，對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度進(jìn)行校核。如果強(qiáng)度不夠，則對(duì)構(gòu)件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，比如錨泊繩索承受的拉力過(guò)大時(shí)，將會(huì)發(fā)生斷裂，為了確保繩索的安全，應(yīng)增加錨泊繩索的許用應(yīng)力或者橫截面面積，即采用高強(qiáng)度的錨泊繩索或者更粗的錨泊繩索。將工程力學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)與深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)相結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際，不僅能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，還能夠提升學(xué)生的應(yīng)用能力。

（三）與編程軟件相結(jié)合

工程力學(xué)中的理論公式較多，計(jì)算量較大，一般需要采用計(jì)算器進(jìn)行求解，可以在授課的過(guò)程中引入Matlab編程軟件。Matlab軟件是由美國(guó)MathWorks公司研發(fā)的一種高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，具備良好的交互界面，可用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化和數(shù)值計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域。利用Matlab軟件，可以對(duì)構(gòu)件的受力和變形進(jìn)行編程計(jì)算，比如在計(jì)算梁彎曲所產(chǎn)生的彎矩時(shí)，有一道題學(xué)生難以理解。如圖1a所示，工字形鋼梁承受橫向均布載荷q，已知梁橫截面中性軸的慣性矩為Iz=1184cm4，材料的許用應(yīng)力為［σ］=170MPa，梁長(zhǎng)6m，支座B的位置可以左右調(diào)節(jié)，試求：最大許可載荷q及支座B的位置［8］。學(xué)生難以理解，為什么當(dāng)梁中的最大負(fù)彎矩和最大正彎矩?cái)?shù)值相等時(shí)，梁上的彎矩最小，梁能承受最大的外力。為了解答學(xué)生的困惑，可以采用Matlab軟件編寫程序，繪制梁橫截面上的彎矩與支座B位置相關(guān)的圖形，如圖1b所示。從圖中可以得知，隨著支座B向左移動(dòng)，BC段的彎矩M一直為負(fù)值，其絕對(duì)值逐漸增大，而AB段的彎矩M先為正直，后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，其絕對(duì)值的最大值先減小，后增大。因而，可以得知，當(dāng)梁BC段的最大負(fù)彎矩與AB段的最大正彎矩相等時(shí)，梁上的彎矩最小，梁能夠承受最大的外力載荷。

將工程力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容與編程軟件相結(jié)合，可以更加快速地獲得計(jì)算結(jié)果，還能夠在程序中改變某些因素，比如構(gòu)件的幾何尺寸，外力的大小、作用點(diǎn)和作用方向，約束的種類和位置等，進(jìn)一步分析構(gòu)件的變形和內(nèi)部應(yīng)力的變化。

（四）與數(shù)值分析軟件相結(jié)合

在工程力學(xué)中校核梁彎曲的剛度和強(qiáng)度時(shí)，一般只計(jì)算危險(xiǎn)截面上的最大變形和最大應(yīng)力，對(duì)于整個(gè)梁的變形和內(nèi)部應(yīng)力的分析較少。為了更全面地展示梁的變形和應(yīng)力變化，可以利用數(shù)值分析軟件，比如Ansys和Abaqus等。Ansys和Abaqus為大型有限元數(shù)值分析軟件，在機(jī)械制造、航空航天、橋梁設(shè)計(jì)、船舶設(shè)計(jì)、房屋建造等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

1. 梁變形和應(yīng)力的有限元數(shù)值模擬

利用Ansys或者Abaqus數(shù)值分析軟件，建立梁的有限元模型，在梁上施加載荷和約束條件，計(jì)算梁的彎曲變形和應(yīng)力，并將計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析梁的變形和內(nèi)部應(yīng)力在不同截面上的變化規(guī)律。采用數(shù)值分析軟件，還可以更加詳細(xì)地分析復(fù)雜載荷作用下構(gòu)件內(nèi)部的變形和應(yīng)力，比如偏心拉伸和橫向載荷共同作用下桿件的變形和應(yīng)力，拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)組合作用下桿件的變形和應(yīng)力等。

2. 超靜定問(wèn)題的有限元數(shù)值模擬

在分析超靜定問(wèn)題時(shí)，通常假定構(gòu)件的變形為小變形，進(jìn)而確定變形協(xié)調(diào)條件，即相連構(gòu)件之間變形的幾何關(guān)系。聯(lián)合變形協(xié)調(diào)條件、力的平衡方程和材料物理方程，可求解構(gòu)件受到的約束力、內(nèi)力、應(yīng)力、位移和變形等未知量。但是大變形問(wèn)題一般難以采用理論方法進(jìn)行求解。為了提升課程的內(nèi)涵，可以采用Ansys軟件建立某個(gè)超靜定問(wèn)題的有限元模型，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)由OA、OB和OC三根桿件相連，桿端點(diǎn)A、B和C處于鉸接狀態(tài)，在O點(diǎn)施加豎直向下的力F。當(dāng)力F較小時(shí)，從圖2（a）中可以得知，桿件的變形較小，滿足小變形條件。然而，當(dāng)力F較大時(shí)，圖2（b）顯示桿件的變形較大，不再滿足小變形條件。如果采用理論方法進(jìn)行求解，將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，可以選用有限元方法進(jìn)行非線性迭代計(jì)算求解。

引入Ansys和Abaqus等數(shù)值仿真軟件，能夠更全面、更詳細(xì)地闡述構(gòu)件的變形和內(nèi)部應(yīng)力的變化，也能夠進(jìn)一步分析不同因素對(duì)構(gòu)件變形和內(nèi)部應(yīng)力的影響規(guī)律。將理論計(jì)算與數(shù)值仿真軟件相結(jié)合，能夠提升課堂的授課效果，也能夠引導(dǎo)學(xué)生去學(xué)習(xí)這些先進(jìn)的軟件，進(jìn)一步增加他們的技能。

四、結(jié)語(yǔ)

工程力學(xué)是海洋資源開發(fā)技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)理論課程，將傳統(tǒng)的工程力學(xué)教學(xué)內(nèi)容與新興的海洋牧場(chǎng)建設(shè)相結(jié)合，注入新工科的發(fā)展理念，以深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱為背景，詳細(xì)闡述基礎(chǔ)理論知識(shí)的原理和應(yīng)用，利用Matlab、Ansys和Abaqus等軟件進(jìn)一步推廣基礎(chǔ)理論知識(shí)的應(yīng)用范疇，培養(yǎng)學(xué)生的研究性思維，增強(qiáng)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新能力。在后期的教學(xué)過(guò)程中，工程力學(xué)還需不斷關(guān)注海洋牧場(chǎng)建設(shè)領(lǐng)域的新動(dòng)態(tài)和新方向，不斷更新課程的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：淳潔）