仿真系统在“船舶静力学”课程教学中的应用研究

［摘要］针对当前船舶与海洋工程专业本科教育“船舶静力学”课程教学中存在的现实问题，探索将NAPA仿真系统全面融入课程教学的方法，充分利用NAPA仿真系统在流程化、可视化、智能化等方面的优势，辅助解决当前“船舶静力学”课程教学中存在的问题，从三维仿真、流程仿真、数值仿真三个方面提出教学改进措施，为“船舶静力学”及同类课程的建设提供参考价值。［关键词］船舶静力学；仿真系统；教学改进“船舶静力学”课程是船舶与海洋工程专业本科生必修的专业基础课程，课程依据船舶与海洋工程专业本科生能力、素质要求，突出船舶浮性、稳性及抗沉性的基本理论、关键知识，注重船舶浮性、稳性及抗沉性的工程应用，培养学生运用理论知识分析解决船舶与海洋工程实践问题的思想和能力，是该专业学生认识舰船知识、献身船海事业的重要一环，对学生科学素质及学习创新素质的养成意义重大[1]。当前，国内高校以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，大力推进教育教学改革，传统的教学模式显然已无法适应新时代、新阶段提出的新要求。为更好地开展“船舶静力学”课程教学，本文探索将NAPA仿真系统全面融入课程教学的方法，在分析“船舶静力学”课程教学现状的基础上，基于对NAPA仿真系统的理解以及对课程内容的深入剖析，从三维仿真、流程仿真、数值仿真三个方面提出教学改进措施，为“船舶静力学”及同类课程的建设提供参考。一、“船舶静力学”课程教学现状（一）传统模式多，现代手段少，抽象问题难以形象化“船舶静力学”课程作为船舶与海洋工程专业本科生较早接触的船舶类专业课程，对学生“初识船舶”以及“船舶思维”的养成意义重大。在近两年教学实践中发现，学生在本课程开课时普遍没有接触过船舶，对船舶尚未建立起直观的感受及基本的认识，这种“对船舶不了解”的现象直接增加了学生对“船舶静力学”课程的接受难度，尤其体现在学生对抽象问题的理解上。由于船舶本身是一个庞大的三维系统工程，船体结构错综复杂，以二维平面为主的传统教学模式难以对船舶特点进行直观有效的表达。在以往的教学中，教师往往以一名有船上工作经历的人员的视角审视教学内容及理论难度，忽视了学生对船舶的实际认知基础，造成了教与学之间的矛盾，对教学效果产生了不良影响。据课后调查发现，学生普遍认为知识过于抽象、难以理解，迫切希望教师采用更为直观、形象的教学方法。传统的教学模式难以满足学生的要求，因此，借助现代化手段改进教学方法迫在眉睫。（二）碎片知识多，全局串联少，课程内容难以体系化“船舶静力学”课程以船舶浮性、稳性及抗沉性的基本理论、关键知识为主要研究内容，在船舶工程设计实践中应用广泛、地位显著，浮性、稳性及抗沉性等内容联系紧密、循序渐进。然而，在目前的院校教学中，本课程在内容设置上存在知识体系碎片化的问题，与实际船舶工程设计实践背道而驰。主要体现在：一是知识点之间的联系缺少有效的阐述，学生疲于推导记忆各类公式、原理，却对各知识点之间的逻辑关系缺乏认知，难以将零散的知识点串联成完整的知识体系。二是各章节之间缺少必要的衔接，从整个课程的角度看，学生容易产生各章节各自为战、另起炉灶的错觉，由此导致学生无法从整个课程的视角出发去理解各章节的内容，自然无法准确理解各章节在整个课程中的定位和作用，一定程度上造成了“一叶障目，不见泰山”的后果。（三）教師讲授多，学生实践少，工程理论难以应用化“船舶静力学”课程从本质上而言是一门工程实践性较强的课程，课程中的船舶浮性、稳性及抗沉性等知识与实际船舶设计任务紧密相关。然而，传统的教学模式以教师讲授、学生听讲为主，这种教学模式显然与课程本身的实践性特点背道而驰。通过课后调研发现，学生普遍存在以下两个问题：一是机械性地记忆理论和公式，但不懂得理论和公式到底有什么用、怎么用。二是从整个课程的角度而言，学生无法真正领会学习本门课的目的，在课程学习结束后，大部分学生无法准确描述本课程在船舶工程实践中的作用和意义。近些年，一些教师通过增加学生的实作环节，探索将课程内容实践化的方法，但通过调查发现，大部分教师仅是指导学生利用EXCEL表格计算稳性参数、利用CAD绘制静水力图等方式进行实作，上述方法在实际工程实践中早已被船舶仿真系统所替代，学生掌握这种“过时”的方法显然与现代高等教育理念相悖，因此，如何瞄准最新的理论成果组织实作教学，如何真正实现工程理论的应用化是目前“船舶静力学”课程教学亟待解决的问题。二、NAPA仿真系统功能NAPA（theNavalArchitecturalPackage）是一款专用的船舶设计仿真系统，得益于其强大、可靠的仿真设计功能，目前已被全球广大船舶研究所、设计院和船厂使用并作为稳性计算与校核的主要工具。NAPA仿真系统由27个模块组成，主要功能包括：（一）型线设计NAPA仿真系统的型线设计功能主要采用点点过线的形式，同时依靠角度和边界条件对曲线进行控制，用户首先通过特征点定义出特征线，继而通过填充横剖线、纵剖线及水线，得到初步的型线，最后依托hullsurfaceeditor模块对型线进行调整以满足设计要求。（二）船舶三维建模NAPA仿真系统的三维建模功能可通过主程序和NAPAdesigner两种途径实现。其中，NAPAdesigner依靠其更加优秀的可视化功能得到越来越多用户的青睐。在NAPAdesigner中，用户可以进行舱室建模、剖面分析、总布置设计等。（三）装载计算NAPA仿真系统的装载计算功能通过ld命令完成。在装载计算中，用户需要首先定义空船重量，空船重量由各理论站间的各项重量累加得到，这也是绘制空船重量分布曲线的依据。在空船重量定义完毕后，可根据船舶特点及使用要求定义典型装载工况，在此过程中需要注意调整船舶浮态以满足相关要求，在装载工况定义完毕后可导出各个工况下的装载状态。（四）完整稳性计算NAPA仿真系统的完整稳性计算功能是在装载计算的基础上完成的，在装载工况定义完毕后，用户需要定义船舶所需满足的稳性衡准，NAPA仿真系统已将常见的衡准内置到系统中，用户只需要调用即可，但对于部分特殊衡准，则需要用户自行定义。在完整稳性计算完毕后，若结果不满足相关要求，用户需要根据计算结果对船舶设计方案进行调整，这种调整通常是装载工况的调整，有时也可能是船舶主尺度及外形的调整，通常这个过程需要重复多次才能最终满足要求。（五）破损稳性计算NAPA仿真系统的破损稳性计算功能同样是在装载计算的基础上完成的，破损稳性计算又可以分为确定法破损和概率法破损两种。确定法破损稳性计算要求用户自行定义破损工况，即每种工况下发生破损的舱室情况，继而计算所有工况是否满足衡准要求，确定法破损稳性计算规定必须所有工况都满足要求才认为方案可行。概率法破损稳性计算是内置在专门的模块中，用户不需要自行定义破损工况，只需根据要求定义一系列船舶特征，系统会根据这些特征值计算出船舶所能达到的分舱指数A，然后用A与规范要求的分舱指数R进行对比，当A≥R时，即认为船舶满足要求。相比于确定法破损稳性计算，概率法破损稳性计算基于船舶破损事故统计，考虑了破损的不确定性，更加符合实际情况[2]。NAPA仿真系统完整地涵盖了“船舶静力学”课程的主要研究内容，系统功能与课程内容的一致性为系统在教学中的应用提供了必要的基础。三、NAPA仿真系统融入“船舶静力学”课程教学的方法（一）三维仿真：实现抽象问题形象化抽象问题形象化是目前广泛被采用的行之有效的教学手段。船舶作为典型的三维系统工程，结构复杂，传统的以二维平面为主的教学方法难以有效地对船舶特点进行表达，特别是对首次接触船舶的学生而言，尚未形成对船舶基本概念及形式的正确认知，如果一味地采用二维方法解释三维问题，那么“二维船舶”的思想就会在学生心里根深蒂固，从而严重影响学生对船舶的正确理解。为有效解决这个问题，将NAPA仿真系统的三维仿真功能充分引入课程教学中，主要在以下两个方面发挥作用。1．在船体外形及特征参数的讲授方面，传统的教学模式通常采用二维平面图、动图为主的形式进行展示来辅助教学，这种形式往往需要学生具备一定的三维空间想象力，而且需要建立在对船舶有一定的基本认识的基础上。随着多媒体技术的发展，教师开始尝试采用视频展示的方式，取得了较好的效果，但通过教学实践发现，不管是二维平面图、动图还是视频的方法，都无法实时根据学生的需求、问题进行有针对性的展示，将NAPA仿真系统的三维仿真功能引入课堂可以很好地解决这些问题。依托三维仿真功能，教师可以在课堂上实现对船舶三维模型的任意旋转、剖切、投影等，学生在课堂上提出自己的问题，教师实时根据学生的问题进行相应的操作来辅助教学，使学生始终处于身临其境的感觉下，从而显著地提高课堂效率。从课程内容上，这种教学方法在船体主尺度、船型系数、几何特征，尤其是在型线图的教学中可以发挥显著作用[3]。2．在船舶稳性、抗沉性内容的讲授方面，传统的教学模式通常采用示意图配合公式推导的形式进行讲授，并不能直观地反映船舶运动的完整过程，NAPA仿真系统的三维仿真功能可以实现对船舶往复运动、船舶进水后状态的动态演示，教师在教学中可以根据课程需要，将重心、浮心等重要参数内置在三维模型中，船舶的运动可以带动相关参数的运动，在这个过程中，教师有针对性地进行原理的讲解，使抽象复杂问题形象化，学生不再是机械性地记忆各个公式，而是通过在脑海中复现整个动态运动过程，将文字、公式记忆转化为图像、动画记忆，学生记忆起来不仅更加顺畅，而且更加牢固，从而大大提高学生的学习效率。（二）流程仿真：实现课程内容体系化“船舶静力学”课程以船舶浮性、稳性及抗沉性为主要研究内容，在实际工程实践中，船舶浮性、稳性及抗沉性等内容彼此之间联系紧密、循序渐进，共同构成船舶完整稳性及破损稳性校核体系。然而，目前“船舶静力学”课程教学呈现出课程内容碎片化的显著矛盾，学生无法正确理解整个课程的逻辑架构以及各章节之间的衔接关系，导致授课效果远远低于预期。为了有效解决这一问题，将NAPA仿真系统的流程仿真功能引入课堂，通过将“船舶静力学”课程主要内容与仿真系统的流程仿真“对号入座”，使课程内容与工程实践相对应，从而实现课程内容的体系化构建。具体而言，NAPA流程仿真主要包括五个阶段，分别是三维模型构建、静水力曲线及邦戎曲线计算、典型工况配载、完整稳性计算、破损工况选取及破损稳性计算。课程内容融入流程仿真的方法如下：1.三维模型构建。本流程主要涵盖课程内容中船舶主尺度、船型系数、型线图等。在这个过程中，学生通过经历三维模型的构建过程，体会船舶主尺度、船型系数、型线图的具体概念及内涵，有效地将上述知识点进行内部串联。2.静水力曲线及邦戎曲線计算。本流程主要涵盖课程内容中船体计算的数值积分法、浮性、静水力曲线等。在这个过程中，学生利用船体计算的数值积分法完成邦戎曲线及静水力曲线的计算，经历数值积分法的具体应用，实现与前序章节内容的衔接；通过经历邦戎曲线及静水力曲线计算过程，理解上述曲线在船舶稳性计算中的作用，从而实现与后续章节内容的衔接。3.典型工况配载。本流程主要涵盖课程内容中船舶重量和重心位置的计算、排水量和浮心位置的计算等。在这个过程中，学生通过经历工况配载过程，理解舰船稳性与装载工况的对应关系，从而实现浮性章节与稳性章节的衔接。4.完整稳性计算。本流程主要涵盖课程内容中初稳性章节及大角稳性章节。在这个过程中，学生通过经历整个完整稳性计算过程，体会工程实践中完整稳性的实际校核方法，通过对校核结果的对比分析，体会重量移动、自由液面对稳性的影响，从而实现初稳性章节与大角稳性章节的衔接。5.破损工况选取及破损稳性计算。本流程主要涵盖课程内容中抗沉性章节。在这个过程中，学生通过经历整个破损稳性（抗沉性）计算过程，体会工程实践中破损稳性（抗沉性）的实际校核方法，理解破损稳性（抗沉性）与工况配载、完整稳性之间的关系，有效地将抗沉性章节与初稳性、大角稳性章节进行串联。（三）数值仿真：实现工程理论应用化实践是检验真理的唯一标准。高等教育不应该是闭门造车的教育，教育最终还要落实到实践上。“船舶静力学”课程本身是一门工程实践性较强的课程，课程与实际工程实践紧密相关，而目前的教学模式却与课程本身的实践性特点背道而驰。为了解决这一问题，将NAPA仿真系统的数值仿真功能引入课堂，课程整体采用任务驱动教学法[4]，具体实施过程如下：1.设置课程总任务。“利用NAPA仿真系统对X船舶进行完整稳性及破损稳性计算”。确定课程总组织形式：（1）学生分组协作。（2）教师课前布置学习任务、学生进行自学。（3）课堂上以问题答疑、分组交流及讨论为主。2.在课程之初，教师首先讲授“利用NAPA仿真系统进行完整稳性及破损稳性计算的具体过程”（即五个阶段）。3.设置课程分任务1：“完成三维建模”。教师讲授利用NAPA仿真系统进行三维建模的基本方法，学生根据要求进行三维模型的构建，在这个过程中，学生以小组为单位，自主安排分工协作方式，通过小组讨论和研究的方式解决问题。在模型构建完成后，学生对照模型，准确识别出主尺度、船型系数，通过对模型进行三维剖切，直观感受型线图的生成过程及内涵，教师针对整个建模过程中学生的表现进行点评，在知识层面，教师主要对主尺度、船型系数、型线图的具体工程应用进行讲解。整个过程注意两点：一是三维模型的选择应该尽量简单化，避免学生建模花费大量时间。二是教师应及时发现共性问题，进行统一讲解，保证各小组能够按计划有序完成任务。4.设置课堂分任务2：“静水力曲线及邦戎曲线计算”。在三维建模完成后，需要绘制静水力曲线及邦戎曲线，本任务不需要学生进行太多系统操作，重点在于考察学生对静水力曲线及邦戎曲线计算生成方式、概念形式以及使用方法的理解。课堂组织上采用小组汇报的方式，以小组为单位分别汇报本小组对曲线的理解，教师根据汇报情况进行必要的引导和补充。5.设置课堂分任务3：“典型工况配载”。工况配载是稳性校核的基础，在本任务执行过程中，学生通过经历工况配载过程，理解典型工况的含义。在具体组织形式上，为了提高课堂效率，每个小组分别完成一个工况，完成之后，每两个小组对比讨论不同工况之间的差别，总结规律，最后，所有小组将工况配载结果进行汇总，分析讨论典型工況的设置原则及合理性，教师根据讨论情况进行必要的引导和补充。6.设置课堂分任务4：“完整稳性计算”。本任务中，涉及的要点主要包括工况的选取、稳性