孫 聰， 郭春雨， 馮 峰

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院船舶與海洋工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 哈爾濱 150001)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校創(chuàng)新性人才培養(yǎng)中有著舉足輕重的地位[1-3]。教育部《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》指出，應(yīng)“創(chuàng)新教育教學(xué)方法，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)”[4]。為了提高教學(xué)質(zhì)量，在進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系改革的同時(shí)，探索行之有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法也是必不可少的[5-8]。

船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2009年被評(píng)為國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。中心地處哈爾濱，遠(yuǎn)離船廠以及船舶設(shè)計(jì)單位，實(shí)習(xí)效果差；實(shí)驗(yàn)室大型設(shè)備與特種設(shè)備多，開展多班次大批量的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)極為不便；實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目多，科研任務(wù)重，科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的關(guān)系難以平衡。因此，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新，已成為中心發(fā)展的必然選擇。自成立以來(lái)，中心不斷嘗試實(shí)驗(yàn)教學(xué)新手段與新方法，經(jīng)過多年的研究與探索，初步建立了較完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新上取得了顯著的成效。

1 指導(dǎo)思想

中心按照“以通識(shí)教育為起點(diǎn)，以科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體內(nèi)容，建立以學(xué)生為主體、以創(chuàng)新精神培養(yǎng)為核心”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，形成以自主式、合作式、研究式為主的學(xué)習(xí)方式；運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)及先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提高教學(xué)效果；重視教學(xué)與科研相結(jié)合，有效地將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；在教學(xué)中因材施教，鼓勵(lì)個(gè)性化發(fā)展，有利于拔尖學(xué)生脫穎而出；充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，把研究型教學(xué)的思想貫穿實(shí)驗(yàn)教學(xué)的始終。實(shí)驗(yàn)技術(shù)、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革都以此為指導(dǎo)而開展。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革與創(chuàng)新

2.1 注重專業(yè)引導(dǎo)，拓展專業(yè)興趣激發(fā)平臺(tái)

我校有著悠久的歷史，豐富的底蘊(yùn)。中心通過組織學(xué)生參觀“陳賡大將生平事跡展” “校史展廳”“大學(xué)生文化素質(zhì)教育基地的愛國(guó)主義教育(海權(quán)、海上戰(zhàn)爭(zhēng)史)”“軍工紀(jì)念館”等激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)主義以及對(duì)學(xué)校的熱愛。

中心具有船舶和海洋工程專業(yè)特點(diǎn)，中心通過組織學(xué)生參觀“十大名船展”“數(shù)字船舶博物館”等，激發(fā)學(xué)生對(duì)船舶與海洋專業(yè)的熱愛。

為了解決中心地處內(nèi)陸，遠(yuǎn)離造船基地的實(shí)際難題，中心與國(guó)內(nèi)外主要造船企業(yè)建立了人才培養(yǎng)及本科生參觀實(shí)習(xí)協(xié)議，目前已經(jīng)在大連船舶重工集團(tuán)、滬東中華造船、上海外高橋造船有限公司、旅順海軍基地等建立24家實(shí)習(xí)實(shí)踐培訓(xùn)參觀基地，為學(xué)生到船廠、艦隊(duì)的實(shí)習(xí)提供了條件保障(見圖1)。

圖1 船廠實(shí)習(xí)

2.2 自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置

船舶與海洋工程科技水平的發(fā)展，對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出更高要求，中心致力于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法的研究，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備與教學(xué)系統(tǒng)[9-10]。船模拖曳水池教師總結(jié)多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，自行研制了“纜拖式船模阻力試驗(yàn)方法研究”。該方法不依賴于大型水池拖車的船模阻力實(shí)驗(yàn)方法，可使這一傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大為簡(jiǎn)化，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)方法的研制也增加了船模拖曳水池在船模阻力實(shí)驗(yàn)方法選擇上的多樣性(見圖2)。

圖2 自研實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置

中心教師借助于多種手段開發(fā)試驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)，不僅更形象直觀的顯示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更加深了學(xué)生對(duì)理論的理解。如中心在試驗(yàn)前通過ANSYS軟件仿真方法給出結(jié)構(gòu)整體的變形和應(yīng)力云圖，試驗(yàn)后讓學(xué)生自行分析仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異及原因等；循環(huán)水槽在開展螺旋槳尾流場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，通過添加染料的方法顯示螺旋槳周圍流場(chǎng)，收到較好的效果(見圖3)。

圖3 螺旋槳尾流場(chǎng)效果

船模拖曳水池自行研制的直葉推進(jìn)器水動(dòng)力試驗(yàn)平臺(tái)，利用伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)葉片，程序閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)變攻角的擺線運(yùn)動(dòng)。此項(xiàng)機(jī)構(gòu)獲國(guó)家發(fā)明專利。有2名學(xué)生利用直葉推進(jìn)器水動(dòng)力試驗(yàn)平臺(tái)分別完成了各自的研究題目。另有1名學(xué)生利用此工作原理設(shè)計(jì)制作了連桿控制機(jī)構(gòu)的水輪機(jī)，在“五四杯競(jìng)賽”中獲校二等獎(jiǎng)。

2.3 采用現(xiàn)代化技術(shù)，開展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心注重現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[11-12]，建設(shè)遠(yuǎn)程教學(xué)教室、視景仿真系統(tǒng)等現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)施(見圖4)。

利用教育部批復(fù)的“111創(chuàng)新引智基地”，中心建設(shè)了遠(yuǎn)程教學(xué)教室，美國(guó)休斯敦“能源谷”和遠(yuǎn)程教學(xué)教室德州農(nóng)工大學(xué)的專家可以通過網(wǎng)絡(luò)給學(xué)生上課，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課題設(shè)計(jì)等。

圖4 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教室

數(shù)字化造船實(shí)驗(yàn)室教師經(jīng)過多年研究，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，自主開發(fā)了虛擬船廠仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[13](見圖5)，將船廠映射到計(jì)算機(jī)中，沒有空間和時(shí)間的限制，可以任意到達(dá)復(fù)雜、危險(xiǎn)的生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行參觀和學(xué)習(xí)，解決了日常教學(xué)中缺少整體感官體驗(yàn)、船廠現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)環(huán)境復(fù)雜危險(xiǎn)、費(fèi)用大成效低等問題，同時(shí)可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖5 虛擬船廠系統(tǒng)

2.4 發(fā)揮科研優(yōu)勢(shì)，科研成果反哺實(shí)驗(yàn)教學(xué)

近5年，中心承擔(dān)包括國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“863”、國(guó)家“973”、工信部高技術(shù)船舶、國(guó)防預(yù)研等國(guó)家重大課題及相關(guān)實(shí)驗(yàn)200余項(xiàng)，科研經(jīng)費(fèi)達(dá)2億余元。在課堂教學(xué)中，中心教師注重將最新、最前沿的科研成果引入課堂，使得承擔(dān)科研項(xiàng)目的教授能將科研的最新動(dòng)向和發(fā)展引入到課堂教學(xué)中，同時(shí)也使學(xué)生增強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)實(shí)際應(yīng)用的理解。如基于“水兵模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研制”科研項(xiàng)目的艦船操控模擬系統(tǒng)，可以開展水動(dòng)力環(huán)境下船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型研究，對(duì)船舶操縱性能、船載設(shè)備性能等進(jìn)行驗(yàn)證與分析，被應(yīng)用于船舶與海洋工程虛擬仿真技術(shù)、船舶操縱與耐波性等課程，對(duì)學(xué)生了解船舶流體性能有很大幫助(見圖6)。

圖6 艦船操控模擬系統(tǒng)

中心教師充分發(fā)揮科研優(yōu)勢(shì)，開展研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生由被動(dòng)接受走向主動(dòng)學(xué)習(xí)，把研究型教學(xué)的思想貫穿各級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的始終。例如中心在“基于MR的抗沖擊隔離器研究”項(xiàng)目科研完成后，對(duì)原科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)稍加更改就變成了既完成沖擊實(shí)驗(yàn)又可開展振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，向本科生開放。這一措施就是將單臺(tái)套大型設(shè)備以多個(gè)科研實(shí)驗(yàn)為載體轉(zhuǎn)換成為本科教學(xué)服務(wù)(見圖7)。

圖7 平臺(tái)加載系統(tǒng)

3 建設(shè)成效

中心通過不斷總結(jié)教學(xué)方法與各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備特點(diǎn)，自行研制了波流水槽、靜力學(xué)水槽、三自由度適航儀、四自由度適航儀、重量重心調(diào)配器、天平標(biāo)定架、船型檢測(cè)平臺(tái)、螺旋槳幾何尺度檢測(cè)儀、直葉推進(jìn)器水動(dòng)力試驗(yàn)平臺(tái)、水輪機(jī)水動(dòng)力試驗(yàn)平臺(tái)、基于MR減振抗沖基座樣機(jī)、大尺度船模遙控遙測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)等各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

中心教師將先進(jìn)科研成果與教學(xué)手段引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)[14]，近年來(lái)，依托科研項(xiàng)目逐步研發(fā)了虛擬船廠仿真系統(tǒng)、艦船操控模擬系統(tǒng)、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)、艦船艙室環(huán)境模擬系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)、半潛平臺(tái)動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)等一系列虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。2016年，中心被評(píng)為國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

中心教師注重研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)[15]，引導(dǎo)學(xué)生參與科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并將科研成果轉(zhuǎn)化為學(xué)生科技創(chuàng)新作品，近5年，學(xué)生通過參與科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目獲科技創(chuàng)新國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)110余項(xiàng)(見圖8)。

圖8 本科生參與中心的科研項(xiàng)目

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法必須與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新，才能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。船舶與海洋工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心將繼續(xù)圍繞學(xué)?！芭囵B(yǎng)具有堅(jiān)定信念與創(chuàng)新精神，視野寬、基礎(chǔ)厚、能力強(qiáng)、素質(zhì)優(yōu)的可靠有用之才”的培養(yǎng)目標(biāo)[16]，依托船舶與海洋工程優(yōu)勢(shì)學(xué)科，不斷探索與創(chuàng)新，開辟新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與教學(xué)手段，為我國(guó)國(guó)防工業(yè)、船舶工業(yè)和海洋開發(fā)等領(lǐng)域培養(yǎng)優(yōu)秀拔尖的創(chuàng)新型可靠頂用人才。

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