宋吉廣，梁利華，吉明

（哈爾濱工程大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱)

一 引言

科教融合的概念由德國教育家Wilhelm Humboldt 在十九世紀(jì)首先提出[1]。促進(jìn)教學(xué)與科研的協(xié)同發(fā)展，增進(jìn)教學(xué)與科研的有機(jī)融合是高等學(xué)校培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要途徑[2]?！皩W(xué)然后知不足，教然后知困”，教學(xué)和交流過程中會發(fā)現(xiàn)值得研究和急需解決的新問題和新對象，而科學(xué)研究也必然會為教學(xué)提供新觀點、新內(nèi)容。

2015 年5 月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布的“關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見”文中明確提出要推進(jìn)教學(xué)、科研與實踐的緊密結(jié)合，把最新科研成果和學(xué)術(shù)發(fā)展有機(jī)融入教學(xué)[3]。2019 年10 月，教育部發(fā)布的“關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見”文件中明確提出“強(qiáng)化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣”[4]。

在科教融合方面，教育工作者已經(jīng)進(jìn)行了理論和實踐上的有益探索[5-9]。文獻(xiàn)[6]分析了科研與教學(xué)之間內(nèi)在的差異。為了科教融合，作者提出必須重新認(rèn)理解和認(rèn)識教學(xué)，使教學(xué)能夠獲得與科學(xué)研究一致的屬性。文獻(xiàn)[7]分析了三種不同的科研與教學(xué)的融合方法。文獻(xiàn)[9]以相互促進(jìn)一流學(xué)科建設(shè)和實驗教學(xué)任務(wù)為目標(biāo)，提出由教師設(shè)計開發(fā)實驗教學(xué)所用設(shè)備。

作為“三海一核”人才的重要培養(yǎng)基地，哈爾濱工程大學(xué)很多專業(yè)課的設(shè)置與船舶與海洋相關(guān)。作為“自動化”專業(yè)的主干課，《船舶控制系統(tǒng)》以船舶的操縱性和耐波性為基礎(chǔ)，講授船舶的運動及姿態(tài)控制，是自動控制原理在船舶方面的典型應(yīng)用。到目前為止，在《船舶控制系統(tǒng)》教學(xué)中，并未充分地將前沿的科研成果和科研思維融入教學(xué)中，未充分引導(dǎo)學(xué)生的科研興趣，未充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。形成這一現(xiàn)象的一個原因是教師從事的科研活動與教學(xué)課程沒有實現(xiàn)較好的匹配。

受制于場地和經(jīng)濟(jì)因素，《船舶控制系統(tǒng)》的實驗課幾乎不可能在實船上進(jìn)行。同時該課程的專業(yè)性決定了實驗教學(xué)設(shè)備很難直接采購，而開發(fā)相關(guān)的教學(xué)儀器成本高、周期長。將科研成果應(yīng)用于《船舶控制系統(tǒng)》實驗課程教學(xué)，通過對科研樣機(jī)的改造可以構(gòu)建半實物仿真系統(tǒng)，能夠有效地提高學(xué)生掌握船舶控制系統(tǒng)中典型裝置的原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計過程。將最新的科研成果融入教學(xué)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，提高學(xué)生的科研能力，了解最新的科研和試驗成果，擴(kuò)寬自動化專業(yè)學(xué)生在該領(lǐng)域的視野，對未來走向全國各行業(yè)的自動化專業(yè)的學(xué)生的科研能力具有很好的促進(jìn)作用。

二 實驗課程要求

作為“自動化”專業(yè)的主干課，《船舶控制系統(tǒng)》以船舶的操縱性和耐波性為基礎(chǔ)，講授船舶的運動及姿態(tài)控制，是自動控制原理在船舶方面的典型應(yīng)用。

船舶操縱性主要是指船舶在操縱人員手動或者自動操縱控制裝置的作用下，保持或者改變其原來運動狀態(tài)的性能。這里面包含相互制約的兩個方面：一是船舶以一定的航行速度盡量保持直線前進(jìn)。二是為了避免碰撞，保證船舶的航行安全，則需要船舶在控制裝置的作用下按照操縱人員的要求及時、迅速、準(zhǔn)確地改變其原來的航速或者航向。

船舶耐波性是指船舶在風(fēng)浪等外力作用下產(chǎn)生搖蕩和砰擊、上浪、失速等現(xiàn)象時仍具有足夠穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并能保持一定航速安全航行的性能。劇烈的橫搖運動會增加船舶航行阻力，增加燃料消耗；導(dǎo)致船上人員暈船，降低其工作效率；增大貨物損失的風(fēng)險，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致船舶傾覆。

船舶控制系統(tǒng)的實驗課程設(shè)置中，包含四個重要的實驗即操縱性模型參數(shù)的獲取、航向控制器的設(shè)計、橫搖運動模型參數(shù)的獲取和橫搖控制器的設(shè)計。前兩個實驗屬于船舶操縱性的內(nèi)容，而后兩個實驗屬于船舶耐波性的內(nèi)容。由于不具備實船實驗的條件，以往實驗中操縱性模型參數(shù)的獲取和橫搖運動模型參數(shù)的獲取均通過之前實船試驗曲線進(jìn)行計算。實船試驗曲線有限，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)和實驗報告雷同。同時，橫搖控制器和航向控制器的結(jié)果通過數(shù)字仿真以曲線的形式顯示。使得《船舶控制系統(tǒng)》課程的實驗課，類似于理論課程的一次簡單應(yīng)用，不能鍛煉學(xué)生的動手能力，不能有效加深學(xué)生對理論內(nèi)容的理解，不能有效激發(fā)學(xué)生的科研興趣。

在《船舶控制系統(tǒng)》實驗教學(xué)中，如何培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，提高學(xué)生的科研能力，了解最新的科研和試驗成果，擴(kuò)寬自動化專業(yè)學(xué)生在該領(lǐng)域的視野是比知識本身更重要的任務(wù)。

三 科研成果對實驗課的融入

（一） 科研設(shè)施與科研條件

哈爾濱工程大學(xué)船舶減搖與控制技術(shù)研究所一直從事船舶減搖和船舶姿態(tài)綜合控制技術(shù)的研究。通過多個預(yù)項目、科研項目的實施，目前實驗室擁有四條船舶模型、兩臺六自由度船舶運動模擬臺。同時具有自動舵和舵機(jī)、減搖鰭實物和樣機(jī)、船舶運動試驗小型水池、海洋環(huán)境仿真系統(tǒng)等，以往這些設(shè)施主要服務(wù)于科研工作。在項目和設(shè)施的支持下研究所在船舶運動模型的建立、船舶水動力導(dǎo)數(shù)的獲取、環(huán)境擾動模型的建立與仿真、船舶操縱性、船舶耐波性、以及操縱性和耐波性的聯(lián)合控制方面獲得了豐富的科研成果[10-11]。

（二） 科研設(shè)施的改造

1.船舶操縱性實驗

利用實驗室現(xiàn)有的六自由度船舶運動模擬臺、具有舵和螺旋槳的自航模、計算機(jī)構(gòu)建操縱性實驗半實物仿真系統(tǒng)（如圖1 所示）。整個系統(tǒng)由以下四個部分組成：

圖1 船舶操縱性實驗裝置組成框圖

（1）環(huán)境仿真子系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)定的環(huán)境擾動，如波高、浪向、風(fēng)速、風(fēng)向、流速、流向等條件和教師設(shè)置的船舶模型，計算六個自由度的干擾力和干擾力矩。

（2）船模子系統(tǒng)

船模放置在船舶運動模擬臺之上，船模子系統(tǒng)由雙槳、雙舵、四個鰭及其各自的驅(qū)動器和伺服電機(jī)組成。船?？刂破饔尚∏啥鴪怨痰墓I(yè)化控制與采集系統(tǒng)NI-cRIO（National Instruments-CompactRIO）構(gòu)成，通過WiFi 接收學(xué)生PC 機(jī)產(chǎn)生的控制指令，通過工業(yè)總線EtherCAT 和CANopen驅(qū)動舵、鰭、槳等執(zhí)行器跟蹤控制指令。同時NIcRIO 根據(jù)電機(jī)編碼器反饋的執(zhí)行器狀態(tài)（舵角、鰭角和螺旋槳轉(zhuǎn)速）和教師設(shè)置的船舶模型，產(chǎn)生六個自由度的控制力和控制力矩。

（3）船舶運動模擬臺子系統(tǒng)

船舶運動模擬臺子系統(tǒng)主要組成部分是一個六自由度并聯(lián)Stewart 平臺。該子系統(tǒng)的PC 機(jī)接收干擾力和干擾力矩、控制力和控制力矩、船舶模型參數(shù)、初始位置等信息，計算出船舶六個自由度的位置和速度，即經(jīng)緯度、垂蕩值、橫搖角、縱搖角、首向角以及各個自由度的速度。

由于Stewart 平臺的運動空間小，并不能夠完整復(fù)現(xiàn)船舶在無限海域中的首向、縱向和側(cè)向等運動運動狀態(tài)。因此，在這幾個自由上需要加入洗出算法[12-13]，以便將船舶的運動姿態(tài)轉(zhuǎn)換為平臺可以實現(xiàn)的姿態(tài)，并盡量真實的模擬船舶運動。經(jīng)過洗出算法獲得的船舶姿態(tài)送入PMAC（Programmable Multi-Axes Controller），由PMAC 完成反解運動獲得的六個伺服電動缸的位移，并實現(xiàn)伺服電動缸的閉環(huán)控制。

平臺上除了安裝船模外，中心位置還安裝有IMU（Inertial Measurement Unit）測量船模的運動姿態(tài)，對Stewart 平臺的反解計算進(jìn)行驗證。同時IMU測量的位置、速度融合船舶運動模擬臺子系統(tǒng)對船舶位置的計算，給出經(jīng)緯度、垂蕩值、橫搖角、縱搖角、首向角以及縱蕩速度、橫蕩速度、垂蕩速度、橫搖角速度、縱搖角速度和首搖角速度發(fā)送給人機(jī)交互子系統(tǒng)的學(xué)生PC 和三維顯示PC。

（4）人機(jī)交互子系統(tǒng)

人機(jī)交互子系統(tǒng)中的學(xué)生PC 和教師PC 均可設(shè)置和顯示環(huán)境擾動參數(shù)，而船舶模型參數(shù)對學(xué)生是一個黑箱，由教師PC 進(jìn)行設(shè)置。學(xué)生PC 可以接收船舶運動模擬臺子系統(tǒng)給出的經(jīng)緯度、垂蕩值、橫搖角、縱搖角、首向角以及縱蕩速度、橫蕩速度、垂蕩速度、橫搖角速度、縱搖角速度、首搖角速度。也可以接收舵、鰭等執(zhí)行器的角度和螺旋槳等執(zhí)行器的速度。

在隨動操縱模式下，學(xué)生PC（圖2）可以通過舵輪和車種推桿對舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在自動模式下，學(xué)生可以編寫航向控制程序（自動舵）、減搖控制程序、Z 型試驗程序、平行移船實驗程序等完成對船舶模型姿態(tài)和執(zhí)行器的控制。三維顯示PC 同時可以接收船模子系統(tǒng)發(fā)送的執(zhí)行器狀態(tài)，驅(qū)動三維顯示中的舵、鰭和螺旋槳產(chǎn)生相應(yīng)的運動。

圖2 學(xué)生PC 控制臺與三維顯示PC 界面

2.船舶耐波性實驗設(shè)備

由于Stewart 平臺可以模擬船舶的橫搖運動，同時船模子系統(tǒng)配備了減搖鰭，上述實驗裝置可以進(jìn)行船舶的耐波性實驗。然而利用實驗室的水池和船模（圖3）可以更真實地進(jìn)行耐波性實驗。

圖3 船舶耐波性實驗設(shè)備

該實驗設(shè)備可以通過PC 機(jī)采集安裝于船模中的IMU 發(fā)送的橫搖角和橫搖角速度、控制干擾模擬裝置使船模產(chǎn)生強(qiáng)迫橫搖運動、控制減搖鰭的運動。

（三） 科研成果和科研思維的引入

將船舶控制的科研成果轉(zhuǎn)化為《船舶控制系統(tǒng)》實驗課教學(xué)內(nèi)容，引入最新的研究成果，可以對實驗課內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新，拓寬課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。如將舵鰭聯(lián)合控制的內(nèi)容引入可以使學(xué)生更深入了解船舶運動之間的耦合，將自動控制原理中MIMO 系統(tǒng)的設(shè)計融入到操縱性和耐波性的綜合控制問題，完成知識進(jìn)階。

科研的過程包含提出問題、分析問題并解決問題?？蒲兴季S符合元思維特征，是一種抽象了的思維[14]。通過將科研思維的內(nèi)化，轉(zhuǎn)換為教學(xué)元思維，從而實現(xiàn)從封閉的教學(xué)思維向動態(tài)教學(xué)元思維的變化。在實驗課教學(xué)不要首先把科研過程和科研成果呈現(xiàn)給學(xué)生，而是要形成一種設(shè)疑思維，探討為什么會提出這樣的科研問題，以問題意識貫穿實驗課過程。與此同時不斷總結(jié)思考實驗難題和問題， 凝練新的問題，從而使師生的思維共同發(fā)展。

四 實驗的實施

（一） 船舶操縱性實驗

操縱性實驗首先要在無干擾的條件下獲得船舶操縱性的野本模型參數(shù)，然后根據(jù)模型參數(shù)設(shè)計自動舵控制程序，加入海浪、海風(fēng)和海流等環(huán)境干擾，驗證自動舵控制程序是否達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，如果沒有達(dá)到，需要找出問題并解決問題。

如前所述，應(yīng)以問題意識貫穿實驗課過程。讓學(xué)生自己選擇是通過“Z 性操縱實驗”或“平行移船實驗”來獲得模型參數(shù)，并給出選擇的原因。學(xué)生可以更明確實驗的實施條件和過程、模型的限制等，如“平行移船實驗” 只能建立低頻模型，并不適用于高頻模型的建立，而要建立高頻模型，可利用正弦操舵實驗來進(jìn)行。通過對這些問題的思考，使學(xué)生不僅知其然而且知其所以然，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的問題意識。通過執(zhí)行自己編寫的實驗程序來獲得舵角和航向隨時間變化的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)獲得了野本模型的參數(shù)。

相對于執(zhí)行實驗程序，很多學(xué)生更喜歡嘗試以隨動方式對舵和螺旋槳進(jìn)行控制，同時觀察三維顯示PC 上船舶的姿態(tài)和航跡。通過隨動方式，學(xué)生可以更深入了解操縱性方程的大慣性特點，對回轉(zhuǎn)過程中的橫傾和降速有更直觀的了解。

海上航行的船舶不僅受到低頻海風(fēng)和海流的擾動的影響，還會受到高頻海浪擾動的影響，因此在自動舵的設(shè)計中可以同時考慮這樣的影響。通過實際船舶中自動舵對環(huán)境擾動的處理，引導(dǎo)學(xué)生將前面學(xué)習(xí)的知識貫通，了解船舶操縱性是一個慣性很大的低通特性環(huán)節(jié)。首向運動對低頻擾動響應(yīng)幅值比較大，而對高頻干擾響應(yīng)比較弱。因此在自動舵設(shè)計中，將海浪擾動參與控制，必然會引起頻繁地動舵。導(dǎo)致增加了操舵引起的航行阻力，同時要求舵機(jī)有較高的響應(yīng)頻率，從而增加了功率的要求。

通過學(xué)生對包含高頻干擾和不包含高頻干擾的自動舵的設(shè)計、驗證和對比，加深對實際工程問題的了解，避免知識的僵化。

（二） 船舶耐波性實驗

耐波性實驗首先要在無干擾的條件下獲得船舶橫搖運動模型的參數(shù)，然后設(shè)計減搖鰭控制程序。通過干擾模擬裝置，強(qiáng)迫船舶產(chǎn)生橫搖，再通過減搖鰭的運動來減小橫搖運動。

首先讓學(xué)生了解橫搖衰減試驗的原理，提出橫搖角速度和阻尼力矩之間有什么關(guān)系？通過設(shè)疑思維，加深學(xué)生對實驗背后理論知識的理解。然后使船模傾斜超過15 度進(jìn)行衰減試驗，通過PC 機(jī)采集的橫搖角和橫搖角速度隨時間變化曲線，獲得船舶的橫搖運動參數(shù)。普通減搖鰭依靠升力來產(chǎn)生穩(wěn)定力矩克服環(huán)境擾動力矩，只有船舶具有航速時才能夠減搖，而且在設(shè)計航速之下，航速越高效果越好。在兩項國家自然科學(xué)基金和科研項目的支持下，基于阻力原理的零航速減搖鰭在實船上已經(jīng)獲得應(yīng)用。

從海洋工程船、科學(xué)考察船對零航速減搖的需求出發(fā)，通過學(xué)生了解零航速減搖鰭的科研過程，引導(dǎo)學(xué)生如何提出問題，分析問題和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和科研素質(zhì)。在建立橫搖運動模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)零航速下鰭上穩(wěn)定力的公式和減搖效果的要求，設(shè)計鰭運動控制程序。并在船模上對程序進(jìn)行驗證。PC 機(jī)可以采集減搖和未減搖時，船模的橫搖角和橫搖角速度隨時間的變化數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以計算減搖鰭在零航速下的減搖效果。

五 科教融合的實施效果

在《船舶控制系統(tǒng)》實驗課程的教學(xué)中，通過科教融合，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的問題意識和科研思維。而且教學(xué)效果有了明顯提升。

《船舶控制系統(tǒng)》課程在大四上學(xué)期進(jìn)行，學(xué)生面臨著找工作、考研復(fù)習(xí)、異地保研面試等很多占用學(xué)生精力與時間的事情，而實驗課在理論課程完成后進(jìn)行，通常距離考研日期只有半個月左右。導(dǎo)致教學(xué)效果尤其是實驗課的教學(xué)效果不太理想，如何提高教學(xué)效果一直是課程組教師關(guān)注和希望解決的問題。

從2019 年開始，通過實驗設(shè)施在實驗課程中的應(yīng)用，科研成果和科研思維的引入，最明顯的感覺是實驗報告的雷同率大幅下降。表1 列出了對兩個班級的統(tǒng)計結(jié)果。

表1 實驗報告雷同率統(tǒng)計

而專業(yè)課程達(dá)成度評價表（成績定量分析法）中課程目標(biāo)達(dá)成值分別由0.74 與0.75 提高到了0.79和0.80。

六 結(jié)語

將課題組的科研設(shè)備和大量科研成果融入到本科生《船舶控制系統(tǒng)》實驗課程的教學(xué)中，是一次有益的研究與實踐。通過科教融合，在實驗教學(xué)中引入最新的科研成果，引入科研過程，使學(xué)生了解如何發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題?？梢蚤_闊學(xué)生視野、增加學(xué)生對課程的興趣?？蒲谐晒娜谌?，改善了課堂教學(xué)效果，提高了課程目標(biāo)達(dá)成值。

相比于實驗設(shè)施的構(gòu)建和科研成果的引入，更重要的是科研思維進(jìn)課堂。相比于低年級的教學(xué)中教師要具有設(shè)疑意識，用問題貫穿教學(xué)過程，高年級教學(xué)中更要重視培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)疑意識，要敢于對老師的科研過程、科研成果和教學(xué)內(nèi)容提出質(zhì)疑。這對即將進(jìn)入研究生階段的學(xué)習(xí)的學(xué)生會有很大幫助。

由于《船舶控制系統(tǒng)》課程的專業(yè)性，如何更好地將科研成果和科研思維融入實驗課教學(xué)是一個需要持續(xù)改進(jìn)的過程。需要在教學(xué)互動中探索、實踐和提高。