“船舶稳性”定义的预备知识及教学

邹忠胜 三亚航空旅游职业学院

1.引言

在《海船船员培训大纲(2016版)》中，明确了稳性的学习要求。对于营运船舶来说，船舶稳性是至关重要的。如果稳性过小，船舶将不能抵御恶劣天气和较大的风浪而导致沉没；如果稳性过大，船舶结构和设备受力过大容易损坏，同时船上人员也会感觉不舒服；如果稳性丧失，很小的外力矩就会导致船舶倾覆。因此，对于航海技术的学生来说，掌握船舶稳性是必要而且是重要的。

以三亚航空旅游职业学院的学生为例，他们普遍对“船舶稳性”相关知识的掌握较差，主要表现：定义是船舶稳性的理论基础，学生对此一知半解，影响后续知识的学习，如大倾角静稳性、船舶动稳性、船舶吃水差和船舶强度；对初稳性影响的计算未能深刻理解其物理意义，不能灵活应用和解决实际问题。因此，深刻领会其定义是学习“船舶稳性”的关键。

教材指出：船舶稳性是指船舶在外力矩作用下偏离其初始平衡位置而倾斜，当外力矩消失后船舶能自行恢复到初始平衡状态的能力。目前笔者所在学校所用的教材为《船舶结构与货运》，用于海船船员适任考试培训，受学制为专科所限，其先修课程没有安排《船舶原理》作为铺垫。而教材中关于“船舶稳性”的预备知识较为分散，如船舶结构、船舶重力/重心、船舶浮力/浮心、船舶坐标系、稳心等分散在教材的不同章节，学生不能系统应用相关知识理解“船舶稳性”定义；力矩/力偶的相关内容虽为高中物理知识，但部分学生限于学习基础，不能很好理解，这些原因导致定义理解起来无从着手。因此，学习“船舶稳性”前，学生系统学习相关的预备知识是很有必要的。

2.预备知识的相关内容

根据船舶稳性形成的物理过程，如图1，所涉及的知识点，预备知识应包括以下内容。

2.1 船舶结构

通过船舶结构的学习，学生了解船舶主船体由船底结构、舷侧结构、甲板结构、舱壁结构和首尾结构等组成。只有以上的知识足够扎实，才能更好理解图1中的框形为船底、舷侧和甲板结构的横剖面，不再是抽象的一张图。

2.2 船用坐标系与船舶尺度

图1 船舶稳性

我国船用坐标系的原点：中线面、中站面和基平面的交点。X轴、Y轴和Z轴分别为沿船长、船宽和深度的坐标轴。船舶货运所用的尺度一般为型尺度。应用所学知识，可知图1中的k为平板龙骨，Y轴表示讨论的稳性是船舶的横稳性。

2.3 重力与重心

船舶是非均质的。重力G由船舶本身的重量和船上重物的总和，即船舶排水量Δ=空船排水量+净载重量（货重）+航次储备量+船舶常数。重心则是合力的作用点。

如果没有提到重物移动，都是假定在船舶横倾时，重心是不变的。如图1中的G是表示重心所在的高度，KG为重心到平板龙骨上缘的高度，所对应的箭头为重力的方向。

2.4 浮力、浮心及浮态

浮力是船体排开水的重量。浮心是船体排水体积的几何中心，与船舶的排水形状有关。如果排水形状发生变化，那么浮心位置也会跟随变化。船舶浮态为：正浮、横倾、纵倾和任意倾斜。

如图1，原始状态为正浮，对应的水线为WL，浮心为B点；在外力矩的作用下，船体发生横倾，此时的水线为W1L1，同时排水形状改变，此时的浮心为B1点。正浮与倾斜后的浮力作用线交点为稳心M点。

2.5 力矩/力偶矩、外力矩

力矩定义：力和力臂的乘积，计算公式：M=F＊L,作用：使船舶绕X轴、Y轴转动，表现为船舶发生横倾、纵倾。力偶定义：大小相等、方向相反、不共线的两个平行力组成的系统，对于稳性的形成来说，正浮时，重力与浮力是一对平衡力；横倾后，重力和浮力不再共线，构成力偶。力偶矩定义：力与力偶臂的乘积。

由以上知识可知，图1中，重力G和浮力B构成力偶。重力G或浮力B乘以力偶臂GZ为力偶矩，其中GZ为G点到倾斜后浮力作用线B1M的垂直距离，称为复原力矩MR，作用：一旦外力消失,它能使船舶回复到原来正浮的平衡位置。

图中的Mh为外力矩，作用是使船舶偏离其初始平衡位置，产生的原因：风、浪的作用，用舵转向，拖轮顶推。

3 “.船舶稳性”定义的教学过程

根据课程涉及的知识点多、逻辑性强的特点，教学过程设计如下。

3.1 课前预习

提前在“云班课”上传预备知识的资料，设置投票问卷和相应的测试题，摸清学生对相关知识的掌握情况，并就反馈情况做好充分备课。

在“云班课”上传相关视频，提出思考问题：船舶下水时，横倾如此大角度，为什么不会倾覆？

3.2 课堂教学

讲解预备知识，着重讲解学生掌握较差部分；提问部分学生课前问题，并引导学生转入本节课的内容。

借助课件动画演示，讲解船舶稳性形成的过程。在讲解过程中，通过“云班课”的“举手/抢答/选人”等功能与学生进行互动。

（1）假若初始船舶处于正浮状态，根据船舶平衡条件，重力G与浮力B大小相等，方向相反并作用于同一垂线上。

（2）受外力矩的作用，船舶横倾，水线位置发生变化，水线由WL变为W1L1。

（3）如果没有说明重物移动，重心高度不变，重力方向向下并垂直于新水线W1L1；排水体积不变，但船舶的水下形状变化，浮心位置随之变化，由正浮时的浮心B变为新的浮心B1，浮力方向向上并垂直于新水线W1L1，形成新的浮力作用线，倾斜前后浮力作用线的交点为稳心M。

（4）重力与浮力大小相等，方向相反，但重心和浮心不再位于同一铅垂线上，形成一个力偶；重心G到倾斜后浮力作用线的距离为力偶臂GZ，形成了力偶矩（复原力矩），与外力矩的方向相反。

（5）随着横倾角度越来越大，力偶臂/矩也随之增大，外力矩与力偶矩最终达到平衡。当外力矩消失后，在力偶矩的作用下，船舶将回摇，当回摇到原来位置时，力偶臂GZ为零，力偶矩也为零。该力偶矩也称为复原力矩MR。

3.3 课堂检验

通过“云班课”的“头脑风暴”和“测试活动”活动，快速反馈学生的学习情况，教师可以针对学生掌握较差的部分知识进行着重讲解。

3.4 课堂小结

疏理预备知识和船舶稳性的形成过程，有助于学生理清本节课的知识结构，掌握知识点的内在联系。

3.5 课后复习并布置下节课的预习任务

选取实际工作中涉及该知识点的习题和配套辅导教材的相关习题作为课后测试题，检验学生的实际解决问题的能力。

4.结语

“船舶稳性”定义的理论是学习船舶稳性、吃水差和强度的基础，涉及多个基础知识点的综合应用，如何让学生有效地领会、掌握，一直是困扰专业教师的难题之一。为了提高学生的学习成效，在讲解“船舶稳性”定义前梳理了预备知识，实现基础知识的迁移，为学习新知识作好了铺垫。形象讲授“船舶稳性”的形成过程，使学生能深刻理解其发生的物理过程，提高解决实际问题的能力。同时利用“云班课”协助，快速反馈学习情况，教师能有的放矢解决学生遇到的问题。提高了教学质量，取得较好的教学效果。