基于问题式学习的船海工程疲劳课程教学改革

张 崎，董磊磊，杨宏启，陈景杰

（大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连 116023）

引言

疲劳损伤是船海工程领域中的常见问题，也是该领域中业界重点关注的问题。疲劳分析相关课程是船舶与海洋工程专业中非常有特色的专业课程之一，其主要内容为船舶与海洋工程结构的疲劳与断裂损伤的基本理论、基本概念等相关知识；同时面向船海领域的实际工程问题，学习掌握疲劳、断裂破坏分析的工程化方法。该课程在培养本科生特别是高年级本科生的分析问题、解决问题能力和工程概念等方面有着重要的作用。

目前国内很多知名高校都在工科专业的本科阶段开设了疲劳分析的相关课程［1］，但是由于各高校开设此课程的专业不同，因此在培养目标与课程设置等方面的侧重点各不相同，由此产生的教育教学问题主要体现在以下几个方面：一是在授课内容方面偏重机理的学习，弱化了疲劳问题的工程化应用。虽然在培养目标中均强调提升学生在专业领域中的应用能力，但是在课程体系中较少设置与工程问题衔接紧密的学习内容。二是在课堂教学的教学目标上偏重知识的讲授，弱化了学生的参与和互动。由于学生的参与度不够直接影响学生的学习兴趣和对专业知识的投入程度，学生一直处于以教材为中心的应试学习状态中，难以提高学生的动手能力和解决实际问题的能力。此外，调研发现与该课程相关的教学培养模式、教学内容改革的相关研究却很少，且相对集中于航空航天及机械等其他专业方向［2-3］；相关的教学改革工作仅对课程教材适用性、教学实验设置等部分进行研讨［4］。由于该课程中的疲劳和断裂力学涉及面广且实用性很强，因此在教学中如何让学生在牢固掌握基本概念、基本方法、基本理论的基础上，尽可能地建立较为系统的学科知识体系和结构，是一个比较困难的问题。

通过前期调研发现，在国外高校中，很多学校同样开设了疲劳与断裂相关的课程，其中包括美国麻省理工学院、挪威科技大学、英国西英格兰大学、荷兰代尔夫特理工大学等知名学府。麻省理工学院在材料科学与工程专业开设的课程明显针对材料及其相关专业，其授课内容偏重机理、过于理论化，并不适用于船海专业；英国西英格兰大学、荷兰代尔夫特理工大学的课程设置虽偏向于土木工程专业及航空航天专业，但就授课基本内容而言，都是面向工程问题的课程教学。在国外众多高校中，疲劳与断裂相关课程设置最为完善和系统的是挪威科技大学，该校也是船海行业的顶级院校。挪威科技大学依次开设了“疲劳设计”“海洋结构的疲劳和断裂”和“疲劳分析”三门课程，其中前两门课程是针对高年级本科生或研究生开设的，第三门课程是针对博士生开设的。挪威科技大学的“疲劳设计”主要涉及与设计和维护抵抗疲劳失效相关的基本问题，同时介绍疲劳设计在工业界的关键应用，授课基本内容与国内现有课程基本相同；但挪威科技大学在课程中设置12个作业，其中10个旨在解决工程问题，其余2个是基于给定主题的自主论文。挪威科技大学的“海洋结构的疲劳和断裂”是在“疲劳设计”的基础上，重点讲解挪威国家石油标准协会（NORSOK）、挪威船级社（DNV）、英国标准协会（BSI）和美国材料与测试协会（ASTM）等行业权威机构所给出的疲劳和断裂设计规范与指南中规定的设计原则等知识，其教学大纲中明确规定了“理解并使用BS 7910给出的断裂设计指南”的课程目标；其目标为完成课程学习后，学生将对疲劳和断裂的物理现象有较为透彻的了解，能够建立海洋工程结构中疲劳和断裂的简单计算模型，并依据规范予以校核评估。

综上可以看出，国内高校在课程教学中十分重视理论和机理的学习，但缺乏针对海洋工程问题的教学；学生即使在课堂上学习、掌握了大量的基本知识、基本方法，但是仍然缺乏解决实际问题的经验；遇到实际工程问题，很难理清头绪，对于工程问题的原委与性质缺乏认识或是认识得不深刻、不彻底，无法独立地分析、解决问题。而挪威科技大学的课程设置思想十分值得我们学习，通过设置与专业内容相关的“问题”，并结合行业规范进行细致讲解和学习，这将起到事半功倍的作用，有效地解决课堂教学与学生在未来工作中所面临的真实、复杂情况相脱节的问题。因此，本文针对以上问题，结合我国船海专业的学科特点，提出了面向工程实践的疲劳损伤分析课程的问题式教学改革方案。

一、问题式学习

问题式学习的教学方法在教育教学领域已被公认为是能够帮助本科生系统地建立学科知识体系的方法，该方法源于20世纪60年代美国针对医学教学领域而设计的特定教学模式［5］，其主要宗旨在于解决医学领域中课堂教学与实际情况相脱节的问题。问题式学习模式的显著特点是以解决问题为核心，教学行为的整个过程是围绕一系列的问题而展开的，是以弄清楚问题的来龙去脉、前因后果为目标导向的，教学的过程同时也是问题探究解决的过程。问题式学习主要具有以下几个特征［6］：首先，以工程中的科学问题为学习出发点。其次，在解决问题的过程中需要以适当人数的学习小组为单位来解决问题，学习过程中要强调学生共同承担责任、共同学习。再次，学习体系中要以学生为中心，强调学生是问题的解决者，是负有责任的自我发展的学习主体；而教师的作用是促进者或指导者，并不以讲授者的身份出现在学生面前。最后，学习的目标是在学习过程中，使学生获得新的知识或者对已有知识有新的理解，同时获得团队合作能力和创新能力等。

在“基于问题式学习”教学法中问题的设计极为重要，要重点关注问题的针对性和结构性［7］。针对性不强的问题会导致学生对所传授的知识点不易产生共鸣，进而导致课堂知识传授效率降低；若问题的结构性过于良好则会导致该问题也许只有一个确定的答案，从而显得问题过于容易，导致学生只关注问题的解决，而放弃了对问题本质的探究。因此，在运用问题式学习教学方式时，教师必须根据课程设置的教学目标提出相应有针对性的问题，这个问题必须能够覆盖相关课程的主要内容，即通过问题设置和引导学习，才能够达到课程关键内容的教学目标。问题的设置中存在着“大而全”和“小而精”两种模式，两种模式并无优劣之分；针对不同的课程内容，应有目标、有针对性地设置问题，以是否能够涵盖所有关键教学内容为评判问题优劣的依据。

二、问题式学习在船海领域疲劳课程中的应用

结合疲劳与断裂损伤分析的授课内容，通过对船舶与海洋工程案例的深入分析及船舶海洋结构物设计规范的详细解读和整理，开展了相应的课程问题设计研究；并以工程案例和工程规范相结合的演示教学引导“基于问题式学习”教学方法的逐步深入，同时建立与问题相对应的测试问题题库，改变现有的课堂教学模式，培养船舶专业高年级本科生的研究型学习能力。通过多年的教学积累，作者建立了以工程问题为引导、理论分析为基础、规范讲解为重点、关键点详解为核心、汇报讲评为目标的授课方式。教学过程的基本步骤如下。

（一）工程问题的设置

为了强化学生的工程意识和工程概念，结合疲劳课程各个知识点的难易程度，依次设置了“海洋工程中S-N曲线及应用对比”“平板对接结构疲劳分析——基于名义应力的疲劳分析”“管节点的应力集中与疲劳分析——基于热点应力的疲劳分析”“半潜式平台立柱结构疲劳强度的简化分析方法”和“甲板结构疲劳裂纹扩展分析及剩余寿命评估”这五个工程问题，其中既包含疲劳分析的基本知识点，又涉及规范中的核心内容，并以工程实用问题的形式呈现出来。

以“海洋工程中S-N曲线及应用对比”部分为例，在了解S-N曲线基本知识的基础上，对比DNV、ABS、CCS等各大船级社规范及美国焊接协会（AWS）、美国石油协会（API）等行业协会所提供的S-N曲线，着重阐述海洋工程结构中应用的S-N曲线特点、适用范围和差异。对其中差异较大的内容进行详解，如规范中疲劳载荷的概率水平问题、双斜率和单斜率曲线问题等；并设置简单疲劳分析问题，让学生采用不同的S-N曲线进行计算分析，并对比在相同载荷条件下，疲劳损伤结果的差异，以此加深学生对各种S-N曲线的理解。

（二）理论知识讲解

在上述五个工程问题的引导下，结合传统的课堂教学方式对该门课程中的基本知识点做讲解，其中包含疲劳的定义与特征、S-N曲线、等寿命变换、断裂韧性、裂纹扩展等核心理论知识。

（三）疲劳规范讲解

五个工程问题的设置均与规范中的关键部分一一对应，课堂中对规范的讲解不求大而全，其目的是让学生建立理论知识与工程规范的对应联系，学以致用。作者是基于中国船级社《海洋工程结构物疲劳强度评估指南》中关键章节的核心内容开展教学的，其中包括“通则”“基于S-N曲线的疲劳分析”“应力集中系数和热点应力计算”“简化疲劳分析方法”和“基于断裂力学的疲劳分析方法”五大部分。

以“基于断裂力学的疲劳分析方法”部分为例，对应理论知识，讲解基于断裂力学的疲劳分析方法的应用条件，加深学生对疲劳和断裂问题的认识；特别是关于工程初始裂纹的定义及其影响因素，由于此部分内容在通用疲劳断裂教材中很少涉及，因此需格外强调并关注。对于疲劳裂纹扩展模型参数确定问题，在规范和教材中的讲解和处理方法均存在差异，此处更加强调工程化方法的应用，并以真实试验数据为例，设置研究问题，让学生通过实操训练加深理解。

（四）关键知识的重点解读

针对学生初次接触疲劳问题，不容易抓住学习重点的问题，在课堂教学中对关键的知识点做多次、重点的解读，其中包括疲劳分析中S的含义、等寿命变换的含义、断裂韧性与裂纹扩展的关系等。让学生重点掌握课程中“S-N曲线的测定”“断裂韧性的测定”及“疲劳裂纹扩展速率的测定”三个关键试验的关联与区别。

由于课时及试验条件的限制，三个关键试验测试只能以多媒体形式展现；在教学过程中，以过往科研活动中的相关试验视频资料为载体，以实测数据为依托设置工程问题，让学生在数据回归分析的过程中，提高对三个关键试验关联与区别的认知，其中包含加载条件、试件形式、数据分析方法等。

（五）分组研讨与汇报讲评

针对五个工程问题，分别设置与之对应的1～2个测试问题，让学生在课后分组完成，并用1个学时在课堂上进行汇报（每次仅1个小组汇报，轮流执行）和讨论。通过测试问题，有意识地激励学生去思考、提问、分析，进而得出结论；在对学生进行成绩评定时，不以成败论高低，以此激发学生自主思考的积极性。

结语

通过多年来的教学经验，以及对船海工程案例的深入分析和设计规范的详细解读，开展课程问题设计研究，以船舶与海洋工程实际案例为引导，以规范设计分析为目标，构建了针对船海结构疲劳分析的问题式教学专业知识体系；建立了“海洋工程中S-N曲线及应用对比”“平板对接结构疲劳分析——基于名义应力的疲劳分析”“管节点的应力集中与疲劳分析——基于热点应力的疲劳分析”“半潜式平台立柱结构疲劳强度的简化分析方法”和“甲板结构疲劳裂纹扩展分析及剩余寿命评估”五个问题的工程案例库及六个相应的测试问题题库；整个教学活动将基础理论知识、专业规范和工程问题融会贯通，形成了一个工程问题体系，极大地增强了学生的学习热情，并有效地提升了教学效果和质量。相关教学成果可以推广至船舶与海洋工程结构相关专业的其他课程教学活动中，如“船舶结构强度分析”“船舶结构有限元分析”等。

同时，基于问题式学习的教学方法能够更好地培养学生良好的综合素质和学习能力，尤其是针对高年级的本科生，可以使其在初步掌握基本专业知识的基础上，增强其解决实际工程问题的能力；在开阔视野的同时，深入地巩固基本专业知识，提高综合专业能力。与传统课堂讲授相比，在船海工程疲劳分析课程中引入基于问题式学习的方法具有很大的优势，具体表现为：一是大大激发了学生的学习兴趣，学生在每一个知识点的学习之前就明确了其工程对象和目标，在理论知识学习的同时将工程问题、规范要求有效地结合起来，形成了知识体系。二是极大地提高了学生学习的参与性，把课程学习的部分权利交给学生，让学生主动思考、分析问题并解决问题，推动了课堂进程。学生在思考和处理工程问题的过程中，历练了工程师思维，收获的不仅是结论，更是独立的思想和创新的能力。