海洋資源開發技術專業工程力學教學改革探索

謝武德 梁振林 姜昭陽

摘? 要：開發海洋生物資源，建設海洋牧場不僅能夠促進我國海洋經濟的發展，而且能夠為我國糧食安全提供保障。為了培養海洋資源開發技術領域的高技術人才，需要夯實基礎理論知識。工程力學是海洋資源開發技術專業的基礎理論課程，將傳統的工程力學教學內容與新興的海洋牧場建設相結合，在課程中注入新工科的發展理念，以深遠海養殖網箱為教學背景，將理論計算與數值仿真相結合，以期通過多項教學內容和教學方法的改革，全面提升課程的授課水平，擴充學生的知識儲備，進一步培養學生的創新能力和研究性思維。

關鍵詞：海洋資源開發技術；工程力學；教學改革；海洋牧場

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）05-0176-04

一、課程改革背景

我國海域遼闊，總面積超400萬平方公里，“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國”已經成為我國海洋發展的重要戰略方向。開發海洋資源，發展海洋經濟是建設海洋強國的重要舉措。海洋資源主要包括空間資源、物質資源和海洋能源等［1］?？臻g資源主要有水面、水體和海底等空間。物質資源主要涉及生物資源、油氣資源、礦產資源等，開發海洋物質資源能夠為人類的生存和發展提供物質支持和能源支持。海洋能源主要包括海洋風能、波浪能、海流能、光伏能、溫差能和鹽差能等，這些可再生清潔能源能夠為人類的發展和進步提供支持，并且更有益于環境的改善，是實現“碳達峰”“碳中和”的重要途徑［2］。

為進一步增強我國海洋資源的開發能力，培育該領域的高技術人才，教育部于2011年增設了海洋資源開發技術專業，該專業歸屬于海洋工程類，屬于國家戰略性新興產業相關專業。近十幾年來，國內多所高校開設了該專業，對本科生進行了教學和培養，比如大連理工大學、河海大學、中國海洋大學、南京師范大學、天津科技大學、江蘇海洋大學和山東大學（威海）等［1］。這些高校根據自身傳統優勢開設海洋資源開發技術專業，故而他們的側重點有所不同。有些學校側重海洋生物資源的開發和利用，有些學校側重海洋礦產資源、海洋空間資源的開發。山東大學（威海）海洋學院開設的海洋資源開發技術專業主要面向海洋生物資源的開發和利用，面向我國海洋牧場的建設，為我國“藍色糧倉”的建設培育人才［2-5］。

海洋牧場一般是指在特定的海域，有計劃地培育和管理漁業資源而設置的人工漁場［2］。2018年6月，習近平總書記在山東考察時就指出：“海洋牧場是發展趨勢，山東可以搞試點?！痹谖覈摹笆奈濉币巹澓?035年遠景目標綱要中也明確表示：“優化近海養殖布局，建設海洋牧場，發展可持續遠洋漁業?！睘榱思涌煳覈Ｑ竽翀龅慕ㄔO，截至2021年底，農業農村部已經在我國設立了153個國家級海洋牧場示范區域，分布在渤海、黃海、東海和南海四大海域。在海洋牧場的建設過程中，往往會遇到一些新問題，比如海洋牧場區域的規劃和管理問題、海洋牧場生物生長繁殖問題、深遠海養殖網箱的安全問題、養殖網箱的監控、管理及供能問題、海洋牧場的生態環境效應等等［6-7］。這些問題亟須解決，以保障海洋牧場的健康發展。

二、課程建設現狀

為了培養海洋牧場建設領域的高技術人才，需夯實基礎理論知識，山東大學（威海）海洋學院海洋資源開發技術專業設置了工程力學這門專業基礎理論課程。該課程涵蓋了理論力學的靜力學部分和材料力學的全部內容，主要包括：力與力系、力偶與力偶系、力系的簡化、桿件的軸向拉伸與壓縮、圓軸的扭轉等基礎理論知識［8］，旨在培養學生的力學思維、工程計算能力和工程結構設計能力等。

工程力學的教學內容概念多、公式多，側重于基礎理論。學生在學習的過程中對一些基礎概念難以理解，難以將基礎理論與專業領域的應用相結合。為了改善課程教學內容，提升課程教學水平，本研究提出了多項教學改革措施，以進一步加深學生對工程力學基礎理論知識的理解，提高學生對專業領域的認識。

三、課程改革措施

（一）注入新工科的發展理念

科技創新是提高綜合國力的重要途徑。為了培養具有更高創新創業能力和跨界整合能力的高技術人才，我國教育部于2017年2月在復旦大學召開了綜合性高校會議，發布了“新工科”的建設共識。同年4月和6月，教育部進一步發布了新工科建設行動計劃和《新工科研究與實踐項目指南》。一系列方案的出臺，旨在加快推進我國新工科的建設，進一步增強我國在新一輪科技革命和產業變革中的競爭力，提升我國的綜合國力［9］。開發海洋生物資源，建設“藍色糧倉”能夠彌補我國內陸耕地的不足，為我國糧食安全提供可靠的保障。建設海洋牧場是開發海洋生物資源的主要途徑之一。海洋牧場涉及多個學科的交叉融合，十分復雜，主要有生物學、化學、流體力學、結構力學和環境工程等。

在海洋牧場的建設過程中也常常應用到新工科的研究成果，比如海洋牧場結構物（人工魚礁、養殖網箱等）的智能制造，海洋牧場區域監控和管理的人工智能系統，海洋牧場水產品快速高效運輸的互聯網和物聯網技術等。工程力學是一門基礎理論課程，可以在授課的過程中，不斷注入新工科的發展理念，引入新工科新技術的應用實施案例，比如5G通信技術在深遠海牧場實時監控中的應用，海上風機、波浪發電機對深遠海牧場的供能等。在工程力學中注入新工科的發展理念，能夠拓展課程的授課范圍，培養學生的創新能力和跨界整合能力。

（二）以深遠海養殖網箱為背景

深遠海養殖網箱是建設深遠海牧場的主要裝備，至今，國內外已經建造了多個深遠海養殖網箱，比如Ocean Farm 1號半潛式養殖網箱、Jostein Albert號船型養殖網箱、深藍1號全潛式養殖網箱、長鯨1號座底式養殖網箱和德海1號船型桁架式養殖網箱等［7，10］。在授課的過程中，可以詳細介紹不同類型養殖網箱的主要特性。比如Ocean Farm1號養殖網箱是全球首座深遠海鋼結構半潛式養殖網箱，其為圓桶形，直徑達到110 m，高度達到69 m，一次可養殖150萬尾三文魚。該網箱采用潛浮式設計，當臺風、風暴潮等惡劣天氣來臨時，可以往網箱底部的浮箱內注入海水，增加網箱的整體重量，使其沉入海底，規避臺風、風暴潮等惡劣天氣。

這些養殖網箱各有特色，都是設計師和工程師智慧的結晶。以深遠海養殖網箱為背景，引入工程力學的基礎理論知識，可使學生明白學習工程力學可用于深遠海養殖網箱的設計和制造，提高其學習興趣。

1. 靜力學平衡問題

在靜力學平衡問題的授課中，可以選取某個深遠海養殖網箱為例，分析其受到的流場載荷、系泊載荷、重力和浮力等，建立網箱靜態平衡的三維方程。在此基礎上，改變網箱的空間結構，探討不同結構形式的平衡狀態，進而優化網箱的結構設計。引領學生積極探索，積極思考，初步設計自己的深遠海養殖網箱，培養學生的創新能力和設計能力。

2. 材料力學問題

對于桿件的軸向拉伸與壓縮、圓軸的扭轉、梁的彎曲與彎曲應力等材料力學問題，都可以從養殖網箱上選取對應構件進行授課。首先，介紹養殖網箱上對應構件所處的位置及其主要作用，比如錨泊繩索主要承受拉力，發生軸向拉伸變形；在海流的作用下，網箱框架鋼結構主要承受橫向載荷，發生彎曲變形。隨后引入工程力學的理論知識，采用理論知識計算構件內部的應力，對構件的強度進行校核。如果強度不夠，則對構件進行重新設計，比如錨泊繩索承受的拉力過大時，將會發生斷裂，為了確保繩索的安全，應增加錨泊繩索的許用應力或者橫截面面積，即采用高強度的錨泊繩索或者更粗的錨泊繩索。將工程力學的基礎理論知識與深遠海養殖網箱的設計相結合，理論聯系實際，不僅能夠加深學生對理論知識的理解，還能夠提升學生的應用能力。

（三）與編程軟件相結合

工程力學中的理論公式較多，計算量較大，一般需要采用計算器進行求解，可以在授課的過程中引入Matlab編程軟件。Matlab軟件是由美國MathWorks公司研發的一種高級計算機語言，具備良好的交互界面，可用于算法開發、數據可視化和數值計算等多個領域。利用Matlab軟件，可以對構件的受力和變形進行編程計算，比如在計算梁彎曲所產生的彎矩時，有一道題學生難以理解。如圖1a所示，工字形鋼梁承受橫向均布載荷q，已知梁橫截面中性軸的慣性矩為Iz=1184cm4，材料的許用應力為［σ］=170MPa，梁長6m，支座B的位置可以左右調節，試求：最大許可載荷q及支座B的位置［8］。學生難以理解，為什么當梁中的最大負彎矩和最大正彎矩數值相等時，梁上的彎矩最小，梁能承受最大的外力。為了解答學生的困惑，可以采用Matlab軟件編寫程序，繪制梁橫截面上的彎矩與支座B位置相關的圖形，如圖1b所示。從圖中可以得知，隨著支座B向左移動，BC段的彎矩M一直為負值，其絕對值逐漸增大，而AB段的彎矩M先為正直，后逐漸轉變為負值，其絕對值的最大值先減小，后增大。因而，可以得知，當梁BC段的最大負彎矩與AB段的最大正彎矩相等時，梁上的彎矩最小，梁能夠承受最大的外力載荷。

將工程力學的教學內容與編程軟件相結合，可以更加快速地獲得計算結果，還能夠在程序中改變某些因素，比如構件的幾何尺寸，外力的大小、作用點和作用方向，約束的種類和位置等，進一步分析構件的變形和內部應力的變化。

（四）與數值分析軟件相結合

在工程力學中校核梁彎曲的剛度和強度時，一般只計算危險截面上的最大變形和最大應力，對于整個梁的變形和內部應力的分析較少。為了更全面地展示梁的變形和應力變化，可以利用數值分析軟件，比如Ansys和Abaqus等。Ansys和Abaqus為大型有限元數值分析軟件，在機械制造、航空航天、橋梁設計、船舶設計、房屋建造等領域應用十分廣泛。

1. 梁變形和應力的有限元數值模擬

利用Ansys或者Abaqus數值分析軟件，建立梁的有限元模型，在梁上施加載荷和約束條件，計算梁的彎曲變形和應力，并將計算結果與理論結果進行對比。在此基礎上，進一步分析梁的變形和內部應力在不同截面上的變化規律。采用數值分析軟件，還可以更加詳細地分析復雜載荷作用下構件內部的變形和應力，比如偏心拉伸和橫向載荷共同作用下桿件的變形和應力，拉伸、彎曲和扭轉組合作用下桿件的變形和應力等。

2. 超靜定問題的有限元數值模擬

在分析超靜定問題時，通常假定構件的變形為小變形，進而確定變形協調條件，即相連構件之間變形的幾何關系。聯合變形協調條件、力的平衡方程和材料物理方程，可求解構件受到的約束力、內力、應力、位移和變形等未知量。但是大變形問題一般難以采用理論方法進行求解。為了提升課程的內涵，可以采用Ansys軟件建立某個超靜定問題的有限元模型，如圖2所示。該結構由OA、OB和OC三根桿件相連，桿端點A、B和C處于鉸接狀態，在O點施加豎直向下的力F。當力F較小時，從圖2（a）中可以得知，桿件的變形較小，滿足小變形條件。然而，當力F較大時，圖2（b）顯示桿件的變形較大，不再滿足小變形條件。如果采用理論方法進行求解，將會產生較大的誤差，可以選用有限元方法進行非線性迭代計算求解。

引入Ansys和Abaqus等數值仿真軟件，能夠更全面、更詳細地闡述構件的變形和內部應力的變化，也能夠進一步分析不同因素對構件變形和內部應力的影響規律。將理論計算與數值仿真軟件相結合，能夠提升課堂的授課效果，也能夠引導學生去學習這些先進的軟件，進一步增加他們的技能。

四、結語

工程力學是海洋資源開發技術專業的基礎理論課程，將傳統的工程力學教學內容與新興的海洋牧場建設相結合，注入新工科的發展理念，以深遠海養殖網箱為背景，詳細闡述基礎理論知識的原理和應用，利用Matlab、Ansys和Abaqus等軟件進一步推廣基礎理論知識的應用范疇，培養學生的研究性思維，增強學生的探索能力和創新能力。在后期的教學過程中，工程力學還需不斷關注海洋牧場建設領域的新動態和新方向，不斷更新課程的教學體系和教學內容，進一步提高教學質量。

參考文獻：

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（責任編輯：淳潔）