1. 引言
螺旋桨是船舶的主要推进装置，其作用是通过螺旋桨叶片的旋转，利用叶片对水的推进力，推动船舶前进。螺旋桨旋转产生的推进力可以克服水的阻力，使船舶在水中移动。螺旋桨作为船舶动力核心部分，其性能好坏直接影响船舶的燃油消耗、振动和噪声、结构安全性以及航行性能，良好的螺旋桨设计和运行管理对船舶的安全、经济和环境保护都具有重要意义。而螺旋桨敞水试验则是检定和分析螺旋桨性能较为简便的方法，对于研究螺旋桨的水动力性能有重要的作用。因此，为了使学生充分了解螺旋桨敞水试验，并为将来开展螺旋桨设计、螺旋桨敞水试验操作和数值模拟研究做好准备，在《船舶推进》课程中详细讲解螺旋桨敞水试验显得十分重要。
螺旋桨模型敞水试验是在拖曳水池、空泡水筒以及循环水槽中测试螺旋桨模型单独在水流条件下进行的性能试验，是《船舶推进》课程在整个教学过程中的一个重要环节，其目的：(1) 开展螺旋桨系列敞水试验，根据测试结果绘制图谱，用于螺旋桨设计；(2) 用于对比螺旋桨设计方案，选择性能最佳的螺旋桨；(3) 根据螺旋桨试验结果，进行螺旋桨理论验证，分析几何参数对螺旋桨水动力性能影响；(4) 配合自航试验分析船舶推进各种效率成分，并预估实船推进性能[1]。我校船舶与海洋工程专业开设了《船舶推进》这门课程，也正是中国“海洋强国”思想在本科教学中的体现。通过本课程的学习，一方面本科生可以掌握螺旋桨的几何特征、基本理论、敞水试验原理、螺旋桨与船体相互作用等专业基础理论与知识，对螺旋桨相关工程领域复杂问题提供系统的解决方案；另一方面具备创新能力，能够运用现代工具从事螺旋桨设计与研发[2]。
然而，“螺旋桨敞水试验”教学在《船舶推进》课程中占用的课时较小，且主要以理论教学为主，由于缺乏螺旋桨敞水动力仪等试验测试设备，尚未安排实验课程。同时，螺旋桨敞水试验涉及相似定律、临界雷诺数、尺度效应、敞水试验测试设备以及测试仪器介绍和螺旋桨敞水性能曲线绘制等内容，涉及到的内容非常多，对学生来说非常晦涩难懂，导致大部分学生学习积极性和主动性不高，造成学生无法掌握螺旋桨敞水试验原理，造成学习困难。因此，如何在有限教学时间内获得良好的教学效果，是师生共同关注的问题。
2. “螺旋桨敞水试验”课程教学现状
“螺旋桨敞水试验”是船舶与海洋工程本科专业课程中核心内容之一，是系统掌握船舶原理知识链中关键一环，培养学生深刻理解螺旋桨基础理论和各主要几何参数对螺旋桨水动力性能影响，对螺旋桨设计、实际航行以及性能预报时出现的问题，具备分析和解决复杂问题的能力[3]。通过该课程的学习，学生对螺旋桨几何特征、基础理论、工作原理、相似定律(几何相似、运动相似以及动力相似)、尺度效应、修正方法、雷诺数定义以及测试设备名称和功能都有详细的了解，掌握船舶与海洋工程领域基础试验原理和流程。然而，传统教学模式下，课堂教学作为人才培养的主渠道，提高人才培养质量的核心途径，却存一定弊端，例如：课时少、教学模式单一、教学组织僵化，从而导致教学质量不高，创新人才缺乏等。
2.1. 课程内容多，课时安排少
“螺旋桨敞水试验”课程涉及理论和试验两部分，内容非常多，涉及知识面非常广泛，然而课程安排课时少，有限时间内仅能够开展理论教学，对试验原理、老式试验设备、螺旋桨敞水性能曲线内容进行简单介绍。而螺旋桨敞水试验时涉及到的螺旋桨几何特征、临界雷诺数、桨轴浸没深度、螺旋桨转速、水流速度、敞水动力仪设备和安装流程、试验设备(船模拖曳水池、大型循环水槽、空泡水筒等)、试验测试流程、数据后处理以及尺度作用等知识点无充分时间进行详细讲解和原因分析，这对于老师课程进度安排、案例选择以及学生学习都带来了一定困难。此外，“螺旋桨敞水试验”课程是螺旋桨几何特征、螺旋桨基础理论内容的实际应用，也是螺旋桨与船体相互作用、空泡现象、图谱设计以及实船推进性能学习的基础，对“螺旋桨敞水试验”内容理解不透彻，将产生更多困惑，从而导致学生对课程的学习兴趣不高。
2.2. 教学内容受限于教材，教学模式单一化
在以往的“螺旋桨敞水试验”教学中，授课内容比较枯燥，主要以教材中的理论教学为主，没有充分利用船舶与海洋工程动力水池试验设施、螺旋桨敞水试验测试视频、螺旋桨敞水性能数值仿真的国内外研究资料以及虚拟仿真教学系统等资源，也未引入更多的课程资源[4]。由于教学内容受限于教材，学生可能感到课程缺乏新颖性和吸引力，导致学生对学习的动机减弱，感到学习乏味枯燥，影响其学习投入和持续学习的积极性。同时，导致学生缺乏参与感和互动性，影响学生对课程内容的深入理解和应用能力，从而降低学习效果。另外，缺乏多样化的教学内容和教学模式可能限制学生的思维发展和创造力培养，影响其解决问题的能力和创新潜力。此外，以班级为单位的授课方式使教师只能根据教学进程表或者部分同学对知识的掌握情况进行课程安排，不能根据每个学生的掌握程度和学习需求进行教学进度设置，从而影响学生个性发展。
2.3. 参观式学习，缺乏动手能力
试验教学一直是高校本科人才培养工作中不可或缺的重要组成部分，关系着培养人才的工程实践能力和工程创新能力，也是理论教学的一种延续，是让学生对课堂上所学知识进行消化和吸收的过程。学生通过亲历试验过程，能够将所学知识化为实践技能。目前，国内高校在“螺旋桨敞水试验”课程教学中主要存在以下二种模式，一是具备拖曳水池、循环水槽和空泡水筒等试验设施以及具备螺旋桨敞水动力仪等试验测试设备的高校，开设了螺旋桨敞水试验课程，学生能够开展试验测试，但受限于各种条件的约束，学生只能在限定的时间和地点，利用限定的试验设备，仅完成试验数据的读取工作，且以小组的形式进行，部分学生进行数据读取，而大部分学生仅仅通过观察了解试验，无法参与试验设备的调试、安装以及运动参数选择等，不能掌握试验设备的功能、安装流程以及原理，主要进行参观式学习，缺乏动手能力；二是尚未建立水池试验设施和配备螺旋桨敞水动力仪等测试装置的高校，教师无法安排试验课程，学生无法现场观察螺旋桨敞水试验，完全依靠教师课堂展示的图片和视频进行了解，无动手参与试验的机会，缺乏动手能力。
3. “螺旋桨敞水试验”课程教学改革的措施
基于“螺旋桨敞水试验”课程教学的现状，针对课程内容多、教学模式单一以及学生动手能力差等问题进行深入思考和探索，并进一步提出改革措施，寻找“螺旋桨敞水试验”课程教学的最优方法，以便学生能够充分理解和掌握教学内容。因此，作者提出了以下几点改革措施。
3.1. 丰富教学内容，增强案例教学
3.1.1. 试验与理论相结合
根据船舶与海洋工程专业的人才培养目标，以及学校高水平应用研究型海洋大学建设的目标，使该专业具有更强的工程实践性，因此，对《船舶推进》课程教学的重点和难点进行调整和优化。采取与传统教学方法相反的教学模式，先以视频和图片的形式开展试验教学，再开展理论教学。螺旋桨敞水试验视频的展示可充分调动学生上课的积极性，提升学生的试验兴趣。视频观看完成后以图片的形式详细展示试验细节，引出相应的理论知识，例如：螺旋桨模型展示，引出螺旋桨几何相似准测和尺度效应，以及介绍螺旋桨导边、随边、叶面、叶背、桨毂、毂径比等几何特征理论定义；螺旋桨敞水动力仪介绍，主要由动力仪、电机、敞水试验箱、桨轴、采集系统以及控制器等组成，如图1所示，其中，敞水试验箱和桨轴对应的理论知识是推力和扭矩修正方法；螺旋桨敞水动力仪入水时对应的理论知识是傅汝德数和桨轴浸没深度要求等；电机和控制器主要控制螺旋桨旋转速度，此时对应的理论知识分别为临界雷诺数和运动相似定理；动力仪和采集系统对应的理论知识是螺旋桨载荷(推力、扭矩、推力系数、扭矩系数和效率)定义、动力相似准测和螺旋桨敞水性能曲线绘制等。此外，也列举了目前实验室使用较多的整套螺旋桨敞水动力仪[5] [6]，如图2所示。因此，由试验内容引出理论知识更易让学生了解理论知识定义的原因和应用，进一步增强学生对课程知识点的理解。
Figure 1. Instruments and theoretical knowledge involved in propeller open water test
图1. 螺旋桨敞水试验涉及的仪器和理论知识
(a) 哈尔滨工程大学——动力仪[5] (b) 武汉理工大学——动力仪[6]
Figure 2. Propeller open water dynamometer
图2. 螺旋桨敞水动力仪
3.1.2. 课堂教学与练习相结合
将理论与实践相结合是教育领域中一项重要的任务，可以帮助学生更好地理解和应用所学知识。目前，国内外研究人员开展了大量螺旋桨敞水试验，并公布了试验测试数据，因此，可整理现有的螺旋桨敞水试验数据，形成数据库，以案例的形式供学生实践练习，通过查阅文献获得螺旋桨敞水试验数据，其中，主要桨型包括：螺旋桨4381 [7]、KP505 [8]、E779A [9]、E1619 [10]、DTMB P4119 [11]、KP458 [12]、PC456 (表1和图3) [13]、AU型3叶[14]和5叶桨[15]、PPTC大侧斜螺旋桨[16]以及某些船型的螺旋桨等。此外，为了激发学生灵感和对课程的兴趣，可增加特种推进器的试验模型和数据，例如：对转螺旋桨CRP6 [17]、L型吊舱推进器[18]、Icepropeller-I冰级螺旋桨[19]等，以上列举的螺旋桨都可获得螺旋桨几何尺寸、转速、水流速度以及进速系数等详细资料。根据整理的试验数据，学生可进一步理解螺旋桨推力系数、扭矩系数、效率的定义以及螺旋桨敞水性能曲线绘制过程。通过对螺旋桨敞水性能曲线绘制的练习，可将理论知识与课堂练习相结合，帮助学生理解理论知识在实践中的应用。
(a) 叶背 (b) 叶面 (c) 螺旋桨敞水性能曲线
Figure 3. PC456 propeller model and experimental test data
图3. PC456螺旋桨模型和试验测试数据
Table 1. Main scales and parameters of PC456 propeller model
表1. PC456螺旋桨模型主要尺度和参数
名称 |
值 |
名称 |
值 |
螺旋桨直径D (m) |
0.25 |
0.7R处螺距比(P/D) 0.7R |
0.6998 |
叶数Z |
4 |
0.7R处弦长C0.7R (mm) |
77.288 |
盘面比AE/Ao |
0.559 |
0.7R处最大厚度T0.7R (mm) |
4.125 |
毂径比d/D |
0.147 |
材料 |
铜合金 |
倾斜角θs (˚) |
20 |
旋向 |
右旋 |
3.2. 创新教学方法，发挥学生主体性
3.2.1. 实物模型教学法
3D打印技术作为一种新兴技术被广泛应用在各个领域，该技术已被应用到高校课程教育领域[20]。通过3D打印技术，教师可获得螺旋桨(如图4所示)、动力仪、电机、敞水试验箱、桨轴、采集系统以及控制器等具体的三维模型，在开展“螺旋桨敞水试验”课程教学时，教师以三维模型为对象讲解仪器功能和相关理论知识，同时，在课堂上现场组装测试设备，完成螺旋桨敞水动仪安装以及下水演示和试验测试模拟操作等。实物模型可以让学生直观地看到和触摸实际物体，使抽象的概念更具体化，帮助学生更好地理解和记忆知识。实物模型的展示，也可以吸引学生的注意力，激发他们的学习兴趣，使学习过程更加生动有趣。此外，学生也可现场组装成螺旋桨敞水动仪模型、模拟螺旋桨下水和调节螺旋桨转速和水流速度的过程。学生可以通过视觉、触觉等多种感官来感知实物模型，促进多感官体验，提高学习效果。此外，实物模型可以作为讨论和互动的工具，学生可以围绕实物展开讨论，分享观点和经验，促进学生之间的交流和合作。总的来说，实物模型在教学中的应用可以丰富教学内容，提升教学质量，激发学生学习兴趣，培养学生实践能力和创新思维，促进跨学科整合和综合素质的提升。
Figure 4. 3D printed propeller and airfoil models
图4. 3D打印的螺旋桨和翼型模型
3.2.2. 数值模拟教学方法
传统“螺旋桨敞水试验”课程教学的理论教学和试验教学主要聚焦在试验原理、试验设备以及螺旋桨敞水性能曲线等宏观层面，由于螺旋桨旋转运动时流体相互之间的作用并不能直接观察，螺旋桨周围流体流动规律和螺旋桨工作原理仍很难理解，学生无法从微观层面或者机理角度出发深入领悟螺旋桨工作原理和掌握扎实的专业知识。而CFD数值模拟技术可将抽象的概念变为形象、直观的可视化流场及动画视频，促进学生对基本理论深入理解，激发学生学习兴趣，培养学生逻辑思维能力、创新能力，以达到“新工科”理念对人才培养的要求。通过CFD数值模拟技术开展螺旋桨敞水状态数值模拟研究可获得螺旋桨桨叶叶面和叶背压力分布、螺旋桨周围速度场、涡量场以及流线分布等，如图5所示。通过观看螺旋桨敞水状态数值模拟结果使课程教学变得更加生动有趣，更易于学生理解和掌握螺旋桨几何特征、伯努利方程、螺旋桨基础理论等方面的专业知识。此外，学生对展示的数值模拟感到十分新颖有趣，提高了学习“螺旋桨敞水试验”课程的积极性。同时，激发学生对CFD数值模拟软件的学习兴趣，以及独立自主开展螺旋桨数值模拟研究的动力。总的来说，数值模拟在教学中可以提供更丰富的学习体验，拓展学生的视野，培养学生的问题解决能力和创新思维，促进跨学科整合和综合素质的提升。因此，教师可以利用数值模拟技术丰富教学内容，提升教学质量，激发学生学习兴趣，促进学生全面发展。
(a) 桨叶负压分布 (c) 螺旋桨尾涡分布
(b) 叶面压力分布 (d) 螺旋桨流线分布
Figure 5. Numerical simulation results of PC456 propeller
图5. PC456螺旋桨数值模拟结果
3.3. 增加仿真教学，提高实践能力
为了贯彻党的二十大精神，发展具有中国特色的现代教育，结合虚拟仿真教育发展热潮，联系国内船舶与海洋工程专业学生实际情况，本校开发了基于虚拟现实的船舶推进试验教学系统，如图6所示，该系统是通过一款基于网络开发的多用户参与体验、学习、考评的虚拟螺旋桨敞水试验和空泡试验交互试验软件进行的。软件将一座具备现代化仪器的空泡水筒“搬”到计算机中，设计空泡水筒实验室、空泡水筒、螺旋桨模型、敞水动力仪等试验设施和测试仪器。学生配合鼠标和键盘进行人机交互操作，自由探索螺旋桨敞水试验和空泡试验视频、敞水动力仪装配方案、不同仪器设备名称和功能、设置螺旋桨转速和来流速度。同时，内部也设置了数值模拟的结果，学生可直接观察螺旋桨推力时域变化曲线、扭矩时域变化曲线、桨叶压力分布、速度分析、流场分布以及尾涡分布等，完成学习内容。软件内置了与三维场景配合的考题，共100分，考核内容与课程知识点关联，学生寻找考题并一次性回答正确方可得分，答题累积成绩实时显示在屏幕上。学生通过学号登录虚拟仿真试验教学系统，完成视频学习、仪器设备安装、参数设置、结果分析、考评等环节。仿真模拟不受时间、资金的限制，且没有任何危险。通过基于虚拟现实的船舶推进试验教学系统的实践，丰富了教学内容，提升了教学质量，激发了学生学习兴趣，增加了学生的实践机会，培养了学生的实践能力、创新思维和解决问题的能力。
(a) 螺旋桨敞水试验测试界面 (b) 螺旋桨空泡分布展示界面
(c) 螺旋桨推力和扭矩时域变化曲线界面 (d) 评分界面
Figure 6. A ship propulsion test teaching system based on virtual reality
图6. 基于虚拟现实的船舶推进试验教学系统
4. 总结
为了结合船舶与海洋工程专业的培养要求，对“螺旋桨敞水试验”课程教学模式进行了初步探索，丰富的教学内容、创新的教学方法以及生动形象的仿真教学等都需要进行不断研究与改进。此外，在未来的教学实践中，“螺旋桨敞水试验”课程仍然需要进一步优化教学内容，寻找适合船舶与海洋工程专业的教学内容。
基金项目
江苏海洋大学本科教育教学改革项目(JGX2022050, JGX2023050)，江苏省高等学校自然科学研究项目(23KJB580003)。
NOTES
*通讯作者。