構(gòu)建動(dòng)力相似模型試驗(yàn)平臺(tái)提升結(jié)構(gòu)振動(dòng)教學(xué)質(zhì)量水平

李迎濤　周凌　楊朝山　王仲剛

摘要：結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域課程涉及的概念多，復(fù)雜程度高，理解難度大，亟需開展課程案例教學(xué)增進(jìn)研究生對課程的理解，提高研究生的工程實(shí)踐能力。為此，依托重慶市研究生優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)和學(xué)院實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理研究項(xiàng)目，設(shè)計(jì)制作了鋼結(jié)構(gòu)塔架動(dòng)力相似模型，在推動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域課程教學(xué)，促進(jìn)研究生創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)和工程實(shí)踐能力提高等方面取得了一定實(shí)效。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；課程建設(shè)；相似模型

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2016）02-0147-03

目前土木工程專業(yè)碩士和博士層次所開設(shè)的大部分課程，如高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠度、隨機(jī)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)風(fēng)工程、結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測試技術(shù)和研究生綜合試驗(yàn)等均涉及結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論、測試和分析，由于該領(lǐng)域的理論深度大，測試方式靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)，課程設(shè)置大多停留在知識(shí)理解層面，缺乏操作和實(shí)際應(yīng)用培訓(xùn)，同時(shí)課程理解難度大，研究生學(xué)習(xí)吃力，既不利于研究生能力的培養(yǎng)提高，也不符合現(xiàn)代教育的要求。因此，如何在結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域課程教學(xué)過程中切實(shí)提高研究生的學(xué)習(xí)效率和實(shí)踐能力，成為土木工程專業(yè)研究生教育工作的難題。

為此，利用重慶市研究生優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)和學(xué)院實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理研究項(xiàng)目的契機(jī)，通過建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)塔架動(dòng)力相似模型，開展設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，培養(yǎng)研究生掌握振動(dòng)數(shù)據(jù)提取、分析和判斷，運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力，提升研究生的創(chuàng)新意識(shí)，為提高結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域的課程教學(xué)質(zhì)量提出了新思路。

一、結(jié)構(gòu)振動(dòng)教學(xué)現(xiàn)狀分析

通過長年的課程教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域課程的學(xué)習(xí)中，普遍存在以下幾方面的問題。

（1）對課程理論知識(shí)不理解。結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域相關(guān)課程涉及的概念多，復(fù)雜程度高，教學(xué)灌輸多，師生互動(dòng)少，研究生往往偏重于公式的推導(dǎo)計(jì)算，缺乏對課程知識(shí)的全面掌握和深刻理解。 （2）對振動(dòng)儀器設(shè)備不熟悉。振動(dòng)儀器設(shè)備更新?lián)Q代快，智能化程度高，同時(shí)設(shè)備易受環(huán)境和測量噪聲干擾，需要精細(xì)化操作，研究生缺乏對儀器設(shè)備的了解，實(shí)際操作生疏而吃力。

（3）對測試分析技術(shù)不清楚。結(jié)構(gòu)振動(dòng)測試分析技術(shù)綜合了振動(dòng)測試和信號(hào)分析等方面知識(shí)，由于測試分析案例缺乏，研究生不具備測試分析技術(shù)相關(guān)的理論知識(shí)。

（4）對解決實(shí)際問題不主動(dòng)。課程注重培養(yǎng)的是研究生解決科研和實(shí)際工程振動(dòng)問題的能力，由于研究生缺乏對課程的把握、認(rèn)知，不能融會(huì)貫通、學(xué)以致用，因而對解決工程實(shí)際問題不積極，不主動(dòng)，缺乏信心。

二、主要對策

針對結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域?qū)W習(xí)內(nèi)容抽象、復(fù)雜、枯燥的課程教學(xué)特點(diǎn)，開展工程結(jié)構(gòu)案例教學(xué)，以一種開放式、互動(dòng)式的新型教學(xué)方式，可以強(qiáng)化理論知識(shí)與工程實(shí)際的聯(lián)系，增進(jìn)研究生對知識(shí)的理解和認(rèn)知，使教學(xué)更加“形象化”，提高研究生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力。利用實(shí)際工程項(xiàng)目作為案例，其測試復(fù)雜程度高，信號(hào)獲取障礙多，數(shù)據(jù)分析處理難度大，同時(shí)費(fèi)用較高，可重復(fù)性差，因而在結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域的案例教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中鮮有開展，為此，按照結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力相似理論，設(shè)計(jì)制作了某實(shí)際工程塔可拆卸縮尺模型，使結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域開展案例教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)成為了可能，實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)。

（一）以動(dòng)力相似模型為載體，引導(dǎo)研究生熟悉振動(dòng)測試儀器設(shè)備

在開展動(dòng)力相似模型振動(dòng)測試前，設(shè)置諸如振動(dòng)荷載施加、響應(yīng)信號(hào)獲取等簡單任務(wù)，使研究生帶著學(xué)習(xí)任務(wù)去了解、熟悉各種振動(dòng)測試儀器設(shè)備的測量范圍、使用條件，改變以往傳統(tǒng)的儀器設(shè)備講授模式，激發(fā)研究生熟悉儀器設(shè)備的熱忱，提高研究生的主觀能動(dòng)性和參與積極性。同時(shí)按照任務(wù)要求引導(dǎo)研究生根據(jù)模型特點(diǎn)進(jìn)行簡單的設(shè)備選型、匹配和聯(lián)動(dòng)測試，將眾多具有單一功能的振動(dòng)測試儀器設(shè)備，如激振器、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、傳感器、振動(dòng)信號(hào)采集儀等關(guān)聯(lián)起來，形成動(dòng)測設(shè)備聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，使研究生對各種振動(dòng)儀器設(shè)備的運(yùn)作建立起直觀的印象，同時(shí)在潛移默化中教會(huì)研究生如何靈活運(yùn)用振動(dòng)測試儀器設(shè)備，克服研究生以往為了學(xué)習(xí)儀器設(shè)備而學(xué)習(xí)的“被動(dòng)性”，以及學(xué)習(xí)儀器設(shè)備不知所用的“盲目性”，改變研究生學(xué)習(xí)儀器設(shè)備“只見樹木，不見森林”“只會(huì)單一設(shè)備，不會(huì)聯(lián)合使用”的尷尬局面，培養(yǎng)研究生學(xué)習(xí)儀器設(shè)備而后運(yùn)用儀器設(shè)備即“學(xué)為所用”的思維，提升研究生利用儀器設(shè)備獲取所需的結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)和解決實(shí)際問題的能力。

（二）以動(dòng)力相似模型為支撐，促進(jìn)研究生理解振動(dòng)理論基礎(chǔ)知識(shí)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論涉及的概念多、推導(dǎo)運(yùn)算過程復(fù)雜，要求研究生具備扎實(shí)的概率論、隨機(jī)過程、結(jié)構(gòu)振動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，教師在講授過程中容易囿于理論知識(shí)和解題技巧講解，忽視了課程在工程實(shí)際中的應(yīng)用，導(dǎo)致研究生過分注重對理論知識(shí)的學(xué)習(xí)、理解，缺乏對課程的把握、認(rèn)知，不利于培養(yǎng)研究生的學(xué)習(xí)興趣，阻礙研究生主觀能動(dòng)性的發(fā)揮，影響研究生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為此，以動(dòng)力相似模型為教學(xué)案例，對模型設(shè)計(jì)、模型制作過程中涉及的結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程、模型相似理論等知識(shí)進(jìn)行講解，轉(zhuǎn)變抽象化的概念為實(shí)際的工程案例，增進(jìn)研究生對結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論知識(shí)的理解和掌握，及時(shí)消除研究生學(xué)無所用的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。同時(shí)結(jié)合該動(dòng)力相似模型，通過設(shè)置模型基本振動(dòng)特性測試的試驗(yàn)任務(wù)，引導(dǎo)研究生帶著實(shí)際問題去學(xué)習(xí)、領(lǐng)會(huì)和運(yùn)用振動(dòng)理論知識(shí)，變灌輸式教學(xué)方法為互動(dòng)式教學(xué)，以動(dòng)力相似模型為支撐，建立“研究生為主體，教師為引導(dǎo)”的新型教學(xué)模式[1]，增強(qiáng)課程知識(shí)的講解效果，深化研究生對結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論的理解認(rèn)識(shí)，提升研究生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

（三）以動(dòng)力相似模型為依托，幫助研究生掌握振動(dòng)測試分析技術(shù)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題一直是土木工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，振動(dòng)測試分析技術(shù)作為解決工程振動(dòng)問題的一種有效手段，隨著測試儀器、測試方法的不斷發(fā)展越來越受到重視。在教學(xué)實(shí)踐過程中，幫助研究生掌握振動(dòng)測試分析技術(shù)，有助于研究生從結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論學(xué)習(xí)向工程實(shí)際問題解決邁進(jìn)，提高研究生的動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)，真正達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目的。為此，以動(dòng)力相似模型為依托，通過設(shè)置地脈動(dòng)、初位移、沖擊荷載、強(qiáng)迫振動(dòng)等激勵(lì)形式下模型結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)任務(wù)，推動(dòng)研究生利用相關(guān)儀器設(shè)備，獲取諸如位移、速度、加速度、應(yīng)變等結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，引導(dǎo)研究生綜合運(yùn)用所學(xué)的振動(dòng)理論知識(shí)，對測試得到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，提取能反映結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征的有用信息，為培養(yǎng)研究生工程實(shí)踐能力奠定基礎(chǔ)。

（四）以動(dòng)力相似模型為平臺(tái)，激發(fā)研究生探索解決結(jié)構(gòu)實(shí)際問題

利用動(dòng)力相似模型可多次拆裝的特點(diǎn)，通過降低節(jié)點(diǎn)剛度，減小桿件截面積等方式模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中可能發(fā)生的節(jié)點(diǎn)或桿件損傷情況，增設(shè)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測等自主設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，采用啟發(fā)和探討式教學(xué)[2]，鼓勵(lì)研究生通過對比結(jié)構(gòu)完好與損傷下振動(dòng)信號(hào)之間的差異，探索其中的規(guī)律并完成設(shè)計(jì)試驗(yàn)項(xiàng)目，把單純枯燥的課堂知識(shí)傳授轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒g的研究探索，增強(qiáng)研究生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的意識(shí)，培養(yǎng)研究生獨(dú)立解決實(shí)際振動(dòng)問題的能力，推動(dòng)了研究生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的生成。在這一過程中，教師始終作為一個(gè)組織者和參與者，依據(jù)模型特點(diǎn)不斷設(shè)置新的課題[3]，引導(dǎo)研究生不斷思考、不斷運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題，并及時(shí)幫助研究生在不斷解決問題中總結(jié)提煉，最終將理論知識(shí)與實(shí)際問題相結(jié)合，讓研究生充分探尋結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域的奧秘，認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論知識(shí)的實(shí)際價(jià)值。

三、結(jié)語

為克服實(shí)際工程項(xiàng)目案例和實(shí)踐教學(xué)的不足，依托重慶市研究生優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)和學(xué)院實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理研究項(xiàng)目，設(shè)計(jì)制作了鋼結(jié)構(gòu)塔架動(dòng)力相似模型，并以此塔架模型實(shí)施案例和實(shí)踐教學(xué)，開展了相似模型的基本振動(dòng)測試和自主設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，培養(yǎng)研究生熟悉振動(dòng)儀器設(shè)備，理解振動(dòng)理論知識(shí)，掌握振動(dòng)測試分析技術(shù)，使之初步具備了解決工程振動(dòng)問題的能力。經(jīng)過近三年的教學(xué)實(shí)踐，相比之前傳統(tǒng)的課堂授課而言，研究生的試卷理論考核成績上升了近20%，試驗(yàn)測試分析考核提高了研究生自主實(shí)踐能力，為后續(xù)學(xué)位論文所涉及的振動(dòng)試驗(yàn)做好了前期鋪墊，在推動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域課程教學(xué)，促進(jìn)研究生創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)和工程實(shí)踐能力提高等方面取得了一定實(shí)效，其經(jīng)驗(yàn)可為其他高校研究生課程建設(shè)和案例實(shí)踐教學(xué)提供參考和借鑒。

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（編輯 周 沫）