軍工專業(yè)研究生基礎(chǔ)實驗教學的探索

楊國來 任杰 喬莉 徐強 徐軍 英瑞

摘要：本文以研究生基礎(chǔ)實驗課《武器典型結(jié)構(gòu)模態(tài)測試與分析實驗》為例，探索軍工專業(yè)研究生基礎(chǔ)實驗教學的方法。對當前軍工專業(yè)研究生實踐教學中存在的教學方法缺失、內(nèi)容不合理、制度不當?shù)痊F(xiàn)象進行了反思，在實驗教學思路、實驗內(nèi)容擬定、課程建設(shè)團隊構(gòu)成等方面進行了探索實踐，通過教學實踐證明，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：實驗教學方法；研究生培養(yǎng)；工程實踐能力；科研能力

中圖分類號：G643 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）22-0273-03

培養(yǎng)優(yōu)秀的高層次創(chuàng)新型人才成為我國高等教育事業(yè)的當務(wù)之急，而研究生教育正是培養(yǎng)高層次創(chuàng)新型人才的重要途徑。在研究生的培養(yǎng)過程中，一個重要內(nèi)容就是對科學的思維、創(chuàng)新的精神和具體實驗技能的培養(yǎng)[1]。對教育工作者而言，如何提高研究生包括實驗?zāi)芰υ趦?nèi)的各項科研能力，是我們的重要研究課題。研究生的科研能力，來自理論知識的積累、學位論文的研究、實驗技能的訓練三個方面。以往的教學中，都對前兩者較為重視，對實驗技能的訓練則缺乏足夠的投入，造成培養(yǎng)的研究生存在眼高手低的情況。針對這個情況，近年來，我校結(jié)合學校軍工特色，在對軍工專業(yè)研究生培養(yǎng)中，適時加入了《武器典型結(jié)構(gòu)模態(tài)測試與分析實驗》等基礎(chǔ)實驗課程，有效地提高了研究生的實驗技能，鍛煉了他們的工程實踐能力，為今后從事科研工作打下了良好基礎(chǔ)。

一、研究生基礎(chǔ)實驗教學現(xiàn)狀

在國內(nèi)高校的研究生實驗教學中，普遍存在著重理論輕實踐的情況，直接導致實驗教學不被重視，甚至被認為是可有可無的[2]。主要存在以下幾個方面的問題：

1.對基礎(chǔ)實驗的不重視。高校在設(shè)立研究生基礎(chǔ)實驗課時，就沒有對其采取足夠的重視，將其作為一個附屬，而缺乏配套的教學設(shè)置[3]。這就直接造成理論教學與實驗教學間缺乏連貫性、系統(tǒng)性。另一方面，研究生自身對實驗的重要性也缺乏認識。研究生本身的重視程度不夠，許多研究生是“從校門進校門”的大學生，尚未認識學習理論知識與學習實踐知識的關(guān)系及各自所起的作用，所以經(jīng)常會抱著應(yīng)付的態(tài)度。

2.實驗內(nèi)容設(shè)置的不合理。研究生通常來自于不同院校、不同專業(yè)，有些跨學科的學生對新專業(yè)并不是太了解，所以導致他們的實驗水平參差不齊[4]。過去在研究生實驗教學中，習慣采用一鍋端的辦法，不論水平、研究方向的差異，都上同樣的實驗課，沒有因材施教，造成一些學生在實驗中學不到東西。實驗設(shè)置的不合理還體現(xiàn)在內(nèi)容的過時上。隨著科技飛速發(fā)展，新的實驗設(shè)備、方法層出不窮，而一些實驗教學中，還在固守陳舊過時的設(shè)備、手段，顯然對研究生的培養(yǎng)是不利的。

3.實驗教學方法的缺失。在目前的研究生實驗教學中，仍然存在這樣的情況：老師規(guī)定好實驗步驟，學生循規(guī)蹈矩地按照實驗步驟操作，做完實驗，腦子里還是空空的，沒有自己的思考。這樣的實驗，充其量只是低水平地重復，而沒有鍛煉研究生的思維水平和實驗技能，明顯不符合培養(yǎng)研究生科研能力的要求。

4.實驗室管理制度的不當。目前在多數(shù)院校中，用于教學的實驗室和用于科研的實驗室會被割裂開，部分研究生導師為了科研項目，也會購置一些先進的科研設(shè)備，但都處在各自為政的狀態(tài)。這就導致：一方面，一些實驗儀器重復購置，造成浪費；另一方面，一些較為先進的設(shè)備儀器卻未能發(fā)揮應(yīng)有的作用，使用率低下，不能起到提高研究生實驗水平的作用。

二、對軍工專業(yè)研究生實驗教學的探索

筆者自2004年至今承擔研究生專業(yè)選修課《發(fā)射裝置實驗與機電檢測技術(shù)》的教學工作，組織完成了南京理工大學研究生基礎(chǔ)實驗教學平臺“兵器類基礎(chǔ)實驗教學平臺”的建設(shè)，期間建成了實驗系統(tǒng)“沖擊及碰撞過程模擬實驗”和“振動模態(tài)測試與分析實驗”兩套實驗系統(tǒng)，可以說對軍工專業(yè)研究生的實驗教學有了一定的實踐經(jīng)驗和思考。如何解決研究生實驗教學過程存在的問題？對于軍工特色專業(yè)的研究生，又該怎樣用實驗教學提高他們的科研能力？筆者結(jié)合自己的實踐與思考，談?wù)勎倚Ｔ谶@方面做出的努力。

1.強化教學團隊建設(shè)。我校在搭建研究生基礎(chǔ)實驗教學實驗系統(tǒng)時，精選了一些在一線帶研究生的教師，這樣，實驗教師就能夠根據(jù)專業(yè)實際和研究生科研能力提出實驗對象和實驗環(huán)節(jié)中需要培養(yǎng)的能力。例如，模態(tài)實驗的結(jié)構(gòu)件都是由各專業(yè)教師提供的典型構(gòu)件（如火炮身管、火箭發(fā)動機等）。再如，由于前期研究生實驗環(huán)節(jié)缺失，造成大量的學術(shù)論文停留在數(shù)值模擬上。有些專業(yè)的導師就提出在實驗中加入仿真環(huán)節(jié)，能否通過模態(tài)實驗來驗證計算結(jié)果，這些都是團隊建設(shè)加強的益處。

由于研究生管理人員一直參與在課程建設(shè)之中，在課程建設(shè)大綱、實驗教學大綱、研究生實驗指導書和報告的編制和撰寫中在規(guī)范性、合理性方面得到直接的建議，減少了教學文件編制過程中的彎路。同時，由于管理人員能夠在這一過程中得到課程建設(shè)進展的第一手資料，對于課程中的難點、缺什么、進一步向什么方向發(fā)展有可靠的信息，這就為該實驗課程進一步提升給予政策方面的指導。在學時、學分、實驗教學工作量分配方面直接給予調(diào)整和協(xié)調(diào)。

2.精選實驗教學內(nèi)容。在“研究生基礎(chǔ)實驗教學實驗系統(tǒng)”構(gòu)建時，我們廣泛征求了軍工專業(yè)研究生導師的意見，對將進行建設(shè)的內(nèi)容進行了研討，最終確定以兵器設(shè)計中的“結(jié)構(gòu)撞擊”和“振動模態(tài)”兩個最典型現(xiàn)象的實驗研究為建設(shè)重點，因此形成了非常明確的建設(shè)目的，這使得建設(shè)后能夠迅速形成實驗教學能力，得到研究生和指導教師的認可。該實驗系統(tǒng)對提高研究生的實驗動手能力和提高畢業(yè)論文質(zhì)量有重要意義。

實驗教學必須為研究生的發(fā)展服務(wù)。軍工專業(yè)的研究生，是為了適應(yīng)新形式下國防建設(shè)需要，為國家培養(yǎng)的武器研究人才。在進行內(nèi)容選擇時，我們充分考慮了本學科的實際情況，在進行“振動模態(tài)”實驗時，根據(jù)武器類專業(yè)各具體方向，抽取各專業(yè)方向的典型裝置或結(jié)構(gòu)部件，通過振動測試及模態(tài)分析系統(tǒng)獲得被試典型結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)進行響應(yīng)分量及總響應(yīng)；求出各階模態(tài)的最大響應(yīng)值及某點的最大響應(yīng)值；在激勵頻率已知的受迫振動中，分析系統(tǒng)能否發(fā)生共振；獲得系統(tǒng)的動態(tài)特性，通過調(diào)整系統(tǒng)的某些參數(shù)（如質(zhì)量、阻尼率、剛度等），使動態(tài)特性達到最優(yōu)或使系統(tǒng)的響應(yīng)控制在所需范圍內(nèi)。通過實驗可以使研究生掌握模態(tài)分析的基本方法、儀器設(shè)備的選型與配置、典型武器結(jié)構(gòu)或部件的模態(tài)特征以及實驗結(jié)果在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用途徑。

3.豐富實驗教學方法。教學方法是實驗教學的關(guān)鍵。研究生的培養(yǎng)目標是成為獨立從事科研工作的個體，因此研究生的實驗教學不能停留在傳統(tǒng)的教條式層面上。豐富、有效的教學方法就不可或缺。我們在構(gòu)建“兵器專業(yè)研究生基礎(chǔ)實驗教學實驗系統(tǒng)”時，充分考慮到一些學生的本科并非兵器專業(yè)，對一些軍工專業(yè)常用的軟件、實驗方法也不甚了解。因此，我們在實驗前，對其基礎(chǔ)理論、常用方法進行了介紹，使他們有了一個感性認識。做實驗之前，指導老師對學生提出實驗方法、目的及要求，但并沒有給他們具體的步驟。在實驗中，按照學生層次水平不同進行分組，各組一般為3至4人，由一名水平較高的學生組織實驗。實驗中大家可以互相交流，激發(fā)思維，真正動腦思考怎樣做實驗。指導老師會適時督促，對實驗中存在的問題進行啟發(fā)、引導，使學生能夠舉一反三。我們希望藉此讓學生認識到，實驗本身就是一種探索，有方法但不是只有一個標準答案，鼓勵他們?nèi)ニ伎?、?chuàng)新。在實驗任務(wù)中規(guī)劃了兩個部分，一是“規(guī)定動作”，即學生來自哪個專業(yè)必須完成本專業(yè)模型的模態(tài)實驗；二是“自選動作”，實驗室購置了大量的積木式組合模型，學生可根據(jù)自己想象搭建模型，并進行模態(tài)實驗，同時可以通過添加或減少部件對不同模型進行模態(tài)比對實驗。

4.完善教學評價方法。為了保證實驗教學體系正常運行并能及時改進，應(yīng)當建立順暢的教學評價、反饋機制。通過成績評價，可以督促學生端正實驗態(tài)度，自覺學習實驗技能；通過信息反饋，可以及時調(diào)整教學計劃、健全教學機制，從而使整個教學體系形成一個良性循環(huán)。在成績評價中，我們采取了較為靈活的方法。振動模態(tài)實驗中，我們要求學生用實驗測出構(gòu)件的模態(tài)參數(shù)，然后用仿真軟件進行模擬，對二者進行比較。傳統(tǒng)的教學總會設(shè)定一個標準答案，但實際上，這禁錮了學生思維的拓展，我們在成績評定時，并不完全只看結(jié)果，而是結(jié)合學生在實驗中的表現(xiàn)，包括他的基礎(chǔ)、他付出了怎樣的努力、有沒有提出一些有見地的看法、查閱的資料是否豐富等等，綜合考慮后給出一個合理的分數(shù)。分數(shù)作為一個工具，教師應(yīng)當用來獎勵先進，督促落后。在振動模態(tài)實驗中，我們要求測量質(zhì)量矩陣塊的模態(tài)，學生可以利用質(zhì)量塊和鐵桿自由構(gòu)建出不同的矩陣塊，他們搭建的模型越復雜，越有新意，就應(yīng)當給予較高的分數(shù)。同時鼓勵學生將實驗與數(shù)值仿真相結(jié)合，在實驗報告中能夠同時給出實驗和仿真結(jié)果的同學將獲得高分，圖1和圖2就是學生提交的實驗與仿真結(jié)果。

三、意義與心得

筆者參與建成了實驗系統(tǒng)“沖擊及碰撞過程模擬實驗”和“振動模態(tài)測試與分析實驗”兩套實驗系統(tǒng)，為我校機械工程學院兵器類研究生開出振動模態(tài)實驗課程，在國內(nèi)設(shè)立兵器類專業(yè)的高校中尚無類似實驗課程。該實驗課程依托我校唯一的兵器專業(yè)研究生基礎(chǔ)實驗平臺，可直接服務(wù)于培養(yǎng)兵器專業(yè)研究生工程實踐能力。它能夠支撐《火炮系統(tǒng)分析與總體》、《火炮設(shè)計理論》、《火箭發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計》等十余門研究生課程，可以為國家級重點學科兵器發(fā)射理論與技術(shù)、火炮自動武器與彈藥工程，以及多個國防重點專業(yè)的研究生培養(yǎng)服務(wù)，主要用于系統(tǒng)動力學、實驗?zāi)B(tài)分析等方面的研究，通過拓展也可為民用機械類專業(yè)研究生服務(wù)。課程的建立有助于研究生由課程學習向課題研究的過渡，并縮短進入研究課題的準備時間，提高研究生培養(yǎng)水平。

通過研究生基礎(chǔ)教學實驗平臺一期投入建設(shè)，完成三套模態(tài)實驗系統(tǒng)，列入我校機械工程學院兵器專業(yè)研究生實踐教學環(huán)節(jié)，每年度選課研究生人數(shù)85人左右，目前已完成的研究生教學實驗超過350人次。

在振動模態(tài)實驗中，實驗報告中最后一個題目是請學生寫出實驗體會，下面摘抄了一些體會：

“在實驗操作過程中增強了團隊合作意識和與人溝通的能力。”

“通過這次實驗，我更加體會到了動手能力的重要性，有很多事情看起來很簡單，但實際動手操作卻發(fā)現(xiàn)問題很多。在操作中出現(xiàn)的問題都是書本上找不到答案的，只能發(fā)揮自己的主觀能動性解決問題。”

“實驗中細節(jié)很重要?！?/p>

“本實驗是一次動手實操物理實驗，在現(xiàn)今的教育教學體制下，試、訓、研結(jié)合起來，對科研的幫助很不一般。”

“通過模態(tài)實驗及分析軟件將復雜的振動情況直觀地顯示出來，觀察各物體的振型可知，其振動情況并非我們所想的那么簡單，有些甚至超出了想象范圍。”

“該實驗方法給以后自己所要研究的特征值計算問題提供了方向?！?/p>

通過學生的反饋，我們了解到，研究生通過參加實驗，鍛煉了實踐能力，培養(yǎng)了嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，彌補了實驗訓練環(huán)節(jié)的不足，對他們提高專業(yè)必修課相關(guān)知識點的深化理解以及在科學研究中的主動性有著極其重要的意義。同時，這為培養(yǎng)學生的動手能力與創(chuàng)新能力提供了一個很好的平臺，為培養(yǎng)我國優(yōu)秀的軍工專業(yè)人才奠定了優(yōu)良的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有巨大的潛在軍事效益與社會效益。

四、結(jié)語

實驗教學是研究生培養(yǎng)中重要的一環(huán)，在國內(nèi)知名高校中，如哈爾濱工業(yè)大學、同濟大學，都將實驗課作為研究生必修課程，同時鼓勵學生跨學科選修實驗課。我校在近些年的實踐中也愈發(fā)認識到實驗教學對研究生培養(yǎng)的重要性。通過我們的努力，我校軍工類研究生通過實驗，他們的工程實踐能力、具體實驗技能、組織能力、團隊協(xié)作能力、動手操作能力、語言表達能力都有了較大提高。一些學生在掌握振動模態(tài)實驗的基本方法后，將其引入到論文研究中，如研究生根據(jù)模態(tài)分析理論，對某火箭系統(tǒng)進行了實驗?zāi)B(tài)分析。用實驗值驗證了有限元計算，也證明了火箭系統(tǒng)的動態(tài)特性滿足設(shè)計要求，取得了較好的效果。但是，由于實驗設(shè)施、師資力量的限制，怎樣用有限的教學資源，使盡可能多的研究生提高工程實踐能力，仍然需要我們持續(xù)不懈地努力。

參考文獻：

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