中外土木工程防災(zāi)專業(yè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程比較研究

魯正 翁渝峰

摘要：在土木工程高等教育系列課程中，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程作為不可或缺的重要分支，對(duì)在動(dòng)力荷載作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力及傳力規(guī)律分析，并對(duì)相關(guān)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化等方面有重要作用。文章主要以新加坡國(guó)立大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院和同濟(jì)大學(xué)為例，從課程要求、課程內(nèi)容等多個(gè)層面對(duì)該課程設(shè)置進(jìn)行探索和對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)各大學(xué)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程的設(shè)置情況和課程內(nèi)容，與大學(xué)研究生教育的特點(diǎn)和研究方向，以及所處國(guó)家或地區(qū)地理位置等因素有關(guān)。最后根據(jù)分析結(jié)果，提出相應(yīng)的適合中國(guó)國(guó)情的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)；課程設(shè)置；教學(xué)改革；高等工程教育；中外教育比較

中圖分類號(hào)：G6420；TU3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2018）03001305土木工程防災(zāi)是一門以實(shí)現(xiàn)土木工程防災(zāi)減災(zāi)為目的，利用工程技術(shù)為手段的隸屬于土木工程學(xué)科的二級(jí)學(xué)科[1]，其核心內(nèi)容包括工程結(jié)構(gòu)抗震、工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)以及工程結(jié)構(gòu)抗爆等。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高以及人們安全意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)家對(duì)工程防災(zāi)的要求也逐漸提高。在此背景下，設(shè)立防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程二級(jí)學(xué)科，旨在建立和發(fā)展工程結(jié)構(gòu)抵御自然或者人為災(zāi)害的科學(xué)理論，提出工程措施和設(shè)計(jì)方法等，以此最大程度上減輕災(zāi)后受損程度，以保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，提高國(guó)家的防災(zāi)減災(zāi)能力。而要發(fā)展一門學(xué)科，教育無疑是不可或缺的重要一環(huán)，因此，工程防災(zāi)方向的高等教育也愈來愈受到重視[2]。

作為工程防災(zāi)高等教育的一門重要基礎(chǔ)課程，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與工程實(shí)際有著十分密切的聯(lián)系，它在結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程、地震工程、抗風(fēng)工程等領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用。因此，可以通過以結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程為代表，直接對(duì)比國(guó)內(nèi)外課程教學(xué)情況來探析國(guó)內(nèi)外防災(zāi)學(xué)科發(fā)展的差異。為保證對(duì)比的一致性，本文選取了國(guó)內(nèi)外幾所學(xué)制接近的典型高?！录悠聡?guó)立大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院和同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行對(duì)比，以期為教育改革者提供多元信息和有效建議。

一、 課程概況

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是一門主要為碩士研究生開設(shè)的課程，相比本科階段學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)課程，其引進(jìn)了時(shí)間因素，因此更為復(fù)雜[3]。課程主要講述結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的受力分析及計(jì)算[4]，是建立在材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)基礎(chǔ)上的進(jìn)階性課程。

同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程由土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所開設(shè)，是一門2學(xué)分34學(xué)時(shí)的碩士必修課程。課程采用課堂電子課件授課、課后小作業(yè)、課后大作業(yè)的形式開展教學(xué)，最終由期末考試確定成績(jī)。

新加坡國(guó)立大學(xué)土木工程專業(yè)雖沒有設(shè)置防災(zāi)二級(jí)學(xué)科，但在結(jié)構(gòu)工程專業(yè)仍有開設(shè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性即動(dòng)力特性這一課程，其教學(xué)內(nèi)容與同濟(jì)大學(xué)開設(shè)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程相似。此外，作為專業(yè)的核心課程，其所占學(xué)分也較高，為4學(xué)分。

加州大學(xué)伯克利分校土木結(jié)構(gòu)工程專業(yè)開設(shè)的課程較為全面，雖沒有單獨(dú)設(shè)置防災(zāi)方向，但設(shè)有結(jié)構(gòu)工程和材料力學(xué)兩個(gè)相關(guān)方向。在所有自然災(zāi)害中，地震由于其突發(fā)性和常見性，特別是其發(fā)生時(shí)所帶來的巨大破壞性，因此地震工程在土木工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)方向中一直有著舉足輕重的地位。該校身處地震頻發(fā)的加州地區(qū)，且設(shè)有著名的太平洋地震工程中心，因此地震工程一直是該校重要的研究方向和教學(xué)內(nèi)容。與地震工程息息相關(guān)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程在相應(yīng)的研究生課程中也一直處于核心課程位置，所設(shè)學(xué)分為3分。

麻省理工學(xué)院無防災(zāi)專業(yè)，但其開設(shè)了工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、工程經(jīng)濟(jì)學(xué)等與防災(zāi)相關(guān)的課程。此外，也開設(shè)了與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相關(guān)的課程：動(dòng)力學(xué)與控制，并將其作為本科生必修課程。

從四所學(xué)校的課程設(shè)置可以看出，同濟(jì)大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)考慮了不同災(zāi)種的防護(hù)，更為全面，而加州大學(xué)伯克利分校則主要偏重于地震災(zāi)害，在地震災(zāi)害方面進(jìn)行了更為細(xì)化深入的教學(xué)研究。這可能與不同學(xué)校所在地區(qū)與國(guó)家面臨的主要災(zāi)害有關(guān)。而麻省理工學(xué)院相比上述三個(gè)學(xué)校則將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等課程作為基礎(chǔ)性課程放在了本科階段，在研究生課程中更注重計(jì)算機(jī)領(lǐng)域等相關(guān)內(nèi)容在土木工程中的應(yīng)用。

二、 課程要求

以同濟(jì)大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校為例，對(duì)其課程要求列表對(duì)比見表1。

從學(xué)時(shí)要求來說，上述三所學(xué)校的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程學(xué)時(shí)均為每周3小時(shí)，但是同濟(jì)大學(xué)與新加坡國(guó)立大學(xué)為必修課程，而加州大學(xué)伯克利分校則為選修。此外，加州大學(xué)伯克利分校還規(guī)定了每周的課外作業(yè)量為5小時(shí)，這在其他幾所學(xué)校中都沒有明確規(guī)定。同濟(jì)大學(xué)規(guī)定了課程每周均有相應(yīng)的小作業(yè)，整個(gè)學(xué)期還需要完成一項(xiàng)實(shí)際地震動(dòng)時(shí)程數(shù)值積分或結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的大作業(yè)。麻省理工學(xué)院則在整個(gè)學(xué)期中布置了12次小作業(yè)，考慮到國(guó)外教學(xué)周較短，故其相當(dāng)于每周布置一次作業(yè)，且其作業(yè)內(nèi)容大部分與計(jì)算機(jī)編程相結(jié)合，難度也相應(yīng)較大。表1同濟(jì)大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校課程要求學(xué)校名稱課程名稱課程性質(zhì)學(xué)時(shí)同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

（Structure Dynamics）必修3小時(shí)/周新加坡國(guó)立大學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與動(dòng)力特性

（Structure Stability and Dynamics）必修3小時(shí)/周加州大學(xué)伯克利分校結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

（Dynamics of Structures）選修3小時(shí)/周課程的評(píng)分體系，四所學(xué)校均比較注重測(cè)試成績(jī)，測(cè)試成績(jī)?cè)诳傇u(píng)中占比均在70%～80%。麻省理工學(xué)院將測(cè)試分成了四次，穿插在學(xué)期間進(jìn)行，而其他四所學(xué)校則均只有一次期末測(cè)試。

三、 課程內(nèi)容

課程內(nèi)容的設(shè)置將直接決定課程教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，因此，通過直接比較各所學(xué)校的課程內(nèi)容，可以得出其在教學(xué)研究的側(cè)重點(diǎn)以及要求程度上的差異性。

新加坡國(guó)立大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院和同濟(jì)大學(xué)具體課程內(nèi)容的對(duì)比分析如表2。

Control）多自由度體系下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性；剛體的平面運(yùn)動(dòng)；虛功原理的應(yīng)用；拉格朗日方程在質(zhì)點(diǎn)與剛體平面運(yùn)動(dòng)上的應(yīng)用；自由狀態(tài)下多自由度體系的振動(dòng)特性；外加激勵(lì)作用下多自由度體系的振動(dòng)特性；矩陣特征值問題；利用數(shù)值方法以及MATLAB解決動(dòng)力與振動(dòng)問題這幾所大學(xué)在課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容上體現(xiàn)了不同國(guó)家地區(qū)背景的教育特點(diǎn)。

在加州大學(xué)伯克利分校，地震工程人才的培養(yǎng)主要是以研究生的方式，同時(shí)其工學(xué)院設(shè)置有美國(guó)地震工程研究中心和太平洋地震工程中心，并配有大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)[5]。因此，其在地震工程方面的研究十分突出，同時(shí)也更加注重地震工程人才的培養(yǎng)。這在其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程內(nèi)容上也可以得到一些驗(yàn)證，其教學(xué)大綱中約有一半是在介紹如何將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用在實(shí)際地震工程中，其內(nèi)容更接近于同濟(jì)大學(xué)開設(shè)的另一門防災(zāi)課程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

新加坡國(guó)立大學(xué)開設(shè)的課程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與動(dòng)力特性，顧名思義，這門課前半部分是在介紹結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，下半學(xué)期才開始涉及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)部分內(nèi)容。動(dòng)力學(xué)這部分內(nèi)容主要涉及單、多自由度體系的動(dòng)力特性計(jì)算，內(nèi)容相對(duì)較簡(jiǎn)單。

同濟(jì)大學(xué)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程大綱則較為詳細(xì)，但可以歸結(jié)為單、多自由度體系動(dòng)力特性計(jì)算，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征參數(shù)求解，數(shù)值方法介紹以及實(shí)際應(yīng)用等幾個(gè)方面。由于本科階段的結(jié)構(gòu)力學(xué)（2）課程中已經(jīng)涉及到部分結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，因此在研究生階段簡(jiǎn)單的單、多自由度體系動(dòng)力特性計(jì)算等內(nèi)容學(xué)時(shí)便相應(yīng)較少，重點(diǎn)內(nèi)容放在了本科未涉及的阻尼計(jì)算，以及更為復(fù)雜的偏微分方程求解、數(shù)值方法介紹等等。單從課程難度上來看，同濟(jì)大學(xué)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程難度是最大的，這應(yīng)該也與同濟(jì)大學(xué)在抗震領(lǐng)域研究較為領(lǐng)先有所關(guān)系。此外，由于中國(guó)現(xiàn)在的研究生教育正在從規(guī)模大向質(zhì)量高轉(zhuǎn)變，因此對(duì)于課程的具體內(nèi)容、難度等方面都提出了新的要求[6]。

麻省理工學(xué)院的動(dòng)力學(xué)與控制課程，與其他四所學(xué)校不同之處在于其是本科階段的課程，而且是由物理學(xué)院授課。因此與傳統(tǒng)土木工程學(xué)院授課的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程相比而言，其在內(nèi)容上涉及的東西更多、廣度更廣，涵蓋了剛體動(dòng)力學(xué)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容；且對(duì)每個(gè)內(nèi)容版塊的要求都較高，不僅每節(jié)課的課后作業(yè)習(xí)題量較大，而且均要求使用MATLAB進(jìn)行編程計(jì)算，這對(duì)于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用能力要求也較高，因而麻省理工學(xué)院的動(dòng)力學(xué)與控制課程難度也是較高的。

綜上所述，就課程難度而言，通過綜合比較各大學(xué)的課程教學(xué)內(nèi)容的廣度和每個(gè)內(nèi)容版塊的深度、課后作業(yè)情況以及考試情況，可知同濟(jì)大學(xué)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程與麻省理工學(xué)院的動(dòng)力學(xué)與控制課程在難度上均較高。同時(shí)，由于所處的地區(qū)以及國(guó)情、研究專長(zhǎng)等的原因，加州大學(xué)伯克利分校與同濟(jì)大學(xué)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程均涉及較多其在地震工程領(lǐng)域上的應(yīng)用。對(duì)比上述國(guó)外高校與同濟(jì)大學(xué)，還可以發(fā)現(xiàn)國(guó)外課程對(duì)計(jì)算機(jī)編程能力的要求較高，在課程中都會(huì)涉及一些編程項(xiàng)目，這也反映了與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合是國(guó)外高等教育發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

四、教學(xué)發(fā)展建議

通過上述比較研究可以看出，不同高校土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程的設(shè)置與其所處國(guó)家和地區(qū)的地域特點(diǎn)、研究水平以及研究生培養(yǎng)模式密切相關(guān)。由于學(xué)科研究特點(diǎn)以及專長(zhǎng)不同，同濟(jì)大學(xué)與加州大學(xué)伯克利分校在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程中更注重其在地震工程領(lǐng)域的應(yīng)用，其他院校則注重基本原理的講授。此外，國(guó)外高校更注重計(jì)算機(jī)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用，因此在相關(guān)課程中計(jì)算機(jī)編程等占比較大，而同濟(jì)大學(xué)在課后作業(yè)中雖也有部分涉及到編程，但所占比重較國(guó)外仍是較少的。

改革需要循序漸進(jìn)地不斷吸收其他學(xué)校的精粹，再根據(jù)自身實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)提升。在此提出部分建議：

（一）內(nèi)容進(jìn)一步深入細(xì)化

就同濟(jì)大學(xué)而言，由于本科階段已經(jīng)開設(shè)了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程，且有部分涉及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的基本原理知識(shí)，因此在研究生階段可將課程進(jìn)一步深入細(xì)化，減少重復(fù)部分的授課學(xué)時(shí)。與此同時(shí)，也可開設(shè)一些結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)選修課程，如能量與阻尼問題、數(shù)值方法在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用等，以供有興趣以及研究領(lǐng)域相近的學(xué)生進(jìn)一步深入了解，這也符合研究生的研究學(xué)習(xí)目的，有利于他們更好地進(jìn)行科學(xué)研究[7]。

（二）增加計(jì)算機(jī)編程應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)的飛快發(fā)展，未來土木工程領(lǐng)域的發(fā)展也將與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域息息相關(guān)，因此國(guó)內(nèi)高校在進(jìn)行授課的同時(shí)應(yīng)增強(qiáng)鍛煉學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決問題的能力，才能培養(yǎng)出具有未來視野、能夠獨(dú)立解決問題的符合未來人才需求的學(xué)生。與此同時(shí)，研究生不同于本科生，研究生擔(dān)有研究的責(zé)任與義務(wù)，而現(xiàn)代的科學(xué)研究也離不開計(jì)算機(jī)，無論是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理還是到結(jié)構(gòu)有限元分析，均少不了計(jì)算機(jī)的輔助，因此在課程學(xué)習(xí)中應(yīng)增加計(jì)算機(jī)應(yīng)用的比例，尤其是計(jì)算機(jī)編程的能力，讓學(xué)生不僅會(huì)使用現(xiàn)成軟件，同時(shí)也有能力把自己的解題思路、邏輯內(nèi)容等用計(jì)算機(jī)語言表達(dá)出來，從而方便自己解決問題。這不僅能發(fā)揮學(xué)生之前所學(xué)課程的優(yōu)勢(shì)[8]，也能幫助他們?cè)诮酉聛淼臅r(shí)間里更好更快地深入到研究工作中去。

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