研究生振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析課程教學(xué)改革與實(shí)踐探究

吳紹維

[摘 要] 針對(duì)重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院研究生振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析課程學(xué)時(shí)短、內(nèi)容多且抽象、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、到課率低等問題，結(jié)合教學(xué)實(shí)際，通過創(chuàng)新教學(xué)模式、制定理論與工程實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容、實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研結(jié)合等措施，對(duì)該門課程教學(xué)模式進(jìn)行改革和創(chuàng)新。通過教學(xué)實(shí)踐，研究生對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析課程的學(xué)習(xí)興趣顯著提高，課程教學(xué)改革取得良好效果。

[關(guān)鍵詞] 研究生;振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析;教學(xué)改革

一、前言

振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析課程是重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院研究生在研一下學(xué)期必修的一門重要專業(yè)學(xué)位課程。課程綜合了機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)、信號(hào)分析與處理、試驗(yàn)測(cè)量等多門學(xué)科知識(shí)，與船舶設(shè)計(jì)和制造工程實(shí)際問題有著緊密的聯(lián)系，為結(jié)構(gòu)減振、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障診斷、聲學(xué)分析等問題提供理論和實(shí)驗(yàn)方法。本課程涉及振動(dòng)結(jié)構(gòu)工程中的理論分析、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值求解、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理[1]。

二、現(xiàn)階段研究生振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析課程教學(xué)存在的問題

目前我院研究生振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析課程的教學(xué)共計(jì)36學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)4學(xué)時(shí)。該課程對(duì)學(xué)生本科期間所學(xué)的高等數(shù)學(xué)和力學(xué)，研究生期間所學(xué)的矩陣分析、機(jī)械振動(dòng)理論、信號(hào)分析與數(shù)據(jù)處理要求較高。相比其他課程，該門課程學(xué)時(shí)偏少。根據(jù)生源結(jié)構(gòu)情況來看，近年來我院研究生生源以二本調(diào)劑生為主，學(xué)生水平差異大，大部分學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、力學(xué)基礎(chǔ)薄弱，在學(xué)習(xí)振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析課程的過程中，會(huì)出現(xiàn)以下兩個(gè)問題。

首先，在學(xué)習(xí)過程中，由于該門課程涉及的數(shù)學(xué)理論廣泛，學(xué)生往往會(huì)陷入復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)過程，感到知識(shí)抽象、乏味、難以理解和掌握，特別是當(dāng)學(xué)習(xí)到多自由度系統(tǒng)實(shí)模態(tài)與復(fù)模態(tài)分析、拉氏變換的方法及模態(tài)參數(shù)的標(biāo)度等內(nèi)容時(shí)，直接導(dǎo)致他們對(duì)這部分內(nèi)容產(chǎn)生困惑和迷茫，甚至喪失對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)信心和興趣，使得學(xué)習(xí)效率極低。其次，這些學(xué)生本科就讀學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)施不完善，他們從未接觸過振動(dòng)測(cè)量傳感器、數(shù)據(jù)采集等實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，導(dǎo)致學(xué)生在4個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)過程中很難掌握規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[2]。

三、研究生振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析課程教學(xué)模式改革措施

針對(duì)在振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析研究生課程教學(xué)中的問題，為提高研究生課程教學(xué)效率和質(zhì)量，作者對(duì)課程的授課模式和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革，以豐富這門抽象課程的趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用理論解決工程實(shí)際問題，提升研究生的科學(xué)研究創(chuàng)新能力。主要教學(xué)改革措施包括以下幾個(gè)方面。

1.課程教學(xué)模式變革。課程教學(xué)關(guān)乎研究生自主學(xué)習(xí)的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提升，而目前我院這門研究生課程的教學(xué)方式還停留在傳統(tǒng)的“本科式”教學(xué)模式。針對(duì)我院研究生學(xué)術(shù)水平差異大、其他專業(yè)調(diào)劑生多的實(shí)際，作者對(duì)傳統(tǒng)的教師講、學(xué)生聽的研究生授課模式進(jìn)行改革，強(qiáng)調(diào)提升研究生的自主學(xué)習(xí)能力、科研創(chuàng)新能力以及文獻(xiàn)搜集和查閱能力。結(jié)合課程的特點(diǎn)，將主要理論授課內(nèi)容歸納為結(jié)構(gòu)振動(dòng)背景知識(shí)、模態(tài)分析理論基礎(chǔ)、模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法、振動(dòng)測(cè)試信號(hào)分析與數(shù)據(jù)處理和模態(tài)分析在工程中的應(yīng)用五個(gè)主題。

運(yùn)用案列討論+引導(dǎo)的混合式教學(xué)方法來提升教學(xué)效率。案列討論教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[3]。舉例來說，在進(jìn)行第一主題結(jié)構(gòu)振動(dòng)背景知識(shí)時(shí)，利用視頻、動(dòng)畫以及圖片，對(duì)重大災(zāi)難性事故、國(guó)防軍工等案例進(jìn)行討論分析。如美國(guó)塔可馬懸索橋發(fā)生劇烈振動(dòng)而垮塌、汽車減振懸掛機(jī)構(gòu)、潛艇減振浮筏等案例。借助這些案例的學(xué)習(xí)，促使學(xué)生了解振動(dòng)的危害以及結(jié)構(gòu)模態(tài)分析這門課程的重要性，并進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的求知欲以及學(xué)生對(duì)該門課程的持續(xù)關(guān)注。作者采用引導(dǎo)式教學(xué)方法，根據(jù)學(xué)生的研究方向，讓學(xué)生根據(jù)自己的基礎(chǔ)和興趣進(jìn)行分組選題，課下搜集、查閱文獻(xiàn)，準(zhǔn)備制作多媒體材料，課堂進(jìn)行學(xué)習(xí)匯報(bào)和問題討論交流，加深學(xué)生對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析相關(guān)知識(shí)的理解，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)和促進(jìn)學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力，促使學(xué)生接觸并跟蹤學(xué)術(shù)前沿以提升科研創(chuàng)新能力。

2.課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化改革。修訂和完善教學(xué)大綱，制定與船舶設(shè)計(jì)和制造工程相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)專業(yè)設(shè)置和學(xué)科發(fā)展水平，研究和參考國(guó)內(nèi)外振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析課程相關(guān)教學(xué)，優(yōu)化課程章節(jié)。以船舶設(shè)計(jì)和制造工程中的振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析問題為出發(fā)點(diǎn)重新規(guī)劃課程，結(jié)構(gòu)振動(dòng)背景知識(shí)主題以單自由度和二自由度線性離散系統(tǒng)的自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)為教學(xué)重點(diǎn);模態(tài)分析理論基礎(chǔ)主題以實(shí)模態(tài)分析為重點(diǎn)，刪去復(fù)雜的復(fù)模態(tài)分析內(nèi)容;模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法主題以單模態(tài)識(shí)別為教學(xué)重點(diǎn)，對(duì)多模態(tài)識(shí)別只提及發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用;振動(dòng)測(cè)試信號(hào)分析與數(shù)據(jù)處理主題著重講解采樣定理以及各類窗函數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合;模態(tài)分析在工程中的應(yīng)用主題圍繞船舶設(shè)計(jì)與制造過程中的工程問題進(jìn)行講解，將理論知識(shí)與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合。

在理論教學(xué)授課過程中，講解重點(diǎn)內(nèi)容原理及應(yīng)用，弱化非重點(diǎn)內(nèi)容的繁瑣數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)，以避免講解抽象、乏味、難以理解。如在講解模態(tài)理論時(shí)，采用離散二自由度振動(dòng)模型，對(duì)振動(dòng)微分方程的建立過程、特征頻率和振型對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響詳細(xì)講解，對(duì)振動(dòng)微分方程的求解過程只講解求解思路。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)授課過程中，針對(duì)多數(shù)學(xué)生從未接觸過儀器設(shè)備，詳細(xì)講解儀器設(shè)備和軟件的操作，促使學(xué)生更好更快的掌握振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別技術(shù)。為促使課程與科研結(jié)合[4]，以船舶制造中的實(shí)際軸系振動(dòng)問題為對(duì)象，重點(diǎn)講授傳動(dòng)軸系結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻域識(shí)別，將從書本學(xué)到的知識(shí)與解決實(shí)際問題及科學(xué)的研究方法相結(jié)合，促進(jìn)研究生學(xué)術(shù)科研、創(chuàng)新水平的提高。

3.課程考核方式改革。改變以往以試卷考試為主的傳統(tǒng)模式，運(yùn)用多元化考核措施，積極鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上活躍表現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐及動(dòng)手能力，將平時(shí)課堂成績(jī)提升至占總成績(jī)的10%，實(shí)踐成績(jī)提升至40%，建立更科學(xué)的多元化考評(píng)機(jī)制。借助考評(píng)機(jī)制的變革，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)主動(dòng)獨(dú)思考，增強(qiáng)實(shí)際動(dòng)手能力和解決工程問題的能力。平時(shí)課堂成績(jī)旨在考查學(xué)生是否掌握課堂知識(shí)點(diǎn)，實(shí)踐成績(jī)旨在提升學(xué)生科研和解決工程問題的能力。

四、結(jié)論

針對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)，分析研究生課程教學(xué)過程中存在的問題，通過教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合我院研究生實(shí)際情況及專業(yè)背景特點(diǎn)，對(duì)該門課程的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化改革，提出了案列討論+引導(dǎo)的混合式教學(xué)方法，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化精簡(jiǎn)凝練，注重重點(diǎn)內(nèi)容講解。通過這些教學(xué)改革措施，有效激發(fā)了研究生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提升了科研水平，取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]王榮.機(jī)械振動(dòng)與模態(tài)分析課程體系改革與探索[J].黑龍江教育（高教研究與評(píng)估），2012，（1）：31-32.

[2]靳暢，周鋐.LMS測(cè)試系統(tǒng)在模態(tài)試驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（22）：186-189.

[3]毛崎波，李奕.機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)課程教學(xué)模式改革[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2019，（4）：94-96.

[4]陳會(huì)濤，柴杉杉，楊志波.研究生機(jī)械振動(dòng)學(xué)課程教學(xué)模式改革[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2017，（14）：107-108.