面向科教融合協(xié)同育人的“振動(dòng)分析”課程教學(xué)模式探索與實(shí)踐

黎文科 葉天貴 楊鐵軍

摘??? 要：“振動(dòng)分析”是動(dòng)力類專業(yè)研究生核心課程之一。為適應(yīng)新時(shí)代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求，提升教學(xué)質(zhì)量和效果，文章針對傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題，基于科研實(shí)驗(yàn)輔助的實(shí)踐模塊教學(xué)模式以及聚焦工程實(shí)際需求和科技前沿的互動(dòng)式教學(xué)模式，開展了科研案例教學(xué)模式探索與實(shí)踐，提出了深度融入科研項(xiàng)目案例的理論模塊教學(xué)模式，為新時(shí)代減振降噪一流人才培養(yǎng)提供指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)分析；科教融合；教學(xué)模式；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642.0????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????? 文章編號(hào)：1002-4107（2023）05-0060-03

2016年6月2日，我國正式加入《華盛頓協(xié)議》，明確工程教育聚焦學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的基本定位，標(biāo)志著中國高等教育取得具有里程碑意義的歷史性突破[1]。從行業(yè)發(fā)展角度來看，隨著我國海軍艦船制造水平的轉(zhuǎn)型升級(jí)，振動(dòng)問題逐漸成為制約其整體性能的主要因素，船舶動(dòng)力裝置振動(dòng)噪聲控制領(lǐng)域的高素質(zhì)人才需求激增。面對從制造走向創(chuàng)造的歷史性轉(zhuǎn)變，未來的工程師需要具備對新穎、復(fù)雜的工程系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模、計(jì)算、分析、設(shè)計(jì)和測試的綜合能力，逐步走向自主創(chuàng)新、原始創(chuàng)新[2]。在新的歷史發(fā)展階段，對高校的專業(yè)人才培養(yǎng)也提出了更高的要求。

聚焦船舶減振降噪行業(yè)發(fā)展需求，“振動(dòng)分析”是一門面向船舶與海洋工程以及動(dòng)力工程及工程熱物理等專業(yè)的核心理論課程，對于培養(yǎng)研究生分析和解決復(fù)雜工程問題能力具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。學(xué)生通過對知識(shí)的學(xué)習(xí)，明確振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理，掌握分析振動(dòng)問題的方法，并獲得解決振動(dòng)問題的能力，畢業(yè)后可以勝任船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面的工作?！罢駝?dòng)分析”課程涉及的基礎(chǔ)知識(shí)非常寬泛，包括“數(shù)學(xué)分析”“線性代數(shù)”“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”等多門課程，具有理論性強(qiáng)、公式多、數(shù)理基礎(chǔ)要求高等特點(diǎn)，這就要求學(xué)生具備良好的知識(shí)交叉綜合運(yùn)用能力[3]。然而，傳統(tǒng)的“振動(dòng)分析”課程教學(xué)重點(diǎn)主要集中在對基本概念的講解和公式推導(dǎo)上，教學(xué)內(nèi)容較為枯燥，學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性不高[4]。課程教學(xué)方式主要以做題和講題為主，缺少應(yīng)用、探究、批判、創(chuàng)新等高階認(rèn)知過程訓(xùn)練，學(xué)生的學(xué)習(xí)停留在公式推導(dǎo)層面，難于建立基礎(chǔ)理論與工程問題的對應(yīng)關(guān)系，缺少理論分析與物理現(xiàn)象之間的橋梁，缺乏對公式背后物理意義的深入理解，更難于運(yùn)用理論知識(shí)解決具體問題[5]。因此，傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式弊端逐漸成為制約未來創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵因素[6]。無論是學(xué)者還是工程師，都認(rèn)為當(dāng)前我國高校振動(dòng)類課程的教學(xué)模式無法滿足高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)要求[2，7]。

科研案例教學(xué)模式為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供全新途徑。與本科教育不同，科研活動(dòng)是研究生教育的主要內(nèi)容，科研能力是研究生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，科研素養(yǎng)是研究生成長成才的核心素養(yǎng)，科研育人是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的內(nèi)在要求[8]。本文結(jié)合研究生階段學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，將科研引入到“振動(dòng)分析”教學(xué)中，以科研案例為牽引，發(fā)揮科研在立德樹人中的重要載體作用，培養(yǎng)學(xué)生興趣，幫助學(xué)生理解，實(shí)現(xiàn)從理論學(xué)習(xí)向科學(xué)研究的過渡與轉(zhuǎn)變。在授課過程中，教師可力求體現(xiàn)當(dāng)前振動(dòng)控制領(lǐng)域最新的研究成果和發(fā)展方向，在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，整合課程內(nèi)容體系，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的比重，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段提高教學(xué)效果，加強(qiáng)分析解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。從單純教學(xué)轉(zhuǎn)向科教融合是歷史的必然選擇，開展“振動(dòng)分析”課程科研案例教學(xué)模式改革，對于培養(yǎng)新時(shí)代船舶工程領(lǐng)域減振降噪一流人才具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、科研案例教學(xué)模式設(shè)計(jì)

在投入科研活動(dòng)的最初階段，研究生對于科學(xué)研究的認(rèn)知是懵懂的，他們最初的動(dòng)力來源既有對真理探索的天然興趣，也有對未知領(lǐng)域的好奇。教師通過與學(xué)生充分交流和探討，注重言傳身教，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注知識(shí)背后的科學(xué)和工程問題，讓學(xué)生感受科研活動(dòng)的意義與價(jià)值。在課堂教學(xué)過程中，以科研案例為主線，引導(dǎo)學(xué)生從物理對象中抽象出科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，揭示復(fù)雜工程問題背后的科學(xué)本質(zhì)，建立分析和解決實(shí)際問題的學(xué)習(xí)體系[9]。

（一）深度融入科研項(xiàng)目案例的理論模塊教學(xué)模式改革與實(shí)踐

“振動(dòng)分析”課程主要介紹機(jī)械振動(dòng)的基本方程、典型振動(dòng)問題的數(shù)學(xué)物理建模、響應(yīng)求解以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析方法，著重說明研究問題的基本觀點(diǎn)和解決問題的基本方法，使學(xué)生明確振動(dòng)現(xiàn)象的物理概念及產(chǎn)生機(jī)理。研究生在掌握基本理論的基礎(chǔ)上，迫切希望學(xué)以致用，分析并解決工程中遇到的實(shí)際問題。因此，從國家自然科學(xué)基金、國家重大工程項(xiàng)目、船用低速機(jī)創(chuàng)新工程、潛艇綜合隱身等科研專項(xiàng)中挖掘有利于學(xué)生能力培養(yǎng)的內(nèi)容，凝練出振動(dòng)理論與控制相關(guān)的典型科研案例，如表1所示。通過問題創(chuàng)設(shè)、啟發(fā)、引申等方式合理引入科研案例，向?qū)W生介紹解決減振降噪難題的分析思路、過程和方法。引導(dǎo)學(xué)生深入思考、學(xué)以致用、即學(xué)即用，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到“振動(dòng)分析”課程對應(yīng)工程問題的背景意義、發(fā)展歷程、解決途徑和方法。充分發(fā)揮科研育人功能，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和開拓的創(chuàng)新精神，實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造、知識(shí)傳授與能力培養(yǎng)的有機(jī)統(tǒng)一。

（二）基于科研實(shí)驗(yàn)輔助的實(shí)踐模塊教學(xué)模式改革與實(shí)踐

與純理論教學(xué)不同，融入科研實(shí)驗(yàn)的教學(xué)能給學(xué)生帶來更直觀的感受和更深入的理解。區(qū)別于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，基于科研實(shí)驗(yàn)輔助的實(shí)踐模塊教學(xué)模式以科研項(xiàng)目為牽引，面向具體應(yīng)用問題，具有更鮮明的實(shí)際意義和工程價(jià)值。選取課題組內(nèi)開展的典型科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例，如表2所示。以平板振動(dòng)模態(tài)測量實(shí)驗(yàn)為例，在學(xué)生完成模態(tài)測試、動(dòng)力學(xué)特性分析的同時(shí)，還能探究結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響規(guī)律，加深對模態(tài)等概念的理解。充分發(fā)揮工信部先進(jìn)船舶動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在船舶動(dòng)力領(lǐng)域科學(xué)研究和高素質(zhì)人才培養(yǎng)方面的優(yōu)勢，高效利用實(shí)驗(yàn)室具有的振動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)裝置和測試、分析、控制設(shè)備，如丹麥Brüel & Kjaer公司的Pulse數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及各類傳感器、NI測控系統(tǒng)、dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、示波器、激振器、大型振動(dòng)臺(tái)、大型彈性艙段結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的浮筏隔振臺(tái)架等，開展基于科研實(shí)驗(yàn)輔助的實(shí)踐模塊教學(xué)模式改革與實(shí)踐，除了能幫助學(xué)生掌握理論知識(shí)，還能幫助學(xué)生迅速熟悉課題的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過參觀及演示實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生建立理論模型與實(shí)際物理系統(tǒng)之間的對應(yīng)關(guān)系，深刻理解復(fù)雜數(shù)學(xué)概念背后的物理意義，為學(xué)生后續(xù)研究工作的開展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（三）聚焦工程實(shí)際需求和科技前沿的互動(dòng)式教學(xué)模式改革與實(shí)踐

對研究生的培養(yǎng)不應(yīng)局限于課本專業(yè)知識(shí)的傳授，還應(yīng)面向工程實(shí)際需求和科技前沿，力求體現(xiàn)當(dāng)今振動(dòng)及其控制領(lǐng)域的最新研究成果和發(fā)展方向。激發(fā)學(xué)生對認(rèn)知邊界探索的興趣必然成為新形勢下“振動(dòng)分析”課程的教學(xué)目標(biāo)之一。為此，可設(shè)計(jì)聚焦工程實(shí)際需求和科技前沿的典型調(diào)研案例，如表3所示。教師通過布置科研案例調(diào)研大作業(yè)，讓學(xué)生以文獻(xiàn)調(diào)研方式了解振動(dòng)及其控制領(lǐng)域的發(fā)展前沿，充分利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫資源，補(bǔ)充課堂中對前沿知識(shí)傳授的局限，結(jié)合學(xué)生選題情況進(jìn)行分組合作，組織學(xué)生結(jié)合自身研究課題進(jìn)行PPT匯報(bào)，培養(yǎng)學(xué)生集體觀念和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。學(xué)生匯報(bào)完成后，教師要對學(xué)生匯報(bào)內(nèi)容與表現(xiàn)作出系統(tǒng)總結(jié)與評(píng)價(jià)，指出匯報(bào)中存在的問題以及解決方法，提升教學(xué)效果的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)科研育人。上述多元立體教學(xué)以學(xué)生為中心，突破了以教師“灌輸”為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，有利于價(jià)值觀念培養(yǎng)和塑造。通過與學(xué)生互動(dòng)、探究與啟發(fā)式的課堂討論，增加了學(xué)生的參與感，引發(fā)了學(xué)生情感共鳴，調(diào)動(dòng)了學(xué)生自覺性和主動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生的求知欲和探索欲，突出了學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位。同時(shí)，做到真正了解學(xué)生對知識(shí)的理解和掌握情況，推動(dòng)多元化、全過程的考核評(píng)價(jià)方式改革，提升課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度。

二、科研案例教學(xué)模式的實(shí)踐效果評(píng)價(jià)

筆者通過哈爾濱工程大學(xué)研究生教育綜合管理系統(tǒng)開展無記名問卷調(diào)查，得到136名聽課學(xué)生的教學(xué)效果滿意度調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表4所示。與傳統(tǒng)模式比較發(fā)現(xiàn)，參與科研案例教學(xué)模式改革的學(xué)生認(rèn)為“振動(dòng)分析”課程的各項(xiàng)教學(xué)滿意度均有提升，其中在能否體現(xiàn)前沿知識(shí)、理論聯(lián)系實(shí)際和是否注重培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力兩個(gè)方面教學(xué)滿意度分別提升4.7%和5.0%；在是否能夠提升學(xué)習(xí)興趣的滿意度方面相比傳統(tǒng)教學(xué)模式教學(xué)滿意度提升明顯（高達(dá)11.7%）；學(xué)生對該課程教學(xué)的整體滿意程度達(dá)到96.9%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)教學(xué)模式的87.3%，表明科研案例教學(xué)模式取得了較好的效果。學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)不僅掌握了理論知識(shí)，還培養(yǎng)了運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，并掌握本領(lǐng)域的基礎(chǔ)和學(xué)術(shù)前沿，為后續(xù)的科學(xué)研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

本文采用科研案例教學(xué)模式，有目的地學(xué)習(xí)，真正改變學(xué)生的原有學(xué)習(xí)方法。用振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)分析解決復(fù)雜工程中的科學(xué)問題，改變傳統(tǒng)的教學(xué)與科研脫離的教學(xué)現(xiàn)狀，用科研案例豐富提升教學(xué)內(nèi)容以反哺教學(xué)，有力地推動(dòng)該課程的教學(xué)改革，解決傳統(tǒng)授課過程中基礎(chǔ)理論與科研實(shí)踐割裂的問題。通過改革的實(shí)施，使學(xué)生將“振動(dòng)分析”課程的主要內(nèi)容相互銜接與融合，形成完整的復(fù)雜工程問題分析概念。通過對實(shí)際科研項(xiàng)目的詳細(xì)分析，培養(yǎng)較強(qiáng)的振動(dòng)理論與應(yīng)用能力，提升學(xué)生的科研水平。解決理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相脫節(jié)問題，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)分離的教學(xué)方法，以科研項(xiàng)目為紐帶，深度融合基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，解決學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)問題。在實(shí)驗(yàn)過程中逐步鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力、團(tuán)隊(duì)組織協(xié)調(diào)能力、創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，為培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、創(chuàng)新思維活躍、實(shí)踐能力突出的高素質(zhì)新工科人才提供支撐。

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