專業型動力機械強度與振動課程教學模式的創新與實踐

◆張建平 李 斌 白云飛 王 帥

專業型動力機械強度與振動課程教學模式的創新與實踐

◆張建平 李 斌 白云飛 王 帥

隨著全日制專業型碩士研究生規模的不斷壯大，培養模式中存在的問題也日益突出。為健全專業型碩士研究生培養機制，以動力機械強度與振動課程教學為例進行探討，通過明確課程定位、引入科研實踐案例以及提供產學研合作平臺等手段，培養學生實踐能力和創新應用能力。

動力機械強度與振動；專業型碩士研究生；課程教學；科研實踐案例；產學研合作平臺

“動力機械強度與振動”是上海電力學院 （下文簡稱“我校”)動力工程專業學位碩士研究生培養方案中的專業學位課程，不但涵蓋了本科階段的相關力學基礎知識，而且側重于以動力機械作為對象，介紹動力機械振動基本理論和模式、疲勞壽命預測、可靠性設計和有限元分析等內容，為培養本學科研究生掌握動力機械及工程方面的專業知識、培養從事動力機械及工程設計、教學和科研的高級專業技術人才提供堅實的理論基礎。目前在上海交通大學、上海理工大學、天津大學、西安交通大學、大連理工大學等高校已對研究生開設了相關的課程，并結合了自己學校的特色。

隨著我國教育事業的快速發展，研究生的教育結構也出現了顯著的變化，專業型碩士的比例不斷增加，使得研究生教育傳統模式的缺點越來越突出，如教學模式單一，難以引起學生的學習興趣，以至于極大地禁錮了學生的思維。其次，對于專業碩士的培養，往往是通過學術碩士培養模式的簡單轉移，理論講授偏多。此外，社會導師的引入和使用上的不足也直接導致了理論知識與實際的脫節，使得學生實踐能力不足，難以滿足社會的要求。

“產學研”聯合培養模式是以科研項目作為紐帶，以科研基地作為依托，多方合作、聯合科研、動態管理的培養機制。不僅能使研究生通過產學研合作項目積極參與企業的技術改造以及引進技術的消化吸收，將積累的知識和技術以科研與工程實例的方式融入課堂教學中，大大豐富和優化了教學內容。而且，在產學研合作項目的實施過程中，能充分調動和激發研究生參與科學研究的積極性和創造性，極大地提高了他們的書本理論知識應用能力，提升了創新能力以及服務經濟社會發展能力，在應用型人才培養方面做出了自己的貢獻。

因此，為健全專業碩士剛性考核的培養機制，全方位培養符合社會需求的優秀專業型研究生，提高課程教學質量，首先通過結合培養目標，明確課程定位，其次通過結合專題研究提升學生創新能力，最后借鑒歐美發達國家所普遍采用的“產學研”人才培養方法對“動力機械強度與振動”課程教學模式的轉型進行探討。

一、結合培養目的，明確課程定位

結合學校突出的電力背景，動力工程專業學位點主要面向動力工程領域技術開發與應用、技術攻關與改造、新技術的推廣應用，緊密圍繞電力清潔生產與能源高效利用、電力環境保護與污染物控制、發電設備故障診斷與可靠性分析等專業方向，培養基礎扎實、素質全面、工程實踐能力強，并具有一定創新能力的應用型、復合型高層次高級工程技術人才和工程管理人才。

“動力機械強度與振動”作為動力工程專業型碩士的一門專業學位課，是該專業工程技術人員基本知識的重要組成部分，是連接基礎課和專業研究內容的橋梁。為迎合動力工程專業碩士培養目的并結合校電力特色，本課程在介紹汽輪機、鍋爐、風力機葉片等方面知識的基礎上，著重講解具有電力背景科研實踐案例，為研究生今后的科研打下堅實的理論基礎。

二、專題研究，提升專業碩士創新應用能力

枯燥的理論知識不僅難以讓學生接受，而且模糊抽象的知識體系更是讓學生難以掌握，以至于大部分學生對課堂教學失去興趣，無法將所學到的知識運用到實際研究中。因此，一方面基于專業型研究生創新能力薄弱，理論與實踐脫節的問題，另一方面為提高研究生對知識的消化和運用能力，對“動力機械強度與振動”教學模式進行優化。通過專題案例教學，引入工程實踐中的案例，采用現代多媒體教學模式，形象具體地展示科研案例的處理過程，可以讓學生通過有趣的案例情境來系統地分析、歸納、思考，從而消化和鞏固理論知識。

為此，結合“動力機械強度與振動”課程特點和學校辦學特點，引入真空熒光顯示器 （Vacuum Fluorescent Display,VFD)壽命可靠度研究和風力機葉片流固耦合振動特性研究兩個科研實踐案例，將課程所涉及的動力機械設備可靠性檢驗和設計、力學性能以及振動特性等原理生動地展現出來，并以小組協作，分組討論和展示的方式引導學生進行思考，提高學生對知識的轉換能力以及解決實際問題的能力。

1.VFD壽命可靠性研究

可靠性問題最初在航空技術領域和電子技術領域提出，后逐步發展到機械領域，它的理論基礎是概率論和數理統計。可靠性研究目的在于提高產品質量，提高經濟效益以及產品的技術水平和科學研究水平。衡量可靠性的標準有概率指標和壽命指標。本課程通過引入VFD壽命可靠性研究的案例，介紹和分析了數理統計方法應用于實際問題的途徑，使學生易于接受和理解研究機械設備可靠性的理論方法并培養學生實際應用能力。

平板顯示已經成為未來電視的主流是大勢所趨，其中，VFD是一種自發光的從真空電子管發展而來的平板顯示器件，具有高亮度、高對比度、顯示清晰、可靠性高以及壽命長等特點。隨著VFD的普及，對其安全可靠性的研究愈發重要。圖1展示的是通過數理統計中的威布爾函數和極大似然法對VFD偽失效時間進行概率統計的結果，以及基于置信區間方法對偽失效時間統計的可靠度檢驗。這一案例向學生充分展示了經典理論知識與實際問題的結合方式，圖文并茂的多媒體教學方式，給枯燥的理論知識注入了新的活力，這無疑能極大地引起學生的學習興趣，激發他們的創新能力。

圖1 威布爾分布下VFD的可靠度曲線

2.風力機葉片流固耦合振動特性研究

振動往往對動力機械設備的危害較大，如破壞結構強度的正常工作條件、影響設備精度以及引起結構噪聲等。尤其是當引起共振時，其后果就更為嚴重。因此，在動力機械設備的設計中將設備的振動性能作為一個設計目標具有十分重要的意義。

隨著新能源發電的不斷發展，風力發電已成為目前全球增長最快速，最具發展前景的發電方式之一。風力機組大型化尤其是海上大型機組一直是技術的發展趨勢，但海上復雜的環境使得海上風力機葉片力學性能和振動特性的研究非常困難。在課堂上，通過煩瑣的數學方程的推導以及矩陣的換算進行講解通常收效甚微，讓本該活躍的課堂失去了自身的魅力，也逐漸抹殺了學生對學習的興趣。相反，通過實踐案例的方式，結合相關仿真分析軟件，將抽象的數學模型可視化，以更加接近實際情況的模型來研究和分析問題能極大地激發學生的熱情，引導學生深入思考，獲得更好的教學效果。通過圖2可知，采用ANSYS Workbench仿真分析軟件將復雜的結構域與流體域方程轉化為實體三維模型，更能直觀地理解風力機葉片所受流固耦合的情況，其與枯燥的文字描述相比更加油說服力，更能為學生所接受。

圖2 外流場及內流場三維模型

三、提供產學研合作平臺，培養研究生實踐能力

實踐是檢驗真理的唯一標準。為提高研究生的創新能力以及迎合社會企業對專業型碩士的要求，提供產學研合作項目，將擁有豐富教學資源的高等院校、以生產實踐為主的企業以及有豐厚研究經驗的科研單元有機地結合起來，提供以“生產—建設—服務”為第一線的實踐，集合各方優勢提高研究生的創新應用能力。此外，通過產學研項目的合作，還能加快企業核心技術的創新和學校資源的積累與建設。

產學研項目聯合培養的成果在學校動力機械及工程專業已取得了較好的效果。結合學校教學背景和本專業特點，已擁有多個社會企業提供的實踐平臺。自本專業引入產學研合作項目以來，已經順利畢業了碩士研究生50余名，獲得用人單位的認可，部分已成為所在單位的技術活教學骨干，期間已發表多篇高水平SCI文章，獲得多項國家授權專利。一方面提高了研究生實踐和創新能力，另一方面極大地推動了動力機械及工程專業的發展。此外，與多家企業完成了多項合作項目，極大地推動了企業核心技術的研發進度，為企業帶來了經濟和社會效益。

由此可見，通過產學研合作平臺的建設，形成了企業、高等院校和科研機構聯系的紐帶，不僅一定程度上完善了我校研究生尤其是專業型研究生的培養機制，以用人企業要求培養了許多實用型優秀人才，大幅度降低企業對“新人”再次培訓花費的資源，而且，可實現參與者的多方獲利，推動研究生教育事業的發展。

四、結語

專業型碩士人才的培養方案應以社會需求為導向，通過制度創新、教學模式創新，達到提高專業型研究生培養質量的目的，為專業型碩士研究生創新教育營造一個激發式的環境和立體的支撐。通過教學實踐，得出以下幾點經驗：

1.在建立課程教學體系時，巧妙地結合高校教學特色，能最大限度地利用高校現有的教學資源，有效地推動課程的建設。此外，明確課程定位并結合本專業培養目的，使得專業型碩士研究生的專業性更強。

2.結合課程內容，通過引入與實際技術問題息息相關的科研實踐案例，不僅能使學生更容易接受課堂上所講授的理論知識，而且通過與實踐的聯系，極大地提高了他們的實際應用能力和創新能力。

3.為迎合社會對實用型人才的需求，基于高等院校、科研機構以及社會企業的綜合平臺，提供與專業相關的產學研合作平臺，豐富學生的實踐經驗，在實踐過程中能根據需要選擇性地補充和加強自身的知識體系和結構，與社會需求相結合。

[1]聞曉波，冉旭華,朱戰波,等.基于產學研聯合的獸醫專業碩士人才培養模式研究[J].畜牧與飼料科學,2015,36,(5)：98-100.

[2]張建平,韓熠,徐達成,等.動力機械強度與振動課程教學模式的研究和實踐[J].新課程研究,2014,(8)：106-109.

[3]王明武.動力機械強度[M].北京：國防工業出版社,1990.

[4]岳學軍,燕英偉,全東平,等.產學研模式下提高專業碩士研究生創新能力的研究[J].湖南科技學院學報,2014,35,(5).

（編輯：郝 嬋）

本文系國家自然科學基金項目“磁場環境下靜電除塵器中PM2.5捕集的多場耦合機理與PIV實驗研究”(編號：11572187)、上海市教育委員會科研創新項目“磁場和擴散荷電對ESP中PM2.5捕集效率影響的機理研究”(編號：14ZZ154)、上海電力學院2015年度研究生課程建設項目“動力機械強度與振動”(編號：YKJ-2015004)的研究成果。

張建平，男，博士后，上海電力學院能源與機械工程學院教授。研究方向：新能源裝置中關鍵部件的力學行為分析、儲能技術、電磁除塵技術、機電產品壽命預測與可靠性分析、復合材料性能預測與優化設計；李斌，男，上海電力學院能源與機械工程學院碩士研究生。研究方向：新能源復合材料性能預測與優化設計；白云飛，男，上海電力學院能源與機械工程學院碩士研究生。研究方向：電磁除塵技術；王帥，男，上海電力學院能源與機械工程學院碩士研究生。研究方向：電磁除塵技術。

G642

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1671-0568（2015）35-0057-03