軍工專業研究生基礎實驗教學的探索

楊國來 任杰 喬莉 徐強 徐軍 英瑞

摘要：本文以研究生基礎實驗課《武器典型結構模態測試與分析實驗》為例，探索軍工專業研究生基礎實驗教學的方法。對當前軍工專業研究生實踐教學中存在的教學方法缺失、內容不合理、制度不當等現象進行了反思，在實驗教學思路、實驗內容擬定、課程建設團隊構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。

關鍵詞：實驗教學方法；研究生培養；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

培養優秀的高層次創新型人才成為我國高等教育事業的當務之急，而研究生教育正是培養高層次創新型人才的重要途徑。在研究生的培養過程中，一個重要內容就是對科學的思維、創新的精神和具體實驗技能的培養[1]。對教育工作者而言，如何提高研究生包括實驗能力在內的各項科研能力，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，我校結合學校軍工特色，在對軍工專業研究生培養中，適時加入了《武器典型結構模態測試與分析實驗》等基礎實驗課程，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。

一、研究生基礎實驗教學現狀

在國內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.對基礎實驗的不重視。高校在設立研究生基礎實驗課時，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系及各自所起的作用，所以經常會抱著應付的態度。

2.實驗內容設置的不合理。研究生通常來自于不同院校、不同專業，有些跨學科的學生對新專業并不是太了解，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。實驗設置的不合理還體現在內容的過時上。隨著科技飛速發展，新的實驗設備、方法層出不窮，而一些實驗教學中，還在固守陳舊過時的設備、手段，顯然對研究生的培養是不利的。

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：老師規定好實驗步驟，學生循規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備，但都處在各自為政的狀態。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，一些較為先進的設備儀器卻未能發揮應有的作用，使用率低下，不能起到提高研究生實驗水平的作用。

二、對軍工專業研究生實驗教學的探索

筆者自2004年至今承擔研究生專業選修課《發射裝置實驗與機電檢測技術》的教學工作，組織完成了南京理工大學研究生基礎實驗教學平臺“兵器類基礎實驗教學平臺”的建設，期間建成了實驗系統“沖擊及碰撞過程模擬實驗”和“振動模態測試與分析實驗”兩套實驗系統，可以說對軍工專業研究生的實驗教學有了一定的實踐經驗和思考。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？筆者結合自己的實踐與思考，談談我校在這方面做出的努力。

1.強化教學團隊建設。我校在搭建研究生基礎實驗教學實驗系統時，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專業實際和研究生科研能力提出實驗對象和實驗環節中需要培養的能力。例如，模態實驗的結構件都是由各專業教師提供的典型構件（如火炮身管、火箭發動機等）。再如，由于前期研究生實驗環節缺失，造成大量的學術論文停留在數值模擬上。有些專業的導師就提出在實驗中加入仿真環節，能否通過模態實驗來驗證計算結果，這些都是團隊建設加強的益處。

由于研究生管理人員一直參與在課程建設之中，在課程建設大綱、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整和協調。

2.精選實驗教學內容。在“研究生基礎實驗教學實驗系統”構建時，我們廣泛征求了軍工專業研究生導師的意見，對將進行建設的內容進行了研討，最終確定以兵器設計中的“結構撞擊”和“振動模態”兩個最典型現象的實驗研究為建設重點，因此形成了非常明確的建設目的，這使得建設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。該實驗系統對提高研究生的實驗動手能力和提高畢業論文質量有重要意義。

實驗教學必須為研究生的發展服務。軍工專業的研究生，是為了適應新形式下國防建設需要，為國家培養的武器研究人才。在進行內容選擇時，我們充分考慮了本學科的實際情況，在進行“振動模態”實驗時，根據武器類專業各具體方向，抽取各專業方向的典型裝置或結構部件，通過振動測試及模態分析系統獲得被試典型結構的各階模態進行響應分量及總響應；求出各階模態的最大響應值及某點的最大響應值；在激勵頻率已知的受迫振動中，分析系統能否發生共振；獲得系統的動態特性，通過調整系統的某些參數（如質量、阻尼率、剛度等），使動態特性達到最優或使系統的響應控制在所需范圍內。通過實驗可以使研究生掌握模態分析的基本方法、儀器設備的選型與配置、典型武器結構或部件的模態特征以及實驗結果在結構設計中的應用途徑。

3.豐富實驗教學方法。教學方法是實驗教學的關鍵。研究生的培養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。我們在構建“兵器專業研究生基礎實驗教學實驗系統”時，充分考慮到一些學生的本科并非兵器專業，對一些軍工專業常用的軟件、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、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，鼓勵他們去思考、創新。在實驗任務中規劃了兩個部分，一是“規定動作”，即學生來自哪個專業必須完成本專業模型的模態實驗；二是“自選動作”，實驗室購置了大量的積木式組合模型，學生可根據自己想象搭建模型，并進行模態實驗，同時可以通過添加或減少部件對不同模型進行模態比對實驗。

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度，自覺學習實驗技能；通過信息反饋，可以及時調整教學計劃、健全教學機制，從而使整個教學體系形成一個良性循環。在成績評價中，我們采取了較為靈活的方法。振動模態實驗中，我們要求學生用實驗測出構件的模態參數，然后用仿真軟件進行模擬，對二者進行比較。傳統的教學總會設定一個標準答案，但實際上，這禁錮了學生思維的拓展，我們在成績評定時，并不完全只看結果，而是結合學生在實驗中的表現，包括他的基礎、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。分數作為一個工具，教師應當用來獎勵先進，督促落后。在振動模態實驗中，我們要求測量質量矩陣塊的模態，學生可以利用質量塊和鐵桿自由構建出不同的矩陣塊，他們搭建的模型越復雜，越有新意，就應當給予較高的分數。同時鼓勵學生將實驗與數值仿真相結合，在實驗報告中能夠同時給出實驗和仿真結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果。

三、意義與心得

筆者參與建成了實驗系統“沖擊及碰撞過程模擬實驗”和“振動模態測試與分析實驗”兩套實驗系統，為我校機械工程學院兵器類研究生開出振動模態實驗課程，在國內設立兵器類專業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研究生基礎實驗平臺，可直接服務于培養兵器專業研究生工程實踐能力。它能夠支撐《火炮系統分析與總體》、《火炮設計理論》、《火箭發射系統設計》等十余門研究生課程，可以為國家級重點學科兵器發射理論與技術、火炮自動武器與彈藥工程，以及多個國防重點專業的研究生培養服務，主要用于系統動力學、實驗模態分析等方面的研究，通過拓展也可為民用機械類專業研究生服務。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，提高研究生培養水平。

通過研究生基礎教學實驗平臺一期投入建設，完成三套模態實驗系統，列入我校機械工程學院兵器專業研究生實踐教學環節，每年度選課研究生人數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現問題很多。在操作中出現的問題都是書本上找不到答案的，只能發揮自己的主觀能動性解決問題。”

“實驗中細節很重要。”

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

“通過模態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。”

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，培養了嚴謹的工作作風，彌補了實驗訓練環節的不足，對他們提高專業必修課相關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，這為培養學生的動手能力與創新能力提供了一個很好的平臺，為培養我國優秀的軍工專業人才奠定了優良的物質基礎，具有巨大的潛在軍事效益與社會效益。

四、結語

實驗教學是研究生培養中重要的一環，在國內知名高校中，如哈爾濱工業大學、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認識到實驗教學對研究生培養的重要性。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實驗的基本方法后，將其引入到論文研究中，如研究生根據模態分析理論，對某火箭系統進行了實驗模態分析。用實驗值驗證了有限元計算，也證明了火箭系統的動態特性滿足設計要求，取得了較好的效果。但是，由于實驗設施、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，仍然需要我們持續不懈地努力。

參考文獻：

[1]崔玉芹，毛晉昌.用新思路建設和管理實驗室[J].實驗技術與管理，2005，22（3）：12-14.

[2]李彥文，張娜，尹華，莫測輝，薛楓.環境專業碩士研究生實驗教學探索[J].實驗技術與管理，2010，（277）：148-150.

[3]鐘國清，蔣琪英.化學類研究生實踐能力的培養[J].實驗室研究與探索，2010，29（4）：115-118.