研究生振動結構模態分析課程教學改革與實踐探究

吳紹維

[摘 要] 針對重慶交通大學航運與船舶工程學院研究生振動結構模態分析課程學時短、內容多且抽象、學生學習積極性不高、到課率低等問題，結合教學實際，通過創新教學模式、制定理論與工程實際相結合的教學內容、實施實驗教學與科研結合等措施，對該門課程教學模式進行改革和創新。通過教學實踐，研究生對振動結構模態分析課程的學習興趣顯著提高，課程教學改革取得良好效果。

[關鍵詞] 研究生;振動結構模態分析;教學改革

一、前言

振動結構模態分析課程是重慶交通大學航運與船舶工程學院研究生在研一下學期必修的一門重要專業學位課程。課程綜合了機械振動基礎、信號分析與處理、試驗測量等多門學科知識，與船舶設計和制造工程實際問題有著緊密的聯系，為結構減振、結構優化設計、故障診斷、聲學分析等問題提供理論和實驗方法。本課程涉及振動結構工程中的理論分析、數學建模、數值求解、實驗測量和數據處理[1]。

二、現階段研究生振動結構模態分析課程教學存在的問題

目前我院研究生振動結構模態分析課程的教學共計36學時，其中理論教學32學時，實驗教學4學時。該課程對學生本科期間所學的高等數學和力學，研究生期間所學的矩陣分析、機械振動理論、信號分析與數據處理要求較高。相比其他課程，該門課程學時偏少。根據生源結構情況來看，近年來我院研究生生源以二本調劑生為主，學生水平差異大，大部分學生的數學基礎、力學基礎薄弱，在學習振動結構模態分析課程的過程中，會出現以下兩個問題。

首先，在學習過程中，由于該門課程涉及的數學理論廣泛，學生往往會陷入復雜的數學公式推導過程，感到知識抽象、乏味、難以理解和掌握，特別是當學習到多自由度系統實模態與復模態分析、拉氏變換的方法及模態參數的標度等內容時，直接導致他們對這部分內容產生困惑和迷茫，甚至喪失對這門課程的學習信心和興趣，使得學習效率極低。其次，這些學生本科就讀學校實驗設施不完善，他們從未接觸過振動測量傳感器、數據采集等實驗儀器設備，導致學生在4個學時的實驗教學環節過程中很難掌握規定的實驗內容[2]。

三、研究生振動結構模態分析課程教學模式改革措施

針對在振動結構模態分析研究生課程教學中的問題，為提高研究生課程教學效率和質量，作者對課程的授課模式和教學內容進行了改革，以豐富這門抽象課程的趣味性，提高學生的學習主動性和積極性，促進學生運用理論解決工程實際問題，提升研究生的科學研究創新能力。主要教學改革措施包括以下幾個方面。

1.課程教學模式變革。課程教學關乎研究生自主學習的培養和創新能力的提升，而目前我院這門研究生課程的教學方式還停留在傳統的“本科式”教學模式。針對我院研究生學術水平差異大、其他專業調劑生多的實際，作者對傳統的教師講、學生聽的研究生授課模式進行改革，強調提升研究生的自主學習能力、科研創新能力以及文獻搜集和查閱能力。結合課程的特點，將主要理論授課內容歸納為結構振動背景知識、模態分析理論基礎、模態參數識別方法、振動測試信號分析與數據處理和模態分析在工程中的應用五個主題。

運用案列討論+引導的混合式教學方法來提升教學效率。案列討論教學旨在培養學生的學習興趣[3]。舉例來說，在進行第一主題結構振動背景知識時，利用視頻、動畫以及圖片，對重大災難性事故、國防軍工等案例進行討論分析。如美國塔可馬懸索橋發生劇烈振動而垮塌、汽車減振懸掛機構、潛艇減振浮筏等案例。借助這些案例的學習，促使學生了解振動的危害以及結構模態分析這門課程的重要性，并進一步增強學生的求知欲以及學生對該門課程的持續關注。作者采用引導式教學方法，根據學生的研究方向，讓學生根據自己的基礎和興趣進行分組選題，課下搜集、查閱文獻，準備制作多媒體材料，課堂進行學習匯報和問題討論交流，加深學生對振動結構模態分析相關知識的理解，從而調動學生的學習熱情，培養和促進學生查閱文獻的能力，促使學生接觸并跟蹤學術前沿以提升科研創新能力。

2.課程教學內容優化改革。修訂和完善教學大綱，制定與船舶設計和制造工程相結合的教學內容。根據專業設置和學科發展水平，研究和參考國內外振動結構模態分析課程相關教學，優化課程章節。以船舶設計和制造工程中的振動結構模態分析問題為出發點重新規劃課程，結構振動背景知識主題以單自由度和二自由度線性離散系統的自由振動、強迫振動為教學重點;模態分析理論基礎主題以實模態分析為重點，刪去復雜的復模態分析內容;模態參數識別方法主題以單模態識別為教學重點，對多模態識別只提及發展趨勢及應用;振動測試信號分析與數據處理主題著重講解采樣定理以及各類窗函數的應用場合;模態分析在工程中的應用主題圍繞船舶設計與制造過程中的工程問題進行講解，將理論知識與實際工程應用相結合。

在理論教學授課過程中，講解重點內容原理及應用，弱化非重點內容的繁瑣數學理論推導，以避免講解抽象、乏味、難以理解。如在講解模態理論時，采用離散二自由度振動模型，對振動微分方程的建立過程、特征頻率和振型對結構振動的影響詳細講解，對振動微分方程的求解過程只講解求解思路。在實驗教學授課過程中，針對多數學生從未接觸過儀器設備，詳細講解儀器設備和軟件的操作，促使學生更好更快的掌握振動結構模態識別技術。為促使課程與科研結合[4]，以船舶制造中的實際軸系振動問題為對象，重點講授傳動軸系結構的模態頻域識別，將從書本學到的知識與解決實際問題及科學的研究方法相結合，促進研究生學術科研、創新水平的提高。

3.課程考核方式改革。改變以往以試卷考試為主的傳統模式，運用多元化考核措施，積極鼓勵學生在課堂上活躍表現，培養學生的實踐及動手能力，將平時課堂成績提升至占總成績的10%，實踐成績提升至40%，建立更科學的多元化考評機制。借助考評機制的變革，引導學生學會主動獨思考，增強實際動手能力和解決工程問題的能力。平時課堂成績旨在考查學生是否掌握課堂知識點，實踐成績旨在提升學生科研和解決工程問題的能力。

四、結論

針對振動結構模態，分析研究生課程教學過程中存在的問題，通過教學實踐，結合我院研究生實際情況及專業背景特點，對該門課程的教學模式和教學內容進行了優化改革，提出了案列討論+引導的混合式教學方法，對課程內容進行了優化精簡凝練，注重重點內容講解。通過這些教學改革措施，有效激發了研究生的學習興趣和學習主動性，提升了科研水平，取得了良好的教學效果。

參考文獻

[1]王榮.機械振動與模態分析課程體系改革與探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2012，（1）：31-32.

[2]靳暢，周鋐.LMS測試系統在模態試驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2015，34（22）：186-189.

[3]毛崎波，李奕.機械振動基礎課程教學模式改革[J].中國教育技術裝備，2019，（4）：94-96.

[4]陳會濤，柴杉杉，楊志波.研究生機械振動學課程教學模式改革[J].中國教育技術裝備，2017，（14）：107-108.