基于綠色能源設(shè)施的“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”教學(xué)改革

王長(zhǎng)虹，徐一彥

（1.上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 教師工作部，上海 201418）

引言

國(guó)家“十四五”規(guī)劃提出，我國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，對(duì)發(fā)展綠色能源、改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)提出了更新、更高的要求。上海利用地理位置優(yōu)勢(shì)，可因地制宜充分發(fā)展核能、太陽能、風(fēng)能和潮汐能等綠色能源［1］。大力發(fā)展綠色能源，對(duì)建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)、提高能源安全性、減少溫室氣體排放、有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)發(fā)揮著重大作用。但是綠色能源基礎(chǔ)設(shè)施的動(dòng)力機(jī)理和抗震設(shè)計(jì)是亟待研究的課題。1985年，在錢偉長(zhǎng)先生的倡議下上海大學(xué)土木工程系成立；2006年，獲得土木工程一級(jí)學(xué)科碩士學(xué)位和結(jié)構(gòu)工程二級(jí)學(xué)科博士學(xué)位授予權(quán)；2017年，獲得一級(jí)學(xué)科博士學(xué)位授予權(quán)；2019年，獲批國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。

上海大學(xué)土木工程碩士研究生核心課程“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”瞄準(zhǔn)新工科專業(yè)探索超高層建筑、核電結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁，以及綠色能源基礎(chǔ)設(shè)施的隔震、減震、抗風(fēng)與振動(dòng)控制機(jī)理的建設(shè)目標(biāo)，提出了高性能振動(dòng)控制方法和新型三維隔震裝置等。同時(shí)，上海大學(xué)土木工程學(xué)科建設(shè)與力學(xué)、材料、機(jī)械等重點(diǎn)學(xué)科發(fā)展關(guān)聯(lián)度較高。借助多學(xué)科辦學(xué)優(yōu)勢(shì)，教學(xué)改革將有效促進(jìn)知識(shí)教育、能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育［2-3］，培養(yǎng)具有全球視野、人文情懷、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力，并能應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)的全方位人才。

國(guó)內(nèi)外著名高校主要針對(duì)高年級(jí)本科生、專業(yè)型碩士生、學(xué)術(shù)型碩士生和博士生開設(shè)“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”課程。開課內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)機(jī)（車）荷載振動(dòng)模擬與響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)人致振動(dòng)模擬與響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)地震振動(dòng)模擬與響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)模擬與響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)爆炸沖擊振動(dòng)模擬與響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)減災(zāi)設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)抑振理論方法及技術(shù)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試原理與技術(shù)和非彈性動(dòng)力響應(yīng)分析方法等。比如同濟(jì)大學(xué)強(qiáng)調(diào)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用教學(xué)，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校注重工程抗震應(yīng)用，新加坡國(guó)立大學(xué)專注于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)，美國(guó)麻省理工學(xué)院為高年級(jí)本科生開設(shè)該課程，動(dòng)力學(xué)內(nèi)容寬泛，偏重計(jì)算機(jī)編程應(yīng)用［4］。

上海大學(xué)土木工程系結(jié)合上海發(fā)展的戰(zhàn)略定位，積極開展國(guó)際合作，與愛丁堡大學(xué)、昆士蘭大學(xué)和里斯本大學(xué)等國(guó)際著名高校開展研究生聯(lián)合培養(yǎng)，與佐治亞理工學(xué)院、悉尼科技大學(xué)、日本藤田技術(shù)中心等大學(xué)和機(jī)構(gòu)開展抗震合作研究。

上海大學(xué)“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”課程現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容注重基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，分別為專業(yè)型和學(xué)術(shù)型碩士生開課。應(yīng)用方面的教學(xué)主要在另一門研究生課程“地震工程學(xué)”中開展，對(duì)于程序開發(fā)和參與工程實(shí)踐研究無具體考核要求。為適應(yīng)綠色能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求和新工科國(guó)際化教育背景下智能制造、云計(jì)算、人工智能和機(jī)器人等技術(shù)應(yīng)用，“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”應(yīng)重構(gòu)和設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)教學(xué)方法改革與教學(xué)考核改革，培養(yǎng)復(fù)合型土木工程高級(jí)技術(shù)人才。

一、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

在以往教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”匯集了本科課程“理論力學(xué)”和“材料力學(xué)”中抽象的動(dòng)力學(xué)基本原理和復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，導(dǎo)致部分學(xué)生產(chǎn)生了畏難思想。一方面，部分學(xué)生高等數(shù)學(xué)知識(shí)掌握不深，如矩陣運(yùn)算、傅里葉級(jí)數(shù)與變換、微積分公式和常微分方程求解等；另一方面，學(xué)生的注意力經(jīng)常被一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算過程所分散，缺乏對(duì)課程理論體系的總體把握。學(xué)生對(duì)于計(jì)算程序、人工智能和功能材料等新知識(shí)不甚了解，缺乏科學(xué)實(shí)踐和工程經(jīng)驗(yàn)。

針對(duì)以上教與學(xué)的矛盾，以綠色能源基礎(chǔ)設(shè)施的抗震性能為應(yīng)用背景，遵循“以知識(shí)教育為基礎(chǔ)，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以素質(zhì)教育為內(nèi)核”的方針，上海大學(xué)研究生核心課程“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”課程共設(shè)置40學(xué)時(shí)。課程目標(biāo)為：了解結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析的基礎(chǔ)理論和基本方法，掌握離散體及連續(xù)體力學(xué)模型的建立方法，理解固有頻率、阻尼比、模態(tài)、頻率響應(yīng)函數(shù)等重要概念，掌握動(dòng)力系統(tǒng)的解析求解方法，掌握模態(tài)分解與疊加等振動(dòng)分析方法及相關(guān)數(shù)值計(jì)算方法等。

十章教學(xué)內(nèi)容分別為：第一章結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)概述（4學(xué)時(shí)），涉及動(dòng)力荷載及其分類、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容和任務(wù)、結(jié)構(gòu)的離散化方法和自由度、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題的基本特征、動(dòng)力學(xué)方程建立的一般方法、動(dòng)力體系運(yùn)動(dòng)方程應(yīng)用案例。第二章單自由度體系的自由振動(dòng)（4學(xué)時(shí)），包括無阻尼自由振動(dòng)、粘滯阻尼自由振動(dòng)、自由振動(dòng)中的能量和庫侖阻尼自由振動(dòng)。第三章單自由度體系的強(qiáng)迫振動(dòng)（4學(xué)時(shí)），包括無阻尼體系的簡(jiǎn)諧振動(dòng)、粘滯阻尼體系的簡(jiǎn)諧振動(dòng)、粘滯阻尼體系的應(yīng)用、非粘滯阻尼體系的簡(jiǎn)諧振動(dòng)、任意周期激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)和任意激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)Duhamel積分。第四章單由度體系動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算（4學(xué)時(shí)），主要為時(shí)間步進(jìn)法、基于激勵(lì)函數(shù)插值的方法、中心差分法、Newmark-β方法、Wilson-θ法、穩(wěn)定性與計(jì)算誤差和非線性響應(yīng)分析。第五章多自由度體系的運(yùn)動(dòng)方程（4學(xué)時(shí)），包括簡(jiǎn)單體系-兩層剪切型結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程、建立線性體系運(yùn)動(dòng)控制方程的一般方法、地震激勵(lì)下多自由度體系的運(yùn)動(dòng)方程、多自由度體系運(yùn)動(dòng)方程的求解。第六章多自由度體系的自由振動(dòng)（4學(xué)時(shí)），包括無阻尼體系的固有頻率和振動(dòng)模態(tài)振動(dòng)模態(tài)的正交性和法化、無阻尼體系自由振動(dòng)的模態(tài)表示和振動(dòng)響應(yīng)、粘滯阻尼體系的自由振動(dòng)、經(jīng)典粘滯阻尼矩陣的建立。第七章多自由度體系的動(dòng)力響應(yīng)分析（4學(xué)時(shí)），包括兩自由度無阻尼體系的動(dòng)力響應(yīng)、多自由度體系動(dòng)力響應(yīng)的振型分析法、振型響應(yīng)貢獻(xiàn)和特殊分析方法。第八章多由度體系動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算（4學(xué)時(shí)），包括時(shí)間步進(jìn)法、非經(jīng)典阻尼線性體系分析和非線性體系分析、復(fù)頻響應(yīng)函數(shù)、周期激勵(lì)的響應(yīng)、任意激勵(lì)的響應(yīng)和頻域分析的數(shù)值方法。第九章動(dòng)力響應(yīng)的人工智能算法與新材料性能（4學(xué)時(shí)），主要包括深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)、貝葉斯參數(shù)校準(zhǔn)、隨機(jī)狀態(tài)演繹及新型變剛度、變阻尼材料。第十章綠色能源基礎(chǔ)設(shè)施隔震設(shè)計(jì)、模擬及進(jìn)展（4學(xué)時(shí)），包括三維橡膠隔震支座、新型簡(jiǎn)易隔震支座和曲面摩擦型隔震支座等的力學(xué)模型、物理試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算與工程應(yīng)用。

二、教學(xué)方法改革

主要英文參考教材采用美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Chopra所著的Dynamics of Structures，以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)謝禮立等對(duì)應(yīng)翻譯的中文教材《結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)》。利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢(shì)，及時(shí)補(bǔ)充最新的教輔材料。為適合新工科專業(yè)建設(shè)國(guó)際化教學(xué)目標(biāo)，吸納高年級(jí)本科生、碩士研究生、博士研究生及留學(xué)生選課，平行開設(shè)中英文授課班，學(xué)生可自由選擇聽課。選配具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和留學(xué)背景的教師擔(dān)任主講教師，組成一支科研能力突出、年齡搭配合理的國(guó)際化教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

疏通本科前序課程與“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”的聯(lián)系，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)和鞏固已學(xué)過的動(dòng)力學(xué)基本原理，重點(diǎn)突出以往知識(shí)在本課程中的定位。對(duì)涉及的高等數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行歸類，幫助學(xué)生抓住課程理論體系的主線。如二階常微分方程的解分為兩大類：齊次解和特解，前者對(duì)應(yīng)瞬態(tài)振動(dòng)，后者對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。多自由度系統(tǒng)振動(dòng)分析的公式推導(dǎo)堅(jiān)持以矩陣形式表達(dá)為基礎(chǔ)。

從新工科專業(yè)建設(shè)理念出發(fā)，教學(xué)過程強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)編程能力的訓(xùn)練，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，向?qū)W生展示仿真試驗(yàn)的分析結(jié)果及響應(yīng)動(dòng)畫。介紹大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算等技術(shù)及其在大型結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中的應(yīng)用。引入先進(jìn)的并行計(jì)算和多種計(jì)算模式混合運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的、集群式結(jié)構(gòu)動(dòng)力問題的求解。學(xué)習(xí)功能材料和復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征的改善等。

強(qiáng)調(diào)研究生能力培養(yǎng)，為了滿足我國(guó)對(duì)于綠色能源設(shè)施安全保障方向研究的迫切需求，吸引更多優(yōu)秀學(xué)生參與綠色能源基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)力控制的理論研究和試驗(yàn)研究，構(gòu)建和完善綠色能源設(shè)施動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和參與，進(jìn)一步開展綠色清潔能源設(shè)施與地震安全相關(guān)研究。有力推進(jìn)土木工程與綠色能源設(shè)施安全相關(guān)科研工作的深入開展，并逐步吸引學(xué)生參與工程結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)、振動(dòng)控制等動(dòng)力學(xué)問題的重大工程動(dòng)力災(zāi)變機(jī)理和防災(zāi)減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研究。

強(qiáng)調(diào)國(guó)際化培養(yǎng)模式，為學(xué)習(xí)吸收國(guó)外先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提升動(dòng)力學(xué)的教學(xué)、科研能力和人才培養(yǎng)質(zhì)量，提高綠色能源設(shè)施安全保障的高水平基礎(chǔ)研究和高技術(shù)研究能力。

上海大學(xué)土木工程系結(jié)合國(guó)家綠色能源基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略建設(shè)，承擔(dān)了“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”國(guó)家重大科技專項(xiàng)課題，開展了強(qiáng)地震作用下核電結(jié)構(gòu)的三維及多級(jí)隔震研究。工程實(shí)踐為“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)提供了廣闊的應(yīng)用平臺(tái)。通過建立科研興趣研究小組，發(fā)布攻關(guān)課題，參與試驗(yàn)計(jì)算，發(fā)表科技論文，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生先后在《振動(dòng)與沖擊》、Structures和Soil Dynamics and Earthquake Engineering權(quán)威雜志上發(fā)表了豎向隔震設(shè)計(jì)、錐形隔震支座和曲面新型摩擦材料隔震支座的論文。

三、課程考核改革

期末考試采用同一套中文試卷，根據(jù)中英文分班情況，確定學(xué)生平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)的比例。如學(xué)生選擇中文班，未參與科研興趣研發(fā)小組和教師科學(xué)實(shí)踐研究，期末考試成績(jī)占70%，平時(shí)作業(yè)和出勤成績(jī)等占30%。如學(xué)生選擇英文班，則默認(rèn)為其參加了科研興趣研發(fā)小組和教師科學(xué)實(shí)踐研究，期末考試成績(jī)占50%，其他成績(jī)占50%，由科研興趣研發(fā)小組的課題任務(wù)（計(jì)算程序、調(diào)研報(bào)告、試驗(yàn)總結(jié)等）組成。學(xué)生可以在前半學(xué)期內(nèi)自由選擇中英文班，保障學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，公平選擇。

結(jié)語

“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”作為上海大學(xué)土木工程碩士研究生的核心課程，結(jié)合上海發(fā)展的戰(zhàn)略定位，從綠色能源基礎(chǔ)設(shè)施的抗震需要出發(fā)，采用新工科專業(yè)建設(shè)思想重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，提出教學(xué)方法和教學(xué)考核的具體措施，為培養(yǎng)復(fù)合型高級(jí)土木工程人才打好了基礎(chǔ)。