研究生振动结构模态分析课程教学改革与实践探究
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作者:吴绍维
[摘 要] 针对重庆交通大学航运与船舶工程学院研究生振动结构模态分析课程学时短、内容多且抽象、学生学习积极性不高、到课率低等问题，结合教学实际，通过创新教学模式、制定理论与工程实际相结合的教学内容、实施实验教学与科研结合等措施，对该门课程教学模式进行改革和创新。通过教学实践，研究生对振动结构模态分析课程的学习兴趣显著提高，课程教学改革取得良好效果。
[关键词] 研究生;振动结构模态分析;教学改革
一、前言
振动结构模态分析课程是重庆交通大学航运与船舶工程学院研究生在研一下学期必修的一门重要专业学位课程。课程综合了机械振动基础、信号分析与处理、试验测量等多门学科知识，与船舶设计和制造工程实际问题有着紧密的联系，为结构减振、结构优化设计、故障诊断、声学分析等问题提供理论和实验方法。本课程涉及振动结构工程中的理论分析、数学建模、数值求解、实验测量和数据处理[1]。
二、现阶段研究生振动结构模态分析课程教学存在的问题
目前我院研究生振动结构模态分析课程的教学共计36学时，其中理论教学32学时，实验教学4学时。该课程对学生本科期间所学的高等数学和力学，研究生期间所学的矩阵分析、机械振动理论、信号分析与数据处理要求较高。相比其他课程，该门课程学时偏少。根据生源结构情况来看，近年来我院研究生生源以二本调剂生为主，学生水平差异大，大部分学生的数学基础、力学基础薄弱，在学习振动结构模态分析课程的过程中，会出现以下两个问题。
首先，在学习过程中，由于该门课程涉及的数学理论广泛，学生往往会陷入复杂的数学公式推导过程，感到知识抽象、乏味、难以理解和掌握，特别是当学习到多自由度系统实模态与复模态分析、拉氏变换的方法及模态参数的标度等内容时，直接导致他们对这部分内容产生困惑和迷茫，甚至丧失对这门课程的学习信心和兴趣，使得学习效率极低。其次，这些学生本科就读学校实验设施不完善，他们从未接触过振动测量传感器、数据采集等实验仪器设备，导致学生在4个学时的实验教学环节过程中很难掌握规定的实验内容[2]。
三、研究生振动结构模态分析课程教学模式改革措施
针对在振动结构模态分析研究生课程教学中的问题，为提高研究生课程教学效率和质量，作者对课程的授课模式和教学内容进行了改革，以丰富这门抽象课程的趣味性，提高学生的学习主动性和积极性，促进学生运用理论解决工程实际问题，提升研究生的科学研究创新能力。主要教学改革措施包括以下几个方面。
1.课程教学模式变革。课程教学关乎研究生自主学习的培养和创新能力的提升，而目前我院这门研究生课程的教学方式还停留在传统的“本科式”教学模式。针对我院研究生学术水平差异大、其他专业调剂生多的实际，作者对传统的教师讲、学生听的研究生授课模式进行改革，强调提升研究生的自主学习能力、科研创新能力以及文献搜集和查阅能力。结合课程的特点，将主要理论授课内容归纳为结构振动背景知识、模态分析理论基础、模态参数识别方法、振动测试信号分析与数据处理和模态分析在工程中的应用五个主题。
运用案列讨论+引导的混合式教学方法来提升教学效率。案列讨论教学旨在培养学生的学习兴趣[3]。举例来说，在进行第一主题结构振动背景知识时，利用视频、动画以及图片，对重大灾难性事故、国防军工等案例进行讨论分析。如美国塔可马悬索桥发生剧烈振动而垮塌、汽车减振悬挂机构、潜艇减振浮筏等案例。借助这些案例的学习，促使学生了解振动的危害以及结构模态分析这门课程的重要性，并进一步增强学生的求知欲以及学生对该门课程的持续关注。作者采用引导式教学方法，根据学生的研究方向，让学生根据自己的基础和兴趣进行分组选题，课下搜集、查阅文献，准备制作多媒体材料，课堂进行学习汇报和问题讨论交流，加深学生对振动结构模态分析相关知识的理解，从而调动学生的学习热情，培养和促进学生查阅文献的能力，促使学生接触并跟踪学术前沿以提升科研创新能力。
2.课程教学内容优化改革。修订和完善教学大纲，制定与船舶设计和制造工程相结合的教学内容。根据专业设置和学科发展水平，研究和参考国内外振动结构模态分析课程相关教学，优化课程章节。以船舶设计和制造工程中的振动结构模态分析问题为出发点重新规划课程，结构振动背景知识主题以单自由度和二自由度线性离散系统的自由振动、强迫振动为教学重点;模态分析理论基础主题以实模态分析为重点，删去复杂的复模态分析内容;模态参数识别方法主题以单模态识别为教学重点，对多模态识别只提及发展趋势及应用;振动测试信号分析与数据处理主题着重讲解采样定理以及各类窗函数的应用场合;模态分析在工程中的应用主题围绕船舶设计与制造过程中的工程问题进行讲解，将理论知识与实际工程应用相结合。
在理论教学授课过程中，讲解重点内容原理及应用，弱化非重点内容的繁琐数学理论推导，以避免讲解抽象、乏味、难以理解。如在讲解模态理论时，采用离散二自由度振动模型，对振动微分方程的建立过程、特征频率和振型对结构振动的影响详细讲解，对振动微分方程的求解过程只讲解求解思路。在实验教学授课过程中，针对多数学生从未接触过仪器设备，详细讲解仪器设备和软件的操作，促使学生更好更快的掌握振动结构模态识别技术。为促使课程与科研结合[4]，以船舶制造中的实际轴系振動问题为对象，重点讲授传动轴系结构的模态频域识别，将从书本学到的知识与解决实际问题及科学的研究方法相结合，促进研究生学术科研、创新水平的提高。
3.课程考核方式改革。改变以往以试卷考试为主的传统模式，运用多元化考核措施，积极鼓励学生在课堂上活跃表现，培养学生的实践及动手能力，将平时课堂成绩提升至占总成绩的10%，实践成绩提升至40%，建立更科学的多元化考评机制。借助考评机制的变革，引导学生学会主动独思考，增强实际动手能力和解决工程问题的能力。平时课堂成绩旨在考查学生是否掌握课堂知识点，实践成绩旨在提升学生科研和解决工程问题的能力。
四、结论
针对振动结构模态，分析研究生课程教学过程中存在的问题，通过教学实践，结合我院研究生实际情况及专业背景特点，对该门课程的教学模式和教学内容进行了优化改革，提出了案列讨论+引导的混合式教学方法，对课程内容进行了优化精简凝练，注重重点内容讲解。通过这些教学改革措施，有效激发了研究生的学习兴趣和学习主动性，提升了科研水平，取得了良好的教学效果。
参考文献
[1]王荣.机械振动与模态分析课程体系改革与探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2012，（1）：31-32.
[2]靳畅，周鋐.LMS测试系统在模态试验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2015，34（22）：186-189.
[3]毛崎波，李奕.机械振动基础课程教学模式改革[J].中国教育技术装备，2019，（4）：94-96.
[4]陈会涛，柴杉杉，杨志波.研究生机械振动学课程教学模式改革[J].中国教育技术装备，2017，（14）：107-108.
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