“结构动力学”教学改革与实践

高维成 刘  伟  邹经湘  航天科学与力学系

摘 要：为适应现代社会发展，培养高素质人才的需要，结合工程力学专业《结构动力学》课程的教学现状，作者根据近几年课程教学和科研的实际体会，对课程体系优化、课程内容调整、教学方法改革、师资队伍建设、精品教材补充等教学改革内容进行了较为系统的论述和探讨，并对下一步的发展规划提出了若干建议。
关键词：结构动力学  教学改革  教学方法

结构动力学是工程力学专业一门重要的专业基础课，是研究结构在动荷载作用下的动力学行为的科学[1,2]。通过本课程的学习，学生应该掌握结构动力学的基本概念、基础理论、计算方法和实验技能等内容，为学习后续课程、从事专业工作以及进一步研究课题打下一定的基础，从而更好地运用知识解决工程实际问题。在以往的教学实践中，学生普遍反映的问题是：结构动力学概念抽象、不容易理解、教学方法老套、实践课程安排少。为适应培养具有创新意识、实践能力和创业精神的高素质人才需要，依托国家工科力学基础课程教学基地和国家力学实验教学示范中心，在以教学前辈为专业建设负责人的引领下，本课程组对《结构动力学》课程体系、教学内容、教学方法及教学手段等方面进行全面整改。下面本文着重从这几个方面阐述作者所进行的一些教学改革尝试和实践成果，与教育界同行探讨并分享。

一、调整课程内容、优化课程设置

根据教育部制定的《高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划》目标要求，我们对结构动力学课程内容重新审定，对结构力学、结构动力学、非线性振动、随机振动等一脉相承的课程重新划分结点。目前，结构动力学研究在数值方法、非线性振动、随机振动及振动测试技术等方面均有所突破，为适应发展，我们在内容设计上增加了现代数值方法——传递矩阵法和现代动力学测试技术，这些学科前沿知识可以通过理论介绍、仿真分析、模型实验来完成，从而使课程内容既继承了经典（或传统）内容，又融入了学科最新研究成果。对结构动力学课程内容进行更新和整合后，修订了教学大纲，将58总学时分解为讲课34学时、实验6学时和上机18学时。课程基本内容限定在解决结构动力特性、动力响应及其计算方法三个方面，合理控制知识面范围和难度，不断加大教学计划的灵活性；精细化讲解经典动力学理论的同时又不断充实现代动力学前沿知识，做到有所为有所不为；使学生透彻掌握结构动力学的基本概念和计算方法，建立完整的知识结构体系并学以致用。

图1. 自主研发的实验项目
针对学生普遍反映基本概念不易理解、实践课时少的问题，我们较大幅度地增加实验教学环节，实验分批分组进行，虽然老师的额外工作量增加，但有助于学生自己动手参与，全面提高学生的综合素质和创新能力。配合结构动力学教学改革的实施，课程组自主研发设计了10项与结构动力学相结合的、具有自主知识产权的结构动力学教学实验项目（图1），以加深学生对动力学基本概念、计算方法的理解和掌握。同时结合主讲教师正在进行科研项目，利用设计的模型进行一些研究型试验，拓展学生的知识面和实际应用能力，提高学生的学习兴趣。
      
a) 简谐激振特解幅频曲线                          b) 动力吸振器幅频曲线
图2. 基于Matlab的结构动力学工具箱应用
为了便于学生理解动力学抽象理论及动态全过程，本课程组研发了基于Visual Basic语言的动力学分析系统，可视化程度很高，应用了两年。但应用过程中发现学生学习Visual Basic语言需要很长时间，不便于自己编程掌握。本课程组又基于Matlab语言的强大工具箱平台开发了结构动力学工具箱（图2），囊括了教学大纲的所有内容，交互式很强，学生可以自己修改程序参数来调整不同的曲线形式，这是课堂教学所无法做到的。在传授过程中基于Visual Basic语言的动力学分析系统和基于Matlab语言的结构动力学工具箱可以互补。上机课时，指导教师首先简要讲解编程语言的特点及基本用法，然后要求学生课后自主学习，课上自己编程绘制相关内容曲线以加深书本知识的理解，最后6-8学时要求学生编制结构动力学中的相关数值方法程序——Jacobi法、Newmark法和wilson-法。

二、改革教学方法、培养学生兴趣

《结构动力学》作为专业基础课程，是工程力学专业的核心课程，是修完《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》、《弹性力学》之后的一门承上启下的课程。概念抽象，理论性强，学生普遍反映该课程难学。为了解决这个问题，除了授课时要突出重点，讲清难点以外，还要注重讲课的方式，采取有效的教学方法，促进学生理解与记忆，帮助学生学习，让学生掌握有效的学习方法。
第一，注重知识的前后联系，将以前静力学中的相关知识和动力学的部分内容融合在理论当中，进行比较分析，对照学习。如简谐激振一节中的动力放大系数概念，让学生既复习了前面的知识，又加深了对目前知识的理解。
第二，授课过程中尽量扩充理论应用方面的实际例子，使学生从枯燥的理论中解脱出来，与工程实践紧密结合。如动力减振器一节，它是最简单的被动耗能控制模型，学生理论上明白了，但仍不会应用，不能很好的与专业相结合。在讲解基本内容的同时，将知识点进行扩展，概要介绍结构振动控制的分类，被动耗能控制技术的方法（调频质量阻尼器（TMD）系统、调频液体阻尼器（TLD）系统、液压质量控制（HMS）系统），结构主动控制技术的分类、组成及算法等等，同时讲解实际案例如深圳地王大厦风振TMD控制和上海东方明珠电视塔风振TMD控制，有效地将作者科研融入到教学当中。
第三，课堂教学是师生的双边活动，教师要调动学生参与、主动思考，并在此过程中培养推理、综合、提升等正确思维能力。在教学方法上采用启发式、讨论式、演示式等多种教学方式，营造师生互动的课堂氛围，以激发学生的学习兴趣。课程组开发的多种实验项目，因实验学时紧张，学生不可能全部亲自动手参与，我们在讲解到相关基础理论时，将一部分验证型、研究型实验演示给学生，激发学生从多角度去讨论问题。动力学复杂的分析结果如幅频特性曲线等不用简单的示意图，而采用Matlab仿真分析结果来演示，有效调动学生主动思考的积极性。
第四，采取多媒体教学方式，加强形象化教学。针对工程力学专业特色和飞行器等其它专业课程需要本课程组开发建设了两套多媒体课件，均可通过我校国家力学实验教学示范中心网络平台实现网络教学，增强了教学效果和提高学生的学习兴趣。使学生从传统地听课、被动地记笔记、机械地接受知识，转变为学生主动地接受知识。
第五，结构动力学实验与Matlab仿真试验目前已成为工程力学专业本科生建立动力学分析过程的重要手段。通过认识结构模型设计思想、自己动手安装传感器、动手操作数据采集系统、采集数据、对数据进行分析和处理，亲自编程进行仿真试验，使学生全程体验到结构动力学基本理论的意义所在。这种现场教学模式不仅使学生认识动力学与工程之间的关系，还培养了学生理论联系实际，分析问题与解决问题的能力。本课程实验教学方式最重要的特点是建立了本科生与硕士生、博士生互动的平台，结构动力学实验室与硕士生、博士生在一起，且实验项目和Matlab结构动力学工具箱也是由他们参与开发的，他们中有些也是本门课程的助教，这样的环境就构筑了本科生与硕士生、博士生沟通的平台。
第六，调整考核方式，充分调动学生自主参与、自主提升的积极性。课程组根据结构动力学课程本身的特点及教学要求，着重突出学生实践能力、创新意识的培养，在成绩考核方面进行了大幅度的改革。采取全过程考核模式，即从开始到结束，从课内到课外均考核；采取公开考核模式，即提前让学生知道如何正确对待本课程考试，不为考试而考试；遵循重能力重素质原则，即将学生能力的表现和素质的体现作为较大的权重系数在考核时加以考虑。考试成绩分解，逐项精细化，考试方案为：作业10%，实验10%，上机20%，笔试60%。其中作业6-8次，做到每人必交，不遗漏一人；实验4次，自己动手做实验、处理数据，撰写实验报告；上机编制程序5个，提交可运行的程序代码和结果文件；考试注重对知识点概念的理解和掌握，避免死记硬背的理论考核，重点考查学生建立动力学模型的能力。

三、加强队伍建设、重在教学相长

师资队伍建设是教学改革的前提，课程组目前有教授3人、副教授2人、中级职称2人，其中博士学位2人，是一支学历、职称、年龄结构合理，青年教师培养得力的队伍。师资队伍不仅在本学科有较高学术和科研能力，而且热爱本职工作，有丰富的教学经验、良好的语言表达能力和优秀的课堂组织能力。为了保证教学改革的顺利进行，70岁的教授前辈仍站在课堂教学第一线，在他的引领下，主讲教师、上机、实验辅导教师配合默契、互相补充。课程组针对我校学生实际情况，开展较为充分的课前准备工作：组织调研、修改和完善教学大纲、深入钻研教材、编写制作电子教案；教学过程中：探讨教学法、组织学生座谈、自由平等讨论课堂得失，掌握学生学习上的需求、每节课后和作业批改后及时总结汲取经验；结合全校的教学基本功比赛，相互观摩教学，取长补短；课程结束后，进行试卷自评和互评分析，做出学生成绩分布图以及每一道题学生得分率，将本轮教学过程中遇到的情况和得失及时反馈到下一轮教学中，总结成败，切实把教学质量提高到新的高度。

四、出版精品教材、教学成果显著

教材建设是课程建设的基础工程，具有连续性和周期长的特点，因此，教材编写要突出重点、突出基本理论和基本内容。保证学生在学习中能获得整体优化的知识结构，从而把教学内容的深度和学生能力培养等方面提高到一个新的水平。
1996年本文第三作者总结原工程力学教研室全体教师在结构动力学课程方面多年的教学经验，主编了教材《结构动力学》，该教材为当年黑龙江省重点图书。同时被指定为哈尔滨工业大学工程力学专业、飞行器设计专业本科生教材，也是力学学科研究生学位课以及研究生入学考试的指定教材，目前哈工程、西工大等兄弟院校也将该书作为指定教材。目前结合工程力学专业建设和教学改革内容，由邹经湘教授负责重新对原教材进行修订，增加了结构动力响应数值计算方法性能分析一节，结构振动与控制一章，对非线性振动一章全部进行改写。目前增加和改写内容全部完成并交稿，预计在2007年底或2008年初正式出版。
为配合结构动力学实验课程与上机课程，由作者负责编写的《结构动力学实验讲义与上机指导》校内讲义，至今已应用两年，边使用边完善边更新，对指导本科生实验和上机效果显著。其中实验讲义内容涵盖了所研发实验项目的精确解、数值解和实验结果，包括他们的对比分析；上机指导内容针对《结构动力学》教材中的每一个理论公式全部自主编程，用Matlab语言实现，均附有算例和使用说明。课题组另一教授负责编写了本教材的习题解答，目前在内部使用，计划在哈尔滨工业大学出版社出版。
课程组自主研发10项与结构动力学课程相结合的具有自主知识产权的实验项目，包括基础型3项、综合型3项、研究型4项，为我校获得“国家力学实验教学示范中心”提供了重要基础。自主研发了基于Visual Basic语言的动力学分析系统和基于Matlab语言结构动力学分析系统课件。两套教学辅助分析系统相互补充，恰当运用了多媒体和网络技术，得到学生好评。
完成校试验室建设项目两项；获省级教学成果二等奖两项；获校教学成果二等奖一项，其中《振动开放实验室》成果获校教学成果二等奖；获校教学优秀一等奖一项；获本科生科技创新三等奖一项，该项目已用于后续的本科生实验中；获得国家专利5项；发表教学论文8篇。

五、不足及下一步课程建设规划

虽然已经进行了较多的教学改革尝试，但还存在一定的不足。目前尚未开设双语教学，网络教学还需提高、振动台等先进仪器设备还需完善。课程建设下一步规划是进一步增强网络教学的互动性、创新课堂教学手段，提升教学理念，提高学习效率。

六、结束语

结构动力学是面向工程的综合性和系统性很强的一门课程，在强调基本理论的同时,有必要重视实验技能和计算机仿真技术。要做到理论、仿真、实验三者缺一不可，互相辅佐。在具体的教学中，我们通过改革课程体系、教学内容、教学方法和教学手段，在培养学生创新意识和创新能力方面进行了一些有益尝试和改革，取得了一定的效果，逐步形成了一些符合课程特点的做法和想法。教学改革是一个多方面长期的不断探索、逐步完善的过程。为进一步提高结构动力学课程的教学质量，实现培养21世纪创新人才的目标，我们会继续进行教学改革研究，不断完善教学过程，提高教学效果和质量。

参考文献

1、邹经湘，结构动力学，哈工大出版社，哈尔滨，1996，1-4.
2、R.克拉夫，J.彭津 著，王光远等 译，结构动力学 第二版（修订版），高等教育出版社，北京，2006，1-9.