基于學位論文建模方法的機電系統動力學研究性教學實踐

楊志安

（唐山學院結構與振動工程重點實驗室，河北唐山 063000）

基于學位論文建模方法的機電系統動力學研究性教學實踐

楊志安

（唐山學院結構與振動工程重點實驗室，河北唐山 063000）

結合機電磁固耦合動力學方向學位論文建模需要與“機電系統動力學”課程的特點，從教學目標、教學內容、教學方法等方面對機電系統動力學教學模式進行改革。通過8屆學位論文指導與“機電系統動力學”教學實踐，提出演繹式教學與研究性教學有機結合的教學模式。教學實踐表明這種教學模式符合“以人為本，以學生為中心”的核心教育原則，也符合“學以致用”的教學目的。

機電系統動力學；學位論文；建模；教學目標；研究性教學；研究性學習

一、機電動力學及課程特點

“機電系統動力學”是將力學與電磁學結合起來，研究在電磁場中運動物體規律的科學。它涉及到多個學科的基礎理論，包括一般力學、連續介質力學、振動理論與電磁場理論、電機理論等形成的交叉學科。［1］“機電系統動力學”從能量的觀點出發，作為統一的方法，可用于建立一般力學與電路理論、連續介質力學與電磁場理論相耦合的微分方程，或稱為數學模型。“機電系統動力學”的核心內容是Lagrange-Maxwell方程。我們知道，研究宏觀低速物體動力學問題，第一步是建立研究對象的數學模型；第二步是選用適當的理論分析方法進行分析；最后是進行數值分析與實驗研究。［2-4］以Newton力學為根基的各個動力學分支都涉及研究對象建模問題，而不同的研究對象決定了動力學分支的特色。La-grang-Maxmell方程是處理機電磁固耦合動力學理論建模問題的最有效的方法。在工科非力學類本科生及研究生學習階段，目前高校開設“機電系統動力學”課程的很少。但當學生論文的選題涉及機電磁固耦合動力學問題時，“機電系統動力學”的核心理論學生必須知曉，否則建模工作就無從下手，此時學習“機電系統動力學”就成為必然。學位論文本身也要求教師指導學生綜合利用已有知識去探索未知事物。這就要求指導教師對學生探索未知事物過程中的知識缺陷要先知先覺，并指導學生自主填補知識空白。筆者認為，在這種情況下，“機電系統動力學”應以選修課的形式開設，以適應學位論文工作的需要。“機電系統動力學”的先導課程包括“高等數學”“理論力學”“大學物理”“電磁場理論”等。它是一門基礎性強、應用廣泛的綜合性課程。就“機電系統動力學”的內容而言，完成全部教學大約需要120學時。這對于我國高校課程逐漸增多、學時逐漸減少、實踐教學環節逐漸增加的教學現狀，以選修課形式開設120學時“機電系統動力學”是不可能的。如何破解這個問題，達到學位論文建模的需要？需要指導教師或任課教師運用智慧，創造性地工作，在教學目標、教學內容、教學方法上進行改革，探求新的“機電系統動力學”教學模式。對此，筆者結合本科生、研究生培養與教學實踐，對“機電系統動力學”教學的具體做法進行了探索。

二、基于學位論文建模方法的“機電系統動力學”教學目標定位

就課程本身而言，“機電系統動力學”是從基本概念、基本定理、定律出發，得出其核心理論Lagrang-Maxmell方程。“機電系統動力學”具有相對獨立的完整的理論體系。對于力學專業的本科生或是一般力學、工程力學專業的碩士生，作為學位必修課，采用演繹式教學法系統講授，接受式方法學習是必要的，也符合教學目標的要求。對于以工程實際中機電磁固耦合系統為研究方向或學位論文選題方向的工科學生，系統學習“機電系統動力學”從時間上不允許，從應用角度也不必如此。作為選修課，考慮到學生學位論文建模需求，將“機電系統動力學”教學目標定義為“基于建模方法的”機電系統動力學“教學”相對合適。

學位論文是培養學生綜合運用所學知識與技能，解決具有一定學術水平和復雜程度的理論或實際問題的綜合性訓練；是學生綜合素質與培養效果的全面檢驗；也是專業教學質量和培養水平的綜合反映。學位論文是實現培養創新人才教育目標而必須完成的極為重要的綜合性專業實踐訓練，它是用一個高峰體驗課程來完成對專業教育的終結。它需要從一門門面窄的課程向旨在綜合運用所學知識和技能解決具有較強的專業特點的課題轉變，需要指導教師和學生更多地投入，使學生的研究性學習經驗能夠通過一個貼近專業實際的研究項目或課題，完整而準確地體現出來，并在此基礎上使學生獲得高峰體驗，得到一個知識能力上的提升。

三、基于建模方法的“機電系統動力學”教學內容重構

“機電系統動力學”具有相對獨立完整的理論體系，但這個體系不是封閉的。它的基本理論基礎是拉格朗日方程和基爾霍夫定律，核心理論是Lagrang-Maxmell方程。這也是以工程實際中機電磁固耦合動力學為選題方向用到的建模方法的核心內容。而拉格朗日方程是“理論力學”或“分析力學”的內容；基爾霍夫定律是“大學物理”或“電子電路”的內容。這兩個基本理論工科學生進行過系統的學習與應用。

筆者針對學生的學習現狀和存在問題，以及基于建模方法的教學目標的要求，將“機電系統動力學”的教學內容進行重組，使之適合學生學位論文建模方法的需要。重組后的教學內容分為六個專題：第一專題，拉格朗日方程及應用；第二專題，基爾霍夫定律及應用；第三專題，機電系統的類比關系；第四專題，Lagrang-Maxmell方程及應用；第五專題，電機的氣隙磁場能量；第六專題，電機定轉子機電電磁固耦合的機理。

對照系統學習“機電系統動力學”120學時的教學要求，要用很少學時達到基于建模方法的教學目標，對指導教師與學生來說都是一個挑戰。如何將此挑戰內化為動力完成學習任務？應該從教學方法和學習方法上進行改革。

四、基于建模方法的“機電系統動力學”研究性教學實踐

筆者的研究方向為機電耦聯系統動力學。近年來承擔的國家、省、市的科研項目集中在電機的電磁激發振動、磁固耦合振、機電藕聯振動、RLC電路與微梁耦合系統動力學等，按照產學研結合的要求，學生學位論文的選題均以科研項目為基礎，實行真題真做，或者題目本身就是科研項目的一個子課題。

要解決“機電系統動力學”教學中存在的學時不足，滿足基于學位論文的建模方法的需要，如果單純按傳統的演繹式教學法開展教學，學生只是被動地接受，這樣做既浪費了課堂寶貴的教學時間，又達不到教學目標要求。考慮到學生已有的知識結構和學習經驗，加之學生的心智水平，引入研究性學習方式，有效地開展研究性教學，并與演繹式教學和接受性學習相結合可以解決存在的問題。

工科教學中常常采用傳統的演繹式教學法。就是教師從講述一些一般原理開始，然后用這些原理來推導出數學模型，再舉一些例子來說明模型的應用，讓學生在做課后作業時也進行同樣地推導和應用，最后以考試作為課程結束的標志。

研究性教學屬于歸納式教學的一種，是指學生在教師的指導下，從自然、社會和生活中選擇與專業相關的課題進行研究，主動地吸收知識、應用知識、解決問題，獲取新經驗和表現個性行為特征的教學程式。與傳統的教學模式相比，研究性教學不僅可以使學生獲得知識，而且可獲得親身參與研究和探索的體驗，利于培養學生收集、分析、利用信息、發現問題、解決問題的能力，在學習中培養科學態度和科學素養。［5-8］

研究性教學與演繹式教學是一對相對的概念。就學生的個性發展而言，研究性教學與演繹式教學這兩種教學方式都是必要的，二者相輔相成。學校的主要任務就是向學生傳授文化知識，高校也如此。而演繹式教學則是學校中最基本的教學方式，學生的知識學習主要是通過從語言文字為中介表述的概念、原理等的意義理解獲得知識的。之所以在當前的高校教學中強調研究性教學，并不是因為演繹式教學不好，而是因為我們過分強調并實施演繹式教學，把它置于中心。而研究性教學則被完全忽略或退居邊緣。根據具體的教學任務，綜合靈活地將二者有機地結合使用，才符合現代高等教育培養目標的要求。［9-14］

作為學習方式和教學方式改革，研究性學習直接導致教師和學生在教學中的角色、地位以及師生關系發生變化。從教師方面講，研究性學習是教師把學生作為學習的主人，給學生提供個性發展的空間和環境，鼓勵、引導、尊重和促進其個性化發展的教學活動。從學生方面講，研究性學習是學生在教師指導下的、以學習和發展為目標的、主動獲取知識、應用知識解決問題的學習活動。

研究性學習與研究性教學是從教與學的兩個不同主體出發闡述的同一過程，其中心是學生，體現“以人為本，以學生為中心”的核心教育原則，符合科學發展觀的要求。以學生為中心包含兩層含義：其一，學生應當積極參加全部環節的教學活動，這種教學活動應包括第一、第二課堂的教學活動；其二，研究性學習中更加強化自主學習和探索，強調學生在研究性學習和訓練過程中逐步提升綜合素質和創新能力，最終能夠主動發現問題、研究問題、解決問題。［15-19］

（一）基于學士學位論文建模方法的“機電系統動力學”教學實踐

學士學位論文指導任務下達一般在第七學期末，加上寒假時間，離學位論文開題還有2到3個月時間。利用好此段時間，對高質量完成學位論文建模工作，提高學生自主學習、研究性學習能力非常重要。具體做法是，首先與學生面談，了解學生的知識背景，學習情況，興趣愛好，專業特長及家庭情況等，為下一步因材施教做好準備。

在進行演繹式課堂教學前列出學位論文建模需要用到的知識涉及的書目。具體包括“理論力學”“分析力學”“大學物理”等。學位論文開始前二周，集中講授“機電系統動力學”的前四個專題的內容，并給出學位論文題目，一般每人兩個題目供學生根據自己的興趣愛好特長等實際情況進行選擇。

在講授完“機電系統動力學”后，確定學生論文題目，通過答疑、討論、報告與點評等研究性教學與研究性學習方式，使教師與學生之間形成互動，從而及時解決課堂教學與學位論文建模中遇到的各種問題，使“機電系統動力學”課程學習與學位論文建模有機結合，增強了課程學習的主動性和學位論文工作的創新性。一般學生在20天左右可以完成機電磁固耦合方向論文的建模工作。

（二）基于碩士學位論文建模方法的“機電系統動力學”教學實踐

兩年半學制碩士生的學位論文選題工作一般安排在第三學期初，此時碩士生已完成了一學年的全部必修學位課程的學習，已具備開展學位論文工作的基本條件。加之，機電磁固耦合方向學生的學位必修課“非線性振動”和“專業外語”均由筆者承擔，對學生的知識結構、學習情況、專業特長、興趣愛好等情況已有比較全面的了解。在此基礎上再根據承擔科研項目的內容擬定學位論文題目。選定邱家俊教授編著的《機電分析動力學》為教材藍本，在碩士學位論文選題報告后集中一周20學時左右時間集中講授第三、四、五、六四個專題。比較本科生，碩士生的第一、二專題可以自學完成。然后通過答疑、討論、報告與點評等互動式教學方法，解決學生學位論文建模中遇到的各種問題。每位學生需要通過10次左右討論、答疑，2個月左右時間可以完成學位論文的建模工作。比較本科生與碩士生以基于學位論文建模方法為教學目標的“機電系統動力學”的學習效果，筆者未發現他們之間存在差異，這個結論是筆者在學位論文指導與教學活動中得到的，似有不合情理之處。上述教學實踐體現了演繹式教學與研究性教學的有機結合。符合教育心理學中的公認準則：當人們清楚意識到有必要去了解某個事物時，他才會最為強烈主動地學習。因為此階段“機電系統動力學”的學習與學生學位論文有關，學生的積極性、主動性、創造性在學習過程中得到淋漓盡致的發揮，也符合“學以致用，用以促學，用學相長”的原則。這種學習模式還體現了建構主義教學模式的特點：新的信息會經過學習者的心智結構的過濾，如果這一新的信息與學習者的心智結構一致，就會被融合進去；如果兩者有抵觸，則學生為了應付考試可能會死記硬背，不大可能將新的信息或學習內容真正融入自己的信息系統，也就是說，在這種情況下，他們是學不進去的。

（三）“機電系統動力學”教學實踐成果

通過四屆8名本科生、四屆4名碩士生的學位論文指導與“機電系統動力學”教學實踐，取得一些成果。［20-31］12名學生在選修“機電系統動力學”課程后都參加了唐山市結構與振動重點實驗室科研項目，這些項目包括唐山市重點計劃項目“彈性地基上矩形板的動力學問題研究”“旋轉機械故障運行狀態下的耦合振動與應用研究”“受環境影響輸電線的非線性振動研究”“交變電磁場中梁與板的機電磁耦合動力學研究”，河北省自然科學基金項目“RLC串聯電路與微梁耦合系統動力學研究”，國家自然科學基金項目“數控銑床與柔性基礎耦合振動主動控制的研究”，國家科技工業局項目“電機磁固耦合振動產生機理及計算方法研究”等。12名學生的學位論文均來源于上述科研項目。結合“機電系統動力學”的學習，學生均順利完成學位論文。據不完全統計，12名學生共發表學術論文60余篇，其中被SCI，EI收錄41篇。

文獻［6］記載了四川大學實施研究性教學與研究性學習結果的一組數據：2005－2008年，近5000余名本科生參加了學校累計提供的1573個科研訓練項目，其中85%以上屬于教師在研的科研項目，有近50%的項目為國家級、省部級重大科研項目（包括國家“973”“863”項目）；參與國家重點實驗室科研發表論文120余篇，其中SCI，EI收錄50余篇，申請并獲準專利14項。

筆者提供的學生發表論文的數據不是基于學位論文建模方法“機電系統動力學”的教學目的，它只是檢驗教學成果的一個指標，是實施“機電系統動力學”研究性教學與研究性學習的副產品。研究性教學的關鍵是學生在學習過程中主動吸收知識、應用知識、解決問題、創新等能力的明顯得到提升。

五、“機電系統動力學”的教學體悟

根據“機電系統動力學”課程特點及教學中存在問題，考慮學位論文建模的需要，提出基于學位論文建模方法的“機電系統動力學”的教學目標；結合涉及機電磁固耦合耦合動力學方向學位論文選題需要，給出本科生、碩士生的選修內容；將演繹式教學與研究性教學有機結合，接受性學習與研究性學習同步實施，取得預期教學效果，達到學位論文建模的要求。通過8屆學位論文指導與“機電系統動力學”教學實踐，筆者認為，要有效地開展教學與學習活動，滿足現代高等教育對教學與人才培養的需求，主觀上要轉變教學觀念。不能只注重或使用一種教學模式，而輕視或放棄其他教學模式。客觀上要根據學生對教學內容的需求和學生的心智水平，調整教學方法與教學內容，做到因材施教。這樣就可以整合大學里蘊藏的強大的智力資源，使學生在教學實踐活動中提高創新能力的同時，參與科研攻關，享受創造的樂趣。這是“以人為本，以學生為中心”的核心教育原則的必然要求，也符合科學發展觀的時代要求。也是培養創新型人才和構建創新型國家的必然要求。

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（責任編校：李高峰）

Research Teaching Prictice of Electromechanical Dynamics Based on Dissertation

YANG Zhi-an

（Key Lab of Structure and Vibration，Tangshan Collage，Tangshan 063000，China）

According to the characteristics of electromechanical dynamics and the requirement of dissertation modeling on electromechanical and solid-magnetical coupling dynamics and on the ba-sis of the teaching practice of Electromechanical Dynamics，teaching reform of Electromechanical Dynamics has been caried out from such aspects as teaching goal，teaching content and teaching method．The paper puts forward a teaching model combining deductive and research teaching．The teaching model accords not only with the education principle based on human and student center，but also with the teaching objective of learning for application．

electromechanical dynamics；dissertation；modeling；teaching objective；research teaching；research study

G42．0；G642．477

A

1672-349X（2012）04-0087-04

2011-03-29

河北省教育廳科學研究計劃（SZ2010326）；唐山學院教育科學研究基金項目（2011－2）

楊志安（1963－），男，河北秦皇島人，教授，博士，主要從事機電系統動力學研究。