構(gòu)建動力相似模型試驗平臺提升結(jié)構(gòu)振動教學質(zhì)量水平

李迎濤　周凌　楊朝山　王仲剛

摘要：結(jié)構(gòu)振動領域課程涉及的概念多，復雜程度高，理解難度大，亟需開展課程案例教學增進研究生對課程的理解，提高研究生的工程實踐能力。為此，依托重慶市研究生優(yōu)質(zhì)課程建設和學院實驗室建設與管理研究項目，設計制作了鋼結(jié)構(gòu)塔架動力相似模型，在推動結(jié)構(gòu)振動領域課程教學，促進研究生創(chuàng)新意識培養(yǎng)和工程實踐能力提高等方面取得了一定實效。

關鍵詞：案例教學；課程建設；相似模型

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）02-0147-03

目前土木工程專業(yè)碩士和博士層次所開設的大部分課程，如高等結(jié)構(gòu)動力學、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、結(jié)構(gòu)動力可靠度、隨機振動、結(jié)構(gòu)風工程、結(jié)構(gòu)損傷識別與健康監(jiān)測、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)試驗測試技術和研究生綜合試驗等均涉及結(jié)構(gòu)振動理論、測試和分析，由于該領域的理論深度大，測試方式靈活，可擴展性強，課程設置大多停留在知識理解層面，缺乏操作和實際應用培訓，同時課程理解難度大，研究生學習吃力，既不利于研究生能力的培養(yǎng)提高，也不符合現(xiàn)代教育的要求。因此，如何在結(jié)構(gòu)振動領域課程教學過程中切實提高研究生的學習效率和實踐能力，成為土木工程專業(yè)研究生教育工作的難題。

為此，利用重慶市研究生優(yōu)質(zhì)課程建設和學院實驗室建設與管理研究項目的契機，通過建設鋼結(jié)構(gòu)塔架動力相似模型，開展設計性試驗，培養(yǎng)研究生掌握振動數(shù)據(jù)提取、分析和判斷，運用理論知識解決實際工程問題的能力，提升研究生的創(chuàng)新意識，為提高結(jié)構(gòu)振動領域的課程教學質(zhì)量提出了新思路。

一、結(jié)構(gòu)振動教學現(xiàn)狀分析

通過長年的課程教學實踐發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)振動領域課程的學習中，普遍存在以下幾方面的問題。

（1）對課程理論知識不理解。結(jié)構(gòu)振動領域相關課程涉及的概念多，復雜程度高，教學灌輸多，師生互動少，研究生往往偏重于公式的推導計算，缺乏對課程知識的全面掌握和深刻理解。 （2）對振動儀器設備不熟悉。振動儀器設備更新?lián)Q代快，智能化程度高，同時設備易受環(huán)境和測量噪聲干擾，需要精細化操作，研究生缺乏對儀器設備的了解，實際操作生疏而吃力。

（3）對測試分析技術不清楚。結(jié)構(gòu)振動測試分析技術綜合了振動測試和信號分析等方面知識，由于測試分析案例缺乏，研究生不具備測試分析技術相關的理論知識。

（4）對解決實際問題不主動。課程注重培養(yǎng)的是研究生解決科研和實際工程振動問題的能力，由于研究生缺乏對課程的把握、認知，不能融會貫通、學以致用，因而對解決工程實際問題不積極，不主動，缺乏信心。

二、主要對策

針對結(jié)構(gòu)振動領域?qū)W習內(nèi)容抽象、復雜、枯燥的課程教學特點，開展工程結(jié)構(gòu)案例教學，以一種開放式、互動式的新型教學方式，可以強化理論知識與工程實際的聯(lián)系，增進研究生對知識的理解和認知，使教學更加“形象化”，提高研究生運用所學知識分析問題、解決問題的能力。利用實際工程項目作為案例，其測試復雜程度高，信號獲取障礙多，數(shù)據(jù)分析處理難度大，同時費用較高，可重復性差，因而在結(jié)構(gòu)振動領域的案例教學和實踐教學中鮮有開展，為此，按照結(jié)構(gòu)模型的動力相似理論，設計制作了某實際工程塔可拆卸縮尺模型，使結(jié)構(gòu)振動領域開展案例教學和實踐教學成為了可能，實現(xiàn)了以下目標。

（一）以動力相似模型為載體，引導研究生熟悉振動測試儀器設備

在開展動力相似模型振動測試前，設置諸如振動荷載施加、響應信號獲取等簡單任務，使研究生帶著學習任務去了解、熟悉各種振動測試儀器設備的測量范圍、使用條件，改變以往傳統(tǒng)的儀器設備講授模式，激發(fā)研究生熟悉儀器設備的熱忱，提高研究生的主觀能動性和參與積極性。同時按照任務要求引導研究生根據(jù)模型特點進行簡單的設備選型、匹配和聯(lián)動測試，將眾多具有單一功能的振動測試儀器設備，如激振器、信號發(fā)生器、功率放大器、傳感器、振動信號采集儀等關聯(lián)起來，形成動測設備聯(lián)動系統(tǒng)，使研究生對各種振動儀器設備的運作建立起直觀的印象，同時在潛移默化中教會研究生如何靈活運用振動測試儀器設備，克服研究生以往為了學習儀器設備而學習的“被動性”，以及學習儀器設備不知所用的“盲目性”，改變研究生學習儀器設備“只見樹木，不見森林”“只會單一設備，不會聯(lián)合使用”的尷尬局面，培養(yǎng)研究生學習儀器設備而后運用儀器設備即“學為所用”的思維，提升研究生利用儀器設備獲取所需的結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)和解決實際問題的能力。

（二）以動力相似模型為支撐，促進研究生理解振動理論基礎知識

結(jié)構(gòu)振動理論涉及的概念多、推導運算過程復雜，要求研究生具備扎實的概率論、隨機過程、結(jié)構(gòu)振動等基礎知識，教師在講授過程中容易囿于理論知識和解題技巧講解，忽視了課程在工程實際中的應用，導致研究生過分注重對理論知識的學習、理解，缺乏對課程的把握、認知，不利于培養(yǎng)研究生的學習興趣，阻礙研究生主觀能動性的發(fā)揮，影響研究生創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng)。為此，以動力相似模型為教學案例，對模型設計、模型制作過程中涉及的結(jié)構(gòu)振動方程、模型相似理論等知識進行講解，轉(zhuǎn)變抽象化的概念為實際的工程案例，增進研究生對結(jié)構(gòu)振動理論知識的理解和掌握，及時消除研究生學無所用的認識誤區(qū)。同時結(jié)合該動力相似模型，通過設置模型基本振動特性測試的試驗任務，引導研究生帶著實際問題去學習、領會和運用振動理論知識，變灌輸式教學方法為互動式教學，以動力相似模型為支撐，建立“研究生為主體，教師為引導”的新型教學模式[1]，增強課程知識的講解效果，深化研究生對結(jié)構(gòu)振動理論的理解認識，提升研究生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

（三）以動力相似模型為依托，幫助研究生掌握振動測試分析技術

結(jié)構(gòu)振動問題一直是土木工程領域的一個研究熱點，振動測試分析技術作為解決工程振動問題的一種有效手段，隨著測試儀器、測試方法的不斷發(fā)展越來越受到重視。在教學實踐過程中，幫助研究生掌握振動測試分析技術，有助于研究生從結(jié)構(gòu)振動理論學習向工程實際問題解決邁進，提高研究生的動手能力和綜合素質(zhì)，真正達到實踐教學的目的。為此，以動力相似模型為依托，通過設置地脈動、初位移、沖擊荷載、強迫振動等激勵形式下模型結(jié)構(gòu)的試驗任務，推動研究生利用相關儀器設備，獲取諸如位移、速度、加速度、應變等結(jié)構(gòu)振動響應信號，引導研究生綜合運用所學的振動理論知識，對測試得到的振動信號進行分析處理，提取能反映結(jié)構(gòu)振動特征的有用信息，為培養(yǎng)研究生工程實踐能力奠定基礎。

（四）以動力相似模型為平臺，激發(fā)研究生探索解決結(jié)構(gòu)實際問題

利用動力相似模型可多次拆裝的特點，通過降低節(jié)點剛度，減小桿件截面積等方式模擬實際結(jié)構(gòu)中可能發(fā)生的節(jié)點或桿件損傷情況，增設結(jié)構(gòu)損傷識別與健康監(jiān)測等自主設計性試驗，采用啟發(fā)和探討式教學[2]，鼓勵研究生通過對比結(jié)構(gòu)完好與損傷下振動信號之間的差異，探索其中的規(guī)律并完成設計試驗項目，把單純枯燥的課堂知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒g的研究探索，增強研究生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的意識，培養(yǎng)研究生獨立解決實際振動問題的能力，推動了研究生創(chuàng)新精神和實踐能力的生成。在這一過程中，教師始終作為一個組織者和參與者，依據(jù)模型特點不斷設置新的課題[3]，引導研究生不斷思考、不斷運用所學知識解決問題，并及時幫助研究生在不斷解決問題中總結(jié)提煉，最終將理論知識與實際問題相結(jié)合，讓研究生充分探尋結(jié)構(gòu)振動領域的奧秘，認識結(jié)構(gòu)振動理論知識的實際價值。

三、結(jié)語

為克服實際工程項目案例和實踐教學的不足，依托重慶市研究生優(yōu)質(zhì)課程建設和學院實驗室建設與管理研究項目，設計制作了鋼結(jié)構(gòu)塔架動力相似模型，并以此塔架模型實施案例和實踐教學，開展了相似模型的基本振動測試和自主設計性試驗，培養(yǎng)研究生熟悉振動儀器設備，理解振動理論知識，掌握振動測試分析技術，使之初步具備了解決工程振動問題的能力。經(jīng)過近三年的教學實踐，相比之前傳統(tǒng)的課堂授課而言，研究生的試卷理論考核成績上升了近20%，試驗測試分析考核提高了研究生自主實踐能力，為后續(xù)學位論文所涉及的振動試驗做好了前期鋪墊，在推動結(jié)構(gòu)振動領域課程教學，促進研究生創(chuàng)新意識培養(yǎng)和工程實踐能力提高等方面取得了一定實效，其經(jīng)驗可為其他高校研究生課程建設和案例實踐教學提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1]張濤，林梅，蘇毅，等.引導研究生主動實踐[J].訓練與科技，2012，33（3）：52-54.

[2] 周凌，王仲剛，黃海斌，等.鋼結(jié)構(gòu)原理與設計課程教學改革探索[J].訓練與科技，2012，33（3）：62-63.

[3] 伍度志，胡愛平，吳松林.應用數(shù)理統(tǒng)計教學之我見[J].訓練與科技，2012，33（3）：59-60.

（編輯 周 沫）