面向科教融合協同育人的“振動分析”課程教學模式探索與實踐

黎文科 葉天貴 楊鐵軍

摘??? 要：“振動分析”是動力類專業研究生核心課程之一。為適應新時代創新型人才培養需求，提升教學質量和效果，文章針對傳統教學模式存在的問題，基于科研實驗輔助的實踐模塊教學模式以及聚焦工程實際需求和科技前沿的互動式教學模式，開展了科研案例教學模式探索與實踐，提出了深度融入科研項目案例的理論模塊教學模式，為新時代減振降噪一流人才培養提供指導和借鑒。

關鍵詞：振動分析；科教融合；教學模式；創新能力培養

中圖分類號：G642.0????????? 文獻標識碼：A????????? 文章編號：1002-4107（2023）05-0060-03

2016年6月2日，我國正式加入《華盛頓協議》，明確工程教育聚焦學生解決復雜工程問題能力培養的基本定位，標志著中國高等教育取得具有里程碑意義的歷史性突破[1]。從行業發展角度來看，隨著我國海軍艦船制造水平的轉型升級，振動問題逐漸成為制約其整體性能的主要因素，船舶動力裝置振動噪聲控制領域的高素質人才需求激增。面對從制造走向創造的歷史性轉變，未來的工程師需要具備對新穎、復雜的工程系統進行動力學建模、計算、分析、設計和測試的綜合能力，逐步走向自主創新、原始創新[2]。在新的歷史發展階段，對高校的專業人才培養也提出了更高的要求。

聚焦船舶減振降噪行業發展需求，“振動分析”是一門面向船舶與海洋工程以及動力工程及工程熱物理等專業的核心理論課程，對于培養研究生分析和解決復雜工程問題能力具有重要的理論意義和應用價值。學生通過對知識的學習，明確振動現象產生的內在機理，掌握分析振動問題的方法，并獲得解決振動問題的能力，畢業后可以勝任船舶動力裝置系統振動噪聲設計及應用方面的工作。“振動分析”課程涉及的基礎知識非常寬泛，包括“數學分析”“線性代數”“理論力學”“材料力學”等多門課程，具有理論性強、公式多、數理基礎要求高等特點，這就要求學生具備良好的知識交叉綜合運用能力[3]。然而，傳統的“振動分析”課程教學重點主要集中在對基本概念的講解和公式推導上，教學內容較為枯燥，學生自主學習積極性不高[4]。課程教學方式主要以做題和講題為主，缺少應用、探究、批判、創新等高階認知過程訓練，學生的學習停留在公式推導層面，難于建立基礎理論與工程問題的對應關系，缺少理論分析與物理現象之間的橋梁，缺乏對公式背后物理意義的深入理解，更難于運用理論知識解決具體問題[5]。因此，傳統的課程教學模式弊端逐漸成為制約未來創新型人才培養的關鍵因素[6]。無論是學者還是工程師，都認為當前我國高校振動類課程的教學模式無法滿足高素質創新人才的培養要求[2，7]。

科研案例教學模式為創新型人才培養提供全新途徑。與本科教育不同，科研活動是研究生教育的主要內容，科研能力是研究生綜合素質評價的重要指標，科研素養是研究生成長成才的核心素養，科研育人是提高研究生培養質量的內在要求[8]。本文結合研究生階段學習的特點，將科研引入到“振動分析”教學中，以科研案例為牽引，發揮科研在立德樹人中的重要載體作用，培養學生興趣，幫助學生理解，實現從理論學習向科學研究的過渡與轉變。在授課過程中，教師可力求體現當前振動控制領域最新的研究成果和發展方向，在教學中強調科技創新能力的培養，整合課程內容體系，加強實踐教學環節的比重，結合現代技術手段提高教學效果，加強分析解決復雜工程問題能力的培養。從單純教學轉向科教融合是歷史的必然選擇，開展“振動分析”課程科研案例教學模式改革，對于培養新時代船舶工程領域減振降噪一流人才具有十分重要的現實意義。

一、科研案例教學模式設計

在投入科研活動的最初階段，研究生對于科學研究的認知是懵懂的，他們最初的動力來源既有對真理探索的天然興趣，也有對未知領域的好奇。教師通過與學生充分交流和探討，注重言傳身教，引導學生關注知識背后的科學和工程問題，讓學生感受科研活動的意義與價值。在課堂教學過程中，以科研案例為主線，引導學生從物理對象中抽象出科學問題和關鍵技術，揭示復雜工程問題背后的科學本質，建立分析和解決實際問題的學習體系[9]。

（一）深度融入科研項目案例的理論模塊教學模式改革與實踐

“振動分析”課程主要介紹機械振動的基本方程、典型振動問題的數學物理建模、響應求解以及運動規律分析方法，著重說明研究問題的基本觀點和解決問題的基本方法，使學生明確振動現象的物理概念及產生機理。研究生在掌握基本理論的基礎上，迫切希望學以致用，分析并解決工程中遇到的實際問題。因此，從國家自然科學基金、國家重大工程項目、船用低速機創新工程、潛艇綜合隱身等科研專項中挖掘有利于學生能力培養的內容，凝練出振動理論與控制相關的典型科研案例，如表1所示。通過問題創設、啟發、引申等方式合理引入科研案例，向學生介紹解決減振降噪難題的分析思路、過程和方法。引導學生深入思考、學以致用、即學即用，讓學生認識到“振動分析”課程對應工程問題的背景意義、發展歷程、解決途徑和方法。充分發揮科研育人功能，培養學生嚴謹的科學態度和開拓的創新精神，實現價值塑造、知識傳授與能力培養的有機統一。

（二）基于科研實驗輔助的實踐模塊教學模式改革與實踐

與純理論教學不同，融入科研實驗的教學能給學生帶來更直觀的感受和更深入的理解。區別于傳統的實驗教學課程，基于科研實驗輔助的實踐模塊教學模式以科研項目為牽引，面向具體應用問題，具有更鮮明的實際意義和工程價值。選取課題組內開展的典型科研項目設計實驗案例，如表2所示。以平板振動模態測量實驗為例，在學生完成模態測試、動力學特性分析的同時，還能探究結構參數變化對系統振動特性的影響規律，加深對模態等概念的理解。充分發揮工信部先進船舶動力技術重點實驗室在船舶動力領域科學研究和高素質人才培養方面的優勢，高效利用實驗室具有的振動噪聲實驗裝置和測試、分析、控制設備，如丹麥Brüel & Kjaer公司的Pulse數據采集系統及各類傳感器、NI測控系統、dSPACE實時仿真系統、信號發生器、示波器、激振器、大型振動臺、大型彈性艙段結構為基礎的浮筏隔振臺架等，開展基于科研實驗輔助的實踐模塊教學模式改革與實踐，除了能幫助學生掌握理論知識，還能幫助學生迅速熟悉課題的實驗環境。通過參觀及演示實驗，使學生建立理論模型與實際物理系統之間的對應關系，深刻理解復雜數學概念背后的物理意義，為學生后續研究工作的開展打下堅實基礎。

（三）聚焦工程實際需求和科技前沿的互動式教學模式改革與實踐

對研究生的培養不應局限于課本專業知識的傳授，還應面向工程實際需求和科技前沿，力求體現當今振動及其控制領域的最新研究成果和發展方向。激發學生對認知邊界探索的興趣必然成為新形勢下“振動分析”課程的教學目標之一。為此，可設計聚焦工程實際需求和科技前沿的典型調研案例，如表3所示。教師通過布置科研案例調研大作業，讓學生以文獻調研方式了解振動及其控制領域的發展前沿，充分利用網絡數據庫資源，補充課堂中對前沿知識傳授的局限，結合學生選題情況進行分組合作，組織學生結合自身研究課題進行PPT匯報，培養學生集體觀念和團隊意識。學生匯報完成后，教師要對學生匯報內容與表現作出系統總結與評價，指出匯報中存在的問題以及解決方法，提升教學效果的同時培養學生科學素養，實現科研育人。上述多元立體教學以學生為中心，突破了以教師“灌輸”為主的傳統教學模式，有利于價值觀念培養和塑造。通過與學生互動、探究與啟發式的課堂討論，增加了學生的參與感，引發了學生情感共鳴，調動了學生自覺性和主動性，激發了學生的求知欲和探索欲，突出了學生在教學活動中的主體地位。同時，做到真正了解學生對知識的理解和掌握情況，推動多元化、全過程的考核評價方式改革，提升課程教學目標達成度。

二、科研案例教學模式的實踐效果評價

筆者通過哈爾濱工程大學研究生教育綜合管理系統開展無記名問卷調查，得到136名聽課學生的教學效果滿意度調查統計結果，如表4所示。與傳統模式比較發現，參與科研案例教學模式改革的學生認為“振動分析”課程的各項教學滿意度均有提升，其中在能否體現前沿知識、理論聯系實際和是否注重培養創新創業能力兩個方面教學滿意度分別提升4.7%和5.0%；在是否能夠提升學習興趣的滿意度方面相比傳統教學模式教學滿意度提升明顯（高達11.7%）；學生對該課程教學的整體滿意程度達到96.9%，遠高于傳統教學模式的87.3%，表明科研案例教學模式取得了較好的效果。學生通過課程的學習不僅掌握了理論知識，還培養了運用理論知識解決實際問題的能力，并掌握本領域的基礎和學術前沿，為后續的科學研究奠定堅實基礎。

三、結語

本文采用科研案例教學模式，有目的地學習，真正改變學生的原有學習方法。用振動基礎知識分析解決復雜工程中的科學問題，改變傳統的教學與科研脫離的教學現狀，用科研案例豐富提升教學內容以反哺教學，有力地推動該課程的教學改革，解決傳統授課過程中基礎理論與科研實踐割裂的問題。通過改革的實施，使學生將“振動分析”課程的主要內容相互銜接與融合，形成完整的復雜工程問題分析概念。通過對實際科研項目的詳細分析，培養較強的振動理論與應用能力，提升學生的科研水平。解決理論教學與實驗教學相脫節問題，轉變傳統的課堂教學與實驗教學分離的教學方法，以科研項目為紐帶，深度融合基礎理論與實驗環節，解決學生綜合素質的培養問題。在實驗過程中逐步鍛煉和培養學生自主學習能力和團結協作能力，提高學生解決復雜工程問題的能力、團隊組織協調能力、創新能力和動手能力，為培養理論基礎扎實、創新思維活躍、實踐能力突出的高素質新工科人才提供支撐。

參考文獻：

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[9]魏偉，魏曉旭，周俊菊，等.以科研案例為導向的專業課程教學模式創新研究[J].地理信息世界，2021（5）.