以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的機(jī)械類研究生課程實(shí)踐教學(xué)模式探究

田曉潔 劉貴杰 謝迎春 冷鼎鑫 王泓暉

摘 ?要 ?自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)一直是我國高等教育的重點(diǎn)，課程教學(xué)是其中重要環(huán)節(jié)之一。探討在機(jī)械類研究生課程教學(xué)中存在的問題，提出以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的課程教學(xué)模式，并以振動(dòng)分析與動(dòng)態(tài)測(cè)試課程為例，進(jìn)行具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施，利用具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，與課程理論知識(shí)內(nèi)容融會(huì)貫通。在實(shí)際教學(xué)中該教學(xué)形式取得良好的教學(xué)成果，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)新的積極性和主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞 ?項(xiàng)目設(shè)計(jì)；實(shí)踐；創(chuàng)新能力；教學(xué)模式；研究生

中圖分類號(hào)：G643.2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）04-0149-04

Research on Practical Teaching Mode of Me-chanical Graduate Course Guided by Project Design//TIAN Xiaojie， LIU Guijie， XIE Ying-chun， LENG Dingxin， WANG Honghui

Abstract ?The cultivation of the independent learn-ing and innovation ability of graduate students has always been the focus of Chinas higher education. The curriculum teaching is the important aspect of

graduate cultivation. This paper discussed the exis-

ting problems in mechanical graduates curriculum teaching process and proposed a project-oriented teaching mode. Moreover， the proposed mode has been performed for the vibration analysis and dynamic testing course. The detailed projects are designed for this course， which is merged with the theory contents. Using the specific project design as the

guide， the curriculum theory content is well inte-grated with the practical projects. In the actual teaching process， the proposed teaching mode has achieved good teaching effects， and motivates the students enthusiasm and initiative of learning and innovation. It has achieved the expected effects.

Key words ?project design; practice; innovation abi-

lity; teaching mode; graduates

Authors address ?College of Engineering， Ocean University of China， Qingdao， Shandong， China， 266100

0 ?引言

創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)是研究生教育事業(yè)的靈魂。以教師講授和學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主要特點(diǎn)的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式已無法滿足新時(shí)代對(duì)研究生科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。研究生教育重在培養(yǎng)創(chuàng)新人才、提高創(chuàng)新能力[1]。《關(guān)于改進(jìn)和加強(qiáng)研究生課程建設(shè)的意見》提到，加快實(shí)現(xiàn)研究生課程高質(zhì)量、高水平建設(shè)，重視課程學(xué)習(xí)在研究生培養(yǎng)中的重要的夯實(shí)基礎(chǔ)的作用[1-2]。

我國學(xué)位和研究生教育制度的特質(zhì)中很重要的一點(diǎn)就是課程學(xué)習(xí)。課程學(xué)習(xí)是保證我國研究生培養(yǎng)成果的必須環(huán)節(jié)，在研究生入學(xué)到畢業(yè)的各個(gè)階段都具有夯實(shí)基礎(chǔ)、綜合提高和突破創(chuàng)新的作用。面對(duì)當(dāng)前研究生的課程教學(xué)暴露出的種種問題，越來越多的教師針對(duì)研究生課程的特點(diǎn)進(jìn)行各種教學(xué)方法的探索和實(shí)踐[3-5]。

本文針對(duì)機(jī)械類研究生課程的特點(diǎn)，提出以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的教學(xué)改革探索，并以振動(dòng)分析與動(dòng)態(tài)測(cè)試課程為例進(jìn)行具體實(shí)施。

1 ?當(dāng)前研究生課程教學(xué)的特點(diǎn)

機(jī)械類研究生課程具有理論嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)踐性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，一般是本科知識(shí)的深度學(xué)習(xí)和拓展。研究生課程學(xué)習(xí)要求學(xué)生掌握扎實(shí)的數(shù)學(xué)和力學(xué)知識(shí)，為科研項(xiàng)目的開展和碩士論文工作奠定基礎(chǔ)。但是，該類課程普遍具有理論晦澀難懂、公式冗長(zhǎng)復(fù)雜、課本案例陳舊、無法與前沿知識(shí)相結(jié)合的問題，在講授知識(shí)時(shí)，用被動(dòng)式灌輸?shù)哪Ｊ竭M(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)無法有機(jī)融合。究其原因主要有以下三個(gè)方面。

1）研究生課程“本科化”，研究生教學(xué)與本科教學(xué)采用的授課方式相同，即傳統(tǒng)課堂講授與課下討論并行，仍舊使用傳統(tǒng)、單調(diào)的多媒體方式進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，不易提高學(xué)生的課堂積極性與參與度，缺乏對(duì)研究生自主學(xué)習(xí)、研究能力和創(chuàng)新思維的

培養(yǎng)。

2）實(shí)踐環(huán)節(jié)課時(shí)較少，缺少訓(xùn)練學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力和解決復(fù)雜問題能力的培養(yǎng)。

3）課程考核以理論為主，采用試卷的形式，且分值較重。實(shí)踐環(huán)節(jié)采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方式，學(xué)生的動(dòng)手能力難以真正量化。學(xué)生為了取得高分，很多都只重視理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，常常忽視實(shí)踐的重要性。研究生的培養(yǎng)體系不僅包含課程學(xué)習(xí)，還應(yīng)該伴隨著大量的科研項(xiàng)目的訓(xùn)練，以提高研究生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)。一般課程學(xué)習(xí)在前，科研項(xiàng)目訓(xùn)練在后。如何把課堂理論知識(shí)學(xué)習(xí)和科研項(xiàng)目的訓(xùn)練有機(jī)結(jié)合在一起，是研究生課程教學(xué)中需要考慮的一個(gè)重要問題。

以振動(dòng)分析與動(dòng)態(tài)測(cè)試課程為例，這是一門面向機(jī)械類專業(yè)普遍開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其中綜合了很多科目，包括機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)、信號(hào)分析與處理、試驗(yàn)測(cè)量等，是一門既注重理論、又抓緊實(shí)踐的課程。該門課程涉及的數(shù)理知識(shí)非常廣泛，課程內(nèi)容相對(duì)比較抽象，經(jīng)常會(huì)讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中陷入復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)中，讓學(xué)生認(rèn)為知識(shí)抽象、無趣、難以理解與掌握，尤其當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)到多自由度系統(tǒng)實(shí)模態(tài)與復(fù)模態(tài)分析、傳遞函數(shù)、模態(tài)參數(shù)等內(nèi)容時(shí)，學(xué)生大都會(huì)對(duì)這部分內(nèi)容感到困惑和迷茫，有些學(xué)生甚至?xí)适W(xué)習(xí)這門課程的信心和興趣，無法提高學(xué)習(xí)效率。這些學(xué)生在本科學(xué)習(xí)的過程中沒接觸過振動(dòng)相關(guān)課程或者與其有關(guān)的實(shí)驗(yàn)條件有限，對(duì)振動(dòng)測(cè)量傳感器、數(shù)據(jù)采集等儀器設(shè)備非常陌生，導(dǎo)致學(xué)生很難做到理論知識(shí)與工程實(shí)踐相互融合。同時(shí)，該門課程在后期研究生的科研項(xiàng)目訓(xùn)練中十分重要，在結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等研究方向都有應(yīng)用。

2 ?教學(xué)模式改革

在我國研究生自主學(xué)習(xí)以及創(chuàng)新能力提高的過程中，課程教學(xué)是重要環(huán)節(jié)之一。因此，對(duì)于研究生所開設(shè)的課程進(jìn)行授課方式的改革以及創(chuàng)新是勢(shì)在必行的。目前，比較常用的教學(xué)模式，如以學(xué)生為中心、翻轉(zhuǎn)課堂、啟發(fā)式教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式、案例教學(xué)法、基于CDIO（Conceive、Design、Imple-

ment、Operate，即構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行）理念等教學(xué)模式現(xiàn)已在本科教學(xué)過程當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用[6-8]。

以學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體是這些教學(xué)模式最主要的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程，提倡啟發(fā)式、體驗(yàn)式、案例式等教學(xué)模式，以此激發(fā)學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生自主地運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力以及解決實(shí)際問題的能力。

機(jī)械專業(yè)類研究生的課堂教學(xué)需要由傳統(tǒng)的以傳授知識(shí)為主的教學(xué)模式向以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新為主的研究型教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。打破傳統(tǒng)意義上的課堂教學(xué)模式，將課堂理論教學(xué)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)相融合，以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主、理論學(xué)習(xí)為輔，通過項(xiàng)目需要學(xué)習(xí)理論知識(shí)。同時(shí)，教師在課程教學(xué)過程中要密切關(guān)注研究生的科研方向，在授課過程中穿插感興趣的研究話題和工程案例，適當(dāng)?shù)卦黾诱n堂學(xué)習(xí)過程中的互動(dòng)環(huán)節(jié)，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)課堂學(xué)習(xí)的積極性。進(jìn)一步結(jié)合專業(yè)課程的特點(diǎn)，選擇以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，對(duì)課程要求和教學(xué)大綱進(jìn)行全面的優(yōu)化和升級(jí)，并對(duì)考核方式進(jìn)行改革。

2.1 ?提出項(xiàng)目并分析任務(wù)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)為教學(xué)實(shí)踐的大方向，在以其為導(dǎo)向進(jìn)行的教學(xué)實(shí)踐中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)是否合理直接影響能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)。為了培養(yǎng)學(xué)生的興趣，所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目雖有一定的難度，但是不能過于復(fù)雜，否則學(xué)生容易喪失信心，而且項(xiàng)目必須有一定的價(jià)值。項(xiàng)目的最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要與課程內(nèi)容相吻合，學(xué)生完成項(xiàng)目后能看到具體的效果。因此，方便、易實(shí)現(xiàn)、通用的項(xiàng)目是選擇的重點(diǎn)。

2.2 ?根據(jù)提出的項(xiàng)目?jī)?yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

要求所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目任務(wù)能夠覆蓋課程教學(xué)的基本內(nèi)容。將課程內(nèi)容分解為項(xiàng)目、模塊和知識(shí)點(diǎn)三個(gè)層面，提倡自頂向下的啟發(fā)式的教學(xué)模式，如圖1所示。將項(xiàng)目任務(wù)設(shè)計(jì)為多個(gè)模塊，每個(gè)模塊與課程教學(xué)體系相對(duì)應(yīng)，各個(gè)模塊內(nèi)容遵循從易到難、由淺入深、循序漸進(jìn)的過程，貫穿整個(gè)學(xué)期的教學(xué)。同時(shí)，課程的教學(xué)內(nèi)容要與項(xiàng)目模塊相對(duì)應(yīng)，在課堂教學(xué)過程中始終貫穿于項(xiàng)目各個(gè)模塊。在課程開始時(shí)，將項(xiàng)目進(jìn)行發(fā)布，學(xué)生自由組隊(duì)，然后將項(xiàng)目的問題分解。在課堂教學(xué)過程中，以所提出的問題為切入點(diǎn)展開理論知識(shí)詳細(xì)講解。

2.3 ?穿插科研案例，拓展科研思維

考慮到研一的研究生還沒正式進(jìn)入科研訓(xùn)練，科研思維還在不斷成熟，對(duì)于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和問題的提出還比較陌生，因此，成熟科研案例的引入至關(guān)重要。在授課過程中，任課教師或者教學(xué)團(tuán)隊(duì)可根據(jù)自己的科研項(xiàng)目和科研經(jīng)歷，提取出適合相關(guān)課程的案例，應(yīng)用于課程教學(xué)中。

通過案例進(jìn)行示范教學(xué)活動(dòng)具有更加生動(dòng)、直觀的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)⒕唧w的知識(shí)點(diǎn)融于具體案例中，讓學(xué)生深入領(lǐng)會(huì)和掌握知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用情況，并實(shí)現(xiàn)了科研案例反哺教學(xué)。因此，提出在教學(xué)過程中穿插案例教學(xué)，在課程學(xué)習(xí)過程中輔以合適的案例對(duì)理論知識(shí)和工程應(yīng)用進(jìn)行具體講解，以拓寬學(xué)生的科研思路，并將相關(guān)知識(shí)應(yīng)用在學(xué)生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中。

以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主的研究生課程教學(xué)模式讓學(xué)生不僅能夠掌握理論方法，還能拓展課上所學(xué)知識(shí)，完成課題項(xiàng)目，并將所學(xué)的理論知識(shí)能夠應(yīng)用于后續(xù)的科研訓(xùn)練中。

3 ?教學(xué)模式具體實(shí)施過程

以振動(dòng)分析與動(dòng)態(tài)測(cè)試課程為例，采用基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的教學(xué)模式對(duì)該課程進(jìn)行改革。該課程綜合了多種科目的專業(yè)知識(shí)，包括高等數(shù)學(xué)、工程力學(xué)、矩陣?yán)碚摗⑿盘?hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，與實(shí)際的工程問題有著密切的聯(lián)系。該課程不僅要求學(xué)生全面掌握振動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試的基本理論知識(shí)，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際的要領(lǐng)，從而能夠解決科研項(xiàng)目訓(xùn)練中碰到的實(shí)際問題。

筆者在教學(xué)過程中，結(jié)合科研項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，設(shè)計(jì)了三個(gè)操作性較強(qiáng)的項(xiàng)目用于課程教學(xué)，分別是“桁架式結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試”“電機(jī)性能動(dòng)態(tài)測(cè)試”和“車架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試”。為了便于學(xué)生開展項(xiàng)目，為每個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)配備相關(guān)測(cè)試設(shè)備，包括激振器、傳感器、采集儀等，并提供一定額度的經(jīng)費(fèi)支持。

在課程開始的時(shí)候，將設(shè)計(jì)項(xiàng)目發(fā)給學(xué)生，學(xué)生自由組隊(duì)選擇項(xiàng)目。項(xiàng)目下發(fā)之初，不給學(xué)生布置具體的任務(wù)，學(xué)生需要先了解被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)和工作環(huán)境特點(diǎn)，然后根據(jù)課程內(nèi)容對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)。將該課程分為多自由度系統(tǒng)理論知識(shí)、時(shí)間歷程測(cè)量、測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法、模態(tài)參數(shù)頻域識(shí)別、模態(tài)參數(shù)時(shí)域識(shí)別五大模塊。每個(gè)模塊結(jié)合項(xiàng)目的內(nèi)容進(jìn)行主題式教學(xué)。根據(jù)主題內(nèi)容以及學(xué)生的掌握情況安排不同的授課方式。對(duì)于主題一和主題二，有的研究生可能在本科階段學(xué)習(xí)過相關(guān)的知識(shí)。鑒于此，讓基礎(chǔ)比較好的學(xué)生準(zhǔn)備課件，講解本科所學(xué)的知識(shí)，然后教師根據(jù)課堂學(xué)生掌握情況對(duì)難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)講解。對(duì)于主題三、四、五，研究生本科階段接觸較少的知識(shí)內(nèi)容，以教師講課為主，研究生通過自主學(xué)習(xí)、文獻(xiàn)資料查閱等進(jìn)行加強(qiáng)學(xué)習(xí)。

所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目根據(jù)課程內(nèi)容分為五個(gè)教學(xué)單元，涵蓋課程的具體講授內(nèi)容，具體的項(xiàng)目與課程對(duì)應(yīng)模塊如表1所示。

第一單元為多自由度系統(tǒng)理論知識(shí)模塊學(xué)習(xí)，要求學(xué)生以所研究的對(duì)象進(jìn)行建模和振動(dòng)分析，通過簡(jiǎn)化了解單自由度系統(tǒng)和多自由度系統(tǒng)的區(qū)別，并結(jié)合現(xiàn)有的有限元分析軟件對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行模態(tài)分析，加深模態(tài)的概念和理解。第二單元為時(shí)間歷程測(cè)量模塊學(xué)習(xí)，要求學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)搭建研究對(duì)象的測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的激振器、傳感器、采集儀等設(shè)備，搭建完整的測(cè)試系統(tǒng)，在此階段，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的力錘實(shí)驗(yàn)測(cè)試固有頻率，將測(cè)試結(jié)果與第一階段的有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證所搭建系統(tǒng)的可行性。第三單元為測(cè)試數(shù)據(jù)后處理模塊學(xué)習(xí)，在此階段，可以進(jìn)一步拓展所搭建系統(tǒng)測(cè)試的物理量，根據(jù)獲得的激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)，實(shí)際測(cè)得其激勵(lì)、響應(yīng)時(shí)間歷程，學(xué)生可以運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，通過一定方法獲得機(jī)構(gòu)的非參數(shù)模型，即頻響函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)，理解采樣定理、頻率泄露、窗函數(shù)等概念。第四單元為參數(shù)頻域識(shí)別模塊，通過查閱資料了解常用的頻域識(shí)別方法，并嘗試采用最小二乘法、差分法等方法對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)頻域識(shí)別。第五單元為參數(shù)時(shí)域識(shí)別模塊，通過查閱資料了解常用的時(shí)域識(shí)別方法，采用隨機(jī)減量技術(shù)、ITD方法、最小二乘復(fù)指數(shù)法等對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)時(shí)域識(shí)別。

該課程的考核方式由階段學(xué)習(xí)過程和最終能力考核兩部分組成。過程考核以每個(gè)模塊為單元，主要考查學(xué)生在每個(gè)階段項(xiàng)目的完成度以及對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的掌握情況；最終考核由項(xiàng)目答辯和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)組成，以項(xiàng)目最終完成度考查學(xué)生的掌握情況。為保證考核結(jié)果客觀性和公正性，采取邀請(qǐng)專家教師（2～3位）打分和學(xué)生互評(píng)的評(píng)價(jià)模式。

實(shí)施這樣的教學(xué)模式能夠讓研究生體會(huì)在真實(shí)的工作環(huán)境下帶著任務(wù)去學(xué)習(xí)理論課程，讓學(xué)生圍繞所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，進(jìn)行深入的需求調(diào)查研究、網(wǎng)絡(luò)信息收集、文獻(xiàn)綜合查閱、獨(dú)立自主思考、思維自主發(fā)散、方案合作擬定、小組討論答辯、團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)等各種實(shí)踐與創(chuàng)造活動(dòng)，從而更好地培養(yǎng)研究生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐的能力。

4 ?結(jié)束語

本文針對(duì)機(jī)械類相關(guān)專業(yè)研究生的課程教學(xué)，以振動(dòng)分析與動(dòng)態(tài)測(cè)試課程為例，詳細(xì)闡述了以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的教學(xué)模式的實(shí)施和應(yīng)用。

課堂教學(xué)實(shí)踐表明，這種教學(xué)模式不僅能夠提高研究生課堂的教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)研究生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，而且有益于培養(yǎng)多層次、多元化的應(yīng)用研究型人才。

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