結構動力學在船舶與海洋工程學科的教學探索

［摘 要］ 針對“結構動力學”在船舶與海洋工程學科中的教學現狀，提出新工科背景下“船舶與海洋工程結構動力學”課程的教學探索。以結構動力學理論基礎為著眼點，結合多元化的思政元素、先進的數值計算技術、典型工程應用案例及雙語教學，以循序漸進的授課方式開展“船舶與海洋工程結構動力學”課程的講授，使學生提高對專業研究領域的興趣、掌握結構動力學理論基礎以及具備解決工程問題的科技創新能力，培養適應新工科發展的國際化專業人才，培養學生為實現中華民族海洋強國夢而努力奮斗的愛國主義情懷。

［關鍵詞］ 船舶與海洋工程；結構動力學；教學探索

［基金項目］ 2023年度中山大學教學質量工程建設項目資助課題“結構動力學在船舶與海洋工程學科中的教學改革與探索”（76170-12220011）

［作者簡介］ 吳曉笛（1987—），女（滿族），黑龍江哈爾濱人，博士，中山大學海洋工程與技術學院助理教授，碩士生導師，主要從事船舶與海洋工程理論研究；查若思（1992—），男，安徽潛山人，博士，中山大學海洋工程與技術學院助理教授，碩士生導師，主要從事船舶與海洋工程計算水動力學研究；黃 碩（1984—），女，黑龍江伊春人，博士，中山大學海洋工程與技術學院副教授，博士生導師，主要從事海洋可再生能源利用研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）39-0001-04 ［收稿日期］ 2023-09-22

引言

新工科背景下的高等教育通過將理論和實際應用相結合的模式，為國家科學技術發展培養高素質人才，讓學生在理論知識中探索，在解決實際工程問題中積累技術經驗，構建科學的思維方式和理論體系［1］。“結構動力學”作為各大理工科高等院校研究涉及工程振動問題的重要專業核心課程，在力學、航空與航天、土木建筑、交通航海等大類專業中得到廣泛應用［2］。從理論角度分析，“結構動力學”是一門研究結構系統動力學響應、解釋運動規律、掌握振動機理的課程，提出控制手段從而實現對結構的迭代優化設計，因此，針對不同的專業領域，結構動力學相關的課程側重有所區別。

對于船舶與海洋工程學科來說，其結構物（如船舶、海洋平臺、系泊系統、海上光伏設備等）的動力學特性具有兩種特殊性：（1）復雜的載荷效應。多數船舶與海洋工程結構會受到風浪流復雜的外部非周期的激勵載荷，結構物會受到來自內部運行設備的周期性的激勵載荷。（2）系統結構尺度較大且復雜。LNG運輸船或海上風電機組等的結構都是大型的、復雜的，因此結構的剛度、阻尼、質量等參數難以有效計算，為分析結構動力學問題增加了難度。此外，要學好結構動力學理論知識必須具備良好的數學和力學基礎。因此，課程內容需要做到有效地將專業背景與理論知識融會貫通，從而提高學生學以致用的能力，最終達到提高學生創新能力的目的［3］。

中山大學海洋工程與技術學院作為新加入涉海學科的教學與科研力量，始終堅持立德樹人根本任務，構建“本—碩—博”貫通的人才培養體系，將“船舶與海洋工程結構動力學”作為本研貫通課程，重視學生對結構動力學基礎理論的掌握程度，同時與科學研究相結合，讓學生學以致用，讓理論落地，培養新工科研究生解決實際工程問題的能力。

一、“結構動力學”在船舶與海洋工程學科中的課程發展

結構動力學又稱振動力學或機械振動，屬于力學學科范疇中的一般力學問題，是研究外激勵作用下系統結構產生的動態響應規律的學科，該課程內容不僅與理論力學、材料力學、結構力學、流體力學等多學科息息相關，還與高等數學、線性代數和數學物理方程有關［4］。隨著航運事業的發展、海洋資源的開發以及建設海洋強國的迫切需求，多種形式的船舶與海洋工程新型結構被開發，基于海洋工程結構的環境載荷、動力特性及其分析研究不斷深入，船舶與海洋工程結構動力學（結構振動）問題日益突出，結構動力學理論在船舶與海洋工程領域的研究發展迅速。鑒于船舶與海洋工程結構動力學問題的復雜性，要求船舶與海洋工程專業科技人員掌握更全面和更現代化的研究手段，因此，在新工科背景下對該課程提出了新要求，不僅要講授結構動力學的理論基礎，也要與常用的數值技術和工程案例相結合，培養學生應用理論知識解決實際問題的能力。

目前，我國具有船舶與海洋工程專業一級學科的各大高校都在本科階段或研究生階段開設與結構動力學相關的課程［5］，理論架構具有一致性，但各有側重。例如，上海交通大學的“振動力學”課程有著悠久的發展歷史，自1959年開設課程至今，在劉延柱教授、蔡國平教授等人的組織和精心建設下取得了豐碩成果，要求學生應當具備對工程振動問題正確的力學建模能力，以及運用工程振動的基本理論和分析方法解決問題的能力，著重強調基礎理論的掌握；哈爾濱工程大學和華中科技大學開設的“船舶振動”課程在精細化講授基礎理論的基礎上，著重強調結構動力學在船舶振動問題中的應用，尤其針對船舶總振動和局部振動分別闡述了理論的相關應用；武漢理工大學和大連理工大學則在課程建設時增加了結構動力學在海洋工程中的應用的內容，如海洋平臺多自由度運動、系泊結構的渦激振動等物理問題。雖然不同高校都有相應的側重，但是結構動力學基礎理論部分都占據著相當大的學時量，從中也能看出理論基礎在教學環節中的重要性，因此培養學生的科研理論思想是十分重要的，只有理論進步才能推動發展。

考慮到船舶與海洋工程專業的特征以及“結構動力學”課程對力學和數學基礎要求較高，中山大學海洋工程與技術學院將“船舶與海洋工程結構動力學”作為本研貫通課程，既作為該專業研究生的必修課程，又作為該學院本科高年級學生的選修課程，不僅滿足了研究生專業基礎課程的建設，也為高年級本科生提供了拓展動力學知識的課程。按照課程內容可以分為兩大部分：第一大部分為振動基礎理論部分，該部分系統論述了線性系統振動的基本理論，簡述了非線性振動理論，該部分是進一步學習和研究船舶與海洋工程結構動力學的基礎；第二大部分為船舶與海洋工程典型結構動力學的分析方法，著重開展對船舶和海洋結構的動力學分析，結構輻射噪聲及振動的控制問題等相關領域的研究，與理論部分的基本概念和求解方法相呼應，使該課程的內容更充實、更具體。對于理論部分的考核，主要是針對單自由度系統、多自由度系統和連續彈性體系統，采用理論計算和數值編程兩種方式，實現運動時歷曲線的輸出，包括共振和拍振曲線的輸出，使學生有效掌握結構動力學的基本概念和解析/數值求解方法的區別及求解方式的科學思維。對于工程中的典型結構，采用有限元的數值方法分析簡單結構件的動力學響應（固有特性和外部激勵響應）。通過以上深入淺出的教學模式，不僅讓學生理解了結構動力學在船舶與海洋工程專業中的重要性，更提高了學生的數值計算能力以及解決工程問題的科學思維。

二、構建多元素相融合的課程體系

“船舶與海洋工程結構動力學”課程既包含了結構動力學相關課程通用的理論基礎，又有船舶與海洋工程學科獨特的應用背景，旨在讓學生系統認識和掌握船舶與海洋工程結構物受載荷時的動力學分析方法，熟練掌握應用單自由度系統、多自由度系統、連續彈性體系統振動基礎理論知識，理解船舶與海洋工程結構典型動力學問題的分析方法及常用的控制手段。在此基礎上，將課程內容與思政元素、數值求解、工程案例及雙語教學相融合，培養學生為我國建設海洋強國做貢獻的誠摯熱情、用先進的數值技術手段求解系統動力學特性的能力以及應用所學動力學基礎理論分析典型工程案例的能力。

（一）課程與思政元素相融合

海洋與人類生存息息相關，與國家興衰緊密相連。中山大學海洋工程與技術學院始終堅定不移地圍繞國家的海洋強國戰略以及背靠大灣區海洋經濟建設需求，聚焦智能、高端海洋裝備與技術開展應用基礎研究，將課程內容與多維度的思政元素相融合，將國家大勢、民族情懷、歷史使命、時代責任、科學精神及專業素養等多層次的思政元素融入課堂中，如中國造船業崛起歷史、國之重器三艘航母守護深藍、“海基一號”與16兆瓦海上風電機組的投入使用、黃旭華院士隱姓埋名三十載為祖國建造核潛艇以及汪品先院士82歲9天3次深潛南海科考的偉大科學家精神等。該課程不僅要培養學生成為出色海上工人的素質和意識，也要培養學生對海工事業的熱誠，堅定為建設海洋強國貢獻專業能力的愛國主義情懷。

（二）課程與數值計算相融合

從結構動力學的發展歷程上看，傳統的結構動力學的基礎理論很難應用到實際工程領域中，結構的幾何構型的復雜性、邊界條件和外載荷的非周期性，都使結構動力學問題具有非解析性，難以用傳統的理論手段求解。但是，理論求解對于培養學生的科學思維以及對結構動力學理論發展的認知是不可或缺的，也是結構動力學的重中之重，在新工科大力發展階段不應被忽視。在嚴謹地講授理論知識的同時，結合現在的軟件技術，如讓學生自主學習如何應用Matlab或Python編程語言以及ANSYS或ABAQUS有限元分析軟件數值求解結構動力學問題［6］，大部分學生具備自主學習商用軟件的能力，且能很好地完成簡單結構動力學特性的數值計算。

（三）課程與工程案例相融合

將課堂教學內容與船舶與海洋工程案例相融合，在講授知識點的同時采用恰當的方式引出工程案例，啟發學生的思考，使學生認識到結構動力學理論基礎對工程的指導作用，加深對工程結構動力學問題的認識和理解。例如，在講授結構動力學載荷識別基本概念時，結合“中山大學極地”號破冰船在渤海遼東灣執行冰區試航任務，首先提出如何確定冰載荷這一問題，引發學生思考；接著講授該航次的做法，即在船艏肩部用傳感器測量航行過程中的動力學響應，結合艏肩部的局部結構，實現冰載荷的計算。在講授對數衰減率計算公式時，引入海上浮式平臺的阻尼測量與計算案例，給予理論公式在實際工程問題中的應用價值，實現教學基本概念與工程案例的相互滲透，以期達到良好的教學效果。

（四）課程與雙語教學相融合

雙語課程教學是加強新工科建設、培養具備國際競爭力的高素質復合型人才的重要途徑［7］，因此，探索在傳統專業基礎課程中增加英語授課環節是十分必要的。當代大學生和研究生的英語基礎扎實，在專業課堂中增加專業英語的教學，更有利于培養學生的國際化科研思維與視野。

三、教學改革探索

（一）教學調整

中山大學海洋工程與技術學院致力于將專業發展與實際需求相結合，2023年修改培養大綱，將“船舶與海洋工程結構動力學”課程作為本研貫通課程，既滿足了該專業本科生對專業課程的需求，也為學院研究生尤其是本科階段非船舶與海洋工程專業的學生提供了專業課程的有效拓展。同時，考慮到結構動力學的理論求解涉及了偏微分方程等數學物理方法的理論知識，亟須展開板書理論推導與多媒體影像相結合的方式，化繁為簡，把復雜物理機理講簡單、把難理解的公式用簡便的語言講明白，把結構動力學的理論基礎與實際工程問題相結合，使學生對結構動力學的知識體系有直觀的認識。

（二）改革探索

對于“船舶與海洋工程結構動力學”課程的持續建設有以下幾點改進：（1）加強板書質量，提高教學課件建設；（2）加強課程思政建設；（3）開展應用數值軟件的課后作業；（4）結合船舶與海洋工程實際工程案例，如大型船舶、海洋平臺及系泊系統等結構動力學問題，引發學生思考；（5）翻轉課堂，讓學生談一談結構動力學的基礎理論知識是如何應用到實際工程問題中的；（6）建設雙語課堂。不僅帶給學生新穎的課堂體驗，更有益于教師了解學生對專業課程的掌握程度，學生新穎的觀點也能實現教學相長。

結語

“船舶與海洋工程結構動力學”課程的教學內容應以傳統結構動力學理論為基礎，將課程思政、數值計算、工程案例以及雙語教學與理論內容融會貫通，引入傳遞矩陣法、有限元法及時域逐步法等直接應用于工程的先進建模與分析方法，使課程教學內容和方法適應新工科課程教學需求。

參考文獻

［1］陸澤琦，趙龍.工程實驗在“高等動力學”課程教學中的應用［J］.教育教學論壇，2021（32）：148-151.

［2］張大朋，嚴謹.結合船舶與海洋工程專業特點的“結構動力學”課程教學［J］.科學咨詢（教育科研），2023（6）：59-61.

［3］姚熊亮，楊娜娜，武國勛，等.高校《結構動力學》教學改革探索［J］.課程教育研究，2019（35）：239-240.

［4］朱仕堯.“高等結構動力學”研究生課程教學方法初探［J］.教育教學論壇，2021（43）：123-127.

［5］趙炳雄，嚴謹，鄒律龍.《船舶振動》課程教改實踐［J］.教育教學論壇，2017（6）：107-108.

［6］魯正，翁渝峰.中外土木工程防災專業結構動力學課程比較研究［J］.高等建筑教育，2018，27（4）：13-17．

［7］翟相華，鮑四元，沈峰.新工科背景下“振動力學”雙語課程教學實踐與反思：以蘇州科技大學為例［J］.教育教學論壇，2023（10）：39-42.

Teaching Exploration of Structural Dynamics in the Discipline of

Naval Architecture and Marine Engineering

WU Xiao-di， ZHA Ruo-si， HUANG Shuo

（School of Ocean Engineering and Technology， Sun Yat-sen University， Zhuhai，

Guangdong 519082， China）

Abstract： According to the teaching status of Structural Dynamics in the discipline of Naval Architecture and Marine Engineering， the teaching exploration of Naval Architecture and Marine Engineering Structural Dynamics is put forward under the background of new engineering. Based on the theoretical basis of structural dynamics， the course of Structural Dynamics of Naval Architecture and Marine Engineering is taught in a step-by-step manner， combining with diversified ideological and political elements， advanced numerical computing technology， typical engineering application cases and bilingual teaching. It aims to improve students’ interest in the field of professional research， help them master the theoretical basis of Structural Dynamics， possess scientific innovation ability to solve engineering problems， cultivate international professionals who adapt to the development of new engineering， and cultivate students’ patriotic feelings to strive for the realization of China’s dream of becoming a maritime power.

Key words： Naval Architecture and Marine Engineering; Structural Dynamics; teaching exploration