面向科教融合协同育人的“振动分析”课程教学模式探索与实践

黎文科 叶天贵 杨铁军

摘    要：“振动分析”是动力类专业研究生核心课程之一。为适应新时代创新型人才培养需求，提升教学质量和效果，文章针对传统教学模式存在的问题，基于科研实验辅助的实践模块教学模式以及聚焦工程实际需求和科技前沿的互动式教学模式，开展了科研案例教學模式探索与实践，提出了深度融入科研项目案例的理论模块教学模式，为新时代减振降噪一流人才培养提供指导和借鉴。

关键词：振动分析；科教融合；教学模式；创新能力培养

中图分类号：G642.0          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2023）05-0060-03

2016年6月2日，我国正式加入《华盛顿协议》，明确工程教育聚焦学生解决复杂工程问题能力培养的基本定位，标志着中国高等教育取得具有里程碑意义的历史性突破[1]。从行业发展角度来看，随着我国海军舰船制造水平的转型升级，振动问题逐渐成为制约其整体性能的主要因素，船舶动力装置振动噪声控制领域的高素质人才需求激增。面对从制造走向创造的历史性转变，未来的工程师需要具备对新颖、复杂的工程系统进行动力学建模、计算、分析、设计和测试的综合能力，逐步走向自主创新、原始创新[2]。在新的历史发展阶段，对高校的专业人才培养也提出了更高的要求。

聚焦船舶减振降噪行业发展需求，“振动分析”是一门面向船舶与海洋工程以及动力工程及工程热物理等专业的核心理论课程，对于培养研究生分析和解决复杂工程问题能力具有重要的理论意义和应用价值。学生通过对知识的学习，明确振动现象产生的内在机理，掌握分析振动问题的方法，并获得解决振动问题的能力，毕业后可以胜任船舶动力装置系统振动噪声设计及应用方面的工作。“振动分析”课程涉及的基础知识非常宽泛，包括“数学分析”“线性代数”“理论力学”“材料力学”等多门课程，具有理论性强、公式多、数理基础要求高等特点，这就要求学生具备良好的知识交叉综合运用能力[3]。然而，传统的“振动分析”课程教学重点主要集中在对基本概念的讲解和公式推导上，教学内容较为枯燥，学生自主学习积极性不高[4]。课程教学方式主要以做题和讲题为主，缺少应用、探究、批判、创新等高阶认知过程训练，学生的学习停留在公式推导层面，难于建立基础理论与工程问题的对应关系，缺少理论分析与物理现象之间的桥梁，缺乏对公式背后物理意义的深入理解，更难于运用理论知识解决具体问题[5]。因此，传统的课程教学模式弊端逐渐成为制约未来创新型人才培养的关键因素[6]。无论是学者还是工程师，都认为当前我国高校振动类课程的教学模式无法满足高素质创新人才的培养要求[2，7]。

科研案例教学模式为创新型人才培养提供全新途径。与本科教育不同，科研活动是研究生教育的主要内容，科研能力是研究生综合素质评价的重要指标，科研素养是研究生成长成才的核心素养，科研育人是提高研究生培养质量的内在要求[8]。本文结合研究生阶段学习的特点，将科研引入到“振动分析”教学中，以科研案例为牵引，发挥科研在立德树人中的重要载体作用，培养学生兴趣，帮助学生理解，实现从理论学习向科学研究的过渡与转变。在授课过程中，教师可力求体现当前振动控制领域最新的研究成果和发展方向，在教学中强调科技创新能力的培养，整合课程内容体系，加强实践教学环节的比重，结合现代技术手段提高教学效果，加强分析解决复杂工程问题能力的培养。从单纯教学转向科教融合是历史的必然选择，开展“振动分析”课程科研案例教学模式改革，对于培养新时代船舶工程领域减振降噪一流人才具有十分重要的现实意义。

一、科研案例教学模式设计

在投入科研活动的最初阶段，研究生对于科学研究的认知是懵懂的，他们最初的动力来源既有对真理探索的天然兴趣，也有对未知领域的好奇。教师通过与学生充分交流和探讨，注重言传身教，引导学生关注知识背后的科学和工程问题，让学生感受科研活动的意义与价值。在课堂教学过程中，以科研案例为主线，引导学生从物理对象中抽象出科学问题和关键技术，揭示复杂工程问题背后的科学本质，建立分析和解决实际问题的学习体系[9]。

（一）深度融入科研项目案例的理论模块教学模式改革与实践

“振动分析”课程主要介绍机械振动的基本方程、典型振动问题的数学物理建模、响应求解以及运动规律分析方法，着重说明研究问题的基本观点和解决问题的基本方法，使学生明确振动现象的物理概念及产生机理。研究生在掌握基本理论的基础上，迫切希望学以致用，分析并解决工程中遇到的实际问题。因此，从国家自然科学基金、国家重大工程项目、船用低速机创新工程、潜艇综合隐身等科研专项中挖掘有利于学生能力培养的内容，凝练出振动理论与控制相关的典型科研案例，如表1所示。通过问题创设、启发、引申等方式合理引入科研案例，向学生介绍解决减振降噪难题的分析思路、过程和方法。引导学生深入思考、学以致用、即学即用，让学生认识到“振动分析”课程对应工程问题的背景意义、发展历程、解决途径和方法。充分发挥科研育人功能，培养学生严谨的科学态度和开拓的创新精神，实现价值塑造、知识传授与能力培养的有机统一。

（二）基于科研实验辅助的实践模块教学模式改革与实践

与纯理论教学不同，融入科研实验的教学能给学生带来更直观的感受和更深入的理解。区别于传统的实验教学课程，基于科研实验辅助的实践模块教学模式以科研项目为牵引，面向具体应用问题，具有更鲜明的实际意义和工程价值。选取课题组内开展的典型科研项目设计实验案例，如表2所示。以平板振动模态测量实验为例，在学生完成模态测试、动力学特性分析的同时，还能探究结构参数变化对系统振动特性的影响规律，加深对模态等概念的理解。充分发挥工信部先进船舶动力技术重点实验室在船舶动力领域科学研究和高素质人才培养方面的优势，高效利用实验室具有的振动噪声实验装置和测试、分析、控制设备，如丹麦Brüel & Kjaer公司的Pulse数据采集系统及各类传感器、NI测控系统、dSPACE实时仿真系统、信号发生器、示波器、激振器、大型振动台、大型弹性舱段结构为基础的浮筏隔振台架等，开展基于科研实验辅助的实践模块教学模式改革与实践，除了能帮助学生掌握理论知识，还能帮助学生迅速熟悉课题的实验环境。通过参观及演示实验，使学生建立理论模型与实际物理系统之间的对应关系，深刻理解复杂数学概念背后的物理意义，为学生后续研究工作的开展打下坚实基础。

（三）聚焦工程实际需求和科技前沿的互动式教学模式改革与实践

对研究生的培养不应局限于课本专业知识的传授，还应面向工程实际需求和科技前沿，力求体现当今振动及其控制领域的最新研究成果和发展方向。激发学生对认知边界探索的兴趣必然成为新形势下“振动分析”课程的教学目标之一。为此，可设计聚焦工程实际需求和科技前沿的典型调研案例，如表3所示。教师通过布置科研案例调研大作业，让学生以文献调研方式了解振动及其控制领域的发展前沿，充分利用网络数据库资源，补充课堂中对前沿知识传授的局限，结合学生选题情况进行分组合作，组织学生结合自身研究课题进行PPT汇报，培养学生集体观念和团队意识。学生汇报完成后，教师要对学生汇报内容与表现作出系统总结与评价，指出汇报中存在的问题以及解决方法，提升教学效果的同时培养学生科学素养，实现科研育人。上述多元立体教学以学生为中心，突破了以教师“灌输”为主的传统教学模式，有利于价值观念培养和塑造。通过与学生互动、探究与启发式的课堂讨论，增加了学生的参与感，引发了学生情感共鸣，调动了学生自觉性和主动性，激发了学生的求知欲和探索欲，突出了学生在教学活动中的主体地位。同时，做到真正了解学生对知识的理解和掌握情况，推动多元化、全过程的考核评价方式改革，提升课程教学目标达成度。

二、科研案例教学模式的实践效果评价

笔者通过哈尔滨工程大学研究生教育综合管理系统开展无记名问卷调查，得到136名听课学生的教学效果满意度调查统计结果，如表4所示。与传统模式比较发现，参与科研案例教学模式改革的学生认为“振动分析”课程的各项教学满意度均有提升，其中在能否体现前沿知识、理论联系实际和是否注重培养创新创业能力两个方面教学满意度分别提升4.7%和5.0%；在是否能够提升学习兴趣的满意度方面相比传统教学模式教学满意度提升明显（高达11.7%）；学生对该课程教学的整体满意程度达到96.9%，远高于传统教学模式的87.3%，表明科研案例教学模式取得了较好的效果。学生通过课程的学习不仅掌握了理论知识，还培养了运用理论知识解决实际问题的能力，并掌握本领域的基础和学术前沿，为后续的科学研究奠定坚实基础。

三、结语

本文采用科研案例教学模式，有目的地学习，真正改变学生的原有学习方法。用振动基础知识分析解决复杂工程中的科学问题，改变传统的教学与科研脱离的教学现状，用科研案例丰富提升教学内容以反哺教学，有力地推动该课程的教学改革，解决传统授课过程中基础理论与科研实践割裂的问题。通过改革的实施，使学生将“振动分析”课程的主要内容相互衔接与融合，形成完整的复杂工程问题分析概念。通过对实际科研项目的详细分析，培养较强的振动理论与应用能力，提升学生的科研水平。解决理论教学与实验教学相脱节问题，转变传统的课堂教学与实验教学分离的教学方法，以科研项目为纽带，深度融合基础理论与实验环节，解决学生综合素质的培养问题。在实验过程中逐步锻炼和培养学生自主学习能力和团结协作能力，提高学生解决复杂工程问题的能力、团队组织协调能力、创新能力和动手能力，为培养理论基础扎实、创新思维活跃、实践能力突出的高素质新工科人才提供支撑。

参考文献：

[1]刘勇，李彦超，金鹏，等.基于CDIO模式下的理工科创新创业实践研究[J].创新创业理论研究与实践，2018（20）

[2]胡海岩.振动力学——研究性教程[M].北京：科学出版社，2022：1-15.

[3]柳贡民，李帅军.轮机工程专业《机械振动噪声学》课程实践教学初探[J].教育教学论坛，2012（1）.

[4]郭朋彦，高玉国.机械振动课程教学思考与教学改革探讨——学生学习积极性提高及科研与                创新能力培养方法探讨[J].中国教育技术装备，                2012（23）.

[5]王威，宋玉玲，赵明磊.科研项目引导的“机械振动学”教学模式探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估）， 2020（10）.

[6]何美麗，杨小龙.基于创新型人才培养的高校教师教学能力发展研究[J].教师，2016（17）.

[7]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J].中国大学教学，2016（11）.

[8]刘虹.研究型大学学科建设中的研究生教育[J].学海，2006（6）.

[9]魏伟，魏晓旭，周俊菊，等.以科研案例为导向的专业课程教学模式创新研究[J].地理信息世界，2021（5）.