楊志安

（唐山學(xué)院結(jié)構(gòu)與振動工程重點實驗室，河北唐山 063000）

基于學(xué)位論文建模方法的機電系統(tǒng)動力學(xué)研究性教學(xué)實踐

楊志安

（唐山學(xué)院結(jié)構(gòu)與振動工程重點實驗室，河北唐山 063000）

結(jié)合機電磁固耦合動力學(xué)方向?qū)W位論文建模需要與“機電系統(tǒng)動力學(xué)”課程的特點，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面對機電系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)模式進行改革。通過8屆學(xué)位論文指導(dǎo)與“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)實踐，提出演繹式教學(xué)與研究性教學(xué)有機結(jié)合的教學(xué)模式。教學(xué)實踐表明這種教學(xué)模式符合“以人為本，以學(xué)生為中心”的核心教育原則，也符合“學(xué)以致用”的教學(xué)目的。

機電系統(tǒng)動力學(xué)；學(xué)位論文；建模；教學(xué)目標(biāo)；研究性教學(xué)；研究性學(xué)習(xí)

一、機電動力學(xué)及課程特點

“機電系統(tǒng)動力學(xué)”是將力學(xué)與電磁學(xué)結(jié)合起來，研究在電磁場中運動物體規(guī)律的科學(xué)。它涉及到多個學(xué)科的基礎(chǔ)理論，包括一般力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、振動理論與電磁場理論、電機理論等形成的交叉學(xué)科。［1］“機電系統(tǒng)動力學(xué)”從能量的觀點出發(fā)，作為統(tǒng)一的方法，可用于建立一般力學(xué)與電路理論、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與電磁場理論相耦合的微分方程，或稱為數(shù)學(xué)模型?！皺C電系統(tǒng)動力學(xué)”的核心內(nèi)容是Lagrange-Maxwell方程。我們知道，研究宏觀低速物體動力學(xué)問題，第一步是建立研究對象的數(shù)學(xué)模型；第二步是選用適當(dāng)?shù)睦碚摲治龇椒ㄟM行分析；最后是進行數(shù)值分析與實驗研究。［2-4］以Newton力學(xué)為根基的各個動力學(xué)分支都涉及研究對象建模問題，而不同的研究對象決定了動力學(xué)分支的特色。La-grang-Maxmell方程是處理機電磁固耦合動力學(xué)理論建模問題的最有效的方法。在工科非力學(xué)類本科生及研究生學(xué)習(xí)階段，目前高校開設(shè)“機電系統(tǒng)動力學(xué)”課程的很少。但當(dāng)學(xué)生論文的選題涉及機電磁固耦合動力學(xué)問題時，“機電系統(tǒng)動力學(xué)”的核心理論學(xué)生必須知曉，否則建模工作就無從下手，此時學(xué)習(xí)“機電系統(tǒng)動力學(xué)”就成為必然。學(xué)位論文本身也要求教師指導(dǎo)學(xué)生綜合利用已有知識去探索未知事物。這就要求指導(dǎo)教師對學(xué)生探索未知事物過程中的知識缺陷要先知先覺，并指導(dǎo)學(xué)生自主填補知識空白。筆者認(rèn)為，在這種情況下，“機電系統(tǒng)動力學(xué)”應(yīng)以選修課的形式開設(shè)，以適應(yīng)學(xué)位論文工作的需要?！皺C電系統(tǒng)動力學(xué)”的先導(dǎo)課程包括“高等數(shù)學(xué)”“理論力學(xué)”“大學(xué)物理”“電磁場理論”等。它是一門基礎(chǔ)性強、應(yīng)用廣泛的綜合性課程。就“機電系統(tǒng)動力學(xué)”的內(nèi)容而言，完成全部教學(xué)大約需要120學(xué)時。這對于我國高校課程逐漸增多、學(xué)時逐漸減少、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)逐漸增加的教學(xué)現(xiàn)狀，以選修課形式開設(shè)120學(xué)時“機電系統(tǒng)動力學(xué)”是不可能的。如何破解這個問題，達(dá)到學(xué)位論文建模的需要？需要指導(dǎo)教師或任課教師運用智慧，創(chuàng)造性地工作，在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上進行改革，探求新的“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)模式。對此，筆者結(jié)合本科生、研究生培養(yǎng)與教學(xué)實踐，對“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)的具體做法進行了探索。

二、基于學(xué)位論文建模方法的“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)目標(biāo)定位

就課程本身而言，“機電系統(tǒng)動力學(xué)”是從基本概念、基本定理、定律出發(fā)，得出其核心理論Lagrang-Maxmell方程?！皺C電系統(tǒng)動力學(xué)”具有相對獨立的完整的理論體系。對于力學(xué)專業(yè)的本科生或是一般力學(xué)、工程力學(xué)專業(yè)的碩士生，作為學(xué)位必修課，采用演繹式教學(xué)法系統(tǒng)講授，接受式方法學(xué)習(xí)是必要的，也符合教學(xué)目標(biāo)的要求。對于以工程實際中機電磁固耦合系統(tǒng)為研究方向或?qū)W位論文選題方向的工科學(xué)生，系統(tǒng)學(xué)習(xí)“機電系統(tǒng)動力學(xué)”從時間上不允許，從應(yīng)用角度也不必如此。作為選修課，考慮到學(xué)生學(xué)位論文建模需求，將“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)目標(biāo)定義為“基于建模方法的”機電系統(tǒng)動力學(xué)“教學(xué)”相對合適。

學(xué)位論文是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識與技能，解決具有一定學(xué)術(shù)水平和復(fù)雜程度的理論或?qū)嶋H問題的綜合性訓(xùn)練；是學(xué)生綜合素質(zhì)與培養(yǎng)效果的全面檢驗；也是專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)水平的綜合反映。學(xué)位論文是實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新人才教育目標(biāo)而必須完成的極為重要的綜合性專業(yè)實踐訓(xùn)練，它是用一個高峰體驗課程來完成對專業(yè)教育的終結(jié)。它需要從一門門面窄的課程向旨在綜合運用所學(xué)知識和技能解決具有較強的專業(yè)特點的課題轉(zhuǎn)變，需要指導(dǎo)教師和學(xué)生更多地投入，使學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)經(jīng)驗?zāi)軌蛲ㄟ^一個貼近專業(yè)實際的研究項目或課題，完整而準(zhǔn)確地體現(xiàn)出來，并在此基礎(chǔ)上使學(xué)生獲得高峰體驗，得到一個知識能力上的提升。

三、基于建模方法的“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

“機電系統(tǒng)動力學(xué)”具有相對獨立完整的理論體系，但這個體系不是封閉的。它的基本理論基礎(chǔ)是拉格朗日方程和基爾霍夫定律，核心理論是Lagrang-Maxmell方程。這也是以工程實際中機電磁固耦合動力學(xué)為選題方向用到的建模方法的核心內(nèi)容。而拉格朗日方程是“理論力學(xué)”或“分析力學(xué)”的內(nèi)容；基爾霍夫定律是“大學(xué)物理”或“電子電路”的內(nèi)容。這兩個基本理論工科學(xué)生進行過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。

筆者針對學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀和存在問題，以及基于建模方法的教學(xué)目標(biāo)的要求，將“機電系統(tǒng)動力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容進行重組，使之適合學(xué)生學(xué)位論文建模方法的需要。重組后的教學(xué)內(nèi)容分為六個專題：第一專題，拉格朗日方程及應(yīng)用；第二專題，基爾霍夫定律及應(yīng)用；第三專題，機電系統(tǒng)的類比關(guān)系；第四專題，Lagrang-Maxmell方程及應(yīng)用；第五專題，電機的氣隙磁場能量；第六專題，電機定轉(zhuǎn)子機電電磁固耦合的機理。

對照系統(tǒng)學(xué)習(xí)“機電系統(tǒng)動力學(xué)”120學(xué)時的教學(xué)要求，要用很少學(xué)時達(dá)到基于建模方法的教學(xué)目標(biāo)，對指導(dǎo)教師與學(xué)生來說都是一個挑戰(zhàn)。如何將此挑戰(zhàn)內(nèi)化為動力完成學(xué)習(xí)任務(wù)？應(yīng)該從教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法上進行改革。

四、基于建模方法的“機電系統(tǒng)動力學(xué)”研究性教學(xué)實踐

筆者的研究方向為機電耦聯(lián)系統(tǒng)動力學(xué)。近年來承擔(dān)的國家、省、市的科研項目集中在電機的電磁激發(fā)振動、磁固耦合振、機電藕聯(lián)振動、RLC電路與微梁耦合系統(tǒng)動力學(xué)等，按照產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的要求，學(xué)生學(xué)位論文的選題均以科研項目為基礎(chǔ)，實行真題真做，或者題目本身就是科研項目的一個子課題。

要解決“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)中存在的學(xué)時不足，滿足基于學(xué)位論文的建模方法的需要，如果單純按傳統(tǒng)的演繹式教學(xué)法開展教學(xué)，學(xué)生只是被動地接受，這樣做既浪費了課堂寶貴的教學(xué)時間，又達(dá)不到教學(xué)目標(biāo)要求。考慮到學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)經(jīng)驗，加之學(xué)生的心智水平，引入研究性學(xué)習(xí)方式，有效地開展研究性教學(xué)，并與演繹式教學(xué)和接受性學(xué)習(xí)相結(jié)合可以解決存在的問題。

工科教學(xué)中常常采用傳統(tǒng)的演繹式教學(xué)法。就是教師從講述一些一般原理開始，然后用這些原理來推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，再舉一些例子來說明模型的應(yīng)用，讓學(xué)生在做課后作業(yè)時也進行同樣地推導(dǎo)和應(yīng)用，最后以考試作為課程結(jié)束的標(biāo)志。

研究性教學(xué)屬于歸納式教學(xué)的一種，是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，從自然、社會和生活中選擇與專業(yè)相關(guān)的課題進行研究，主動地吸收知識、應(yīng)用知識、解決問題，獲取新經(jīng)驗和表現(xiàn)個性行為特征的教學(xué)程式。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，研究性教學(xué)不僅可以使學(xué)生獲得知識，而且可獲得親身參與研究和探索的體驗，利于培養(yǎng)學(xué)生收集、分析、利用信息、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，在學(xué)習(xí)中培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和科學(xué)素養(yǎng)。［5-8］

研究性教學(xué)與演繹式教學(xué)是一對相對的概念。就學(xué)生的個性發(fā)展而言，研究性教學(xué)與演繹式教學(xué)這兩種教學(xué)方式都是必要的，二者相輔相成。學(xué)校的主要任務(wù)就是向?qū)W生傳授文化知識，高校也如此。而演繹式教學(xué)則是學(xué)校中最基本的教學(xué)方式，學(xué)生的知識學(xué)習(xí)主要是通過從語言文字為中介表述的概念、原理等的意義理解獲得知識的。之所以在當(dāng)前的高校教學(xué)中強調(diào)研究性教學(xué)，并不是因為演繹式教學(xué)不好，而是因為我們過分強調(diào)并實施演繹式教學(xué)，把它置于中心。而研究性教學(xué)則被完全忽略或退居邊緣。根據(jù)具體的教學(xué)任務(wù)，綜合靈活地將二者有機地結(jié)合使用，才符合現(xiàn)代高等教育培養(yǎng)目標(biāo)的要求。［9-14］

作為學(xué)習(xí)方式和教學(xué)方式改革，研究性學(xué)習(xí)直接導(dǎo)致教師和學(xué)生在教學(xué)中的角色、地位以及師生關(guān)系發(fā)生變化。從教師方面講，研究性學(xué)習(xí)是教師把學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主人，給學(xué)生提供個性發(fā)展的空間和環(huán)境，鼓勵、引導(dǎo)、尊重和促進其個性化發(fā)展的教學(xué)活動。從學(xué)生方面講，研究性學(xué)習(xí)是學(xué)生在教師指導(dǎo)下的、以學(xué)習(xí)和發(fā)展為目標(biāo)的、主動獲取知識、應(yīng)用知識解決問題的學(xué)習(xí)活動。

研究性學(xué)習(xí)與研究性教學(xué)是從教與學(xué)的兩個不同主體出發(fā)闡述的同一過程，其中心是學(xué)生，體現(xiàn)“以人為本，以學(xué)生為中心”的核心教育原則，符合科學(xué)發(fā)展觀的要求。以學(xué)生為中心包含兩層含義：其一，學(xué)生應(yīng)當(dāng)積極參加全部環(huán)節(jié)的教學(xué)活動，這種教學(xué)活動應(yīng)包括第一、第二課堂的教學(xué)活動；其二，研究性學(xué)習(xí)中更加強化自主學(xué)習(xí)和探索，強調(diào)學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程中逐步提升綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，最終能夠主動發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題。［15-19］

（一）基于學(xué)士學(xué)位論文建模方法的“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)實踐

學(xué)士學(xué)位論文指導(dǎo)任務(wù)下達(dá)一般在第七學(xué)期末，加上寒假時間，離學(xué)位論文開題還有2到3個月時間。利用好此段時間，對高質(zhì)量完成學(xué)位論文建模工作，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)能力非常重要。具體做法是，首先與學(xué)生面談，了解學(xué)生的知識背景，學(xué)習(xí)情況，興趣愛好，專業(yè)特長及家庭情況等，為下一步因材施教做好準(zhǔn)備。

在進行演繹式課堂教學(xué)前列出學(xué)位論文建模需要用到的知識涉及的書目。具體包括“理論力學(xué)”“分析力學(xué)”“大學(xué)物理”等。學(xué)位論文開始前二周，集中講授“機電系統(tǒng)動力學(xué)”的前四個專題的內(nèi)容，并給出學(xué)位論文題目，一般每人兩個題目供學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好特長等實際情況進行選擇。

在講授完“機電系統(tǒng)動力學(xué)”后，確定學(xué)生論文題目，通過答疑、討論、報告與點評等研究性教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)方式，使教師與學(xué)生之間形成互動，從而及時解決課堂教學(xué)與學(xué)位論文建模中遇到的各種問題，使“機電系統(tǒng)動力學(xué)”課程學(xué)習(xí)與學(xué)位論文建模有機結(jié)合，增強了課程學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)位論文工作的創(chuàng)新性。一般學(xué)生在20天左右可以完成機電磁固耦合方向論文的建模工作。

（二）基于碩士學(xué)位論文建模方法的“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)實踐

兩年半學(xué)制碩士生的學(xué)位論文選題工作一般安排在第三學(xué)期初，此時碩士生已完成了一學(xué)年的全部必修學(xué)位課程的學(xué)習(xí)，已具備開展學(xué)位論文工作的基本條件。加之，機電磁固耦合方向?qū)W生的學(xué)位必修課“非線性振動”和“專業(yè)外語”均由筆者承擔(dān)，對學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)情況、專業(yè)特長、興趣愛好等情況已有比較全面的了解。在此基礎(chǔ)上再根據(jù)承擔(dān)科研項目的內(nèi)容擬定學(xué)位論文題目。選定邱家俊教授編著的《機電分析動力學(xué)》為教材藍(lán)本，在碩士學(xué)位論文選題報告后集中一周20學(xué)時左右時間集中講授第三、四、五、六四個專題。比較本科生，碩士生的第一、二專題可以自學(xué)完成。然后通過答疑、討論、報告與點評等互動式教學(xué)方法，解決學(xué)生學(xué)位論文建模中遇到的各種問題。每位學(xué)生需要通過10次左右討論、答疑，2個月左右時間可以完成學(xué)位論文的建模工作。比較本科生與碩士生以基于學(xué)位論文建模方法為教學(xué)目標(biāo)的“機電系統(tǒng)動力學(xué)”的學(xué)習(xí)效果，筆者未發(fā)現(xiàn)他們之間存在差異，這個結(jié)論是筆者在學(xué)位論文指導(dǎo)與教學(xué)活動中得到的，似有不合情理之處。上述教學(xué)實踐體現(xiàn)了演繹式教學(xué)與研究性教學(xué)的有機結(jié)合。符合教育心理學(xué)中的公認(rèn)準(zhǔn)則：當(dāng)人們清楚意識到有必要去了解某個事物時，他才會最為強烈主動地學(xué)習(xí)。因為此階段“機電系統(tǒng)動力學(xué)”的學(xué)習(xí)與學(xué)生學(xué)位論文有關(guān)，學(xué)生的積極性、主動性、創(chuàng)造性在學(xué)習(xí)過程中得到淋漓盡致的發(fā)揮，也符合“學(xué)以致用，用以促學(xué)，用學(xué)相長”的原則。這種學(xué)習(xí)模式還體現(xiàn)了建構(gòu)主義教學(xué)模式的特點：新的信息會經(jīng)過學(xué)習(xí)者的心智結(jié)構(gòu)的過濾，如果這一新的信息與學(xué)習(xí)者的心智結(jié)構(gòu)一致，就會被融合進去；如果兩者有抵觸，則學(xué)生為了應(yīng)付考試可能會死記硬背，不大可能將新的信息或?qū)W習(xí)內(nèi)容真正融入自己的信息系統(tǒng)，也就是說，在這種情況下，他們是學(xué)不進去的。

（三）“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)實踐成果

通過四屆8名本科生、四屆4名碩士生的學(xué)位論文指導(dǎo)與“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)實踐，取得一些成果。［20-31］12名學(xué)生在選修“機電系統(tǒng)動力學(xué)”課程后都參加了唐山市結(jié)構(gòu)與振動重點實驗室科研項目，這些項目包括唐山市重點計劃項目“彈性地基上矩形板的動力學(xué)問題研究”“旋轉(zhuǎn)機械故障運行狀態(tài)下的耦合振動與應(yīng)用研究”“受環(huán)境影響輸電線的非線性振動研究”“交變電磁場中梁與板的機電磁耦合動力學(xué)研究”，河北省自然科學(xué)基金項目“RLC串聯(lián)電路與微梁耦合系統(tǒng)動力學(xué)研究”，國家自然科學(xué)基金項目“數(shù)控銑床與柔性基礎(chǔ)耦合振動主動控制的研究”，國家科技工業(yè)局項目“電機磁固耦合振動產(chǎn)生機理及計算方法研究”等。12名學(xué)生的學(xué)位論文均來源于上述科研項目。結(jié)合“機電系統(tǒng)動力學(xué)”的學(xué)習(xí)，學(xué)生均順利完成學(xué)位論文。據(jù)不完全統(tǒng)計，12名學(xué)生共發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，其中被SCI，EI收錄41篇。

文獻(xiàn)［6］記載了四川大學(xué)實施研究性教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)結(jié)果的一組數(shù)據(jù)：2005－2008年，近5000余名本科生參加了學(xué)校累計提供的1573個科研訓(xùn)練項目，其中85%以上屬于教師在研的科研項目，有近50%的項目為國家級、省部級重大科研項目（包括國家“973”“863”項目）；參與國家重點實驗室科研發(fā)表論文120余篇，其中SCI，EI收錄50余篇，申請并獲準(zhǔn)專利14項。

筆者提供的學(xué)生發(fā)表論文的數(shù)據(jù)不是基于學(xué)位論文建模方法“機電系統(tǒng)動力學(xué)”的教學(xué)目的，它只是檢驗教學(xué)成果的一個指標(biāo)，是實施“機電系統(tǒng)動力學(xué)”研究性教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)的副產(chǎn)品。研究性教學(xué)的關(guān)鍵是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動吸收知識、應(yīng)用知識、解決問題、創(chuàng)新等能力的明顯得到提升。

五、“機電系統(tǒng)動力學(xué)”的教學(xué)體悟

根據(jù)“機電系統(tǒng)動力學(xué)”課程特點及教學(xué)中存在問題，考慮學(xué)位論文建模的需要，提出基于學(xué)位論文建模方法的“機電系統(tǒng)動力學(xué)”的教學(xué)目標(biāo)；結(jié)合涉及機電磁固耦合耦合動力學(xué)方向?qū)W位論文選題需要，給出本科生、碩士生的選修內(nèi)容；將演繹式教學(xué)與研究性教學(xué)有機結(jié)合，接受性學(xué)習(xí)與研究性學(xué)習(xí)同步實施，取得預(yù)期教學(xué)效果，達(dá)到學(xué)位論文建模的要求。通過8屆學(xué)位論文指導(dǎo)與“機電系統(tǒng)動力學(xué)”教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為，要有效地開展教學(xué)與學(xué)習(xí)活動，滿足現(xiàn)代高等教育對教學(xué)與人才培養(yǎng)的需求，主觀上要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念。不能只注重或使用一種教學(xué)模式，而輕視或放棄其他教學(xué)模式?？陀^上要根據(jù)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的需求和學(xué)生的心智水平，調(diào)整教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容，做到因材施教。這樣就可以整合大學(xué)里蘊藏的強大的智力資源，使學(xué)生在教學(xué)實踐活動中提高創(chuàng)新能力的同時，參與科研攻關(guān)，享受創(chuàng)造的樂趣。這是“以人為本，以學(xué)生為中心”的核心教育原則的必然要求，也符合科學(xué)發(fā)展觀的時代要求。也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和構(gòu)建創(chuàng)新型國家的必然要求。

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（責(zé)任編校：李高峰）

Research Teaching Prictice of Electromechanical Dynamics Based on Dissertation

YANG Zhi-an

（Key Lab of Structure and Vibration，Tangshan Collage，Tangshan 063000，China）

According to the characteristics of electromechanical dynamics and the requirement of dissertation modeling on electromechanical and solid-magnetical coupling dynamics and on the ba-sis of the teaching practice of Electromechanical Dynamics，teaching reform of Electromechanical Dynamics has been caried out from such aspects as teaching goal，teaching content and teaching method．The paper puts forward a teaching model combining deductive and research teaching．The teaching model accords not only with the education principle based on human and student center，but also with the teaching objective of learning for application．

electromechanical dynamics；dissertation；modeling；teaching objective；research teaching；research study

G42．0；G642．477

A

1672-349X（2012）04-0087-04

2011-03-29

河北省教育廳科學(xué)研究計劃（SZ2010326）；唐山學(xué)院教育科學(xué)研究基金項目（2011－2）

楊志安（1963－），男，河北秦皇島人，教授，博士，主要從事機電系統(tǒng)動力學(xué)研究。