［摘 要］ 研究生專業(yè)課程建設應本著“夯實基礎、融合前沿、強化實踐、激勵創(chuàng)新”的原則持續(xù)開展。結合“結構動力學”的課程特點，探討了“研融于教、以學促研”理念下的研究生專業(yè)課程改革思路與實施路徑。具體舉措包括構建文獻素材庫、拓展教學內容的深度和廣度、設計并實施建模及編程專項訓練任務、工程案例剖析與拓展研究、自主探究的課程項目綜合訓練及注重過程評價的考核方式。研究成果對提升土木類研究生專業(yè)課程教學質量具有指導與借鑒意義。

［關鍵詞］ 研究生課程；結構動力學；工程案例；課程項目；創(chuàng)新能力

［基金項目］ 2023年度北京交通大學研究生核心課程建設項目（YJSSQ20230069）

［作者簡介］ 劉 林（1970—），男，江蘇揚州人，博士，北京交通大學土木建筑工程學院副教授，主要從事結構工程研究。

［中圖分類號］ G643.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）18-0061-04 ［收稿日期］ 2023-03-28

引言

未來的工程人才須具備的核心素養(yǎng)有：家國情懷、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學科交叉融合、批判性思維、全球視野、自主終身學習、溝通與協(xié)商、工程領導力、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、數(shù)字素養(yǎng)［1］。業(yè)界對人才更高的能力需求給工程教育帶來新的挑戰(zhàn)。

研究生專業(yè)課程學習是研究生階段綜合能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。它不僅是研究生開展課題研究的前提和基礎，還是學生夯實基礎、開闊眼界、提升諸多能力的重要途徑。其中，專業(yè)核心課程需要面向未來，提供在本專業(yè)領域發(fā)展不可或缺的專業(yè)理論、方法和技術，這要求課程建設具有系統(tǒng)性、方向性和綜合性，需要較大的投入和開發(fā)力度。專業(yè)核心課程要注重培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力、非結構化解決問題的能力、多學科團隊協(xié)作能力、研究和開發(fā)能力以及創(chuàng)新能力等。為適應新形勢下的人才需求，積極開展研究生專業(yè)課程，特別是專業(yè)核心課程的教改探索與實踐，持續(xù)不斷地提升課程質量十分必要。

一、“結構動力學”課程現(xiàn)狀及教改思路

“結構動力學”是研究結構系統(tǒng)動力特性及其在動力作用下響應規(guī)律的科學。該課程是土木工程專業(yè)研究生的專業(yè)核心課程，在研究生專業(yè)知識體系構建、研究能力培養(yǎng)等方面發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著經濟社會快速發(fā)展，大量超高層建筑、高聳結構、復雜空間結構、超長跨橋梁等動力敏感結構不斷興建和待建，如何保證在車輛、強風、強震等動力作用下結構的安全性和適用性成為工程界關注的熱點。在此背景下，對結構動力學知識的掌握程度逐漸成為評價土木工程技術人員專業(yè)能力的重要指標。

北京交通大學“結構動力學”課程每學年選課人數(shù)在180人左右，選課學生的專業(yè)方向涉及橋梁工程、結構工程、鐵道工程、巖土工程、隧道工程等諸多學科方向，專業(yè)覆蓋面廣。廣泛調研著名的研究型大學的關于該課程的教學大綱，如加利福尼亞大學伯克利分校、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、同濟大學和清華大學等，課程團隊制定了現(xiàn)行的教學大綱。教學學時適中（48學時，周學時4），知識點基本涵蓋了國內外名校該課程的主要知識點，已構建了比較完備的知識體系。另外，面向土木工程國際班的碩士留學生還開設了這門課的全英文課程。結合新形勢下業(yè)界用人需求、學校的辦學特色、該課程的教學實踐，并參考國內其他高校有關該課程的教改探索［2-5］，課程團隊本著“夯實基礎、融合前沿、強化實踐、激勵創(chuàng)新”的原則持續(xù)進行該課程的教改探索與實踐，穩(wěn)步提升課程的教學質量。

現(xiàn)階段“結構動力學”課程教學應在激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生的科學思維、自主學習能力、創(chuàng)新意識及敢于質疑的科學精神等方面進行更多的教學設計，對課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度方面要求更高。為此，制定相應的課程建設思路：（1）強化基礎訓練，提升學生的建模能力和編程分析能力。（2）面向工程需求，反映學科交叉，拓展學習的廣度。（3）融研于學，通過學科前沿的案例教學，拓展課程學習的深度。（4）以學促研，通過課程項目訓練，提升學生的科學素養(yǎng)和綜合能力。

二、課程教改具體舉措

（一）精選文獻資料，構建課程文獻素材庫

根據課程教學內容，搜集并精選出動力學領域適于教學的經典文獻和近期的最新文獻。將已有的研究成果轉化為教學內容，使研究方法滲透到教學方法中，豐富并拓展教學內容。按專題對文獻進行歸類整理，形成課程文獻素材庫。

案例庫建設中的工程案例選自知名學者的講座視頻及本學科頂級期刊文獻中的優(yōu)秀案例等。如翟婉明院士關于高速鐵路車—軌—橋耦合振動系統(tǒng)的講座、岳清瑞院士關于深圳賽格大廈桅桿渦振誘發(fā)主體結構振動的講座、同濟大學趙林教授關于虎門大橋渦激振動的講座等。以國內外重大工程為背景，抽象出動力學模型，并討論基本的分析方法，對所得的結論進行反思和評論。案例的選編與動力學重點教學內容掛鉤，內容涉及工程結構振動問題及制振措施，結構振動測試和模態(tài)參數(shù)識別技術等。同時還注重思政元素的有機融入，比如學生觀看翟婉明院士的視頻報告后了解到，在高速鐵路發(fā)展之初，原鐵道部組織鐵道科學研究院、西南交通大學、北京交通大學、中南大學組成課題組，我國科學家自力更生，突破技術封鎖，先后對各種不同形式的高鐵橋梁進行了系統(tǒng)的車橋耦合振動問題研究，研究成果的工程應用確保了列車得以在各類橋梁上高速平穩(wěn)地運行，既讓學生深入了解我國社會主義建設偉大成就，又激發(fā)了愛國、愛路、愛校情懷，增強了文化自信，培養(yǎng)了不斷開拓的創(chuàng)新精神。

（二）融研于教，優(yōu)化教學內容和教學設計

基于課程文獻素材庫，調整現(xiàn)有的教學內容，優(yōu)化課程結構，拓展教學內容的廣度和深度。根據新工科建設中注重學科交叉的建議，適當補充了“航空航天”“機電類動力學”“振動力學”“自動控制”和“信號處理”課程中一些相關的知識點，如復模態(tài)分析方法、運動方程的狀態(tài)空間表達及狀態(tài)方程的數(shù)值求解、結構的模態(tài)參數(shù)識別技術等。同時，還注重融合前沿，如模態(tài)參數(shù)識別技術中除了介紹經典的方法，還拓展了無人機結合計算機視覺、機器學習在模態(tài)參數(shù)識別的應用研究，以開闊學生眼界。

教學設計中應避免一味地傳授理論知識，而應注重交流討論環(huán)節(jié)的設置，以問題為導向，激發(fā)學生的學習興趣，鼓勵學生進行思考與討論，并引導學生在課后進行探究式學習，從而加深學生對課程內容的理解?，F(xiàn)以入門篇為例加以說明，結構動力學入門篇是本課程的第一節(jié)課，教學學時3小時，教學內容包括課程學習目的、動荷載及特性、動力系統(tǒng)的描述和動力系統(tǒng)的數(shù)學建模方法等?；趯W情分析，制定教學設計的思路：先用社會關注的虎門大橋和賽格大廈風振渦激振動等事件的短視頻營造代入感，明確課程的學習目的；再用一些典型的工程振動甚至坍塌案例解析各類動荷載和結構振動機理；對于重點內容，即動力學問題數(shù)學建模方法，每種方法設計有精選的例題輔助學生對所授理論的理解，選編的例題取材于經典教程、工程案例及SCI論文等，幫助學生溫故知新、循序漸進地建立完整的動力學建模知識體系；每一教學模塊結束時安排雨課堂階段小測，關注學生的掌握程度；并組織開放性的動力學建模學習活動，自然地引導學生在課下通過閱讀SCI論文繼續(xù)學習鞏固和探究。

工程案例教學中，案例的選用注重與所學知識的聯(lián)系，避免走馬觀花。如在講授完隔震原理后，介紹鐵路鋼彈簧浮置板軌道隔震系統(tǒng)的設計和工程案例；在講授完兩個自由度體系建模和頻域分析后，介紹吸振器的工作原理與工程應用實例；在講授完多自由度系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)識別后，介紹機械振動引起某高層建筑振動測試項目，并基于加速度測試數(shù)據，讓學生用改進的頻域分解法進行結構的模態(tài)參數(shù)識別。案例教學注重理論、應用及拓展閱讀的融合，讓學生既能體會到學有所用，又能了解前沿研究。

案例教學中多鼓勵學生提出問題，并在此基礎上進行文獻拓展閱讀和深入研究，很可能會產出創(chuàng)新成果。例如，有一次教師講解完吸振器的工作原理及工程案例后，討論環(huán)節(jié)中一個數(shù)理基礎較好的學生提出了一個很好的問題：“吸振器優(yōu)化時往往不考慮結構阻尼，如果考慮結構阻尼該如何優(yōu)化？”課下教師向這個學生推薦了幾篇關于該問題的較為前沿的論文，鼓勵該生繼續(xù)探究，該學生歷經半年，經過縝密的數(shù)學推導，將等模態(tài)阻尼理論拓展到主結構有阻尼的情況，很好地解決了這個問題，其研究成果發(fā)表在本領域的頂級期刊上，見文獻［6］。

（三）夯實基礎，強化建模與編程訓練

動力學問題的建模是本課程的重點、難點內容，因學時所限，僅靠課上學習很難提升學生的建模能力。為此，課程團隊組織學生建立了經典算例庫，教師向學生提供結構動力學領域國際知名期刊名錄，每名學生根據建議的期刊搜集并精選出三篇論文。選文要求需有詳盡的建模推演過程，建模信息量豐富；學生選好論文后發(fā)給任課教師審核，以確保選文的質量和每名學生的選文不重復，審核后任課教師反饋給每名學生一篇選文，并組織學生開展“結構動力學”建模學習視頻分享活動。學生對選文進行深入研讀，著手準備PPT并錄制5分鐘的分享視頻，PPT主要包括建模方法、建模過程和研讀心得。

“結構動力學”課程內容分單自由度體系、多自由度體系和無限自由度體系三大模塊，其中單自由度體系模塊是基礎模塊，涉及的知識點較多，傳統(tǒng)的教學法僅停留在手算分析的層面。課程團隊教師通過與加利福尼亞大學伯克利分校的Chopra教授和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Spencer教授的交流發(fā)現(xiàn)，他們不僅注重手算推演，更注重學生編程能力的訓練。編程不僅是一種能力訓練，更是一種思維訓練，編寫代碼并驗證代碼的正確性，有益于加深對所學知識的理解。

另外，調研結構工程和橋梁工程專業(yè)研究生學位論文所用分析手段，發(fā)現(xiàn)絕大部分學生以有限元軟件分析為主，自主編程能力不足。為此教學團隊特意設計了編程實訓項目，選取中外聞名的廣州塔為工程背景，設計了編程專項訓練模塊，將結構簡化為廣義單自由度系統(tǒng)。編程訓練任務的設計模塊緊扣教學內容，涵蓋了單自由度模塊中幾乎所有的知識點，學生每學完一個專題即可嘗試編程解決問題，分步完成模塊任務。編程訓練可激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的自主學習能力；編程訓練還可加深對基本概念和知識點的理解，如單位脈沖激勵用Dirac-δ函數(shù)表示，是一個廣義函數(shù)，其定義比較抽象，不易理解，學生通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，逐漸減小正弦半波脈沖激勵的持時可逼近單位脈沖函數(shù)，加深了對其定義和性質的理解。

（四）設置課程項目，以學促研，激勵創(chuàng)新

設置課程項目的目的是以學促研、激勵創(chuàng)新。通過該項目的訓練，學生在課程所學知識的基礎上自主選題、自主探究，進而掌握科學研究的基本方法。學生通過課程項目訓練可獲得全方位的能力提升，如查閱文獻能力、自主學習能力、發(fā)現(xiàn)問題能力、解決問題能力、邏輯思維能力、創(chuàng)新思維意識、提煉總結能力、寫作能力、表達能力和審美能力等。這些能力對其未來的職業(yè)發(fā)展極為重要。

結合研究生課程設置情況，課程團隊制訂了課程項目實施方案，如圖1所示。首先，教師在課上結合一些優(yōu)秀的學位論文，給學生講授如何進行文獻檢索、論文選題和制訂研究計劃。然后，學生自己擬定課程項目的選題和研究內容，一人一題，以確保所有學生參與活動。

對學生課程項目的成果進行量化評價。分項評價及占比為：選題依據（5%）、文獻綜述（20%）、研究計劃（15%）、可行性論證（5%）、特色與創(chuàng)新（10%）、表達能力（15%）和階段成果（30%）。在課程的最后一周，需提交課程項目的開題報告，并組織各組學生進行開題匯報和研討交流，教師對每個項目進行點評并給出建設性意見。課程結束后給學生約一個月的時間，結合研究計劃開展一部分或全部研究工作，作為成果考量的依據，最終提交小論文或研究報告，并進行課程項目的結題答辯。課程項目成果按五級評價，但計入總評成績時仍按占一定權重的百分制計算。每級與百分制的對應關系是A（95分）、B（85分）、C（75分）、D（65分）、F（0分）。

（五）注重過程評價的考核方式

為了多角度、全方位地考查研究生基礎知識掌握程度、創(chuàng)新思維及分析解決問題的能力，須建立能反映學生在課程整個學習過程中表現(xiàn)的全新考核體系。為此，本課程采取注重過程評價的考核方式。結合本課程學生的實訓環(huán)節(jié)，過程訓練評價占70%，期末考試占30%。其中，過程評價內容包括建模訓練成果（5%）、編程專項訓練成果（15%）、工程案例的拓展訓練成果（三個，每個占10%）及課程項目成果（20%）。

結語

為不斷提升“結構動力學”課程質量，課程團隊本著“夯實基礎、融合前沿、強化實踐、激勵創(chuàng)新”的原則持續(xù)地進行課程建設。探討了“研融于教、以學促研”理念下的研究生專業(yè)課程改革的思路與實施路徑；拓展了教學內容的深度和廣度；通過建模與編程專項訓練、工程案例剖析與拓展研究，塑造“以學生為中心”“以問題為導向”探究式學習范式；輔以自主探究的課程項目形式的綜合訓練，激勵學生深入學習和探究。實踐證明，這種“教、學、研”一體的課程教學模式不僅能幫助學習夯實基礎知識，還能充分調動學生學習的積極性和主動性，有助于提升學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

參考文獻

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［2］盛宏玉.“結構動力學”課程教學實踐中的幾點認識［J］.合肥工業(yè)大學學報（社會科學版），2007，21（6）：102-104.

［3］孫智，葛耀君.國際研究型大學《結構動力學》課程研究生教學比較研究［J］.教育教學論壇，2013（27）：58-60.

［4］陳清軍，李文婷.結構動力學課程多元化教學方法探討［J］.高等建筑教育，2015，24（2）：47-52.

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

［6］FANG H， LIU L， ZHANG D， et al. Tuned mass damper on a damped structure［J］. Structural control and health monitoring，2019，26（3）：e2324.1-e2324.16.

On the Construction and Practice for the Graduate Course of Structural Dynamics

LIU Lin， XIANG Hong-jun， ZHANG Nan， WEN Yong-kui

（School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： The construction of postgraduate professional courses should be carried out in line with the principle of “Consolidating foundation， Integrating frontier， Strengthening practice and Stimulating innovation”. Combining with the course characteristics of Structural Dynamics， this paper probes into the thinking and implementation path of the postgraduate curriculum reform under the idea of “integrating research into teaching and promoting research by learning”. The specific measures include the construction of literature library， the expansion of the depth and breadth of teaching content， the design and implementation of special training tasks of modeling and programming， engineering case study and in-depth exploration， the comprehensive training of self-exploring course projects and the course assessment method focusing on process evaluation. The ideas and practices offer guidance and reference significance for improving the teaching quality of civil engineering graduate courses.

Key words： graduate course; Structural Dynamics; case study; course project; innovation ability