新工科背景下“振動(dòng)學(xué)”大綱和國內(nèi)教材的調(diào)研與分析

黃修長，張振果，華宏星

（上海交通大學(xué) a.機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；b.機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

精品課程體系和教材體系相輔相成，是適應(yīng)新工科環(huán)境下人才培養(yǎng)要求的一體兩面。每所學(xué)校應(yīng)結(jié)合自身學(xué)科優(yōu)勢(shì)、人才培養(yǎng)目標(biāo)建立相應(yīng)的課程體系、課程大綱和配套教材，以滿足在一定學(xué)時(shí)條件下獲得必要的專業(yè)知識(shí)、思維方法和學(xué)術(shù)思想，具備更寬廣的知識(shí)面以適應(yīng)學(xué)科融合、交叉背景下對(duì)創(chuàng)新型復(fù)合人才的需求。

教材是人才培養(yǎng)的重中之重?！皺C(jī)械振動(dòng)學(xué)”是一門經(jīng)典課程，國內(nèi)外知名學(xué)者撰寫的本科生、研究生教材已不下100本，并且在不同年代引入了各具時(shí)代特色的新元素。在目前少學(xué)時(shí)、新形態(tài)教材重要性取得共識(shí)的大背景下，如何通過創(chuàng)新“機(jī)械振動(dòng)學(xué)”教材內(nèi)容、表現(xiàn)形式，在保持系統(tǒng)性、獨(dú)立性的前提下，突出新工科環(huán)境下工科專業(yè)人才培養(yǎng)特點(diǎn)，與工程應(yīng)用緊密結(jié)合、及時(shí)合理引入新發(fā)展理論及現(xiàn)代技術(shù)、利用信息化手段輔助呈現(xiàn)復(fù)雜理論是需要深入研究的課題。

前人已對(duì)振動(dòng)學(xué)教材開展了分析。陳立群［1］對(duì)1995—2006年的振動(dòng)力學(xué)15本教材從傳統(tǒng)教材、習(xí)題集和特色三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，介紹了幾本德國振動(dòng)力學(xué)教材。于開平［2］對(duì)國內(nèi)外廣為應(yīng)用的教材開展分析，并結(jié)合學(xué)時(shí)短的特點(diǎn)指出發(fā)展趨勢(shì)。胡海巖［3］注重力學(xué)教材和力學(xué)教育的創(chuàng)新。本文對(duì)國內(nèi)外部分院校的教學(xué)大綱和國內(nèi)主要教材開展調(diào)研，進(jìn)行初步分析。結(jié)合新工科環(huán)境這一背景，總結(jié)大綱及教材的發(fā)展趨勢(shì)，為人才培養(yǎng)提供參考。

一、“振動(dòng)學(xué)”教學(xué)大綱調(diào)研及分析

對(duì)歐美國家20所工科大學(xué)“振動(dòng)學(xué)”課程設(shè)置、內(nèi)容及教材進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果表明：（1）教學(xué)內(nèi)容通常為3學(xué)分，以講授傳統(tǒng)振動(dòng)學(xué)內(nèi)容為主，對(duì)數(shù)值求解方法及有限元方法等在工程中常用的方法較注重，以入門教學(xué)為主。（2）教學(xué)方式以課堂講授為主，同時(shí)開展小組討論、實(shí)驗(yàn)等方式，實(shí)驗(yàn)與工程結(jié)合較緊密。（3）部分高校依托傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)專業(yè)講解波的傳播、地震響應(yīng)、爆炸載荷、參數(shù)辨識(shí)反問題、氣動(dòng)彈性引論等專題。（4）部分傳統(tǒng)振動(dòng)噪聲優(yōu)勢(shì)高校在“振動(dòng)學(xué)”的基礎(chǔ)上開設(shè)了高階課程，高階課程更緊密結(jié)合工程中的振動(dòng)問題開展專題講授或深化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及系統(tǒng)研究。（5）教材為著名教授編著的再版多次教材，如Rao、Inman和Thomson等經(jīng)典教材。（6）考核方式包括平時(shí)作業(yè)、平時(shí)測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、項(xiàng)目報(bào)告和期末考試，個(gè)別以項(xiàng)目報(bào)告和項(xiàng)目答辯進(jìn)行考核，基本上平時(shí)測(cè)驗(yàn)和期末考試的比重約在50%～80%。

對(duì)國內(nèi)6所大學(xué)的機(jī)械振動(dòng)、振動(dòng)力學(xué)專業(yè)課程大綱進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果表明：（1）開設(shè)“振動(dòng)學(xué)”的專業(yè)有力學(xué)、機(jī)械、土木、橋梁、車輛等，由于專業(yè)培養(yǎng)要求和目標(biāo)不同，各專業(yè)授課內(nèi)容有所不同，學(xué)分通常為2學(xué)分。（2）教學(xué)內(nèi)容以講授傳統(tǒng)“振動(dòng)學(xué)”內(nèi)容為主，學(xué)時(shí)相對(duì)較少。（3）教學(xué)方式以課堂講授為主，開展豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為主。（4）部分傳統(tǒng)振動(dòng)噪聲優(yōu)勢(shì)高校在“機(jī)械振動(dòng)學(xué)”的基礎(chǔ)上開設(shè)了高階課程，部分學(xué)?！罢駝?dòng)學(xué)”課程為研究生課程。（5）教材為著名教授編著的再版多次教材，如胡海巖的《機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)》；張義民的《機(jī)械振動(dòng)》；劉延柱、陳立群和陳文良的《振動(dòng)力學(xué)》；各校自編教材、國外經(jīng)典教材等。（6）考核方式包括平時(shí)作業(yè)、平時(shí)測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、項(xiàng)目報(bào)告和期末考試，平時(shí)測(cè)驗(yàn)和期末考試的比重約在50%～80%。

二、國內(nèi)振動(dòng)學(xué)教材調(diào)研及分析

針對(duì)近年來國內(nèi)教材，從本科生學(xué)習(xí)用教材的角度，在7個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.架構(gòu)體系。振動(dòng)學(xué)教材的傳統(tǒng)內(nèi)容以確定性線性振動(dòng)為主，按單自由度、兩自由度、多自由度、連續(xù)系統(tǒng)展開敘述，也包括振動(dòng)控制、隨機(jī)振動(dòng)、非線性振動(dòng)和時(shí)變系統(tǒng)振動(dòng)，形成振動(dòng)學(xué)的傳統(tǒng)內(nèi)容。架構(gòu)體系方面也可從自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)加以組織，由自由振動(dòng)引出模態(tài)及其正交性；利用模態(tài)疊加法等將多自由度、連續(xù)系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)轉(zhuǎn)化為單自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)疊加。此外，從常微分方程、偏微分方程求解的思路出發(fā)，采用格林函數(shù)法、頻響函數(shù)法作為開展單自由度系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)響應(yīng)求解和物理意義分析的一貫方法，以此構(gòu)建知識(shí)體系。在架構(gòu)體系方面，我國和歐美國家一般采用傳統(tǒng)教材的架構(gòu)體系。胡海巖教授基于研究型案例撰寫了新架構(gòu)體系的教材。

2.特色內(nèi)容。部分新近出版教材相較于經(jīng)典教材與時(shí)俱進(jìn)地增加以下內(nèi)容。（1）基本力學(xué)模型的求解方法、MATLAB編程案例。如應(yīng)用導(dǎo)論、數(shù)值例題和計(jì)算習(xí)題，附有對(duì)應(yīng)的程序。（2）數(shù)值或工程計(jì)算分析方法。如有限元法引論、線性/非線性系統(tǒng)數(shù)值方法、矩陣逆迭代法、子空間迭代法、子模型綜合法。（3）振動(dòng)測(cè)量、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本方法。為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際解決振動(dòng)工程問題的能力提供了基本理論和方法。（4）最新科研成果或復(fù)雜工程應(yīng)用案例。結(jié)合專業(yè)特色及優(yōu)勢(shì)學(xué)科，通過將其抽象為習(xí)題或例題引入教材，如加入振動(dòng)控制、測(cè)試手段、計(jì)算方法最新成果、回轉(zhuǎn)體的振動(dòng)、工程結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、復(fù)雜地震響應(yīng)譜、故障診斷等。（5）數(shù)理基礎(chǔ)要求較高的高階內(nèi)容。如復(fù)模態(tài)分析、非經(jīng)典阻尼情況下的響應(yīng)、自激振動(dòng)、參數(shù)共振和振動(dòng)問題的穩(wěn)定性理論、非對(duì)稱系統(tǒng)的特征值問題、代數(shù)特征值的分離定理和攝動(dòng)、陀螺連續(xù)體和阻尼連續(xù)體，以幫助學(xué)生更全面地理解振動(dòng)機(jī)制。（6）振動(dòng)控制專題。新版書中一般增加了專門章節(jié)闡述振動(dòng)控制。（7）振動(dòng)簡史等思政元素。

3.工程案例。振動(dòng)學(xué)一方面是基礎(chǔ)學(xué)科，依賴于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)、力學(xué)推導(dǎo)和求解，具有數(shù)學(xué)的嚴(yán)格性、理論的物理解釋等特點(diǎn)；另一方面是應(yīng)用學(xué)科，側(cè)重于工程應(yīng)用、工程觀點(diǎn)，著重于工程問題的力學(xué)模型抽象、動(dòng)力學(xué)建模和求解、解的物理意義分析。部分教材致力于將國內(nèi)外前沿的研究成果，如近年來航天、航空、海洋、機(jī)械、車輛及橋梁與建筑工程等領(lǐng)域中涌現(xiàn)出來的新技術(shù)、新概念、新裝置和新材料介紹給讀者。振動(dòng)學(xué)教材對(duì)工程問題的重視能有效促進(jìn)振動(dòng)力學(xué)在相關(guān)行業(yè)的廣泛應(yīng)用。教材越來越關(guān)注從工程問題中抽象力學(xué)模型，部分教材的例題和習(xí)題具有明確的項(xiàng)目背景，針對(duì)實(shí)際工程問題提煉模型、進(jìn)行振動(dòng)求解和工程物理意義分析。對(duì)于提高學(xué)生解決工程實(shí)際問題具有重要意義，既可展示振動(dòng)學(xué)的應(yīng)用前景，也可訓(xùn)練力學(xué)建模、工程素養(yǎng)等能力。

4.文獻(xiàn)和習(xí)題的層次性。作為本科生教材，需有合適的參考文獻(xiàn)，包括教材、專著和論文，以供感興趣的同學(xué)查閱，目前教材的參考文獻(xiàn)較簡略，考慮到教材中需寫入無爭(zhēng)議的內(nèi)容，文獻(xiàn)較老。教材每一章后需配備復(fù)習(xí)提綱、分層次的習(xí)題和振動(dòng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，習(xí)題的層次性能滿足不同層次學(xué)生的差異化要求，振動(dòng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目往往來自工程實(shí)際項(xiàng)目的抽象，可有效提高學(xué)生的工程意識(shí)、力學(xué)建模和軟件使用能力，系統(tǒng)訓(xùn)練解決實(shí)際問題的能力。對(duì)本科生來說，例題和習(xí)題需有詳細(xì)的解答，最好對(duì)習(xí)題的項(xiàng)目背景、工程物理意義展開分析，方便自學(xué)和練習(xí)，部分教材配備了習(xí)題解答。作為本科生教材，篇幅適中、行文嚴(yán)謹(jǐn)和深度符合本科生知識(shí)結(jié)構(gòu)需放在重要位置。

5.內(nèi)容的廣度和深度。傳統(tǒng)“振動(dòng)學(xué)”教材在廣度和深度方面處理得較為合理，基本形成了自成體系的完整內(nèi)容。振動(dòng)的外延有振動(dòng)控制、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、振動(dòng)信號(hào)處理、振動(dòng)利用和防治、理論專題等。振動(dòng)的深度體現(xiàn)在學(xué)科基礎(chǔ)理論的深度、案例討論和工程物理意義分析的深度。在少學(xué)時(shí)要求下，如何有效處理廣度和深度的是編者在選擇案例時(shí)需仔細(xì)斟酌和考慮的問題。面向新工科背景下交叉學(xué)科培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，需在廣度和深度方面予以兼顧，在建模、測(cè)試、分析等方面均有涉及，由使用者根據(jù)目的進(jìn)行裁剪。

6.跨學(xué)科和跨行業(yè)程度。振動(dòng)力學(xué)是基礎(chǔ)學(xué)科，在機(jī)械、土木、橋梁、航空、航天、車輛等各行各業(yè)都有廣泛應(yīng)用的前景，各行業(yè)間可相互借鑒。振動(dòng)力學(xué)學(xué)科與控制、材料、電學(xué)等學(xué)科交叉融合，形成了振動(dòng)主動(dòng)控制、超材料、智能材料、多尺度動(dòng)力學(xué)、多場(chǎng)多介質(zhì)耦合系統(tǒng)等新興研究熱點(diǎn)。目前依托某一行業(yè)的教材較多，在行業(yè)交叉方面處于萌芽階段。行業(yè)背景深厚的教材一般將振動(dòng)學(xué)分為振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)部分、振動(dòng)理論在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用部分。部分教材在選取應(yīng)用案例時(shí)選擇了具有交叉性質(zhì)的案例。若能由全國性振動(dòng)學(xué)會(huì)或力學(xué)學(xué)會(huì)、專業(yè)組織等出版跨行業(yè)的案例庫，對(duì)于不同行業(yè)相互借鑒具有重要價(jià)值。

7.與現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合。與MATLAB、ANSYS等融合，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源是現(xiàn)代教材的主要趨勢(shì)。傳統(tǒng)紙質(zhì)教材與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)相結(jié)合形成多媒體教材，通過二維碼引入大量的教學(xué)輔助資源，包括微視頻、動(dòng)畫、習(xí)題解答思路提示等，使讀者更易于理解掌握書本內(nèi)容。國內(nèi)部分優(yōu)勢(shì)工科院校已建設(shè)了高質(zhì)量MOOC課程，如天津大學(xué)的“工程振動(dòng)與測(cè)試”、上海交通大學(xué)的“振動(dòng)力學(xué)”和“機(jī)械振動(dòng)學(xué)”、東北大學(xué)的“機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)”、西南交通大學(xué)的“振動(dòng)力學(xué)”、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”等，網(wǎng)絡(luò)資源和課堂緊密結(jié)合，通過翻轉(zhuǎn)課堂等形式可建設(shè)新形態(tài)課堂，提高授課內(nèi)容的高階性。

三、“振動(dòng)學(xué)”教學(xué)大綱及教材發(fā)展趨勢(shì)分析

教學(xué)大綱及教材具有鮮明的時(shí)代特性及時(shí)效性。結(jié)合新工科的核心思路，即理清需求、凝聚學(xué)科、建立模型、“三位一體”（分析/計(jì)算/實(shí)驗(yàn)）、提出預(yù)測(cè)和支撐設(shè)計(jì)?！罢駝?dòng)學(xué)”教學(xué)大綱、教材特點(diǎn)需立足于我國現(xiàn)階段及下階段對(duì)振動(dòng)學(xué)人才的需求來進(jìn)行規(guī)劃。

1.面向應(yīng)用和需求牽引的角度。需深化振動(dòng)與聲、振動(dòng)導(dǎo)致穩(wěn)定性問題、振動(dòng)導(dǎo)致強(qiáng)度問題等知識(shí)點(diǎn)和現(xiàn)有的機(jī)械振動(dòng)教學(xué)體系的有機(jī)融合。振動(dòng)與聲是有機(jī)結(jié)合的物理現(xiàn)象，一方面，振動(dòng)的嚴(yán)重后果是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲或流致噪聲；另一方面，對(duì)于高超聲速飛行器、空腔流動(dòng)等，聲也是一種振動(dòng)激勵(lì)源。目前的教材對(duì)振動(dòng)與聲割裂較為嚴(yán)重，或雖然將振動(dòng)與聲并重，但是聲部分內(nèi)容在授課時(shí)基本不講。振動(dòng)導(dǎo)致的穩(wěn)定性在我國裝備中頻頻出現(xiàn)，如摩擦自激振動(dòng)導(dǎo)致直升機(jī)尾軸斷裂、摩擦自激振動(dòng)導(dǎo)致艦艇低速重載軸系尾軸承磨損和異常噪聲，振動(dòng)導(dǎo)致的穩(wěn)定性問題突出。振動(dòng)穩(wěn)定性概念在國內(nèi)外教材均有所提及，國內(nèi)也將穩(wěn)定性融入教材。振動(dòng)導(dǎo)致的強(qiáng)度問題及可靠性問題是與工程更為密切的概念，如振動(dòng)疲勞等在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域廣泛存在。從需求牽引出發(fā)進(jìn)行教學(xué)大綱、教材的革新將是高等院?！罢駝?dòng)學(xué)”授課教師堅(jiān)守的第一原則。

2.基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展的角度。反問題和正問題、振動(dòng)（動(dòng)力學(xué)）設(shè)計(jì)和振動(dòng)控制需并重，從理論和試驗(yàn)等角度提升學(xué)科交叉程度。經(jīng)過多代人的努力，我國在振動(dòng)學(xué)的正問題、振動(dòng)控制方面取得了大量的成就，支撐了一代代裝備和重大工程的研發(fā)。隨著裝備向著更好、更快、更強(qiáng)、更準(zhǔn)、更靈、更智能的方向發(fā)展，激勵(lì)源面臨特性不清、預(yù)報(bào)方法不準(zhǔn)、系統(tǒng)特性時(shí)變等問題，對(duì)載荷辨識(shí)、系統(tǒng)辨識(shí)等反問題提出了迫切需求；振動(dòng)控制也由傳統(tǒng)振動(dòng)控制方法向動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)控制等延展。胡海巖教授指出，工程動(dòng)力學(xué)反問題的提法涉及對(duì)正問題的深刻理解、分析和計(jì)算，解決工程動(dòng)力學(xué)的反問題是系統(tǒng)建模和分析的基礎(chǔ)，更是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制的內(nèi)涵。因此，反問題、動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)等需引起大家的高度重視。超材料、智能材料、多尺度動(dòng)力學(xué)等交叉學(xué)科對(duì)振動(dòng)學(xué)內(nèi)容在理論和試驗(yàn)方面的外延提出了新的命題，如適當(dāng)引入負(fù)剛度、負(fù)阻尼、多物理場(chǎng)類比分析等理論知識(shí)，將非接觸式激光測(cè)量等無附加質(zhì)量試驗(yàn)方法引入教學(xué)等。作為機(jī)械振動(dòng)學(xué)今后的主戰(zhàn)場(chǎng)和學(xué)科前沿，教學(xué)大綱和教材等需體現(xiàn)這一學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)。

3.課程思政內(nèi)容。課程思政和專業(yè)知識(shí)教育需緊密融合。課程思政旨在通過深化課程目標(biāo)、內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、模式等改革，把專業(yè)認(rèn)同、服務(wù)國家意識(shí)、科學(xué)精神、合作精神和工匠精神養(yǎng)成等思想政治教育導(dǎo)向與課程固有的知識(shí)、技能傳授有機(jī)融合，促進(jìn)學(xué)生自由全面發(fā)展，發(fā)揮教書育人的作用。“振動(dòng)學(xué)”在國之重器研制中發(fā)揮了不可或缺的作用。課程教學(xué)大綱和教材中可有機(jī)結(jié)合我國陸?？仗煳淦餮b備、國民經(jīng)濟(jì)重大裝備等研制過程中的振動(dòng)問題以及解決振動(dòng)問題的措施，形成豐富的案例庫，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到我國裝備和國際先進(jìn)裝備的差距，實(shí)時(shí)了解我國裝備取得的成績和振動(dòng)學(xué)在其中的貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)使命與家國情懷。

4.課程體系和教材體系。“振動(dòng)學(xué)”的課程大綱和配套教材要有機(jī)融入新工科人才培養(yǎng)課程體系?！罢駝?dòng)學(xué)”是培養(yǎng)新工科人才解決實(shí)際工程問題、具有動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)思維不可或缺的課程，其與其他課程一同支撐新工科人才培養(yǎng)畢業(yè)要求。各學(xué)校結(jié)合自身學(xué)科優(yōu)勢(shì)，在“高等數(shù)學(xué)”“線性代數(shù)”“數(shù)理方法”等數(shù)理基礎(chǔ)課程，“機(jī)械設(shè)計(jì)與制造”“控制理論”“測(cè)試?yán)碚摗钡葘I(yè)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上，通過課程和教材系列化，做到相同數(shù)理方法融會(huì)貫通、相關(guān)物理概念一以貫之，形成能夠融合機(jī)械學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，具備機(jī)械學(xué)科計(jì)算、設(shè)計(jì)、測(cè)試、分析等集成能力的課程群和教材群。通過源于工程實(shí)際的或面向?qū)W科前沿的大設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行牽引，使本科生具備綜合利用所學(xué)知識(shí)有效解決工程實(shí)際問題、發(fā)明新的產(chǎn)品的能力。

本文著眼于新工科環(huán)境下創(chuàng)新交叉復(fù)合人才培養(yǎng)的需求，通過“振動(dòng)學(xué)”教學(xué)大綱和教材的調(diào)研，梳理“振動(dòng)學(xué)”教材的架構(gòu)體系、表現(xiàn)形式、創(chuàng)新內(nèi)容，以更好地開展課程設(shè)計(jì)和人才培養(yǎng)。課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。為適應(yīng)現(xiàn)階段新工科人才培養(yǎng)的要求，需加強(qiáng)面向應(yīng)用需求、學(xué)科發(fā)展需求、思政育人和體系化人才培養(yǎng)的教材研究，創(chuàng)新教材呈現(xiàn)方式和課程教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)理論體系向教材體系轉(zhuǎn)化、教材體系向教學(xué)體系轉(zhuǎn)化、知識(shí)體系向?qū)W生的價(jià)值體系轉(zhuǎn)化，使教材更加體現(xiàn)科學(xué)性、前沿性、思政性，進(jìn)一步增強(qiáng)教材的針對(duì)性和時(shí)效性。