基于学位论文建模方法的机电系统动力学研究性教学实践

杨志安

（唐山学院结构与振动工程重点实验室，河北唐山 063000）

基于学位论文建模方法的机电系统动力学研究性教学实践

杨志安

（唐山学院结构与振动工程重点实验室，河北唐山 063000）

结合机电磁固耦合动力学方向学位论文建模需要与“机电系统动力学”课程的特点，从教学目标、教学内容、教学方法等方面对机电系统动力学教学模式进行改革。通过8届学位论文指导与“机电系统动力学”教学实践，提出演绎式教学与研究性教学有机结合的教学模式。教学实践表明这种教学模式符合“以人为本，以学生为中心”的核心教育原则，也符合“学以致用”的教学目的。

机电系统动力学；学位论文；建模；教学目标；研究性教学；研究性学习

一、机电动力学及课程特点

“机电系统动力学”是将力学与电磁学结合起来，研究在电磁场中运动物体规律的科学。它涉及到多个学科的基础理论，包括一般力学、连续介质力学、振动理论与电磁场理论、电机理论等形成的交叉学科。［1］“机电系统动力学”从能量的观点出发，作为统一的方法，可用于建立一般力学与电路理论、连续介质力学与电磁场理论相耦合的微分方程，或称为数学模型。“机电系统动力学”的核心内容是Lagrange-Maxwell方程。我们知道，研究宏观低速物体动力学问题，第一步是建立研究对象的数学模型；第二步是选用适当的理论分析方法进行分析；最后是进行数值分析与实验研究。［2-4］以Newton力学为根基的各个动力学分支都涉及研究对象建模问题，而不同的研究对象决定了动力学分支的特色。La-grang-Maxmell方程是处理机电磁固耦合动力学理论建模问题的最有效的方法。在工科非力学类本科生及研究生学习阶段，目前高校开设“机电系统动力学”课程的很少。但当学生论文的选题涉及机电磁固耦合动力学问题时，“机电系统动力学”的核心理论学生必须知晓，否则建模工作就无从下手，此时学习“机电系统动力学”就成为必然。学位论文本身也要求教师指导学生综合利用已有知识去探索未知事物。这就要求指导教师对学生探索未知事物过程中的知识缺陷要先知先觉，并指导学生自主填补知识空白。笔者认为，在这种情况下，“机电系统动力学”应以选修课的形式开设，以适应学位论文工作的需要。“机电系统动力学”的先导课程包括“高等数学”“理论力学”“大学物理”“电磁场理论”等。它是一门基础性强、应用广泛的综合性课程。就“机电系统动力学”的内容而言，完成全部教学大约需要120学时。这对于我国高校课程逐渐增多、学时逐渐减少、实践教学环节逐渐增加的教学现状，以选修课形式开设120学时“机电系统动力学”是不可能的。如何破解这个问题，达到学位论文建模的需要？需要指导教师或任课教师运用智慧，创造性地工作，在教学目标、教学内容、教学方法上进行改革，探求新的“机电系统动力学”教学模式。对此，笔者结合本科生、研究生培养与教学实践，对“机电系统动力学”教学的具体做法进行了探索。

二、基于学位论文建模方法的“机电系统动力学”教学目标定位

就课程本身而言，“机电系统动力学”是从基本概念、基本定理、定律出发，得出其核心理论Lagrang-Maxmell方程。“机电系统动力学”具有相对独立的完整的理论体系。对于力学专业的本科生或是一般力学、工程力学专业的硕士生，作为学位必修课，采用演绎式教学法系统讲授，接受式方法学习是必要的，也符合教学目标的要求。对于以工程实际中机电磁固耦合系统为研究方向或学位论文选题方向的工科学生，系统学习“机电系统动力学”从时间上不允许，从应用角度也不必如此。作为选修课，考虑到学生学位论文建模需求，将“机电系统动力学”教学目标定义为“基于建模方法的”机电系统动力学“教学”相对合适。

学位论文是培养学生综合运用所学知识与技能，解决具有一定学术水平和复杂程度的理论或实际问题的综合性训练；是学生综合素质与培养效果的全面检验；也是专业教学质量和培养水平的综合反映。学位论文是实现培养创新人才教育目标而必须完成的极为重要的综合性专业实践训练，它是用一个高峰体验课程来完成对专业教育的终结。它需要从一门门面窄的课程向旨在综合运用所学知识和技能解决具有较强的专业特点的课题转变，需要指导教师和学生更多地投入，使学生的研究性学习经验能够通过一个贴近专业实际的研究项目或课题，完整而准确地体现出来，并在此基础上使学生获得高峰体验，得到一个知识能力上的提升。

三、基于建模方法的“机电系统动力学”教学内容重构

“机电系统动力学”具有相对独立完整的理论体系，但这个体系不是封闭的。它的基本理论基础是拉格朗日方程和基尔霍夫定律，核心理论是Lagrang-Maxmell方程。这也是以工程实际中机电磁固耦合动力学为选题方向用到的建模方法的核心内容。而拉格朗日方程是“理论力学”或“分析力学”的内容；基尔霍夫定律是“大学物理”或“电子电路”的内容。这两个基本理论工科学生进行过系统的学习与应用。

笔者针对学生的学习现状和存在问题，以及基于建模方法的教学目标的要求，将“机电系统动力学”的教学内容进行重组，使之适合学生学位论文建模方法的需要。重组后的教学内容分为六个专题：第一专题，拉格朗日方程及应用；第二专题，基尔霍夫定律及应用；第三专题，机电系统的类比关系；第四专题，Lagrang-Maxmell方程及应用；第五专题，电机的气隙磁场能量；第六专题，电机定转子机电电磁固耦合的机理。

对照系统学习“机电系统动力学”120学时的教学要求，要用很少学时达到基于建模方法的教学目标，对指导教师与学生来说都是一个挑战。如何将此挑战内化为动力完成学习任务？应该从教学方法和学习方法上进行改革。

四、基于建模方法的“机电系统动力学”研究性教学实践

笔者的研究方向为机电耦联系统动力学。近年来承担的国家、省、市的科研项目集中在电机的电磁激发振动、磁固耦合振、机电藕联振动、RLC电路与微梁耦合系统动力学等，按照产学研结合的要求，学生学位论文的选题均以科研项目为基础，实行真题真做，或者题目本身就是科研项目的一个子课题。

要解决“机电系统动力学”教学中存在的学时不足，满足基于学位论文的建模方法的需要，如果单纯按传统的演绎式教学法开展教学，学生只是被动地接受，这样做既浪费了课堂宝贵的教学时间，又达不到教学目标要求。考虑到学生已有的知识结构和学习经验，加之学生的心智水平，引入研究性学习方式，有效地开展研究性教学，并与演绎式教学和接受性学习相结合可以解决存在的问题。

工科教学中常常采用传统的演绎式教学法。就是教师从讲述一些一般原理开始，然后用这些原理来推导出数学模型，再举一些例子来说明模型的应用，让学生在做课后作业时也进行同样地推导和应用，最后以考试作为课程结束的标志。

研究性教学属于归纳式教学的一种，是指学生在教师的指导下，从自然、社会和生活中选择与专业相关的课题进行研究，主动地吸收知识、应用知识、解决问题，获取新经验和表现个性行为特征的教学程式。与传统的教学模式相比，研究性教学不仅可以使学生获得知识，而且可获得亲身参与研究和探索的体验，利于培养学生收集、分析、利用信息、发现问题、解决问题的能力，在学习中培养科学态度和科学素养。［5-8］

研究性教学与演绎式教学是一对相对的概念。就学生的个性发展而言，研究性教学与演绎式教学这两种教学方式都是必要的，二者相辅相成。学校的主要任务就是向学生传授文化知识，高校也如此。而演绎式教学则是学校中最基本的教学方式，学生的知识学习主要是通过从语言文字为中介表述的概念、原理等的意义理解获得知识的。之所以在当前的高校教学中强调研究性教学，并不是因为演绎式教学不好，而是因为我们过分强调并实施演绎式教学，把它置于中心。而研究性教学则被完全忽略或退居边缘。根据具体的教学任务，综合灵活地将二者有机地结合使用，才符合现代高等教育培养目标的要求。［9-14］

作为学习方式和教学方式改革，研究性学习直接导致教师和学生在教学中的角色、地位以及师生关系发生变化。从教师方面讲，研究性学习是教师把学生作为学习的主人，给学生提供个性发展的空间和环境，鼓励、引导、尊重和促进其个性化发展的教学活动。从学生方面讲，研究性学习是学生在教师指导下的、以学习和发展为目标的、主动获取知识、应用知识解决问题的学习活动。

研究性学习与研究性教学是从教与学的两个不同主体出发阐述的同一过程，其中心是学生，体现“以人为本，以学生为中心”的核心教育原则，符合科学发展观的要求。以学生为中心包含两层含义：其一，学生应当积极参加全部环节的教学活动，这种教学活动应包括第一、第二课堂的教学活动；其二，研究性学习中更加强化自主学习和探索，强调学生在研究性学习和训练过程中逐步提升综合素质和创新能力，最终能够主动发现问题、研究问题、解决问题。［15-19］

（一）基于学士学位论文建模方法的“机电系统动力学”教学实践

学士学位论文指导任务下达一般在第七学期末，加上寒假时间，离学位论文开题还有2到3个月时间。利用好此段时间，对高质量完成学位论文建模工作，提高学生自主学习、研究性学习能力非常重要。具体做法是，首先与学生面谈，了解学生的知识背景，学习情况，兴趣爱好，专业特长及家庭情况等，为下一步因材施教做好准备。

在进行演绎式课堂教学前列出学位论文建模需要用到的知识涉及的书目。具体包括“理论力学”“分析力学”“大学物理”等。学位论文开始前二周，集中讲授“机电系统动力学”的前四个专题的内容，并给出学位论文题目，一般每人两个题目供学生根据自己的兴趣爱好特长等实际情况进行选择。

在讲授完“机电系统动力学”后，确定学生论文题目，通过答疑、讨论、报告与点评等研究性教学与研究性学习方式，使教师与学生之间形成互动，从而及时解决课堂教学与学位论文建模中遇到的各种问题，使“机电系统动力学”课程学习与学位论文建模有机结合，增强了课程学习的主动性和学位论文工作的创新性。一般学生在20天左右可以完成机电磁固耦合方向论文的建模工作。

（二）基于硕士学位论文建模方法的“机电系统动力学”教学实践

两年半学制硕士生的学位论文选题工作一般安排在第三学期初，此时硕士生已完成了一学年的全部必修学位课程的学习，已具备开展学位论文工作的基本条件。加之，机电磁固耦合方向学生的学位必修课“非线性振动”和“专业外语”均由笔者承担，对学生的知识结构、学习情况、专业特长、兴趣爱好等情况已有比较全面的了解。在此基础上再根据承担科研项目的内容拟定学位论文题目。选定邱家俊教授编著的《机电分析动力学》为教材蓝本，在硕士学位论文选题报告后集中一周20学时左右时间集中讲授第三、四、五、六四个专题。比较本科生，硕士生的第一、二专题可以自学完成。然后通过答疑、讨论、报告与点评等互动式教学方法，解决学生学位论文建模中遇到的各种问题。每位学生需要通过10次左右讨论、答疑，2个月左右时间可以完成学位论文的建模工作。比较本科生与硕士生以基于学位论文建模方法为教学目标的“机电系统动力学”的学习效果，笔者未发现他们之间存在差异，这个结论是笔者在学位论文指导与教学活动中得到的，似有不合情理之处。上述教学实践体现了演绎式教学与研究性教学的有机结合。符合教育心理学中的公认准则：当人们清楚意识到有必要去了解某个事物时，他才会最为强烈主动地学习。因为此阶段“机电系统动力学”的学习与学生学位论文有关，学生的积极性、主动性、创造性在学习过程中得到淋漓尽致的发挥，也符合“学以致用，用以促学，用学相长”的原则。这种学习模式还体现了建构主义教学模式的特点：新的信息会经过学习者的心智结构的过滤，如果这一新的信息与学习者的心智结构一致，就会被融合进去；如果两者有抵触，则学生为了应付考试可能会死记硬背，不大可能将新的信息或学习内容真正融入自己的信息系统，也就是说，在这种情况下，他们是学不进去的。

（三）“机电系统动力学”教学实践成果

通过四届8名本科生、四届4名硕士生的学位论文指导与“机电系统动力学”教学实践，取得一些成果。［20-31］12名学生在选修“机电系统动力学”课程后都参加了唐山市结构与振动重点实验室科研项目，这些项目包括唐山市重点计划项目“弹性地基上矩形板的动力学问题研究”“旋转机械故障运行状态下的耦合振动与应用研究”“受环境影响输电线的非线性振动研究”“交变电磁场中梁与板的机电磁耦合动力学研究”，河北省自然科学基金项目“RLC串联电路与微梁耦合系统动力学研究”，国家自然科学基金项目“数控铣床与柔性基础耦合振动主动控制的研究”，国家科技工业局项目“电机磁固耦合振动产生机理及计算方法研究”等。12名学生的学位论文均来源于上述科研项目。结合“机电系统动力学”的学习，学生均顺利完成学位论文。据不完全统计，12名学生共发表学术论文60余篇，其中被SCI，EI收录41篇。

文献［6］记载了四川大学实施研究性教学与研究性学习结果的一组数据：2005－2008年，近5000余名本科生参加了学校累计提供的1573个科研训练项目，其中85%以上属于教师在研的科研项目，有近50%的项目为国家级、省部级重大科研项目（包括国家“973”“863”项目）；参与国家重点实验室科研发表论文120余篇，其中SCI，EI收录50余篇，申请并获准专利14项。

笔者提供的学生发表论文的数据不是基于学位论文建模方法“机电系统动力学”的教学目的，它只是检验教学成果的一个指标，是实施“机电系统动力学”研究性教学与研究性学习的副产品。研究性教学的关键是学生在学习过程中主动吸收知识、应用知识、解决问题、创新等能力的明显得到提升。

五、“机电系统动力学”的教学体悟

根据“机电系统动力学”课程特点及教学中存在问题，考虑学位论文建模的需要，提出基于学位论文建模方法的“机电系统动力学”的教学目标；结合涉及机电磁固耦合耦合动力学方向学位论文选题需要，给出本科生、硕士生的选修内容；将演绎式教学与研究性教学有机结合，接受性学习与研究性学习同步实施，取得预期教学效果，达到学位论文建模的要求。通过8届学位论文指导与“机电系统动力学”教学实践，笔者认为，要有效地开展教学与学习活动，满足现代高等教育对教学与人才培养的需求，主观上要转变教学观念。不能只注重或使用一种教学模式，而轻视或放弃其他教学模式。客观上要根据学生对教学内容的需求和学生的心智水平，调整教学方法与教学内容，做到因材施教。这样就可以整合大学里蕴藏的强大的智力资源，使学生在教学实践活动中提高创新能力的同时，参与科研攻关，享受创造的乐趣。这是“以人为本，以学生为中心”的核心教育原则的必然要求，也符合科学发展观的时代要求。也是培养创新型人才和构建创新型国家的必然要求。

［1］杨志安．机电磁热耦合系统动力学［D］．天津：天津大学，2006．

［2］杨志安．基于学位论文与课程设计的“非线性振动”课程研究型教学实践［J］．唐山学院学报，2008，21（6）：1-8．

［3］胡海岩．应用非线性动力学［M］．北京：航空工业出版社，2002：2-3．

［4］邱家俊．机电分析动力学［M］．北京：科学出版社，

1992：1-2．

［5］杨志安．《力学与实践》学习与创造的源泉［J］．力学与实践，1999（1）：69-70．

［6］杨志安，毛凤萍．青年大学生的学习与创新教育［J］．唐山学院学报，2007，20（3）：115-117，120．

［7］陈敬贵，马继刚，张鲜元．高校研究性学习与创新人才培养的研究与示范［J］．高等教育发展研究，2009，26（2）：33-36．

［8］赵莉．高校研究性学习的价值取向及定位分析［J］．高等教育发展研究，2009，26（2）：30-32，36．

［9］恽瑛，张勇，叶兆宁．研究型、互动型课程模式改革的探究与实践［J］．中国大学教学，2007（5）：27-29．

［10］刘金慧．研究型教学的基本特征和传统的教学方法［J］．物理与工程，2007，17（1）：44-46．

［11］伍红林．从《博耶报告三年回顾》看美国研究型大学本科生研究型教学［J］．高等工程教育研究，2005（1）：79-81．

［12］Albanese M A，Mitchell S．Problem-based learning：a review of lifeterature on its outcomes and implemen-tatioon lasues［J］．Academic Medicine，1993（8）．

［13］Bruner J S．The act of discovery［J］．Harvard Educa-tional Review，1961（1）．

［14］Biggs J．Enhancing teaching through constructive a-lignment［J］．Higher Education，1996（6）．

［15］刘伟忠．研究型教学中的难点与实施重点［J］．中国高等教育，2006，24（4）：48-50．

［16］刘智远．论高校研究性教学与研究性学习的关系［J］．中国大学教育，2006（2）：24-27，34．

［17］孙元清．对研究性学习和研究性教学实践的反思［J］．化学教学，2004（12）：1-3．

［18］许晓东，冯向东．理工科本科研究性教学模式的研究与实践［J］．中国大学教育，2008（11）：9-13，24．

［19］迈克尔．J．普林斯，理查德．M．菲尔德．归纳式教学法的定义、比较与研究基础（上）［J］．王立人，译．高等工程教育与研究，2009（3）：15-28．

［20］席晓燕．发电机组故障运行机电耦联扭振研究［D］．唐山：河北理工大学机械工程学院，2005．

［21］崔一辉．RLC电路弹簧耦合系统非线性动力学研究［D］．唐山：河北理工大学机械工程学院，2006．

［22］李高峰．皮带驱动机构非线性动力学研究［D］．唐山：河北理工大学机械工程学院，2007．

［23］贾尚帅．微电子机械系统非线性动力学研究［D］．唐山：河北理工大学机械工程学院，2008．

［24］赵雪娟．非线性弹性地基上矩形薄板的参数共振［D］．唐山：唐山学院土木工种程系，2004．

［25］李志永．非线性弹性地基上矩形薄板的强迫振动［D］．唐山：唐山学院土木工程系，2004．

［26］韩彦斌．弹性地基上材料非线性矩形板受参强联合振动非线性振动研究［D］．唐山：唐山学院土木工程系，2005．

［27］贾彩利．非线性特性地基上圆形薄板受参强联合激励非线性振动研究［D］．唐山：唐山学院土木工程系，2005．

［28］王明．移动磁场作用下通电导线受温度影响的非线性动力学分析［D］．唐山：唐山学院土木工程系，2008．

［29］郝卫红．温度场磁场联合作用下载流铁磁梁式板动力学研究［D］．唐山：唐山学院土木工程系，2008．

［30］李智余．RLC电容式传感器耦合振动原理及其应用［D］．唐山：唐山学院土木工程系，2009．

［31］李舒畅．磁致伸缩梁柱在交变电磁场作用以下非线性特性研究［D］．唐山：唐山学院土木工程系，2009．

（责任编校：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

河北省教育厅科学研究计划（SZ2010326）；唐山学院教育科学研究基金项目（2011－2）

杨志安（1963－），男，河北秦皇岛人，教授，博士，主要从事机电系统动力学研究。