结构动力学在船舶与海洋工程学科的教学探索

［摘 要］ 针对“结构动力学”在船舶与海洋工程学科中的教学现状，提出新工科背景下“船舶与海洋工程结构动力学”课程的教学探索。以结构动力学理论基础为着眼点，结合多元化的思政元素、先进的数值计算技术、典型工程应用案例及双语教学，以循序渐进的授课方式开展“船舶与海洋工程结构动力学”课程的讲授，使学生提高对专业研究领域的兴趣、掌握结构动力学理论基础以及具备解决工程问题的科技创新能力，培养适应新工科发展的国际化专业人才，培养学生为实现中华民族海洋强国梦而努力奋斗的爱国主义情怀。

［关键词］ 船舶与海洋工程；结构动力学；教学探索

［基金项目］ 2023年度中山大学教学质量工程建设项目资助课题“结构动力学在船舶与海洋工程学科中的教学改革与探索”（76170-12220011）

［作者简介］ 吴晓笛（1987—），女（满族），黑龙江哈尔滨人，博士，中山大学海洋工程与技术学院助理教授，硕士生导师，主要从事船舶与海洋工程理论研究；查若思（1992—），男，安徽潜山人，博士，中山大学海洋工程与技术学院助理教授，硕士生导师，主要从事船舶与海洋工程计算水动力学研究；黄 硕（1984—），女，黑龙江伊春人，博士，中山大学海洋工程与技术学院副教授，博士生导师，主要从事海洋可再生能源利用研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）39-0001-04 ［收稿日期］ 2023-09-22

引言

新工科背景下的高等教育通过将理论和实际应用相结合的模式，为国家科学技术发展培养高素质人才，让学生在理论知识中探索，在解决实际工程问题中积累技术经验，构建科学的思维方式和理论体系［1］。“结构动力学”作为各大理工科高等院校研究涉及工程振动问题的重要专业核心课程，在力学、航空与航天、土木建筑、交通航海等大类专业中得到广泛应用［2］。从理论角度分析，“结构动力学”是一门研究结构系统动力学响应、解释运动规律、掌握振动机理的课程，提出控制手段从而实现对结构的迭代优化设计，因此，针对不同的专业领域，结构动力学相关的课程侧重有所区别。

对于船舶与海洋工程学科来说，其结构物（如船舶、海洋平台、系泊系统、海上光伏设备等）的动力学特性具有两种特殊性：（1）复杂的载荷效应。多数船舶与海洋工程结构会受到风浪流复杂的外部非周期的激励载荷，结构物会受到来自内部运行设备的周期性的激励载荷。（2）系统结构尺度较大且复杂。LNG运输船或海上风电机组等的结构都是大型的、复杂的，因此结构的刚度、阻尼、质量等参数难以有效计算，为分析结构动力学问题增加了难度。此外，要学好结构动力学理论知识必须具备良好的数学和力学基础。因此，课程内容需要做到有效地将专业背景与理论知识融会贯通，从而提高学生学以致用的能力，最终达到提高学生创新能力的目的［3］。

中山大学海洋工程与技术学院作为新加入涉海学科的教学与科研力量，始终坚持立德树人根本任务，构建“本—硕—博”贯通的人才培养体系，将“船舶与海洋工程结构动力学”作为本研贯通课程，重视学生对结构动力学基础理论的掌握程度，同时与科学研究相结合，让学生学以致用，让理论落地，培养新工科研究生解决实际工程问题的能力。

一、“结构动力学”在船舶与海洋工程学科中的课程发展

结构动力学又称振动力学或机械振动，属于力学学科范畴中的一般力学问题，是研究外激励作用下系统结构产生的动态响应规律的学科，该课程内容不仅与理论力学、材料力学、结构力学、流体力学等多学科息息相关，还与高等数学、线性代数和数学物理方程有关［4］。随着航运事业的发展、海洋资源的开发以及建设海洋强国的迫切需求，多种形式的船舶与海洋工程新型结构被开发，基于海洋工程结构的环境载荷、动力特性及其分析研究不断深入，船舶与海洋工程结构动力学（结构振动）问题日益突出，结构动力学理论在船舶与海洋工程领域的研究发展迅速。鉴于船舶与海洋工程结构动力学问题的复杂性，要求船舶与海洋工程专业科技人员掌握更全面和更现代化的研究手段，因此，在新工科背景下对该课程提出了新要求，不仅要讲授结构动力学的理论基础，也要与常用的数值技术和工程案例相结合，培养学生应用理论知识解决实际问题的能力。

目前，我国具有船舶与海洋工程专业一级学科的各大高校都在本科阶段或研究生阶段开设与结构动力学相关的课程［5］，理论架构具有一致性，但各有侧重。例如，上海交通大学的“振动力学”课程有着悠久的发展历史，自1959年开设课程至今，在刘延柱教授、蔡国平教授等人的组织和精心建设下取得了丰硕成果，要求学生应当具备对工程振动问题正确的力学建模能力，以及运用工程振动的基本理论和分析方法解决问题的能力，着重强调基础理论的掌握；哈尔滨工程大学和华中科技大学开设的“船舶振动”课程在精细化讲授基础理论的基础上，着重强调结构动力学在船舶振动问题中的应用，尤其针对船舶总振动和局部振动分别阐述了理论的相关应用；武汉理工大学和大连理工大学则在课程建设时增加了结构动力学在海洋工程中的应用的内容，如海洋平台多自由度运动、系泊结构的涡激振动等物理问题。虽然不同高校都有相应的侧重，但是结构动力学基础理论部分都占据着相当大的学时量，从中也能看出理论基础在教学环节中的重要性，因此培养学生的科研理论思想是十分重要的，只有理论进步才能推动发展。

考虑到船舶与海洋工程专业的特征以及“结构动力学”课程对力学和数学基础要求较高，中山大学海洋工程与技术学院将“船舶与海洋工程结构动力学”作为本研贯通课程，既作为该专业研究生的必修课程，又作为该学院本科高年级学生的选修课程，不仅满足了研究生专业基础课程的建设，也为高年级本科生提供了拓展动力学知识的课程。按照课程内容可以分为两大部分：第一大部分为振动基础理论部分，该部分系统论述了线性系统振动的基本理论，简述了非线性振动理论，该部分是进一步学习和研究船舶与海洋工程结构动力学的基础；第二大部分为船舶与海洋工程典型结构动力学的分析方法，着重开展对船舶和海洋结构的动力学分析，结构辐射噪声及振动的控制问题等相关领域的研究，与理论部分的基本概念和求解方法相呼应，使该课程的内容更充实、更具体。对于理论部分的考核，主要是针对单自由度系统、多自由度系统和连续弹性体系统，采用理论计算和数值编程两种方式，实现运动时历曲线的输出，包括共振和拍振曲线的输出，使学生有效掌握结构动力学的基本概念和解析/数值求解方法的区别及求解方式的科学思维。对于工程中的典型结构，采用有限元的数值方法分析简单结构件的动力学响应（固有特性和外部激励响应）。通过以上深入浅出的教学模式，不仅让学生理解了结构动力学在船舶与海洋工程专业中的重要性，更提高了学生的数值计算能力以及解决工程问题的科学思维。

二、构建多元素相融合的课程体系

“船舶与海洋工程结构动力学”课程既包含了结构动力学相关课程通用的理论基础，又有船舶与海洋工程学科独特的应用背景，旨在让学生系统认识和掌握船舶与海洋工程结构物受载荷时的动力学分析方法，熟练掌握应用单自由度系统、多自由度系统、连续弹性体系统振动基础理论知识，理解船舶与海洋工程结构典型动力学问题的分析方法及常用的控制手段。在此基础上，将课程内容与思政元素、数值求解、工程案例及双语教学相融合，培养学生为我国建设海洋强国做贡献的诚挚热情、用先进的数值技术手段求解系统动力学特性的能力以及应用所学动力学基础理论分析典型工程案例的能力。

（一）课程与思政元素相融合

海洋与人类生存息息相关，与国家兴衰紧密相连。中山大学海洋工程与技术学院始终坚定不移地围绕国家的海洋强国战略以及背靠大湾区海洋经济建设需求，聚焦智能、高端海洋装备与技术开展应用基础研究，将课程内容与多维度的思政元素相融合，将国家大势、民族情怀、历史使命、时代责任、科学精神及专业素养等多层次的思政元素融入课堂中，如中国造船业崛起历史、国之重器三艘航母守护深蓝、“海基一号”与16兆瓦海上风电机组的投入使用、黄旭华院士隐姓埋名三十载为祖国建造核潜艇以及汪品先院士82岁9天3次深潜南海科考的伟大科学家精神等。该课程不仅要培养学生成为出色海上工人的素质和意识，也要培养学生对海工事业的热诚，坚定为建设海洋强国贡献专业能力的爱国主义情怀。

（二）课程与数值计算相融合

从结构动力学的发展历程上看，传统的结构动力学的基础理论很难应用到实际工程领域中，结构的几何构型的复杂性、边界条件和外载荷的非周期性，都使结构动力学问题具有非解析性，难以用传统的理论手段求解。但是，理论求解对于培养学生的科学思维以及对结构动力学理论发展的认知是不可或缺的，也是结构动力学的重中之重，在新工科大力发展阶段不应被忽视。在严谨地讲授理论知识的同时，结合现在的软件技术，如让学生自主学习如何应用Matlab或Python编程语言以及ANSYS或ABAQUS有限元分析软件数值求解结构动力学问题［6］，大部分学生具备自主学习商用软件的能力，且能很好地完成简单结构动力学特性的数值计算。

（三）课程与工程案例相融合

将课堂教学内容与船舶与海洋工程案例相融合，在讲授知识点的同时采用恰当的方式引出工程案例，启发学生的思考，使学生认识到结构动力学理论基础对工程的指导作用，加深对工程结构动力学问题的认识和理解。例如，在讲授结构动力学载荷识别基本概念时，结合“中山大学极地”号破冰船在渤海辽东湾执行冰区试航任务，首先提出如何确定冰载荷这一问题，引发学生思考；接着讲授该航次的做法，即在船艏肩部用传感器测量航行过程中的动力学响应，结合艏肩部的局部结构，实现冰载荷的计算。在讲授对数衰减率计算公式时，引入海上浮式平台的阻尼测量与计算案例，给予理论公式在实际工程问题中的应用价值，实现教学基本概念与工程案例的相互渗透，以期达到良好的教学效果。

（四）课程与双语教学相融合

双语课程教学是加强新工科建设、培养具备国际竞争力的高素质复合型人才的重要途径［7］，因此，探索在传统专业基础课程中增加英语授课环节是十分必要的。当代大学生和研究生的英语基础扎实，在专业课堂中增加专业英语的教学，更有利于培养学生的国际化科研思维与视野。

三、教学改革探索

（一）教学调整

中山大学海洋工程与技术学院致力于将专业发展与实际需求相结合，2023年修改培养大纲，将“船舶与海洋工程结构动力学”课程作为本研贯通课程，既满足了该专业本科生对专业课程的需求，也为学院研究生尤其是本科阶段非船舶与海洋工程专业的学生提供了专业课程的有效拓展。同时，考虑到结构动力学的理论求解涉及了偏微分方程等数学物理方法的理论知识，亟须展开板书理论推导与多媒体影像相结合的方式，化繁为简，把复杂物理机理讲简单、把难理解的公式用简便的语言讲明白，把结构动力学的理论基础与实际工程问题相结合，使学生对结构动力学的知识体系有直观的认识。

（二）改革探索

对于“船舶与海洋工程结构动力学”课程的持续建设有以下几点改进：（1）加强板书质量，提高教学课件建设；（2）加强课程思政建设；（3）开展应用数值软件的课后作业；（4）结合船舶与海洋工程实际工程案例，如大型船舶、海洋平台及系泊系统等结构动力学问题，引发学生思考；（5）翻转课堂，让学生谈一谈结构动力学的基础理论知识是如何应用到实际工程问题中的；（6）建设双语课堂。不仅带给学生新颖的课堂体验，更有益于教师了解学生对专业课程的掌握程度，学生新颖的观点也能实现教学相长。

结语

“船舶与海洋工程结构动力学”课程的教学内容应以传统结构动力学理论为基础，将课程思政、数值计算、工程案例以及双语教学与理论内容融会贯通，引入传递矩阵法、有限元法及时域逐步法等直接应用于工程的先进建模与分析方法，使课程教学内容和方法适应新工科课程教学需求。

参考文献

［1］陆泽琦，赵龙.工程实验在“高等动力学”课程教学中的应用［J］.教育教学论坛，2021（32）：148-151.

［2］张大朋，严谨.结合船舶与海洋工程专业特点的“结构动力学”课程教学［J］.科学咨询（教育科研），2023（6）：59-61.

［3］姚熊亮，杨娜娜，武国勋，等.高校《结构动力学》教学改革探索［J］.课程教育研究，2019（35）：239-240.

［4］朱仕尧.“高等结构动力学”研究生课程教学方法初探［J］.教育教学论坛，2021（43）：123-127.

［5］赵炳雄，严谨，邹律龙.《船舶振动》课程教改实践［J］.教育教学论坛，2017（6）：107-108.