专业型动力机械强度与振动课程教学模式的创新与实践

◆张建平 李 斌 白云飞 王 帅

专业型动力机械强度与振动课程教学模式的创新与实践

◆张建平 李 斌 白云飞 王 帅

随着全日制专业型硕士研究生规模的不断壮大，培养模式中存在的问题也日益突出。为健全专业型硕士研究生培养机制，以动力机械强度与振动课程教学为例进行探讨，通过明确课程定位、引入科研实践案例以及提供产学研合作平台等手段，培养学生实践能力和创新应用能力。

动力机械强度与振动；专业型硕士研究生；课程教学；科研实践案例；产学研合作平台

“动力机械强度与振动”是上海电力学院 （下文简称“我校”)动力工程专业学位硕士研究生培养方案中的专业学位课程，不但涵盖了本科阶段的相关力学基础知识，而且侧重于以动力机械作为对象，介绍动力机械振动基本理论和模式、疲劳寿命预测、可靠性设计和有限元分析等内容，为培养本学科研究生掌握动力机械及工程方面的专业知识、培养从事动力机械及工程设计、教学和科研的高级专业技术人才提供坚实的理论基础。目前在上海交通大学、上海理工大学、天津大学、西安交通大学、大连理工大学等高校已对研究生开设了相关的课程，并结合了自己学校的特色。

随着我国教育事业的快速发展，研究生的教育结构也出现了显著的变化，专业型硕士的比例不断增加，使得研究生教育传统模式的缺点越来越突出，如教学模式单一，难以引起学生的学习兴趣，以至于极大地禁锢了学生的思维。其次，对于专业硕士的培养，往往是通过学术硕士培养模式的简单转移，理论讲授偏多。此外，社会导师的引入和使用上的不足也直接导致了理论知识与实际的脱节，使得学生实践能力不足，难以满足社会的要求。

“产学研”联合培养模式是以科研项目作为纽带，以科研基地作为依托，多方合作、联合科研、动态管理的培养机制。不仅能使研究生通过产学研合作项目积极参与企业的技术改造以及引进技术的消化吸收，将积累的知识和技术以科研与工程实例的方式融入课堂教学中，大大丰富和优化了教学内容。而且，在产学研合作项目的实施过程中，能充分调动和激发研究生参与科学研究的积极性和创造性，极大地提高了他们的书本理论知识应用能力，提升了创新能力以及服务经济社会发展能力，在应用型人才培养方面做出了自己的贡献。

因此，为健全专业硕士刚性考核的培养机制，全方位培养符合社会需求的优秀专业型研究生，提高课程教学质量，首先通过结合培养目标，明确课程定位，其次通过结合专题研究提升学生创新能力，最后借鉴欧美发达国家所普遍采用的“产学研”人才培养方法对“动力机械强度与振动”课程教学模式的转型进行探讨。

一、结合培养目的，明确课程定位

结合学校突出的电力背景，动力工程专业学位点主要面向动力工程领域技术开发与应用、技术攻关与改造、新技术的推广应用，紧密围绕电力清洁生产与能源高效利用、电力环境保护与污染物控制、发电设备故障诊断与可靠性分析等专业方向，培养基础扎实、素质全面、工程实践能力强，并具有一定创新能力的应用型、复合型高层次高级工程技术人才和工程管理人才。

“动力机械强度与振动”作为动力工程专业型硕士的一门专业学位课，是该专业工程技术人员基本知识的重要组成部分，是连接基础课和专业研究内容的桥梁。为迎合动力工程专业硕士培养目的并结合校电力特色，本课程在介绍汽轮机、锅炉、风力机叶片等方面知识的基础上，着重讲解具有电力背景科研实践案例，为研究生今后的科研打下坚实的理论基础。

二、专题研究，提升专业硕士创新应用能力

枯燥的理论知识不仅难以让学生接受，而且模糊抽象的知识体系更是让学生难以掌握，以至于大部分学生对课堂教学失去兴趣，无法将所学到的知识运用到实际研究中。因此，一方面基于专业型研究生创新能力薄弱，理论与实践脱节的问题，另一方面为提高研究生对知识的消化和运用能力，对“动力机械强度与振动”教学模式进行优化。通过专题案例教学，引入工程实践中的案例，采用现代多媒体教学模式，形象具体地展示科研案例的处理过程，可以让学生通过有趣的案例情境来系统地分析、归纳、思考，从而消化和巩固理论知识。

为此，结合“动力机械强度与振动”课程特点和学校办学特点，引入真空荧光显示器 （Vacuum Fluorescent Display,VFD)寿命可靠度研究和风力机叶片流固耦合振动特性研究两个科研实践案例，将课程所涉及的动力机械设备可靠性检验和设计、力学性能以及振动特性等原理生动地展现出来，并以小组协作，分组讨论和展示的方式引导学生进行思考，提高学生对知识的转换能力以及解决实际问题的能力。

1.VFD寿命可靠性研究

可靠性问题最初在航空技术领域和电子技术领域提出，后逐步发展到机械领域，它的理论基础是概率论和数理统计。可靠性研究目的在于提高产品质量，提高经济效益以及产品的技术水平和科学研究水平。衡量可靠性的标准有概率指标和寿命指标。本课程通过引入VFD寿命可靠性研究的案例，介绍和分析了数理统计方法应用于实际问题的途径，使学生易于接受和理解研究机械设备可靠性的理论方法并培养学生实际应用能力。

平板显示已经成为未来电视的主流是大势所趋，其中，VFD是一种自发光的从真空电子管发展而来的平板显示器件，具有高亮度、高对比度、显示清晰、可靠性高以及寿命长等特点。随着VFD的普及，对其安全可靠性的研究愈发重要。图1展示的是通过数理统计中的威布尔函数和极大似然法对VFD伪失效时间进行概率统计的结果，以及基于置信区间方法对伪失效时间统计的可靠度检验。这一案例向学生充分展示了经典理论知识与实际问题的结合方式，图文并茂的多媒体教学方式，给枯燥的理论知识注入了新的活力，这无疑能极大地引起学生的学习兴趣，激发他们的创新能力。

图1 威布尔分布下VFD的可靠度曲线

2.风力机叶片流固耦合振动特性研究

振动往往对动力机械设备的危害较大，如破坏结构强度的正常工作条件、影响设备精度以及引起结构噪声等。尤其是当引起共振时，其后果就更为严重。因此，在动力机械设备的设计中将设备的振动性能作为一个设计目标具有十分重要的意义。

随着新能源发电的不断发展，风力发电已成为目前全球增长最快速，最具发展前景的发电方式之一。风力机组大型化尤其是海上大型机组一直是技术的发展趋势，但海上复杂的环境使得海上风力机叶片力学性能和振动特性的研究非常困难。在课堂上，通过烦琐的数学方程的推导以及矩阵的换算进行讲解通常收效甚微，让本该活跃的课堂失去了自身的魅力，也逐渐抹杀了学生对学习的兴趣。相反，通过实践案例的方式，结合相关仿真分析软件，将抽象的数学模型可视化，以更加接近实际情况的模型来研究和分析问题能极大地激发学生的热情，引导学生深入思考，获得更好的教学效果。通过图2可知，采用ANSYS Workbench仿真分析软件将复杂的结构域与流体域方程转化为实体三维模型，更能直观地理解风力机叶片所受流固耦合的情况，其与枯燥的文字描述相比更加油说服力，更能为学生所接受。

图2 外流场及内流场三维模型

三、提供产学研合作平台，培养研究生实践能力

实践是检验真理的唯一标准。为提高研究生的创新能力以及迎合社会企业对专业型硕士的要求，提供产学研合作项目，将拥有丰富教学资源的高等院校、以生产实践为主的企业以及有丰厚研究经验的科研单元有机地结合起来，提供以“生产—建设—服务”为第一线的实践，集合各方优势提高研究生的创新应用能力。此外，通过产学研项目的合作，还能加快企业核心技术的创新和学校资源的积累与建设。

产学研项目联合培养的成果在学校动力机械及工程专业已取得了较好的效果。结合学校教学背景和本专业特点，已拥有多个社会企业提供的实践平台。自本专业引入产学研合作项目以来，已经顺利毕业了硕士研究生50余名，获得用人单位的认可，部分已成为所在单位的技术活教学骨干，期间已发表多篇高水平SCI文章，获得多项国家授权专利。一方面提高了研究生实践和创新能力，另一方面极大地推动了动力机械及工程专业的发展。此外，与多家企业完成了多项合作项目，极大地推动了企业核心技术的研发进度，为企业带来了经济和社会效益。

由此可见，通过产学研合作平台的建设，形成了企业、高等院校和科研机构联系的纽带，不仅一定程度上完善了我校研究生尤其是专业型研究生的培养机制，以用人企业要求培养了许多实用型优秀人才，大幅度降低企业对“新人”再次培训花费的资源，而且，可实现参与者的多方获利，推动研究生教育事业的发展。

四、结语

专业型硕士人才的培养方案应以社会需求为导向，通过制度创新、教学模式创新，达到提高专业型研究生培养质量的目的，为专业型硕士研究生创新教育营造一个激发式的环境和立体的支撑。通过教学实践，得出以下几点经验：

1.在建立课程教学体系时，巧妙地结合高校教学特色，能最大限度地利用高校现有的教学资源，有效地推动课程的建设。此外，明确课程定位并结合本专业培养目的，使得专业型硕士研究生的专业性更强。

2.结合课程内容，通过引入与实际技术问题息息相关的科研实践案例，不仅能使学生更容易接受课堂上所讲授的理论知识，而且通过与实践的联系，极大地提高了他们的实际应用能力和创新能力。

3.为迎合社会对实用型人才的需求，基于高等院校、科研机构以及社会企业的综合平台，提供与专业相关的产学研合作平台，丰富学生的实践经验，在实践过程中能根据需要选择性地补充和加强自身的知识体系和结构，与社会需求相结合。

[1]闻晓波，冉旭华,朱战波,等.基于产学研联合的兽医专业硕士人才培养模式研究[J].畜牧与饲料科学,2015,36,(5)：98-100.

[2]张建平,韩熠,徐达成,等.动力机械强度与振动课程教学模式的研究和实践[J].新课程研究,2014,(8)：106-109.

[3]王明武.动力机械强度[M].北京：国防工业出版社,1990.

[4]岳学军,燕英伟,全东平,等.产学研模式下提高专业硕士研究生创新能力的研究[J].湖南科技学院学报,2014,35,(5).

（编辑：郝 婵）

本文系国家自然科学基金项目“磁场环境下静电除尘器中PM2.5捕集的多场耦合机理与PIV实验研究”(编号：11572187)、上海市教育委员会科研创新项目“磁场和扩散荷电对ESP中PM2.5捕集效率影响的机理研究”(编号：14ZZ154)、上海电力学院2015年度研究生课程建设项目“动力机械强度与振动”(编号：YKJ-2015004)的研究成果。

张建平，男，博士后，上海电力学院能源与机械工程学院教授。研究方向：新能源装置中关键部件的力学行为分析、储能技术、电磁除尘技术、机电产品寿命预测与可靠性分析、复合材料性能预测与优化设计；李斌，男，上海电力学院能源与机械工程学院硕士研究生。研究方向：新能源复合材料性能预测与优化设计；白云飞，男，上海电力学院能源与机械工程学院硕士研究生。研究方向：电磁除尘技术；王帅，男，上海电力学院能源与机械工程学院硕士研究生。研究方向：电磁除尘技术。

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1671-0568（2015）35-0057-03