军工专业研究生基础实验教学的探索

杨国来 任杰 乔莉 徐强 徐军 英瑞

摘要：本文以研究生基础实验课《武器典型结构模态测试与分析实验》为例，探索军工专业研究生基础实验教学的方法。对当前军工专业研究生实践教学中存在的教学方法缺失、内容不合理、制度不当等现象进行了反思，在实验教学思路、实验内容拟定、课程建设团队构成等方面进行了探索实践，通过教学实践证明，取得了良好的效果。

关键词：实验教学方法；研究生培养；工程实践能力；科研能力

中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）22-0273-03

培养优秀的高层次创新型人才成为我国高等教育事业的当务之急，而研究生教育正是培养高层次创新型人才的重要途径。在研究生的培养过程中，一个重要内容就是对科学的思维、创新的精神和具体实验技能的培养[1]。对教育工作者而言，如何提高研究生包括实验能力在内的各项科研能力，是我们的重要研究课题。研究生的科研能力，来自理论知识的积累、学位论文的研究、实验技能的训练三个方面。以往的教学中，都对前两者较为重视，对实验技能的训练则缺乏足够的投入，造成培养的研究生存在眼高手低的情况。针对这个情况，近年来，我校结合学校军工特色，在对军工专业研究生培养中，适时加入了《武器典型结构模态测试与分析实验》等基础实验课程，有效地提高了研究生的实验技能，锻炼了他们的工程实践能力，为今后从事科研工作打下了良好基础。

一、研究生基础实验教学现状

在国内高校的研究生实验教学中，普遍存在着重理论轻实践的情况，直接导致实验教学不被重视，甚至被认为是可有可无的[2]。主要存在以下几个方面的问题：

1.对基础实验的不重视。高校在设立研究生基础实验课时，就没有对其采取足够的重视，将其作为一个附属，而缺乏配套的教学设置[3]。这就直接造成理论教学与实验教学间缺乏连贯性、系统性。另一方面，研究生自身对实验的重要性也缺乏认识。研究生本身的重视程度不够，许多研究生是“从校门进校门”的大学生，尚未认识学习理论知识与学习实践知识的关系及各自所起的作用，所以经常会抱着应付的态度。

2.实验内容设置的不合理。研究生通常来自于不同院校、不同专业，有些跨学科的学生对新专业并不是太了解，所以导致他们的实验水平参差不齐[4]。过去在研究生实验教学中，习惯采用一鍋端的办法，不论水平、研究方向的差异，都上同样的实验课，没有因材施教，造成一些学生在实验中学不到东西。实验设置的不合理还体现在内容的过时上。随着科技飞速发展，新的实验设备、方法层出不穷，而一些实验教学中，还在固守陈旧过时的设备、手段，显然对研究生的培养是不利的。

3.实验教学方法的缺失。在目前的研究生实验教学中，仍然存在这样的情况：老师规定好实验步骤，学生循规蹈矩地按照实验步骤操作，做完实验，脑子里还是空空的，没有自己的思考。这样的实验，充其量只是低水平地重复，而没有锻炼研究生的思维水平和实验技能，明显不符合培养研究生科研能力的要求。

4.实验室管理制度的不当。目前在多数院校中，用于教学的实验室和用于科研的实验室会被割裂开，部分研究生导师为了科研项目，也会购置一些先进的科研设备，但都处在各自为政的状态。这就导致：一方面，一些实验仪器重复购置，造成浪费；另一方面，一些较为先进的设备仪器却未能发挥应有的作用，使用率低下，不能起到提高研究生实验水平的作用。

二、对军工专业研究生实验教学的探索

笔者自2004年至今承担研究生专业选修课《发射装置实验与机电检测技术》的教学工作，组织完成了南京理工大学研究生基础实验教学平台“兵器类基础实验教学平台”的建设，期间建成了实验系统“冲击及碰撞过程模拟实验”和“振动模态测试与分析实验”两套实验系统，可以说对军工专业研究生的实验教学有了一定的实践经验和思考。如何解决研究生实验教学过程存在的问题？对于军工特色专业的研究生，又该怎样用实验教学提高他们的科研能力？笔者结合自己的实践与思考，谈谈我校在这方面做出的努力。

1.强化教学团队建设。我校在搭建研究生基础实验教学实验系统时，精选了一些在一线带研究生的教师，这样，实验教师就能够根据专业实际和研究生科研能力提出实验对象和实验环节中需要培养的能力。例如，模态实验的结构件都是由各专业教师提供的典型构件（如火炮身管、火箭发动机等）。再如，由于前期研究生实验环节缺失，造成大量的学术论文停留在数值模拟上。有些专业的导师就提出在实验中加入仿真环节，能否通过模态实验来验证计算结果，这些都是团队建设加强的益处。

由于研究生管理人员一直参与在课程建设之中，在课程建设大纲、实验教学大纲、研究生实验指导书和报告的编制和撰写中在规范性、合理性方面得到直接的建议，减少了教学文件编制过程中的弯路。同时，由于管理人员能够在这一过程中得到课程建设进展的第一手资料，对于课程中的难点、缺什么、进一步向什么方向发展有可靠的信息，这就为该实验课程进一步提升给予政策方面的指导。在学时、学分、实验教学工作量分配方面直接给予调整和协调。

2.精选实验教学内容。在“研究生基础实验教学实验系统”构建时，我们广泛征求了军工专业研究生导师的意见，对将进行建设的内容进行了研讨，最终确定以兵器设计中的“结构撞击”和“振动模态”两个最典型现象的实验研究为建设重点，因此形成了非常明确的建设目的，这使得建设后能够迅速形成实验教学能力，得到研究生和指导教师的认可。该实验系统对提高研究生的实验动手能力和提高毕业论文质量有重要意义。

实验教学必须为研究生的发展服务。军工专业的研究生，是为了适应新形式下国防建设需要，为国家培养的武器研究人才。在进行内容选择时，我们充分考虑了本学科的实际情况，在进行“振动模态”实验时，根据武器类专业各具体方向，抽取各专业方向的典型装置或结构部件，通过振动测试及模态分析系统获得被试典型结构的各阶模态进行响应分量及总响应；求出各阶模态的最大响应值及某点的最大响应值；在激励频率已知的受迫振动中，分析系统能否发生共振；获得系统的动态特性，通过调整系统的某些参数（如质量、阻尼率、刚度等），使动态特性达到最优或使系统的响应控制在所需范围内。通过实验可以使研究生掌握模态分析的基本方法、仪器设备的选型与配置、典型武器结构或部件的模态特征以及实验结果在结构设计中的应用途径。

3.丰富实验教学方法。教学方法是实验教学的关键。研究生的培養目标是成为独立从事科研工作的个体，因此研究生的实验教学不能停留在传统的教条式层面上。丰富、有效的教学方法就不可或缺。我们在构建“兵器专业研究生基础实验教学实验系统”时，充分考虑到一些学生的本科并非兵器专业，对一些军工专业常用的软件、实验方法也不甚了解。因此，我们在实验前，对其基础理论、常用方法进行了介绍，使他们有了一个感性认识。做实验之前，指导老师对学生提出实验方法、目的及要求，但并没有给他们具体的步骤。在实验中，按照学生层次水平不同进行分组，各组一般为3至4人，由一名水平较高的学生组织实验。实验中大家可以互相交流，激发思维，真正动脑思考怎样做实验。指导老师会适时督促，对实验中存在的问题进行启发、引导，使学生能够举一反三。我们希望藉此让学生认识到，实验本身就是一种探索，有方法但不是只有一个标准答案，鼓励他们去思考、创新。在实验任务中规划了两个部分，一是“规定动作”，即学生来自哪个专业必须完成本专业模型的模态实验；二是“自选动作”，实验室购置了大量的积木式组合模型，学生可根据自己想象搭建模型，并进行模态实验，同时可以通过添加或减少部件对不同模型进行模态比对实验。

4.完善教学评价方法。为了保证实验教学体系正常运行并能及时改进，应当建立顺畅的教学评价、反馈机制。通过成绩评价，可以督促学生端正实验态度，自觉学习实验技能；通过信息反馈，可以及时调整教学计划、健全教学机制，从而使整个教学体系形成一个良性循环。在成绩评价中，我们采取了较为灵活的方法。振动模态实验中，我们要求学生用实验测出构件的模态参数，然后用仿真软件进行模拟，对二者进行比较。传统的教学总会设定一个标准答案，但实际上，这禁锢了学生思维的拓展，我们在成绩评定时，并不完全只看结果，而是结合学生在实验中的表现，包括他的基础、他付出了怎样的努力、有没有提出一些有见地的看法、查阅的资料是否丰富等等，综合考虑后给出一个合理的分数。分数作为一个工具，教师应当用来奖励先进，督促落后。在振动模态实验中，我们要求测量质量矩阵块的模态，学生可以利用质量块和铁杆自由构建出不同的矩阵块，他们搭建的模型越复杂，越有新意，就应当给予较高的分数。同时鼓励学生将实验与数值仿真相结合，在实验报告中能够同时给出实验和仿真结果的同学将获得高分，图1和图2就是学生提交的实验与仿真结果。

三、意义与心得

笔者参与建成了实验系统“冲击及碰撞过程模拟实验”和“振动模态测试与分析实验”两套实验系统，为我校机械工程学院兵器类研究生开出振动模态实验课程，在国内设立兵器类专业的高校中尚无类似实验课程。该实验课程依托我校唯一的兵器专业研究生基础实验平台，可直接服务于培养兵器专业研究生工程实践能力。它能够支撑《火炮系统分析与总体》、《火炮设计理论》、《火箭发射系统设计》等十余门研究生课程，可以为国家级重点学科兵器发射理论与技术、火炮自动武器与弹药工程，以及多个国防重点专业的研究生培养服务，主要用于系统动力学、实验模态分析等方面的研究，通过拓展也可为民用机械类专业研究生服务。课程的建立有助于研究生由课程学习向课题研究的过渡，并缩短进入研究课题的准备时间，提高研究生培养水平。

通过研究生基础教学实验平台一期投入建设，完成三套模态实验系统，列入我校机械工程学院兵器专业研究生实践教学环节，每年度选课研究生人数85人左右，目前已完成的研究生教学实验超过350人次。

在振动模态实验中，实验报告中最后一个题目是请学生写出实验体会，下面摘抄了一些体会：

“在实验操作过程中增强了团队合作意识和与人沟通的能力。”

“通过这次实验，我更加体会到了动手能力的重要性，有很多事情看起来很简单，但实际动手操作却发现问题很多。在操作中出现的问题都是书本上找不到答案的，只能发挥自己的主观能动性解决问题。”

“实验中细节很重要。”

“本实验是一次动手实操物理实验，在现今的教育教学体制下，试、训、研结合起来，对科研的帮助很不一般。”

“通过模态实验及分析软件将复杂的振动情况直观地显示出来，观察各物体的振型可知，其振动情况并非我们所想的那么简单，有些甚至超出了想象范围。”

“该实验方法给以后自己所要研究的特征值计算问题提供了方向。”

通过学生的反馈，我们了解到，研究生通过参加实验，锻炼了实践能力，培养了严谨的工作作风，弥补了实验训练环节的不足，对他们提高专业必修课相关知识点的深化理解以及在科学研究中的主动性有着极其重要的意义。同时，这为培养学生的动手能力与创新能力提供了一个很好的平台，为培养我国优秀的军工专业人才奠定了优良的物质基础，具有巨大的潜在军事效益与社会效益。

四、结语

实验教学是研究生培养中重要的一环，在国内知名高校中，如哈尔滨工业大学、同济大学，都将实验课作为研究生必修课程，同时鼓励学生跨学科选修实验课。我校在近些年的实践中也愈发认识到实验教学对研究生培养的重要性。通过我们的努力，我校军工类研究生通过实验，他们的工程实践能力、具体实验技能、组织能力、团队协作能力、动手操作能力、语言表达能力都有了较大提高。一些学生在掌握振动模态实验的基本方法后，将其引入到论文研究中，如研究生根据模态分析理论，对某火箭系统进行了实验模态分析。用实验值验证了有限元计算，也证明了火箭系统的动态特性满足设计要求，取得了较好的效果。但是，由于实验设施、师资力量的限制，怎样用有限的教学资源，使尽可能多的研究生提高工程实践能力，仍然需要我们持续不懈地努力。

参考文献：

[1]崔玉芹，毛晋昌.用新思路建设和管理实验室[J].实验技术与管理，2005，22（3）：12-14.

[2]李彦文，张娜，尹华，莫测辉，薛枫.环境专业硕士研究生实验教学探索[J].实验技术与管理，2010，（277）：148-150.

[3]钟国清，蒋琪英.化学类研究生实践能力的培养[J].实验室研究与探索，2010，29（4）：115-118.