结构动力学课程多元化教学方法创新机制_教学方法多元化

结构动力学课程多元化教学方法创新机制

中图分类号：TV311文献标志码：A文章编号：
10052909（2015）02004706 结构动力学着重研究结构对动力载荷的响应，它不仅是 结构抗震、抗风、抗爆分析以及结构振动控制、健康监测等 课题研究的基础，也是土木工程从业人员需要掌握的重要专 业知识，结构动力学已成为土木工程专业的一门重要课程。

随着超限及重要建筑的大规模建设，工程界对动力问题越来 越重视，结构动力学知识逐渐成为评价土木工程技术人员专 业能力的重要指标。

结构动力学分析在弹性抗力之外附加了与时间相关的 惯性力和阻尼力，因此其求解过程比相应静力问题复杂得多 [1]。结构动力学涉及动力及随机问题，具有概念多抽象、 公式多冗长、求解多繁琐的特点，传统的以“课堂”“教师” “书本”为中心的“三中心”教学方式，往往不利于学生对 理论知识的理解和掌握，达不到令人满意的教学效果。如何帮助学生从本质上理解工程问题、从而创新解决工程问题成 为结构动力学课程教学中亟需解决的问题。

其他学科的实践表明，走出“教师控制课堂”教学模式， 采用理论结合实践的方法，对帮助学生理解力学概念、激发 学生的自主学习兴趣有很大促进作用。结构动力学不仅理论 抽象难懂，在应用方面也涉及测试技术、数学建模和数值模 拟等技术性较强的工作。将结构动力学理论与实践相结合， 变静态封闭的教学为动态开放的教学，运用“多元化”教学 方法 引导学生“主动参与、乐于探究、勤于动手”成为结构 动力学课程教师面临的巨大挑战。同济大学土木工程学院在 多年的结构动力学课程教学中，做了许多有益的尝试。本文 从课堂形式、仿真试验、现场实践等方面对结构动力学课程 的“多元化”教学方法做了探讨。

一、丰富课堂教学形式 （一）合理安排教学内容 结构动力学与工程实际有着十分密切的联系，它在结构 工程、防灾减灾工程及防护工程、地震工程、风工程等领域 都有十分广泛的应用。该课程在教学内容上重视基础理论和 基本概念，同时也注重理论和概念的工程应用，以土木工程 的动力问题为依托讲授结构动力学。例如，通过单自由度体 系、多自由度体系和分布参数体系的系列介绍，使学生系统 掌握结构动力学的基本理论和分析方法；
通过结构动力问题分析中的数值分析方法、离散化分析的系列介绍，使学生初 步具备分析和解决理论和实际工程问题的能力；
通过介绍若 干重要的前沿研究成果，使学生能及时了解到结构动力学研 究领域的前沿信息。同济大学土木工程学院的结构动力学课 程共计34学时，教学进度见表1。

（二）采用多样化教学形 式 教与学是矛盾对立统一的双方，教师在教学中起主导作 用，但教学目标的实现是要通过学生来完成。在课堂上采用 更为合理的“研究性学习法”，可以促进矛盾双方的转化， 将学生的被动学习转化为主动求教，被动接受转为主动探索， 对培养学生创新思维和宏观把握问题的能力十分有益。

多媒体教学具有独特的优势，好的课件可以达到事半功 倍的效果。教师课件应简洁明了，条理清楚，重点突出，同 时图、文、声、像并茂，以吸引学生兴趣，激发学生学习热 情。另外，还可适当开展一些师生互动的教学活动，比如学 生分小组讨论、PPT汇报等。让学生走上讲台，不仅能开阔 学生的专业视野、活跃课堂气氛，也能使学生掌握讲稿课件 的制作方法，锻炼语言表达能力，为以后课题及专业汇报奠 定基础[2]。

（三）结合计算机仿真技术 在当今时代，掌握计算机编程技术及专业软件分析和评 估数值模拟结果尤为重要。结构动力学课程中，学生对大型 工程的动力分析往往难以理解，实验条件的不足和较高的实验费用，又使得学生难以通过实验直观地了解结构在动力荷 载作用下的反应。课堂上向学生展示计算机仿真试验，一方 面可以帮助学生更好地理解动力学概念，从宏观上把握问题， 另一方面也能为学生应用结构动力学有关公式和方法编写 计算机程序、设计和分析动力问题奠定基础。

ANSYS是一种大型通用有限元软件，其界面直观，前后 处理功能强大，可以对房屋建筑、桥梁、隧道以及地下建筑 物等工程结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及 各种动力特性做出全面分析。[3]其直观形象的图形显示和 快捷的建模功能可以将抽象的数据转化为形象生动的图形， 结构的变形、位移及应力分布结果都能通过图像和图表表达 出来，可视化效果优越。在课堂上向学生展示计算机仿真试 验的分析结果及响应动画，可使学生对结构动力特性及动力 响应有直观的认识，对结构动力学的工程应用有切身的体会。

本文以八层框架结构的模态分析和时程分析为例进行 介绍，结构的ANSYS有限元模型如图1所示。在结构动力学理 论中，多自由度体系的无阻尼自由振动运动方程可写成为：
对实际工程问题，一般难以采用手算对上述方程进行求 解，借助计算机软件是最有效的手段。在ANSYS提供的模态 分析方法中，一般情况下可使用Block Lanczos法、Subspace 法、Power Dynamic法及Reduced法等。本例采取Block Lanczos法进行结构动力特性分析，得到结构自振频率如表2 所示，各阶振型如图2～4所示。时程分析方法是一种直接动力方法，它加速度时程直接 输入到结构中，采用逐步积分的方法进行结构的动力分析， 可以得到各个时刻结构的内力、位移、速度和加速度等反应。

通过时程分析，得到结构顶层加速度时程和层间位移包络图， 分别如图5和图6所示。

通过在课堂教学中演示上述案例，可使学生对结构振 型的概念有较清晰的认识，对结构在地震作用下的时程响应 有较宏观的把握，对应用结构动力学知识解决实际工程问题 有直观的认识。

二、引入开放性的研究课题 在课堂上引入具有一定开放度的研究课题，不仅给学生 提供活学活用的空间，有利于学生加深理论认识，而且能提 高学生实际提炼问题、分析问题、解决问题的能力，有利于 培养学生的创新思维，对其将来从事工程设计工作和理论研 究工作都有很大的帮助。

在教学中，教师应引导学生围绕一个共同的任务进行探 索，通过查阅多方面资料，进行积极主动的学习。该方法能 充分发挥学生的主体作用，引导学生在完成既定任务的同时 进行自主实践。本文以“由El centro-NS地震波原始加速度 时程记录求相应速度及位移时程”的任务为例作综合介绍。

学生课后参阅相关文献，自主完成任务。从强震数据库 中可获得原始El Centro-NS加速度时程，如图7所示。通过 参阅文献，可知目前地震动采集的数据大都是以加速度时程的形式给出，而速度和位移时程通常由加速度积分获得。由 于受到采集仪器低频噪声、环境背景信号、人为处理误差及 初始加速度等的影响，由积分得到的速度和位移时程常会发 生基线飘移现象，因此加速度记录一般要先进行校正。目前 加速度记录基线校正大致有基线初始化、调整加速度记录和 滤波等方法。加速度时程校正完成后，即可对其进行数值积 分，得到速度和位移时程曲线。

利用SeismoSignal软件对El Centro-NS原始地震动记录 进行滤波处理，并进行积分运算，求得El Centro-NS地震波 速度和位移时程，分别如图8和图9所示。可见，基线校正后， 在地震动末尾部分，地面运动的速度时程曲线趋于零，位移 时程曲线也趋于零，即速度和位移的基线飘移现象基本消除。

三、课堂教学与现场测试相结合 结构动力学是一门综合性和系统性很强的课程，在强调 基本理论的同时，有必要重视实际应用技能的培养，建立与 课程相配套的实践环节。现场振动测试是与科研和工程密切 相关的一种专业技能。在教学过程中，通过现场振动测试， 既能锻炼学生使用仪器的技能，又能提高学生搜集数据、处 理数据和撰写报告的能力。从教学时间、上课人数、成本费 用及教学效果等多方面因素综合考虑来看，现场振动测试是 结构动力学课程教学中切实可行的实践方法。现场振动测试 应具备功能先进、使用方便、价格合理的测试仪器。几种相 关测试仪器见表3。本文以一项结构动力特性现场测试实例为背景作相关 介绍[5]。结构物的自振频率、振型、阻尼比是表征结构动 力特性的基本参数，确定这些动力特性参数，是进行地震反 应分析的一个基本条件。本振动测试中，首先获取一幢钢框 架结构连廊的脉冲响应，然后对信号进行分析处理，以估计 结构的自振频率。本实践活动可使学生参与现场振动测试， 提高其振动信号采集及信号处理的能力，加深学生对真实结 构动力特性的认识。

现场测试仪器为美国凯尼公司生产的Basalt 型数字记 录器。该仪器适用范围广，可以用于自由场、强震台网、公 路铁路、水库电站等多通道监测。测试对象为同济大学某幢 教学楼的钢结构连廊。连廊实物如图10所示。

在实践教学中，学生首先在教师的指导下制定测试方案， 然后在预定的测点放置强震仪进行信号采集。本次测试设置 仪器的采样频率为200Hz，采样时间为100s。由学生查阅文 献书籍自主完成对测试信号的数据处理。本测试考虑到仪器 在测试过程中会受到电压及环境温度的影响而产生“趋势 项”（即信号幅值不在零线附近波动），故通过三次多项式 拟合的方式对原始信号做了处理，以去除趋势项。原始信号 与处理后的信号如图11和图12所示。测试过程中常会受到人 员走动等环境干扰，故在分析过程中对信号做了滤波处理。

对去噪处理后的信号进行傅里叶变换得到傅里叶幅值谱，如 图13所示。通过傅里叶幅值谱，可以初步判定结构的前三阶频率分别为6.75Hz、10Hz、13Hz。

通过该实践教学，学生对振动测试仪器的使用有了一定 掌握，对滤波、FFT变换等信号处理方法有了初步的了解， 对结构动力特性和频域分析方法有了更全面的认识。

四、结语 本文探讨了结构动力学课程打破传统模式、开展多元化 教学的方法。结构动力学课程课堂教学仍是主体部分，教师 应合理安排课程内容及进度，结合多媒体课件、PPT汇报、 计算机仿真实验等方法，引导 学生深入理解和掌握理论知识，改善课堂教学效果。同 时，在课程教学中应引入开放性课题，培养学生独立思考和 解决问题的能力，引导学生由被动学习变为主动求教。另外， 在课程实践中应制定切实可行的实施方案。本文探索了一种 将课堂理论教学与现场测试相结合的实践方式，并对具体环 节做了介绍。即以三维框架结构的ANSYS数值试验、地震动 加速度时程的获取与处理、结构动力特性的现场测试为例， 从课堂教学、研究性学习、课外实践等方面探讨了结构动力 学课程的多元化教学方法。参考文献：
[1]R·克拉夫，J·彭津. 结构动力学[M]. 2版. 北京：
高等教育出版社， 2010. [2] 赵红华，陈丽华. 将加强学生能力培养的要求贯穿 于教学环节中[J]. 中国林业教育，2011， 29（1）：
60-62.