单位文秘网 2021-07-19 08:07:49 点击: 次
组织学生交流、讨论,给学生提供自我学习的机会,提高学生运用知识解决问题的能力。比如:现有的地震地面运动随机模型有很多,如平稳脉冲随机过程、白噪声随机过程、过滤白噪声随机过程,一般的平稳Gauss随机过程、非平稳Gauss过程地震模型、Shinozuka地震模型等,不同的模型有各自的适应范围。教师可适时向学生介绍不同模型的优缺点,给学生1~2周的时间搜集资料,然后组织课堂讨论,向学生充分讲解地震时地面运动的随机模型。
在课程教学后期,学生的理论水平和对知识的接受吸收能力已经得到了提升,具备了自我学习和解决简单问题的能力,因此,这一阶段的教学形式可以灵活多样,可以适当让学生“变客为主”,主动投入到知识的拓展学习上来。另外,在帮助学生拓展知识面、提高学习能动性的同时,还可以培养学生主动归纳和实践工程结构随机振动知识的意识,让学生逐渐从知识的“吸收者”转换成为知识的“拥有者”和“实践者”。
总之,不同的教学阶段有着不同的教学特点和教学任务,相应的课堂教学形式也应有所变化。但是,无论在哪一个阶段,课堂教学形式都应以提高教学效果和更好地完成教学任务为目标,真正做到服务于教学内容,服务于学生主体,而不能简单地追求浮华,流于形式。
二、兼顾学科前沿动态
在研究生阶段开设工程结构随机振动课程的目的,归根到底是为了提高研究生运用工程结构随机振动知识解决实际问题的能力,提高研究生的创新能力和国际竞争力,为学生在以后的工作中可以更好地从事科学研究和工程技术活动奠定基础。因此,在课程教学中,应当保持教学内容的与时俱进,适当向学生介绍工程结构随机振动领域的最新进展,向学生展示应用工程结构随机振动知识解决实际问题的先进方法。可以在课堂上介绍工程结构随机振动理论与应用的前沿动态,亦可以将其作为学生“任务驱动式”学习的“任务”,让学生在课后查阅文献书籍,开展自主学习。这种学习方法可以发挥学生的能动性,调动学生学习的积极性,引导学生在完成任务的同时拓展专业知识面。学生的学习成果可以根据实际情况采取读书报告、课堂讨论或者PPT展示等形式,教师进行穿插讲解、点评和归纳。
为此,以“任务驱动式”教学方法为例进行说明。教师在课程进行到一定阶段时,在课堂上布置任务,给出相应的背景信息。如:在地震工程领域,工程结构随机振动理论经过半个多世纪的发展,已经成为地震工程领域一种较为先进合理的抗震分析工具,被一些国家的抗震规范所采用。然而,经典随机振动理论的局限性也很明显。比如:在线性随机振动分析范围内,关于多自由度分析计算工作量巨大;在非线性分析范围内,难以求得结构响应的解析解或数值解,很难获取精确的结构动力可靠度。因此,各国学者提出了许多分析方法,我国学者林家浩[6]提出的虚拟激励法,李杰等[8]提出的概率密度演化理论等。请学生查阅文献资料,对工程结构随机振动理论的先进应用方法做介绍。学生课后参阅相关文献,借助学校图书馆、中国知网、万方数据库等途径查找相关书籍文献,自主完成任务。之后,教师随堂就学生完成任务的情况进行讲解、点评和归纳。比如:对于虚拟激励法,教师可以介绍虚拟激励法的基本理论和参考用书《随机振动的虚拟激励法》[6]。虚拟激励法的最大特点是将随机振动分析转化为确定性的振动分析,从而简化计算,并且保持了理论上的精确性。经过近20年的发展,虚拟激励法已广泛应用于平稳与非平稳、均匀一致与多点随机地面激励问题。线性系统受到自谱密度为Sxx(ω)的单点平稳随机激励x(t)时,其响应y的自功率谱Syy(ω)应为此关系如图1(a)所示。其中,频率响应函数H的意义如图1(b)所示。若在激励eiωt之前乘以常数SXX,即构造一虚拟激励则其响应量亦应乘以同一常数,如图1(c)所示。如果考虑二个虚拟响应量yˇ1与yˇ2,则如图1(d)所示。
三、以提高学生的应用技能为落脚点
开设工程结构随机振动课程,归根到底是为了提高学生应用随机振动知识解决或研究实际问题的能力。工程结构随机振动课程是一门理论与应用并重的课程,作为一种技术科学,它的发展来源于实践,也应当回到实践中去。该课程虽然理论复杂、概念抽象,在教学中应注重对学生理论基础的培养,但也不能顾此失彼,忽略了对学生实践能力的教育。工程结构随机振动课程的授课工作应从基础理论教育出发,落脚于提高学生的应用技能。
工程结构随机振动的发展和研究与现代科学技术的发展有着密切关系,在信号分析测试技术、环境减振降噪技术、工程可靠性分析等方面都有应用。在教学过程中,应结合案例对应用工程结构随机振动知识解决实际问题的方法作介绍。比如:目前国内外已经建设或正在建设的大型水利枢纽工程,为了保证船舶的正常航行,有很多工程采用了升船机。升船机结构形式复杂,是建筑规模巨大的特种结构,其抗震问题十分重要。由于地震地面运动具有明显的随机过程性,大型升船机建筑结构的抗震设计将向动力可靠度设计的方向发展,从而使结构的抗震设计建立在更合理的概率基础上。《升船机结构抗震可靠度分析中若干问题的探讨》[9]一文,采用三维有限元方法,进行了基于结构随机振动理论和首次超越破坏机制的升船機建筑结构随机地震反应分析。文章首先确定了输入地震动模型及其参数。目前在地震工程界被广为使用的地震动模型是日本学者金井清提出的平稳高斯过滤白噪声模型,但是,该模型不能够求出地面位移、地面速度及加速度过程导数的有限值,因此,有学者提出如下修正模型式中,D和ω0为与震源机制有关的参数,其中f=1/(2πD) 为高频衰减的拐角频率,ω0=2πcs/3r,r为假定圆形断裂面半径,cs为岩体剪切波速。文中采用了这一功率谱模型,设结构体系的失效由特定位置的响应首次超越给定限值来控制,确定基于首次超越破坏机制的结构动力可靠度。设材料的抗拉强度服从正态分布,则具有随机界限的动力可靠度公式为式中,σt为材料抗拉强度标准差,μ为材料抗拉强度的均值。文章建立了大型升船机建筑结构的有限元模型(如图2),进行了升船机建筑结构随机地震反应分析。在此基础上,进行了不同地震烈度下的结构抗震可靠度分析,探讨基于Piosson过程假定和基于Maekvo过程假定的可靠度在不同地震烈度下的适用性,以及确定性界限和随机性界限对可靠度结果的影响。结构某一节点的应力反应功率谱密度函数如图3所示。在课堂上借助该案例,可以较为系统地为学生讲解结构抗震可靠度分析的基本思路和具体方法,使学生在回顾所学知识的同时,提高了灵活运用工程结构随机振动知识解决实际问题的能力。同时,结合案例进行授课的教学方式,活跃了课堂气氛,有效地激发了学生的学习热情,在实践教学中取得了良好的课堂效果。
在提高学生应用技能的过程中,除了教师在课堂上结合工程结构随机振动的应用案例进行讲解外,也可以通过课后大作业的形式,培养学生独立解决实际问题的能力。可以要求学生完成一项随机地震动模拟或结构随机动力分析的大作业。教师可以指定大作业的具体细节,也可以让学生根据兴趣自行选择。如:可以让学生进行基于目标反应谱的某结构随机地震反应分析。借助大作业的形式,让学生切实实践了工程结构随机地震反应的分析方法,更深入、更全面地理解了工程结构随机振动的理论知识。在此过程中,学生熟悉了分析报告的写作要求和方法。具体实施过程如下:教师在课程进入一定阶段后布置大作业,要求学生用两周的时间完成对某一特定结构的随机动力分析,并撰写分析报告。结构物受地震荷载作用的动力分析方法可以分为两类:一类是确定性分析方法,是指地震时地面运动的加速度x¨gt是时间t的已知的确定性函数,在x¨gt的作用下,求出结构物的动力响应yt,也是时间t的确定性函数;另一类是概率论(非确定性)分析方法,是指地震时地面运动的加速度x¨gt不是时间t的确定性函数,对于任意一个固定的时间t,加速度x¨gt被看成是一个随机变量,或者说把加速度x¨gt看成是一个随机过程,因此,必须用工程结构随机振动知识来分析结构的动力响应。在进行结构的随机地震反应分析时,首先应确定输入的功率谱密度函数,可以采用Clough-Penzien随机地震动模型拟合功率谱密度函数,作为超高层结构随机地震反应分析输入。Clough-Penzien随机地震动模型由Clough和Penzien于1975年提出[10],是在日本学者Kanai-Tajimi过滤白噪声模型基础上提出的一种削弱低频的改进模型。Clough-Penzien随机地震动模型可以表示为式中,ωg为地基土层圆频率,ξg为地基土层的阻尼比,频率参数ω1与阻尼参数ξ1为调整低频部分的参数,G0为白噪声功率谱密度。采用ANSYS、ABAQUS等进行有限元建模。之后,将拟合的地震动功率谱密度作为输入,利用建立的结构有限元模型,对目标结构进行平稳随机地震反应分析,得到结构响应的功率谱密度,进而进行结构动力可靠度计算。
四、建立灵活的评价标准
教学是一种有目的、有计划、连续而循序渐进的、讲求效率并要达到一定任务要求与目的的活动。因此,需要对这一活动进行必要的关注、观察、考核和测评。建立灵活的评价标准是监控与调节教学活动的必要机制,是对完成教学任务并达到一定教学效益和质量的重要保障,也是督促学生积极学习的重要手段。
工程结构随机振动课程具有自身的课程特点,求解过程常需借助计算机软件实现,因此,传统的试题考试方式不利于考查学生对工程结构随机振动基本概念的掌握情况,更不利于评价学生灵活运用工程结构随机振动知识解决实际问题的能力。为了更好地评判学生对基本概念和重要知识点的理解程度,进一步启发学生的创新思维,同济大学土木工程学院工程结构随机振动课程以读书报告作为课程的考核方式,要求学生独立完成一份有关结构随机干擾模型和一份结构随机振动分析的详细读书报告。这种考核方式在考查学生综合能力的同时,更能激发学生的学习热情,促进学生自主学习,强化学生的理论功底和实践能力。学生在撰写读书报告的过程中,提高了搜集文献、梳理文献、消化吸收文献的能力,开阔了视野,扩展了思路,主动关注了学科前沿动态。同时,读书报告的撰写过程,也是学生对所学知识进行自我归纳的过程,是学生灵活运用理论知识解决实际问题的自我培养和自主实践过程。
此外,工程结构随机振动课程教学活动不是简单而短促的,其宗旨是希望在教师的引导下,培养学生能动地进行数年乃至更长时间的自我学习、研究与实践的能力。对于卓越工程人员而言,优秀的理论知识掌握能力、完善的自我学习能力和灵活的应用实践能力缺一不可。因此,必须进行系统而深入的评价活动,才能保障教学活动积极、正常而有效地运行。教师在授课过程中,应注重对课堂秩序和氛围的调节,应与学生开展有效互动,及时发现教学中存在的不足并加以改进。教师还应在教学过程中对学生的理解能力作出判断,对学生的课堂表现进行考核。
五、结语
结合同济大学土木工程学院在工程结构随机振动课程建设中的丰富经验,探讨了在工程结构随机振动课程建设中理论与实践并重、基础与应用同修的综合教学模式。笔者认为,工程结构随机振动课程的教学应立足基础理论教育,通过恰当选择教学用书、合理安排教学内容和优化课堂教学形式等方法,循序渐进地引导学生建立工程结构随机振动知识体系的基本概念,掌握随机振动的研究方法,为后续培养学生的自主学习能力和应用工程结构随机振动知识解决实际工程问题的能力打下基础。此外,工程结构随机振动课程的教学还应该兼顾学科前沿动态,提高研究生的创新能力和国际竞争力,提高研究生运用工程结构随机振动知识解决实际问题的能力。教师应在课堂上穿插讲解工程结构随机振动理论与应用的前沿动态,也可以采取“任务驱动式”的教学方法。不仅如此,工程结构随机振动作为一种技术科学,它的发展来源于实践,也应回到实践中去,因此,在整个工程结构随机振动课程的教学过程中,应以提高学生的应用技能为落脚点。在注重对学生理论基础培养的同时,也应强化学生独立应用工程结构随机振动知识解决实际问题的能力。除此之外,建立灵活的评价标准是监控与调节教学活动的必要手段。工程结构随机振动课程具有自身的课程特点,以读书报告作为本课程的成绩考核方式更有利于考查学生在工程结构随机振动方面的综合能力,激发学生自主学习的积极性,强化学生的理论功底和实践能力。
参考文献:
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