摘要: 结构动力学是土木工程学科的核心分支，贯穿抗震设计、风工程、机械振动等关键领域，其理论体系与工程实践深度耦合。教学案例库建设通过整合典型工程问题和前沿研究成果破解传统教学中理论抽象、实践脱节的痛点，以真实案例驱动知识迁移，提升学生解决复杂动力问题的能力，推动教学质量评估与行业人才需求精准对接。本文系统探讨了结构动力学案例库建设的背景与意义，提出基于工程真实性、教学适配性和技术前沿性的建设原则，并结合典型教学实践案例验证其有效性。该案例库为结构动力学课程提供模块化教学资源，也能为土建类其他研究生课程案例库开发提供了可复制的建设范式。
Abstract: Structural dynamics is a core branch of civil engineering, running through key areas such as seismic design, wind engineering, and mechanical vibration, with its theoretical system deeply integrated with engineering practice. The construction of a teaching case library addresses the pain points of traditional teaching, such as abstract theories and disconnected practices, by integrating typical engineering problems and cutting-edge research results. It drives knowledge transfer through real cases, enhances students’ ability to solve complex dynamic problems, and promotes the precise alignment of teaching quality assessment with industry talent demands. This paper systematically explores the background and significance of the construction of a structural dynamics case library, proposes construction principles based on engineering authenticity, teaching adaptability, and technological advancement, and verifies its effectiveness through typical teaching practice cases. This case library provides modular teaching resources for structural dynamics courses, and also offers a replicable construction model for the development of case libraries in other postgraduate courses in the field of civil engineering.
1. 引言
结构动力学是土木、机械、航空航天等专业研究生必须掌握的核心课程，南通大学土木水利专业硕士学位点将结构动力学及其工程应用列为学位课程，旨在培养学生通过单/多自由度系统振动分析、模态参数识别等方法，解决大跨桥梁风致涡激振动、高层建筑与高耸结构强震破坏等实际工程问题的能力。传统结构动力学课程教学模式过度依赖理论推导，导致学生难以将抽象概念、公式求解与工程实际相结合[1] [2]。当前工科课程教学普遍存在三大痛点：一是教学手段单一，课堂以教师单向灌输为主，学生动手动脑少、参与度不够；二是案例陈旧，缺乏反映现代工程复杂问题分析与解决技术的典型实例；三是评价体系僵化，侧重计算求解能力考核而忽视实际工程问题分析能力的培养。然而，学生对结构动力学的理解不应该仅停留在概念认知层次，需要深刻理解复杂结构动力行为并有效应用到土木建筑领域，特别是在地震工程、桥梁振动等前沿领域，满足现代结构抗风抗震的设计需求。因此，构建具有工程时效性的案例库，并配套创新教学方法，成为突破当前教学瓶颈的关键路径。
教育部明确将案例教学作为专业学位研究生培养模式改革的核心内容之一，通过呈现案例情境，引导学生掌握理论、形成观点、提高能力。目前，国内高校教师在专业硕士学位点课程案例库的建设与实践方面做出了一些改革与探索。如宋克志等[3]以鲁东大学土木水利专硕课程为例，探讨了课程思政视域下校企合作教学案例库的建设框架、案例资源选择与设计。马瑞贤等[4]针对风力发电机结构动力学课程与行业背景、思政元素有机融合，构建了风力发电机结构动力学“四维一体”的层次化案例教学方法。马宏强等[5]建立了工程材料理论与应用课程的教学案例库，培养学生在大土木领域的大局观、创新观。尽管不同高校教师在案例法授课与案例库建设方面积累了一些资源[6] [7]，但是目前全国土建领域具备系统、真实、典型结构动力学案例库还是寥寥可数，构建以系统化方法论支撑，并深度结合工程实践与教学需求的结构动力学案例库是十分必要的。本研究将复杂工程动力问题转化为教学案例、设计互动式案例分析环节、利用数学工具、有限元工具等进行案例模拟，以提高学生的理论应用能力和解决实际问题的能力。
2. 案例库建设背景与意义
结构动力学作为研究结构体系动力特性及其动力响应规律的核心学科，具有鲜明的跨学科性和应用导向性。其学科特点主要体现在三方面：一是研究对象包含大跨桥梁、高层高耸结构、大坝、核电站等复杂结构体系，研究其考虑车辆荷载、地震、风荷载等作用下的动力非线性响应；二是结构分析方法融合达朗贝尔原理、拉格朗日等理论，并需要掌握系统数值建模、模态分析等关键技术；三是结构动力学紧密关联结构抗震与隔减震设计、风工程、结构健康监测等前沿领域，如何保证结构在各动力荷载下的安全性与适用性成为当今工程界的热点。这种理论与工程应用高度耦合的研究生课程，使得传统教材难以全面展现实际工程项目遇到的动态问题，因此，建设结构动力学及其工程应用教学案例库从而弥补教学与实践的鸿沟势在必行。
南通大学土木水利专业硕士学位点结构动力学及其工程应用课程获批校级专业学位研究生教学案例库建设项目。通过建设教学案例库，可将工程实际中的结构动力学问题(如桥梁桥面振动、建筑抗震等)转化为教学资源，强化理论与实践的结合，同时推动课程从传统讲授向项目式、案例式教学转型，显著提升学生的设计能力、工程思维、创新能力与社会责任感。
3. 案例库建设原则
典型工程案例能直观展现结构动力学在解决复杂工程问题中的应用价值，案例库的构建可将此类典型问题系统化，为教学提供真实场景的解决方案，且具有深远的学术与实践价值。结构动力学案例库建设应充分借鉴国内外高等院校成功、先进的案例库，遵循真实、典型、专业、先进、可扩展等原则，从而保证案例库资源的丰富与建设的质量。
1) 真实原则。如“赛格大厦风致涡激共振事件”案例来源于2021年5月18日深圳赛格大厦因顶部桅杆风致涡激共振导致的突发高层晃动，结合该案例与学生探讨共振现象与动力放大系数的概念、振动测量方法及阻尼器的选择与安装等内容。“半刚性钢框架–组合剪力墙结构抗震性能分析”案例，来源于授课教师课题组完成的装配式混合结构拟静力抗震试验与Abaqus软件模拟结果，通过试验结果、有限元模拟结果验证多自由度体系振动求解分析的准确性。“含高阻尼橡胶支座大跨网架隔震结构有限元分析”案例来源于授课教师课题组完成的基金委课题，让学生们充分认识到竖向地震作用对大跨结构的影响不容忽视，设置一定数量的高阻尼三维隔震支座使得该类结构具有良好的隔震效果。
2) 典型原则。“台北101大厦风振控制”案例，再现调谐质量阻尼系统遭遇台风、地震等灾害时的成功应对。该大厦采用全球首个质量调谐阻尼器(TMD)，重680吨的钢球通过传感器实时抵消风力与地震能量，并结合8层一节的组合结构设计与双管巨柱骨架，实现抗风与抗震协同，有效保障这一台北新地标的安全。“沪苏通大桥风–车–桥耦合振动”案例来源于连接南通市和苏州市的世界级公铁两用斜拉桥工程，该大桥实现了五个“世界首创”技术突破，其风–车–桥耦合分析可采用Newmark-β法等数值积分方法，指导学生通过Matlab编程实现多自由度结构非线性动力响应的预测。
3) 专业原则。案例库的选择应着重揭示结构动力学在解决复杂工程问题中的关键作用，如如何通过模态分析(自振周期、自振频率、振型、阻尼比等)识别现代航天器结构自身动力学特性，从而调整设计参数优化结构，避免共振破坏；如基于某多自由度结构抗震设计项目，要求学生需依次完成地震波输入的选取、结构建模、时程分析、隔减震设计等环节，以翻转课堂形式汇报有限元模拟思路或编程思路，授课教师提问、引导、评价，最终成果学生以大作业报告形式提交。过程性评价关注学生所选案例分析的逻辑严谨性及解决方案的合理性。
4) 先进原则。从教学角度，案例库必须突破传统教材的理论局限，通过先进的大型工程案例，将抽象的多自由度系统建模、模态分析等知识具象化，帮助学生理解结构动力学在解决复杂工程问题中的实际应用。在科研角度，案例库可为从事该领域方向的学者加速工程技术的经验积累，通过标准化案例流程提升抗震设计、风工程等领域的决策水平。此外，高层次案例库作为知识共享平台，可促进跨学科交流，为各领域从业者提供协同创新的基础。
5) 可扩展原则。目前本案例库获批2024年南通大学专业学位研究生教学案例库建设项目，课程组多位教师将多年科研工作及工程实践经历中的总结与探索。案例库建设应建立动态更新机制，定期收集行业前沿案例，鼓励校企合作开发，通过案例征集、教师投稿、学生实践报告等多渠道扩充案例库，确保案例库的时效性和可拓展性。
4. 案例库教学实践与成效
目前已经建立的结构动力学教学案例库主要应用于南通大学土木工程、土木水利两个硕士点研究生的培养。结构动力学及工程应用课程性质为专业课、学位课，共36学时，周学时为3，课程最终成绩由平时表现(作业、考勤、课堂反馈) + 素质报告(主题为采用编程或有限元模拟求解结构动力响应，考核实践操作) + 考试三部分综合组成。教师将建设好的课程案例作为课堂引入，讲述案例事件背景及涉及到的知识点，引导学生分组讨论剖析案例中现象背后的原因及机制，并从工程伦理、学科应用、风险管理、思政等角度切入讨论点，提升专业学位研究生的实践分析能力，通过真实情境模拟培养问题解决思维，促进理论与行业需求衔接，增强团队协作与创新意识，为职业发展奠定基础。如“广州虎门大桥桥面抖动问题”案例具体实施如表1。
Table 1. Typical case-based teaching design plan
表1. 典型案例教学设计方案
广州虎门大桥桥面抖动问题案例 |
教学目标 |
课前准备资料 |
课堂讨论引导 |
学生案例任务 |
任务评价标准 |
此案例教学旨在使学生：1) 理解涡激振动的动力学机理及其差异；2) 掌握多自由度系统建模方法，并能计算风致响应；3) 认识气动措施(如导流板、阻尼器)的抑振原理；4) 强化桥梁抗风设计规范与安全评估意识；5) 培养工程实践中振动控制问题的综合分析能力。 |
事件背景：2020年5月5日下午2点左右，该大桥出现肉眼可见的上下起伏振动，事件发生时珠江口风速仅8m/s，远低于设计抗风标准。振动持续至次日凌晨，引发公众对桥梁安全性的广泛关注。 |
◆大桥桥面异常振动的原因？ ◆除水马封闭了虎门大桥护栏透风孔、显著改变了其气动外形外，该工程是否有设计缺陷、施工缺陷？ ◆如何充分利用结构动力学、流体力学等知识通过截面形状设计避免涡振？ ◆大跨桥梁健康监测与风振预警是否到位？ |
课后学生采用Matlab编程或有限元软件建立数值模型，求解给定多自由度大桥在风载作用下的动力响应 |
◆模型准确性或程序准确性(与理论误差小于15%)； ◆结果完整性(包含位移、加速度等关键响应指标)； ◆创新性(优化算法或减振措施)； ◆报告质量(逻辑清晰、表达严谨、图表规范、结果明确) |
结构动力学案例库首轮建设包含15个工程案例，其中原创性案例50%左右，典型性案例覆盖高层建筑、大跨度桥梁、大跨空间结构等常见结构类型，并包含地震响应、风振控制、设备振动、航天器振动等典型动力问题，体现为从单自由度到多自由度、从线性到非线性的难度梯度设计。在内容构建上，案例库包含从基础理论推导、工程应用、前沿拓展三个维度，每个案例配备计算模型、试验数据、有限元三维模型等文件，学生可通过调整Matlab程序或者有限元模拟中的参数，对比分析不同参数下的减振效果，如改变阻尼比，有阻尼结构响应振幅如何变化，其动力响应对阻尼比的敏感度如何，并在一个个案例的应用过程中强化学生的规范应用。
团队收集了近3年所有参加结构动力学课程的学生成绩：22级研究生该课程平均分75.20分，最高分85分，最低分70分；23级研究生该课程平均分81.40分，最高分95分，最低分72分。24级研究生该课程平均分90.86分，最高分94分，最低分86分。经分析发现，随着案例法教学的实施，课程平均分逐年递增，且分数分布逐渐集中，表明课程内容持续优化，学生整体学习效果得到了大幅提升。
5. 案例库建设反思
结构动力学课程的案例教学过程中也存在许多值得反思之处。其一，结构动力学理论与实践衔接难度大，其涉及复杂数学模型和工程实践，案例需要同时满足理论深度和工程真实性。若案例过于简化，可能无法反映实际工程中的非线性问题。若案例过于复杂，则可能超出普通研究生认知水平，导致教学效果下降。其二，案例开发和更新成本高，高质量案例往往需要结合最新工程事故或前沿研究成果，这类案例的获取、验证和教学法转化等都需要课程团队付出大量精力。其三，教学实施条件受限，案例库建设需要教师兼具理论功底和工程经验，能够引导学生从案例中抽象出动力学模型并验证其适用性，且研究生如果缺乏工程实践背景，也会对该课程的学习感到吃力。如何积极应对这三大核心挑战，高效完成本课程案例库建设任务，值得诸多同类高校土建类专业一起交流研讨。
6. 结语
以案例为纽带、能力为导向的教学改革，可以让学生充分理解复杂结构系统中“人–结构–环境”的耦合关系，大大提升课程教学质量，案例库建设与教学实践创新为结构动力学课程改革提供了可复制的范式。未来如何融合人工智能、大数据、物联网等技术，构建动态更新的案例生态系统，并通过校企合作等资源获取桥梁健康监测、高层建筑风振、地铁上盖结构振动等实时数据，利用云计算平台实现案例库的自动化迭代。这些发展方向将推动课程从知识传授向能力培养的持续转型，最终实现培养具有创新思维和解决复杂工程问题能力的专业人才目标。
基金项目
本文为2024年南通大学专业学位研究生案例库建设项目、2025年南通大学研究生课程思政示范课程建设项目研究成果。
NOTES
*通讯作者。