機械振動基礎(chǔ)課程教學(xué)模式改革

毛崎波 李奕下

摘? 要 針對目前機械振動基礎(chǔ)課程教學(xué)中存在的課堂教學(xué)效率不高、內(nèi)容抽象、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性有待提高等問題，通過教學(xué)大綱修訂、制定與工程實際發(fā)展相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容、問題式導(dǎo)向的教育方法、實踐與期終結(jié)合的課程考核方式等一系列措施，對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方式進行改革和創(chuàng)新。通過教學(xué)實踐，學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣明顯提升，教學(xué)改革取得良好效果。

關(guān)鍵詞 機械振動基礎(chǔ);教學(xué)改革;考核方式;MATLAB;教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）04-0094-03

Abstract In the teaching of the postgraduate course of Basic of Mechanics Vibration， it is found that there are several teaching and studying problems， such as the low teaching efficiency， content abstraction and enthusiasm of students to learn. To solve these problems， the teaching reform including the revision of syllabus， the formulation of teaching content combined with engineering practice， problem-oriented teaching method， practice and end-of-course combination course assessment method have been proposed. The teaching content， teaching methods and assessment methods of this course have been reformed. Through teaching practice based on these teaching reform methods， the studying interest of the students in this course has been significantly improved， and the teaching reform has achieved good results.

Key words basic of mechanical vibration; teaching mode reform; assessment method; MATLAB; teaching mode

1 前言

機械振動基礎(chǔ)課程作為南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院飛行器動力工程和飛行器設(shè)計專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)必修課，綜合了高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)、材料力學(xué)等多門學(xué)科知識[1]，與航空航天領(lǐng)域的實際工程問題有著緊密聯(lián)系，教學(xué)內(nèi)容主要包括振動的基本概念、離散振動系統(tǒng)的分析與控制方法，為解決航空領(lǐng)域的振動問題提供理論和方法基礎(chǔ)。

2 機械振動基礎(chǔ)課程教學(xué)中存在的問題

機械振動基礎(chǔ)課程要求學(xué)生能夠把振動理論應(yīng)用于工程實際中。該課程有其特殊性：一方面，教學(xué)內(nèi)容需要學(xué)生掌握和運用相關(guān)高等數(shù)學(xué)知識，如常微分方程求解、傅里葉級數(shù)、特征值問題等[2-3];另一方面，由于是為航空類專業(yè)開設(shè)的，因此，這門課程在講授基本振動力學(xué)理論的同時，必須與航空類專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之后能夠初步解決航空航天領(lǐng)域中的一些實際振動問題。根據(jù)多年的本科生機械振動基礎(chǔ)課程實際教學(xué)經(jīng)驗，筆者總結(jié)出三點不足。

1）由于該課程綜合性、理論性強，特別是講授到單自由度系統(tǒng)和多自由度系統(tǒng)的強迫振動時，涉及大量的高等數(shù)學(xué)知識和公式推導(dǎo);而且從課程安排上，由于其授課對象是大三學(xué)生，不少學(xué)生已經(jīng)忘記一些大一時學(xué)的高等數(shù)學(xué)知識，因此在學(xué)習(xí)過程中普遍感到枯燥、乏味、抽象、難以理解，從而影響學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

2）課程的工程應(yīng)用性較強，如何把工程實際問題提煉為振動模型，同時兼顧振動模型的精確性，以及振動分析的工程應(yīng)用可行性？這對沒有工作實踐的學(xué)生而言具有一定的難度，導(dǎo)致學(xué)生在短時間內(nèi)比較難以掌握機械振動的基本概念和研究方法。

3）以往的課程考核方式（課后作業(yè)20分+期末考試80分）不太合理，導(dǎo)致學(xué)生實踐能力得不到恰當(dāng)?shù)目己??？紤]到評價體系的標(biāo)準(zhǔn)性，以往的期末考試均采用閉卷筆試方式。試卷力圖兼顧各章知識點的覆蓋率，使得考核方式強調(diào)知識點的掌握情況，而忽視了本課程的基本培養(yǎng)目標(biāo)，即應(yīng)用所學(xué)的機械振動基本理論來解決航空領(lǐng)域的一些實際的振動問題。

3 教學(xué)改革的對策與措施

制定與航空領(lǐng)域工程實際發(fā)展相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容? 根據(jù)學(xué)科發(fā)展趨勢和學(xué)生實際情況，研究和參考國內(nèi)外機械振動課程的有關(guān)教學(xué)，刪除原體系中的隨機振動和非線性振動課程內(nèi)容，以航空領(lǐng)域的振動問題為出發(fā)點重組課程。新體系加強對機械振動學(xué)科的總體認識，改進機械振動的知識構(gòu)架，提煉經(jīng)典機械振動內(nèi)容，拓展機械振動的主動控制等新方法的知識面。全面修訂教學(xué)大綱，并在2014屆學(xué)生的課程教學(xué)中開始執(zhí)行。

建立傳統(tǒng)與現(xiàn)代相結(jié)合的教學(xué)方法? 多年教學(xué)實踐表明：采用傳統(tǒng)的“教師講，學(xué)生聽”的教學(xué)方法傳授書本內(nèi)容，難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。本課程根據(jù)教學(xué)內(nèi)容采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、解決問題的能力以及職業(yè)能力。因此，在傳統(tǒng)講授機械振動基本理論的基礎(chǔ)之上，結(jié)合多種實踐性環(huán)節(jié)來加強對科學(xué)前沿知識以及實際工程實踐的補充，積極采用課堂講授（如課堂講授、提問、練習(xí)等）、多媒體教學(xué)、案例教學(xué)、專題研討、課后答疑等相結(jié)合的教學(xué)方法和手段，同時引入MATLAB軟件進行機械振動仿真計算，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有顯著的教學(xué)效果。具體的教學(xué)方法和手段如下。

1）案例討論教學(xué)。舉例來說，在講授第一章“機械振動簡介”時，采用從重大歷史事件到現(xiàn)實身邊耳熟能詳?shù)男“咐M行分析說明，生動形象的案例中融合了課程當(dāng)中的多個振動概念以及理論知識點。如從張衡發(fā)明的地震儀、鐘表的振動、常見的揚聲器到航空發(fā)動機和直升機旋翼振動，從振動力學(xué)的角度說明振動問題對人們生活的重大影響。通過這些案例的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生快速掌握一些抽象難懂的概念和理論，并形成和保持對機械振動問題的持續(xù)關(guān)注和強烈求知欲。同時，根據(jù)這些案例，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的前沿動態(tài)，提出一些討論專題，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣進行分組選題，查閱文獻，搜集資料，制成幻燈片和報告進行交流討論，從而促進學(xué)生系統(tǒng)查閱文獻的能力、文字編輯能力、語言表達能力，加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解和把握。

2）問題式導(dǎo)向教學(xué)。在教學(xué)教改活動實踐中，針對本課程的一些特點（如先修課程多、基本概念復(fù)雜、學(xué)科交叉多、較強的工程應(yīng)用背景等），自行創(chuàng)立問題式導(dǎo)向教學(xué)方法（如圖1所示）。問題式導(dǎo)向教學(xué)方法的核心思想是：學(xué)生針對某一生活或者工程領(lǐng)域中的振動問題，通過本課程學(xué)習(xí)，能夠提出一個完整的解決方案，并分析在解決一個振動問題的同時會否產(chǎn)生新的其他振動相關(guān)問題？學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要授課教師在講解每一個劃分的內(nèi)容之前提出問題、討論問題，從而帶動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如課堂上提出“為什么地震時建筑物容易倒塌”“為什么我們能聽到聲音”“航空發(fā)動機如何隔振”等問題，從耳熟能詳?shù)纳瞵F(xiàn)象和航空領(lǐng)域問題自然轉(zhuǎn)到對振動問題的分析，這是問題式導(dǎo)向教學(xué)的第一步，即讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)相關(guān)振動知識。

在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生把問題提煉為振動力學(xué)模型，即通過討論練習(xí)，對所學(xué)知識進行強化并得到應(yīng)用;在提出問題并建立振動力學(xué)模型的同時，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用之前所學(xué)的數(shù)學(xué)知識進行數(shù)學(xué)建模，同時應(yīng)用MATLAB軟件進行求解，并進行工程上的可行性分析，從而讓學(xué)生把振動問題與所學(xué)專業(yè)、工程應(yīng)用等方面進行融會貫通、學(xué)以致用。

結(jié)合教學(xué)內(nèi)容開展學(xué)科前沿報告? 在原課程主要理論的基礎(chǔ)之上，補充和增加國內(nèi)外最新的振動主動控制的內(nèi)容。在課堂教學(xué)中增添振動問題在航空航天領(lǐng)域的工程應(yīng)用實例，并逐年融入本教學(xué)隊伍的最新科研成果以及國內(nèi)外振動領(lǐng)域的熱點問題，從而激發(fā)學(xué)生對該課程的興趣和思考。

同時，在課堂上和課后為學(xué)生開展結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容的學(xué)科前沿報告，結(jié)合相關(guān)課程內(nèi)容介紹機械振動學(xué)科前沿課題，如振動主動控制、飛行器壓電智能結(jié)構(gòu)等研究熱點內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生的思維和研究興趣，激發(fā)很多學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情;結(jié)合課程內(nèi)容討論社會熱點問題，如聯(lián)系目前流行的可穿戴設(shè)備，結(jié)合可穿戴設(shè)備基于振動信號的傳感機理進行講授，讓學(xué)生感受課程的現(xiàn)實意義。

平時、實踐與期終結(jié)合的課程考核方式? 為鼓勵學(xué)生在平時課堂與實踐活動中的積極表現(xiàn)，在考核知識點的基礎(chǔ)上，重視學(xué)生的能力考核和平時考核，應(yīng)用多樣化考核手段，推行教學(xué)全程考核法。將考試成績制定為平時成績、實踐成績和期末成績的加權(quán)平均，其中平時（課后作業(yè)、課堂表現(xiàn)）成績占20%，實踐成績占30%，期末成績占50%。在平時考核中，根據(jù)學(xué)生參與課堂活動的表現(xiàn)，包括提交的作業(yè)和案例分析報告、在課堂上所作的案例分析演示、參與互動討論等表現(xiàn)，綜合小組評分與教師評分給出成績;在實踐考核中，根據(jù)學(xué)生的獨立動手能力、實驗報告和課程小論文給出成績;在期末考試中，強調(diào)對于機械振動問題的基本概念的理解、振動問題的分析能力以及解決能力。注重對基本概念的考查，增加開放性辨析題和案例分析題的比重和難度。通過評價方式的引導(dǎo)，使學(xué)生注重平時的學(xué)習(xí)，結(jié)合實際進行主動和獨立的思考，并培養(yǎng)其團隊合作意識與能力。

4 結(jié)語

針對南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院本科生機械振動基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中存在的內(nèi)容抽象、學(xué)生學(xué)習(xí)效率不高等問題，提出通過教學(xué)模式創(chuàng)新、理論與工程實際相結(jié)合、考核方式改進等措施，發(fā)掘一批優(yōu)秀的、富有創(chuàng)造力的學(xué)生。例如：有部分學(xué)生通過本課程教學(xué)，考慮如何抑制飛機高速滑行時的擺振問題;有的學(xué)生考慮如何收集人體運動帶來的振動能量給手機充電;不少學(xué)生表達了對機械振動問題的濃厚興趣和進一步深造的求學(xué)意愿;有的學(xué)生撰寫了有一定質(zhì)量的課程小論文[4]，發(fā)表在相關(guān)學(xué)術(shù)刊物上，這在地方高校的本科學(xué)生中還是比較少見的……通過教學(xué)改革，使學(xué)生擺脫學(xué)習(xí)的枯燥乏味，能夠?qū)W以致用，不但讓學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)知識，而且進一步引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用科學(xué)方法解釋和分析問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想，從而提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。

參考文獻

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[3]潘玉娜.機輛工程專業(yè)《機械振動基礎(chǔ)》本科課程教學(xué)實踐與思考[J].課程教育研究，2017（34）：225-226.

[4]李戈，時志高，謝奇之，等.基于Mathematica對保守雙擺的研究[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016，20（3）：40-43.