“機械振動基礎”課程的教學內容改革與實踐

姜偉++孫月華++侯清泉++徐鵬

摘要：對《機械振動基礎》課程的教學內容體系、教學手段的運用和考核方式進行初步改革，使枯燥、難學的課程變得生動、簡單。將工程應用軟件MATLAB/Simulink與振動理論相結合，改善實驗條件的不足，提高教學質量。讓學生運用MATLAB/Simulink仿真軟件對實際工程結構進行仿真模擬完成實踐報告，培養學生理論聯系實際的工程能力。

關鍵詞：機械振動；教學內容；考核方式；實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）06-0099-02

一、機械振動基礎課程的特點及教學中存在的問題

《機械振動基礎》課程是我院面向機械類本科生開設的一門專業選修課，本課程是為解決機械系統的振動問題提供必要的基礎理論和方法的一門學科，它綜合應用高等數學、線性代數、信號分析、計算機技術等學科知識，與工程實際問題有著緊密的聯系[1-2]。

我院《機械振動基礎》課程理論教學僅有30學時，課程內容較多而且抽象難懂，涉及到許多力學知識以及微分方程組與行列式和矩陣運算。由于我院三本學生較多，先修的理論力學、材料力學和高等數學及線性代數等課程基礎薄弱，講授過程中，完全使學生的注意力陷入了復雜難懂的數學計算中，而忽略了對本課程內容理論體系及重點、難點的把握，尤其在多自由度系統的學習中，隨著自由度數目的增加，微分方程數的增加，導致學生對這門課程的理論學習很迷茫，甚至逐漸喪失了學習的信心，更別說能把這門課的知識轉化為解決實際問題的能力了。由于師資力量、實驗教學條件等多方面原因，使教學質量和效果受到嚴重制約。在多年的教學實踐中深深體會到采用常規的課堂、黑板的教學方法學生接受起來非常困難，盡管在教學中也進行了多媒體課件和板書相結合的教學方法，并收集了很多工程實例，但是，很難達到理想的教學效果。

基于課程的獨特特點，將從教學內容組織上、教學手段運用上、學生實踐報告撰寫上以及考核方式改革上采取一定的措施。采用Matlab/Simulink軟件進行機械振動系統仿真，以增加課程學習的趣味性，最大限度地提高課程的教學效率和質量。不僅彌補了實驗條件的不足，還更好地培養了學生的專業興趣和理論與工程實際相結合的能力。

二、教學改革的措施

針對以往“多媒體+板書、理論教學+課堂作業”的傳統教學模式，加上試驗條件有限的因素，使學生不能很好地理解機械振動的復雜概念和原理，也不能很好地將機械振動理論與工程實際相結合。因此，在《機械振動基礎》課程教學中，擬采取以下措施，調動學生的學習積極性，提高課堂教學效率和質量，培養學生實踐能力。

1.精心組織教學內容。在對各種振動系統進行講授時，要注重物理模型的簡化、振動微分方程的建立過程和方法，并對求解結果分析其振動特性以及求解結果在實際生產中的運用詳細講解，而對數學模型的求解過程只講求解思路和求解過程中的注意事項即可。既減少了數學計算在課堂的占用時間，同時削弱了課程的枯燥乏味性。在講授機械振動的基本概念、基本理論時，簡要介紹機械振動學的發展簡史、機械振動的廣泛應用以及與其他學科的交叉關系、有關歷史事件和歷史人物，增強學生的學習興趣。在分析振動系統特性時，多結合工程實例，并且多留課堂作業做練習，增強學生的工程意識。同時，也介紹一些振動理論的最新發展和最新應用，使學生更多地了解機械振動理論和實際應用的前沿知識，提高學生的創新和實踐能力。課后，讓學生自己收集一些機械振動理論在工程中應用的例子，并進行課內與課外的討論，使枯燥的理論與生動的實例相結合，調動學生上課的積極性，讓學生們感到學有所用。

2.采取更多的教學手段——引入MATLAB/Simulink仿真軟件的仿真模擬。MATLAB語言是一款將數據結構、編程特性以及圖形界面完美地結合到一起的工程應用軟件。MATLAB語言的核心就是矩陣和數組，而機械振動分析中多自由度系統所建立的數學模型的求解正是需要矩陣進行計算。因此，運用數學工具MATLAB，可以使繁雜的數學運算變得簡單，可以使教師和學生把注意力更多地放在機械振動系統特性分析和實際應用上。

Simulink是用于MATLAB下建立系統框圖和仿真的環境，可以用來對各種動態系統進行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能用數學來描述的系統進行建模。它把Matlab的許多功能都設計成一個個直觀的功能模塊，把需要的功能模塊用連線連起來就可以實現需要的仿真功能了。

在課件制作過程中，采用MATLAB/Simulink仿真語言對單自由度系統的無阻尼、有阻尼和受迫振動三種振動條件下建立微分方程和求解振動體的位移隨時間的運動規律。通過Simulink中各種模塊的建立，用線連接各模塊，做好流程圖，設置好各模塊的參數后，再設置好系統環境變量，點擊運行，通過示波器模塊就可以模擬出振動體的物理量隨時間變化關系圖像曲線，從而分析出系統特性。這個過程可以在課堂上進行，不僅彌補了實驗條件的不足，更好地與工程實際相結合，還可以為學生將來完成實踐報告打下良好的學習基礎。同時，課件中增加色彩豐富的圖片和生動的動畫與視頻以及大量的工程實例和練習，使抽象、晦澀、復雜和呆板的專業理論內容變為具體、清晰、簡單和生動的趣味教學，從而最大限度地提高課程的教學效率和質量。

3.安排學生撰寫實踐報告，培養學生的創新精神和實踐能力。在《機械振動基礎》教學中，具體采取以下措施，調動學生學習的積極性，發揮學生的主觀能動性，培養學生合作精神、創新意識和實踐能力。（1）讓學生自發組成5～6人一組的學習小組。首先，通過第二課堂指導學生學習Matlab/Simulink軟件，達到一定熟練程度后，再對線性單自由度系統的無阻尼、有阻尼和受迫振動三種振動條件下進行數學模型的建立、求解和仿真模擬。這種以小組共同上機學習軟件的過程，不僅可以消除學生對本課程的迷茫，使學生抓住了本課程的學習要點，增加了學生學習的靈活性，還可以更好地將振動理論與工程實際相結合。（2）振動理論在工程和生活中應用廣泛，在處理實際工程問題時，必須根據所研究問題的實際情況，抓住主要影響因素，忽略次要影響因素，把復雜的振動系統簡化和抽象為合理的力學模型，并對產生振動的力學模型即振動系統受力分析、建立數學模型、求解，得出振動體的物理量（如位移、速度和加速度）隨時間的變化規律。在Simulink環境中建好模型，設定振動體的運動參數如：質量、剛度、阻尼、激振力、激振頻率、運動演示最大時間等。根據設定的參數，用圖形窗口實時演示振動體的運動情況，即模擬出振動體的物理量（如位移、速度和加速度）隨時間的變化曲線。模擬結果與工程實際結構的運動情況作對比，從而確定仿真研究方法的可信度。把小組分析研究的結果，以實踐報告的形式上交。通過兩個步驟，培養了學生合作的精神，提高了實踐能力。endprint

4.改進考核機制。為了培養學生的綜合能力及工程意識，采用多種形式的考核方式代替過去以課堂作業和卷面考核為主的考核機制。考核分值的設置為：平時作業20分+實踐報告20分+期末考試60分。平時作業一般為每個章節課后習題，重點考查學生是否掌握課堂知識點。實踐報告旨在激發學生的鉆研精神，培養學生理論聯系實踐的能力。期末考試的命題有客觀性和主觀性兩種。客觀性考題占60%，題目覆蓋面較廣，但難度和靈活性稍低，旨在考查學生對基礎知識的掌握程度，主觀性考題占40%，題型為計算題，涉及面廣、難度大、靈活性高。

三、教學改革的初步成果

本次改革對象為機械設計專業和機械制造專業的本科生，兩屆共13個班級。無論是在教學效果上，還是學生素質培養上，都有了很大進步。

1.教學效果和質量顯著提高。由于在課堂教學中，更新了教學內容體系，使學生對明確了課程的要點、重點和難點，能正確處理本課程與相關課程之間的銜接，同時，對機械振動最新研究成果有了初步認識。將MATLAB/Simulink仿真軟件與振動分析相結合調動了學生的學習積極性，活躍了課堂教學氣氛，從而最大限度地提高課程的教學效率和質量。卷面考試命題中主觀題和客觀題相結合，使學生既注重了機械振動基本概念的掌握，又注重了分析問題和解決問題能力的提高。通過新的考核機制，使學生既注重了對機械振動基礎概念的掌握，又提高了學生理論聯系實踐的能力。期末成績的優良率明顯提高，也避免了大量的不及格人數過多現象。

2.學生實踐能力明顯增強。讓學生自發組成學習小組，選擇自己感興趣的題目，通過MATLAB/Simulink仿真軟件實現理論與實踐相結合的過程，將模擬結果以實踐報告的形式上交，并計入考試成績中。既培養了學生分析問題和解決問題的能力，又培養了學生的合作精神和創新精神。

四、結論

本文針對學生普遍認為該課程抽象、枯燥、難學和教師普遍認為課時少、內容多、難教的現象，通過教學內容體系的精心組織，多媒體課件中增加色彩豐富的圖片和生動的動畫與視頻以及大量的工程實例和練習，運用MATLAB/Simulink仿真對單（多）自由度系統的仿真制作課件，不僅彌補了實驗條件的不足，還調動了學生的學習積極性和增強了學生的工程意識。通過學生自由選題，運用MATLAB/Simulink仿真軟件，分組完成實踐報告，培養了合作精神，提高了實踐能力。

參考文獻：

[1]崔志琴，景銀萍.《機械振動學》課程教學改革初探[J].中北大學學報，2005，（4）：86-87.

[2]郭榮，張敏，張立軍，等.《機械振動學》的教學內容、模式及考評方式改革探索[J].佳木斯教育學院學報，2012，（9）：140-141.

[3]王彪.《機械振動》課程教學改革實踐[J].華東冶金學院學報，2000，（6）：86-87.endprint