機輛工程專業(yè)《機械振動基礎(chǔ)》本科課程教學實踐與思考

【摘要】針對本院機輛工程專業(yè)的相關(guān)課程設(shè)置，論證了《機械振動基礎(chǔ)》課程開設(shè)的必要性，探討了課程設(shè)置的基本思路。通過教學實踐，分析了存在的問題及今后教學需要修正的地方。

【關(guān)鍵詞】機輛工程 機械振動 本科教學

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）34-0225-02

一、引言

近些年來，我國高速鐵路、城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)人才市場缺口巨大。上海應用技術(shù)大學（原上海應用技術(shù)學院）前瞻全球低碳經(jīng)濟發(fā)展趨勢，審視上海及周邊地區(qū)軌道交通快速發(fā)展的形勢，瞄準我國新型工業(yè)化對優(yōu)秀工程類人才的大量需求，在前期詳細調(diào)研論證基礎(chǔ)上，于2009年成立了軌道交通學院，建設(shè)初期下設(shè)三個本科專業(yè)：電子信息工程（軌道通號技術(shù)）、械設(shè)計制造及其自動化（機輛工程）、土木工程（軌道工程），其中機輛工程專業(yè)被寄予最有突破性的厚望。

我校以建設(shè)“高水平、應用型、以工為主、特色鮮明的多科性本科院校，培養(yǎng)一線工程師的搖籃”為辦學目標。一直致力于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的、具有國際視野的、一線工程師為主的高質(zhì)量應用技術(shù)人才。軌道交通學院立足于學校發(fā)展定位，突出辦學特色，提升學院綜合競爭力，從與兄弟院校錯位發(fā)展思路出發(fā)，院領(lǐng)導提出了以“站后”為目標的辦學方針，并逐步形成科研、教學協(xié)調(diào)、雙贏的發(fā)展模式。

作為一所地方應用型本科院校興辦機輛工程專業(yè)，作者在文獻[1]中對其培養(yǎng)計劃、目標與模式等七大關(guān)鍵問題進行了論述。通過七年來不斷的努力、探索與實踐，機輛工程專業(yè)的培養(yǎng)方案得到逐步的優(yōu)化，在學科建設(shè)、實驗室建設(shè)、人才建設(shè)等方面取得了一定的成效，學生就業(yè)率一直保持在領(lǐng)先位置。不過，在培養(yǎng)計劃方面，通過教學和學生反饋來看，還有需要不斷完善和優(yōu)化的地方，比如，開設(shè)了《機車動力學基礎(chǔ)》和《動車組檢測與故障診斷》兩門課程，對于沒有機械振動基礎(chǔ)的學生來講，其理解、接受起來存在一定的困難。針對這一問題，在培養(yǎng)計劃中增設(shè)了《機械振動基礎(chǔ)》這一課程。

二、教學內(nèi)容設(shè)置基本思路

《機械振動基礎(chǔ)》是在工科院校機械專業(yè)廣泛開設(shè)的一門課程[2-4]，其主要目的在于為解決機械系統(tǒng)的振動問題提供必要的理論和方法。需要先修的基礎(chǔ)課程包括《理論力學》、《材料力學》、《高等數(shù)學》、《線性代數(shù)》等。該課程依據(jù)各院校各專業(yè)方向需求和培養(yǎng)目標的不同，設(shè)置的學時、內(nèi)容也相差迥異。

我們學校雖然是一所二本院校，但由于整體氛圍注重培養(yǎng)學生的動手實踐應用能力，所以，在基礎(chǔ)課尤其是理論性較強的基礎(chǔ)課方面比較薄弱。另外，學校近兩年一直在對培養(yǎng)計劃進行減學分調(diào)整。因此，《機械振動基礎(chǔ)》課程開設(shè)的基本思路如下：

1.小學時：課程總體的課時量設(shè)置為32學時的小學時。主要目標在于，讓學生理解振動的基本概念和在工程中的基本應用，為后續(xù)課程進行直接的服務。重點放在振動的基本概念和單自由度振動系統(tǒng)及其工程應用上，而對于多自由系統(tǒng)，以最簡單的兩自由度系統(tǒng)進行核心概念的講解。

2.輕理論、重實踐：在共32學時中，設(shè)置8個課時的實驗內(nèi)容，從而加強學生對振動概念的直觀認識，理解振動理論在工程中的應用，掌握振動信號測試的基本架構(gòu)和一般過程。

三、教學實踐與思考

根據(jù)課時量對《機械振動基礎(chǔ)》的教學內(nèi)容的初步安排如下：

1.緒論，2學時：主要結(jié)合現(xiàn)實生活和工程講解振動的基本概念和應用領(lǐng)域。

2.單自由度振動系統(tǒng)，10學時，包括：單自由度的自由振動（無阻尼和有阻尼自由振動）、單自由度的強迫（簡諧激振力、周期激振力和任意激振力下的強迫振動以及強迫振動的工程應用）。

3.兩自由度振動系統(tǒng)，8學時，包括：無阻尼自由振動、無阻尼強迫振動、無阻尼減振器、有阻尼振動、有阻尼減振器。

4.機械振動測試，2學時：主要講解進行機械振動測試的物理量、傳感器、采集卡、采集程序等。

5.課內(nèi)實驗，8學時，根據(jù)現(xiàn)有的實驗設(shè)備——轉(zhuǎn)子振動實驗臺，設(shè)置四個實驗：①轉(zhuǎn)子的徑向和軸向振動測量，主要為了讓學生直觀的看到振動及采集到的振動信號，了解機械振動測試的硬件組成等；②轉(zhuǎn)子的臨界速度測試，主要是為了讓學生觀察轉(zhuǎn)子通過臨界速度附近的現(xiàn)象，了解判斷轉(zhuǎn)子臨界速度的常用方法；③結(jié)構(gòu)參數(shù)對臨界速度的影響，主要是為了讓學生直觀理解結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)子臨界速度的影響，從而和理論學習進行有機結(jié)合；④轉(zhuǎn)子軸心軌跡的合成，主要是通過實驗與理論結(jié)合，讓學生理解為什么會有軸心軌跡的概念，如何測量與合成。

6.習題課，2學時。

雖然上述教學計劃只包括了《機械振動基礎(chǔ)》中最基本也是相對較簡單的內(nèi)容，但在教學實踐中，由于課時和學生實際的接受能力等原因，對講授內(nèi)容適時進行了調(diào)整：

1.單自由度振動系統(tǒng)：簡諧激振力下的強迫振動中只詳細講了其穩(wěn)態(tài)解；由于學生對傅里葉變換知識的欠缺，周期激振力下的強迫振動只是一帶而過；由于考慮到杜哈梅積分比較難理解，任意激振力下的強迫振動這部分就沒有講。

2.兩自由度振動系統(tǒng)：這部分變動較大，只講解了兩自由振動系統(tǒng)的微分方程的建立、剛度矩陣、質(zhì)量矩陣、固有頻率、主振型（由此引申了多自由度系統(tǒng)的主振型）、坐標耦合等基本概念及其求解問題。

3.在實驗教學中，還發(fā)現(xiàn)，讓學生把理論和實驗現(xiàn)象有機結(jié)合起來，還存在一定的難度，如結(jié)構(gòu)參數(shù)對臨界速度的影響問題。

盡管在教學實踐中，只抽取了《機械振動基礎(chǔ)》中的核心概念和較簡單的理論及應用部分進行講授，并對重點內(nèi)容進行了反復強調(diào)和講解，但在課程考核中，發(fā)現(xiàn)學生對一些核心概念及應用的掌握還存在很多問題：

1.關(guān)于系統(tǒng)輸入、輸出與微分方程中相關(guān)參數(shù)的對應聯(lián)系還不能很好的建立，如針對單自由度有阻尼強迫振動的微分方程m■+c■+kx=F0ei？棕t，相當部分學生不能理解什么是系統(tǒng)輸入（激勵），什么是系統(tǒng)輸出（響應），盡管這個問題在課堂中進行了反復講解和強調(diào)。從這個細節(jié)問題，其實也反映出了，對于像《機械振動基礎(chǔ)》這種本身理論性較強的課程，學生不太善于跳出理論數(shù)學式子與實際工程現(xiàn)象或術(shù)語進行有機聯(lián)系，而這一點往往又是理論知識應用于工程最基本的環(huán)節(jié)。endprint

2.一些基本概念掌握不夠牢固，如線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)在微分方程形式上的差異、自由度概念的實質(zhì)理解、阻尼在微分方程中的表現(xiàn)等。

3.簡諧激振力下的強迫振動求解問題的應用：作為機輛工程專業(yè)的學生，在后續(xù)課程中會涉及到一個很重要的問題，即軌道激擾下車輛系統(tǒng)振動響應的問題，結(jié)合這一專業(yè)實際問題，課堂上在簡諧慣性力激勵下系統(tǒng)響應這節(jié)中，以車輛系統(tǒng)為例進行了詳細的講解，但考試中相當一部分同學仍存在很多問題。究其原因，可能還在于從理論推導到實際應用還沒有很好的銜接。

綜合上述授課計劃、實際授課變動和課程考核等過程中體現(xiàn)的問題，在今后的教學中應該進一步對課程進行優(yōu)化，包括：

1.理論授課內(nèi)容的進一步優(yōu)選，尤其是加強數(shù)學方程與核心概念、概念與工程實際的聯(lián)系，這可能需要從補充、優(yōu)化教學內(nèi)容和教學手段等多方面入手。

2.實驗項目的優(yōu)化與補充：本次教學實踐中由于實驗條件有限，所有實驗項目都在轉(zhuǎn)子實驗臺上進行，這雖然有助于后續(xù)課程《動車組檢測與故障診斷》中相關(guān)概念的理解，但對《機械振動基礎(chǔ)》中的基礎(chǔ)概念如剛度、阻尼的理解涉及較少，后續(xù)教學中，應該創(chuàng)造相應的實驗條件，加強基礎(chǔ)概念理解這一環(huán)節(jié)的實驗內(nèi)容。

四、結(jié)語

《機械振動基礎(chǔ)》在機輛工程專業(yè)培養(yǎng)計劃中，起到了一定的承上啟下的作用，有助于學生理解車輛中的相關(guān)振動問題，也為相關(guān)動手實踐內(nèi)容提供了支撐。在綜合考慮專業(yè)培養(yǎng)目標和學分限制等因素下，通過一個學期的教學實踐總結(jié)與思考，更為清晰的了解了學生對本課程學習的特點以及今后教學中需要修正與改進的地方，包括理論授課內(nèi)容的優(yōu)選、實驗內(nèi)容的再優(yōu)化與補充、豐富教學手段、提高課堂教學的趣味性等多個方面。

參考文獻：

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[2]姜偉，孫月華，侯清泉，徐鵬.“機械振動基礎(chǔ)”課程的教學內(nèi)容改革與實踐，教育教學論壇，2015，2（6）：99-100

[3]韓維，柳文林.《機械振動》課程建設(shè)的探索與實踐，教育教學論壇，2016，10（41）：59-60

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