新工科背景下機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)課程教學(xué)探索

王園

[摘? ? ? ? ? ?要]? 對(duì)機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及考核方式進(jìn)行探索。旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，訓(xùn)練其解決工程應(yīng)用中機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題的思維方式和方法，培養(yǎng)其自主研學(xué)和獲取知識(shí)的能力，并在教學(xué)過(guò)程中注重對(duì)學(xué)生正確價(jià)值觀的引導(dǎo)，實(shí)踐證明取得了一定的教學(xué)效果。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 機(jī)械振動(dòng);能力培養(yǎng);課程改革;教學(xué)模式

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）31-0108-02

一、前言

機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題，按照傳統(tǒng)的方式僅僅對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單的靜力校核在很多情況下已不能滿足要求，需要根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而掌握機(jī)械振動(dòng)知識(shí)是一個(gè)現(xiàn)代工程師所必須具備的能力。因此對(duì)工科專業(yè)尤其是機(jī)械相關(guān)專業(yè)的學(xué)生而言，機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)是一門非常重要的課程。

由于機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)是一門為設(shè)計(jì)高品質(zhì)機(jī)械工程實(shí)際結(jié)構(gòu)或機(jī)器提供必要的振動(dòng)理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院面向本院機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)本科生開設(shè)了這門課程，共有30個(gè)學(xué)時(shí)。機(jī)械振動(dòng)學(xué)是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)靜力學(xué)研究的進(jìn)一步拓展，研究機(jī)械系統(tǒng)的自由振動(dòng)特性和受激勵(lì)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并綜合運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等知識(shí)[1，2]，主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生解決工程應(yīng)用中振動(dòng)問(wèn)題的能力。

機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)這門課程講授的主要內(nèi)容包括單自由度振動(dòng)系統(tǒng)、多自由度振動(dòng)系統(tǒng)、連續(xù)體振動(dòng)系統(tǒng)，知識(shí)點(diǎn)多，理論性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)和力學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備有一定的要求，因此學(xué)習(xí)難度較高。且由于知識(shí)點(diǎn)連貫性比較強(qiáng)，部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中一旦不能很好地掌握知識(shí)點(diǎn)，在后面的學(xué)習(xí)過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)聽不懂

的現(xiàn)象，逐步喪失繼續(xù)學(xué)習(xí)的信心，從而達(dá)不到傳授知識(shí)的目的，更不要說(shuō)能力的培養(yǎng)以及對(duì)學(xué)生價(jià)值觀的塑造了。教學(xué)改革前的上課過(guò)程主要以PPT講授為主，輔助以板書的教學(xué)模式，但是教學(xué)效果不理想。

基于上面的原因，針對(duì)本課程的教學(xué)問(wèn)題，結(jié)合課程培養(yǎng)目標(biāo)，從四個(gè)方面指導(dǎo)教學(xué)改革：精心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;以機(jī)械振動(dòng)的知識(shí)為載體，講授解決工程應(yīng)用中出現(xiàn)的一些振動(dòng)問(wèn)題的思維方式和方法;通過(guò)多種方式培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究和獲取知識(shí)的能力;在教學(xué)過(guò)程中注重塑造學(xué)生正確的價(jià)值觀。

二、教學(xué)內(nèi)容和模式設(shè)置

愛因斯坦講過(guò)“大學(xué)教育的價(jià)值不在于記住許多事實(shí)，而在于訓(xùn)練大腦會(huì)思考”。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)特別發(fā)達(dá)的時(shí)代，許多知識(shí)可方便地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查找得到，因而愛因斯坦的這句話更值得我們深思。以前的教學(xué)過(guò)程側(cè)重于以傳授知識(shí)為目的，對(duì)更重要的能力培養(yǎng)和價(jià)值觀的塑造不重視。

因此，針對(duì)機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)這門課程，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革。

（一）理論教學(xué)

機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)所講授的內(nèi)容涉及機(jī)械振動(dòng)學(xué)的基本概念，單自由度振動(dòng)系統(tǒng)、多自由度振動(dòng)系統(tǒng)、連續(xù)體振動(dòng)系統(tǒng)的自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)的理論和工程應(yīng)用，具體講授的內(nèi)容包括：

單自由度振動(dòng)系統(tǒng)：?jiǎn)巫杂啥日駝?dòng)系統(tǒng)無(wú)阻尼（阻尼）自由振動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程的建立步驟、求解方法和自由振動(dòng)特性，簡(jiǎn)諧強(qiáng)迫振動(dòng)和周期強(qiáng)迫振動(dòng)的幅頻和相頻特性，主被動(dòng)隔振的隔振原理和幅頻、相頻特性以及非周期強(qiáng)迫振動(dòng)的求解方法。

二自由度振動(dòng)系統(tǒng)：二自由度振動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的建立方法，自由振動(dòng)的理論基礎(chǔ)、力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，不同坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)微分方程，無(wú)阻尼自由振動(dòng)的固有頻率和模態(tài)振型。

多自由度振動(dòng)系統(tǒng)：多自由度振動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的建立方法，自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)的理論基礎(chǔ)，力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的建立方法，多自由度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)自由振動(dòng)的共振頻率和模態(tài)振型，以及多自度振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

連續(xù)體振動(dòng)系統(tǒng)：桿縱向振動(dòng)、軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和梁橫向彎曲振動(dòng)微分方程的建立方法，自由振動(dòng)的理論基礎(chǔ)，力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的建立方法，自由振動(dòng)時(shí)共振頻率和模態(tài)振動(dòng)分析，梁橫向彎曲受迫振動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

課堂教學(xué)時(shí)既要講授知識(shí)點(diǎn)，更要注重講授解決問(wèn)題的思路和方法。因此在講授過(guò)程中多結(jié)合工程實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行講解，吸引學(xué)生的興趣，把具體的振動(dòng)理論公式和工程中的振動(dòng)問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，講述理論知識(shí)在工程應(yīng)用中的適用范圍;另外，在教學(xué)方式上選擇多種教學(xué)方式吸引學(xué)生的注意力，利用圖片、動(dòng)畫等方式把抽象的理論知識(shí)形象化，使學(xué)生更容易理解和掌握知識(shí)點(diǎn)，從而加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的印象。

如在講授連續(xù)體振動(dòng)系統(tǒng)梁彎曲自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)分析時(shí)，以貨車底板和船殼上大量使用的梁結(jié)構(gòu)為例，此結(jié)構(gòu)能夠提高貨車底板和船殼的剛度和強(qiáng)度，起到結(jié)構(gòu)輕量化的作用。在課件中向?qū)W生演示分別基于理論得到的解析解（利用MATLAB編程計(jì)算得到）和基于有限元軟件得到的數(shù)值解（利用ANSYS建模仿真得到），以動(dòng)畫和云圖的形式顯示給學(xué)生。相對(duì)于單純講解公式的推導(dǎo)過(guò)程，此種講授過(guò)程能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)此知識(shí)點(diǎn)的印象，從而達(dá)到讓學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的目的。更重要的是在演示過(guò)程中還可以培養(yǎng)學(xué)生解決振動(dòng)問(wèn)題的思維方式和方法。

此外在課堂教學(xué)時(shí)，要求學(xué)生課前進(jìn)行預(yù)習(xí)，并在課堂期間進(jìn)行有針對(duì)性的提問(wèn)，對(duì)回答正確的學(xué)生給予平時(shí)分加分，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生自主研究和獲取知識(shí)的能力。而對(duì)曠課的學(xué)生則扣減平時(shí)分，情節(jié)嚴(yán)重者不允許參加考試。

（二）軟件教學(xué)

由于機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)中單自由度系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)以及部分連續(xù)體系統(tǒng)通常可采用數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB和有限元軟件ANSYS進(jìn)行振動(dòng)問(wèn)題求解，因此講授基于軟件MATLAB和ANSYS的課件和程序很有必要。此教學(xué)過(guò)程中學(xué)生能夠更直觀地看到求解結(jié)果，并能培養(yǎng)學(xué)生解決機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題的思維方式和方法，以及自主研究和獲取知識(shí)的能力[3，4]。

在利用這些軟件進(jìn)行教學(xué)時(shí)，通過(guò)在課堂上演示MATLAB的M文件編制的程序和ANSYS建立的模型，計(jì)算從單自由度振動(dòng)系統(tǒng)到多自由度振動(dòng)系統(tǒng)以及連續(xù)體振動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)容，讓學(xué)生了解利用不同軟件編制程序的方法和步驟，培養(yǎng)利用所學(xué)到的軟件對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行研究分析的能力。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)教學(xué)環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于將理論知識(shí)和工程實(shí)際進(jìn)行結(jié)合，鞏固學(xué)生所學(xué)到的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，并有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要利用頻譜分析儀、加速度傳感器、功率放大器、力錘等實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容則選擇兩個(gè)典型的知識(shí)點(diǎn)：鋼板的固有頻率測(cè)試和利用同一塊鋼板不同位置進(jìn)行振動(dòng)互易性原理測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備演示，然后再指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作。實(shí)驗(yàn)演示時(shí)主要講解實(shí)驗(yàn)的基本原理、實(shí)驗(yàn)儀器的工作原理以及詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范，并規(guī)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式。隨后讓學(xué)生分組進(jìn)行操作，每4人一組，一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求每個(gè)人獨(dú)立完成，另一部分內(nèi)容則要求小組合作完成，并明確具體的實(shí)驗(yàn)分工。

三、考核方式和成績(jī)?cè)u(píng)定

本課程綜合采取多種考核方式，包括期末考試、平時(shí)表現(xiàn)、大作業(yè)和實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的最終成績(jī)包括試卷成績(jī)、平時(shí)成績(jī)、大作業(yè)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)四部分。所采取的考核貫穿整個(gè)課程教學(xué)過(guò)程，其中試卷成績(jī)、平時(shí)成績(jī)、大作業(yè)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)分別占總成績(jī)的50%、20%、15%、15%。具體如下。

期末考試：根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)置考試內(nèi)容，注重評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度及解決問(wèn)題的能力，考核形式為閉卷考試。

平時(shí)表現(xiàn)：主要評(píng)價(jià)學(xué)生的出勤率和課堂表現(xiàn)，即課堂回答問(wèn)題的積極程度和正確程度。

大作業(yè)：主要側(cè)重于考核學(xué)生對(duì)利用MATLAB和ANSYS軟件解決工程應(yīng)用問(wèn)題的能力，考試內(nèi)容為通過(guò)MATLAB編程和ANSYS建模求解單自由度振動(dòng)系統(tǒng)、多自由度振動(dòng)系統(tǒng)的解，并相互驗(yàn)證結(jié)果;為防止學(xué)生出現(xiàn)互相抄襲的現(xiàn)象，可設(shè)置剛度或質(zhì)量與每個(gè)學(xué)生的學(xué)號(hào)有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)：評(píng)價(jià)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作的完成度、正確度，實(shí)驗(yàn)后報(bào)告的內(nèi)容正確度;評(píng)測(cè)學(xué)生的動(dòng)手能力、理論和實(shí)際相結(jié)合的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

四、教學(xué)效果

本次教學(xué)改革的對(duì)象為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)兩個(gè)班的本科生。通過(guò)上述一系列教學(xué)改革，學(xué)生無(wú)論在知識(shí)點(diǎn)的掌握上，還是在能力的培養(yǎng)上都得到了提高。具體表現(xiàn)在：學(xué)生的期末考試成績(jī)相對(duì)于往屆有了明顯的提升，上課時(shí)能夠主動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中，實(shí)驗(yàn)報(bào)告和大作業(yè)能夠很好地完成。特別是授課時(shí)結(jié)合一些MATLAB和ANSYS軟件計(jì)算仿真的動(dòng)畫、云圖等結(jié)果，學(xué)生能夠更直觀形象地學(xué)習(xí)理論知識(shí)，不再面對(duì)一些如公式和定理等枯燥理論知識(shí)，明顯提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度。由于這些動(dòng)畫和云圖，在軟件教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生上課的積極性有了很大的提高，許多學(xué)生積極嘗試?yán)肕ATLAB和ANSYS軟件分別計(jì)算課后作業(yè)題，初步具備應(yīng)用這些工具解決工程中振動(dòng)問(wèn)題的思維方式，以及主動(dòng)利用網(wǎng)絡(luò)和圖書館等資源解決作業(yè)中遇到的問(wèn)題。另外在教學(xué)環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)術(shù)道德的重要性，從而引導(dǎo)學(xué)生形成正確的價(jià)值觀。

五、結(jié)論

綜上所述，針對(duì)機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)這門課程理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)難度高等問(wèn)題，改變以傳授知識(shí)為目的的傳統(tǒng)教學(xué)方式，通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及考核方式的改革和探索，訓(xùn)練學(xué)生解決問(wèn)題的思維方式和方法，培養(yǎng)其自主研學(xué)、獲取知識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，并在教學(xué)過(guò)程中注重對(duì)學(xué)生進(jìn)行正確價(jià)值觀的引導(dǎo)。最終使學(xué)生能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展時(shí)代對(duì)其能力的要求。但隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，需要不斷利用先進(jìn)的教學(xué)理念，結(jié)合各種不同的教學(xué)手段，使機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)的教學(xué)效果越來(lái)越好。

參考文獻(xiàn)：

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編輯 馮永霞