機械振動基礎課程教學模式改革

毛崎波 李奕下

摘? 要 針對目前機械振動基礎課程教學中存在的課堂教學效率不高、內容抽象、學生學習積極性有待提高等問題，通過教學大綱修訂、制定與工程實際發展相結合的教學內容、問題式導向的教育方法、實踐與期終結合的課程考核方式等一系列措施，對該課程的教學內容、教學手段和考核方式進行改革和創新。通過教學實踐，學生對該課程的學習興趣明顯提升，教學改革取得良好效果。

關鍵詞 機械振動基礎;教學改革;考核方式;MATLAB;教學模式

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：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

機械振動基礎課程作為南昌航空大學飛行器工程學院飛行器動力工程和飛行器設計專業本科生的一門重要的專業必修課，綜合了高等數學、大學物理、理論力學、材料力學等多門學科知識[1]，與航空航天領域的實際工程問題有著緊密聯系，教學內容主要包括振動的基本概念、離散振動系統的分析與控制方法，為解決航空領域的振動問題提供理論和方法基礎。

2 機械振動基礎課程教學中存在的問題

機械振動基礎課程要求學生能夠把振動理論應用于工程實際中。該課程有其特殊性：一方面，教學內容需要學生掌握和運用相關高等數學知識，如常微分方程求解、傅里葉級數、特征值問題等[2-3];另一方面，由于是為航空類專業開設的，因此，這門課程在講授基本振動力學理論的同時，必須與航空類專業的培養目標相適應，使學生在學習本課程之后能夠初步解決航空航天領域中的一些實際振動問題。根據多年的本科生機械振動基礎課程實際教學經驗，筆者總結出三點不足。

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和多自由度系統的強迫振動時，涉及大量的高等數學知識和公式推導;而且從課程安排上，由于其授課對象是大三學生，不少學生已經忘記一些大一時學的高等數學知識，因此在學習過程中普遍感到枯燥、乏味、抽象、難以理解，從而影響學習興趣和學習效果。

2）課程的工程應用性較強，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用可行性？這對沒有工作實踐的學生而言具有一定的難度，導致學生在短時間內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20分+期末考試80分）不太合理，導致學生實踐能力得不到恰當的考核。考慮到評價體系的標準性，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，使得考核方式強調知識點的掌握情況，而忽視了本課程的基本培養目標，即應用所學的機械振動基本理論來解決航空領域的一些實際的振動問題。

3 教學改革的對策與措施

制定與航空領域工程實際發展相結合的教學內容? 根據學科發展趨勢和學生實際情況，研究和參考國內外機械振動課程的有關教學，刪除原體系中的隨機振動和非線性振動課程內容，以航空領域的振動問題為出發點重組課程。新體系加強對機械振動學科的總體認識，改進機械振動的知識構架，提煉經典機械振動內容，拓展機械振動的主動控制等新方法的知識面。全面修訂教學大綱，并在2014屆學生的課程教學中開始執行。

建立傳統與現代相結合的教學方法? 多年教學實踐表明：采用傳統的“教師講，學生聽”的教學方法傳授書本內容，難以調動學生的學習積極性以及激發他們的學習熱情。本課程根據教學內容采用適當的教學方法，培養學生的分析能力、解決問題的能力以及職業能力。因此，在傳統講授機械振動基本理論的基礎之上，結合多種實踐性環節來加強對科學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、練習等）、多媒體教學、案例教學、專題研討、課后答疑等相結合的教學方法和手段，同時引入MATLAB軟件進行機械振動仿真計算，增強學生的學習興趣，有顯著的教學效果。具體的教學方法和手段如下。

1）案例討論教學。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實身邊耳熟能詳的小案例進行分析說明，生動形象的案例中融合了課程當中的多個振動概念以及理論知識點。如從張衡發明的地震儀、鐘表的振動、常見的揚聲器到航空發動機和直升機旋翼振動，從振動力學的角度說明振動問題對人們生活的重大影響。通過這些案例的學習，使得學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關注和強烈求知欲。同時，根據這些案例，結合相關領域的前沿動態，提出一些討論專題，讓學生根據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，從而促進學生系統查閱文獻的能力、文字編輯能力、語言表達能力，加深學生對相關知識的理解和把握。

2）問題式導向教學。在教學教改活動實踐中，針對本課程的一些特點（如先修課程多、基本概念復雜、學科交叉多、較強的工程應用背景等），自行創立問題式導向教學方法（如圖1所示）。問題式導向教學方法的核心思想是：學生針對某一生活或者工程領域中的振動問題，通過本課程學習，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生新的其他振動相關問題？學生在學習過程中需要授課教師在講解每一個劃分的內容之前提出問題、討論問題，從而帶動學生的學習興趣。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”“航空發動機如何隔振”等問題，從耳熟能詳的生活現象和航空領域問題自然轉到對振動問題的分析，這是問題式導向教學的第一步，即讓學生帶著問題學習相關振動知識。

在此基礎上，教師引導學生把問題提煉為振動力學模型，即通過討論練習，對所學知識進行強化并得到應用;在提出問題并建立振動力學模型的同時，引導學生應用之前所學的數學知識進行數學建模，同時應用MATLAB軟件進行求解，并進行工程上的可行性分析，從而讓學生把振動問題與所學專業、工程應用等方面進行融會貫通、學以致用。

結合教學內容開展學科前沿報告? 在原課程主要理論的基礎之上，補充和增加國內外最新的振動主動控制的內容。在課堂教學中增添振動問題在航空航天領域的工程應用實例，并逐年融入本教學隊伍的最新科研成果以及國內外振動領域的熱點問題，從而激發學生對該課程的興趣和思考。

同時，在課堂上和課后為學生開展結合課程教學內容的學科前沿報告，結合相關課程內容介紹機械振動學科前沿課題，如振動主動控制、飛行器壓電智能結構等研究熱點內容，引導學生的思維和研究興趣，激發很多學生的學習熱情;結合課程內容討論社會熱點問題，如聯系目前流行的可穿戴設備，結合可穿戴設備基于振動信號的傳感機理進行講授，讓學生感受課程的現實意義。

平時、實踐與期終結合的課程考核方式? 為鼓勵學生在平時課堂與實踐活動中的積極表現，在考核知識點的基礎上，重視學生的能力考核和平時考核，應用多樣化考核手段，推行教學全程考核法。將考試成績制定為平時成績、實踐成績和期末成績的加權平均，其中平時（課后作業、課堂表現）成績占20%，實踐成績占30%，期末成績占50%。在平時考核中，根據學生參與課堂活動的表現，包括提交的作業和案例分析報告、在課堂上所作的案例分析演示、參與互動討論等表現，綜合小組評分與教師評分給出成績;在實踐考核中，根據學生的獨立動手能力、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，使學生注重平時的學習，結合實際進行主動和獨立的思考，并培養其團隊合作意識與能力。

4 結語

針對南昌航空大學飛行器工程學院本科生機械振動基礎課程教學過程中存在的內容抽象、學生學習效率不高等問題，提出通過教學模式創新、理論與工程實際相結合、考核方式改進等措施，發掘一批優秀的、富有創造力的學生。例如：有部分學生通過本課程教學，考慮如何抑制飛機高速滑行時的擺振問題;有的學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意愿;有的學生撰寫了有一定質量的課程小論文[4]，發表在相關學術刊物上，這在地方高校的本科學生中還是比較少見的……通過教學改革，使學生擺脫學習的枯燥乏味，能夠學以致用，不但讓學生學習相關科學知識，而且進一步引導學生應用科學方法解釋和分析問題，培養學生的科學思想，從而提高學生的科學素質。

參考文獻

[1]路純紅，白鴻柏.提高《機械振動》課程教學效果的幾點思考[J].教育教學論壇，2012（26）：15-17.

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

[3]潘玉娜.機輛工程專業《機械振動基礎》本科課程教學實踐與思考[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].南昌航空大學學報：自然科學版，2016，20（3）：40-43.