基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“振動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)改革探索

李海艷 李延強(qiáng) 于衛(wèi)霞 田瑞蘭

摘?要：培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是高等教育的重要使命，教學(xué)內(nèi)容的革新與優(yōu)化是影響大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵因素。本文基于“振動(dòng)力學(xué)”課程，開(kāi)展學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容改革探索。首先分析“振動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題;然后通過(guò)引入最新工程實(shí)際案例、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)值模擬等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新內(nèi)容、新成果和新思想，更新課程內(nèi)容;最后通過(guò)應(yīng)用前后兩屆學(xué)生成績(jī)對(duì)比，驗(yàn)證了應(yīng)用效果。本文的探索培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，以及運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)力學(xué);教學(xué)改革;應(yīng)用效果;創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：O32??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

當(dāng)今世界正處在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，各行各業(yè)在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，越來(lái)越依賴于人才的創(chuàng)新能力，創(chuàng)新已成為國(guó)家和民族興旺發(fā)達(dá)的動(dòng)力之源。高等教育肩負(fù)著傳承知識(shí)、培養(yǎng)人才、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展的重任，培養(yǎng)和造就推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新型人才，是時(shí)代發(fā)展賦予高等教育的重大歷史使命[1]。課堂教學(xué)仍是目前我國(guó)高等教育的最主要形式，教學(xué)內(nèi)容的質(zhì)量直接影響著大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力必須從課堂教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容改革入手。

本文基于“振動(dòng)力學(xué)”課程，通過(guò)優(yōu)化課程內(nèi)容，進(jìn)行學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和提高的探索實(shí)踐。“振動(dòng)力學(xué)”通過(guò)數(shù)學(xué)、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等方法，探討各種振動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理，闡明振動(dòng)的基本規(guī)律，為解決實(shí)踐中可能產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題提供理論依據(jù)。“振動(dòng)力學(xué)”是力學(xué)專業(yè)本科生的主干課程之一，也是一門(mén)與機(jī)械、航空、航天、土木等工程密切聯(lián)系的技術(shù)基礎(chǔ)課。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以全面地認(rèn)識(shí)工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)規(guī)律，而且有助于認(rèn)識(shí)自然和工程中的振動(dòng)現(xiàn)象，培養(yǎng)正確分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，有助于培養(yǎng)辯證唯物主義的世界觀和方法論，并為解決工程振動(dòng)問(wèn)題和從事科學(xué)研究工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]。

1?“振動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)存在的問(wèn)題

我校工程力學(xué)本科專業(yè)“振動(dòng)力學(xué)”課程理論授課學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)，主要授課內(nèi)容包括單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)、多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)、振動(dòng)問(wèn)題的實(shí)用近似解法、連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)。單自由度體系的振動(dòng)是多自由度體系振動(dòng)和連續(xù)系統(tǒng)振動(dòng)的基礎(chǔ)，多自由度體系振動(dòng)的核心內(nèi)容是振型的概念以及振型疊加法，連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)是多自由度系統(tǒng)振動(dòng)的延伸。工程中多數(shù)振動(dòng)問(wèn)題可采用線性振動(dòng)理論解決，所以，本科階段對(duì)“振動(dòng)力學(xué)”知識(shí)的掌握對(duì)學(xué)生未來(lái)解決工程振動(dòng)問(wèn)題或從事科學(xué)研究意義十分重大。

“振動(dòng)力學(xué)”課程理論繁雜，公式推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，要求學(xué)生具有很好的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法過(guò)于偏重理論知識(shí)的傳授，普遍存在以下幾方面的問(wèn)題：（1）學(xué)生對(duì)于“振動(dòng)力學(xué)”中大量的物理概念缺乏直觀、形象的認(rèn)識(shí)，課堂講解缺乏實(shí)驗(yàn)的參與，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。（2）教學(xué)模式單一，理論與工程實(shí)踐聯(lián)系不夠緊密，缺少大量與實(shí)際工程相關(guān)的案例，因而無(wú)法激發(fā)學(xué)生在工程振動(dòng)問(wèn)題應(yīng)用上的興趣。（3）“振動(dòng)力學(xué)”學(xué)習(xí)過(guò)程中理論計(jì)算與數(shù)值模擬的對(duì)比分析不夠，學(xué)生利用大型有限元軟件分析解決“振動(dòng)力學(xué)”問(wèn)題的能力有待提高[3]。

針對(duì)上述問(wèn)題，在“振動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)中引入實(shí)驗(yàn)方法、工程實(shí)際案例、數(shù)值模擬等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新成果、新思想和新手段，可有效提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力的高素質(zhì)創(chuàng)新型力學(xué)人才[4]。

2?“振動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)改革

理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)值計(jì)算相結(jié)合，不但是力學(xué)發(fā)展的規(guī)律，也是增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效果的必然選擇。因此，“振動(dòng)力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容有必要與實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)際及工程應(yīng)用軟件相結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[5]。

2.1?教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)結(jié)合

“振動(dòng)力學(xué)”課程工程背景強(qiáng)、物理意義明確，將理論講解與試驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力以及獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力，為將來(lái)從事科學(xué)研究和工程服務(wù)奠定基礎(chǔ)[6]。

以單自由度系統(tǒng)受簡(jiǎn)諧激勵(lì)的幅頻特性曲線及其特征為例。單自由度系統(tǒng)對(duì)簡(jiǎn)諧激勵(lì)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為頻率等同于激勵(lì)力頻率而相位滯后于激勵(lì)力的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其幅頻特性曲線反映了幅值隨激勵(lì)力頻率和阻尼比的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)曲線的分析可以確定系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。由于曲線反映的規(guī)律不易理解，講解本部分內(nèi)容時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生動(dòng)手測(cè)出系統(tǒng)的速度幅頻特性曲線，并引入“半功率點(diǎn)”法確定系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。結(jié)合實(shí)驗(yàn)講解由幅頻特性曲線確定系統(tǒng)固有頻率和阻尼比的原理，學(xué)生易于接受，且對(duì)曲線變化規(guī)律的理解也更為深刻。通過(guò)實(shí)驗(yàn)還可讓學(xué)生接觸到“振動(dòng)力學(xué)”實(shí)驗(yàn)相關(guān)的試驗(yàn)儀器，比如振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀、激振器、拾振器等，掌握這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作技能。

2.2?教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際結(jié)合

“振動(dòng)力學(xué)”所討論的問(wèn)題多數(shù)來(lái)源于工程實(shí)際，教學(xué)內(nèi)容中適當(dāng)引入工程案例的講解，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和討論，有助于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，達(dá)到提高學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的[7]。

以“減震與隔振”內(nèi)容的講解為例。學(xué)生先要明確振動(dòng)有其有利的一面，也有其有害的一面，為避免或減少振動(dòng)的不利影響，工程上常采用隔振的方法，具體做法是在振動(dòng)物體和研究對(duì)象間加入一些墊層，以使振動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)不能完全傳遞到研究對(duì)象上。結(jié)合本部分內(nèi)容，引入工程案例：某車(chē)間屋頂上裝有一臺(tái)通風(fēng)機(jī)，如下圖1（a）所示，風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)振動(dòng)強(qiáng)烈，電機(jī)多次燒毀、零部件損壞、廠房開(kāi)裂、環(huán)境惡化。要求分析原因，并采取有效措施進(jìn)行改善。

拋出問(wèn)題后首先引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題的癥結(jié)，即缺少相應(yīng)的隔振措施。通過(guò)分組討論和提問(wèn)的方式，讓學(xué)生各抒己見(jiàn)，發(fā)表個(gè)人的看法并制定可行的改善措施。最后公布案例采用的方案：安裝公共機(jī)架，增加機(jī)架質(zhì)量;用減振器支承機(jī)架，隔離機(jī)架與屋頂鋼架。改造后風(fēng)機(jī)布置如圖1（b）所示。（1）改造后振幅減為原來(lái)的1/3;（2）零部件不再意外損壞;（3）振幅降低，耗電減為原來(lái)的70%;（4）由于添加了減震器，振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲明顯減小，環(huán)境大大改善。如此，可以有效激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓學(xué)生明白利用所學(xué)知識(shí)可以切實(shí)解決現(xiàn)實(shí)工程中的問(wèn)題，達(dá)到學(xué)以致用。

2.3?教學(xué)內(nèi)容與工程軟件結(jié)合

目前，有限元軟件的應(yīng)用已成為科學(xué)研究和工程計(jì)算的必要手段。Matlab和Ansys是我校工程力學(xué)專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的兩門(mén)軟件必修課程，將“振動(dòng)力學(xué)”中的知識(shí)點(diǎn)提取出來(lái)，讓學(xué)生用有限元軟件進(jìn)行分析，并與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的領(lǐng)悟，對(duì)學(xué)生實(shí)際操作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)大有裨益。

以簡(jiǎn)支梁固有頻率和模態(tài)計(jì)算為例。某簡(jiǎn)支鋼梁計(jì)算跨度l=10m，截面為工字型，截面面積A=11.225×10-3m2，截面慣性矩I=4.5685×10-4m4，要求學(xué)生用“振動(dòng)力學(xué)”知識(shí)計(jì)算該簡(jiǎn)支梁的固有頻率和模態(tài)，同時(shí)采用有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，并將理論計(jì)算結(jié)果與軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。本題理論求解結(jié)果為：固有圓頻率表達(dá)式ωi=iπl(wèi)2EIρA，模態(tài)函數(shù)φi（x）=siniπl(wèi)x，其中，i=1，2，3…表示階數(shù)，E為鋼材彈性模量，ρ為鋼材密度。我校工程力學(xué)專業(yè)本科生多數(shù)同學(xué)選用Ansys進(jìn)行建模，前四階固有頻率理論與模擬結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表1，有限元模擬的前四階模態(tài)見(jiàn)圖2。

本題有限元建模過(guò)程考察了學(xué)生對(duì)所學(xué)軟件的應(yīng)用能力，同時(shí)通過(guò)圖2模態(tài)可以更直觀地了解簡(jiǎn)支梁前四階模態(tài)形式。由表1對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，低階頻率誤差較小，高階頻率誤差較大，可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)于低階頻率，數(shù)值分析完全可以滿足精度的要求。

3?應(yīng)用效果分析

“振動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)結(jié)合實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)際案例和數(shù)值模擬在2017級(jí)1、2班共56名學(xué)生中進(jìn)行了應(yīng)用，得到了學(xué)生的認(rèn)可。問(wèn)卷調(diào)查得知：學(xué)生總體較滿意的比率占到了約90%;學(xué)生認(rèn)為自己理論聯(lián)系實(shí)踐能力得到提高的比率為65.5%，分析解決問(wèn)題能力得到提高的比率為776%，自主學(xué)習(xí)能力得到提高的比率為72.8%，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到提高的比率為69.3%。將應(yīng)用前后的2016級(jí)與2017級(jí)學(xué)生成績(jī)分析對(duì)比于表2。由表可知，2017級(jí)學(xué)生成績(jī)總體優(yōu)秀率提高1%，良好率提高21.83%，中等率提高218%，不及格率下降10.72%，學(xué)生總體成績(jī)明顯提高。

可見(jiàn)，通過(guò)“振動(dòng)力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容的革新與優(yōu)化，可有效提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，增加教師和學(xué)生間、學(xué)生和學(xué)生間的互動(dòng)性，有效促進(jìn)了學(xué)生發(fā)散思維能力和協(xié)作交流能力的培養(yǎng)，提高了教學(xué)質(zhì)量，取得了良好的效果。

結(jié)語(yǔ)

教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)，一門(mén)課程教學(xué)內(nèi)容的完善需要通過(guò)教學(xué)實(shí)踐不斷錘煉，應(yīng)結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷增補(bǔ)新內(nèi)容，敢于嘗試新方法。本文以學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，探索了我校工程力學(xué)專業(yè)“振動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容的改革方法。將“振動(dòng)力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程實(shí)際及工程軟件相結(jié)合，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍了課堂氣氛，充分踐行了“以學(xué)生為中心”的教育理念，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。但教學(xué)改革永遠(yuǎn)在路上，有關(guān)“振動(dòng)力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面的改革探索仍需持續(xù)推進(jìn)。

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基金項(xiàng)目：河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“面向工程基于創(chuàng)新能力與思政素質(zhì)提升的基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐”（編號(hào)：2020GJJG170）;石家莊鐵道大學(xué)高等教育教學(xué)研究項(xiàng)目“‘一流專業(yè)’建設(shè)背景下一般院校工程力學(xué)專業(yè)改革與實(shí)踐”（編號(hào)：Y20202）;河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的力學(xué)課程改革研究”

作者簡(jiǎn)介：李海艷（1984—?），漢族，河南商丘人，工學(xué)博士，石家莊鐵道大學(xué)工程力學(xué)系副教授，教學(xué)副主任。